《Biochemical Engineering Journal》：Simultaneous syngas fermentation and chain elongation by an adapted dark fermentation microbiome
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本研究针对合成气生物转化过程中产物单一、需添加外源电子供体及有机碳源等难题，创新性地从产氢暗发酵体系中富集和驯化了一个开放微生物组。研究人员成功实现了无需额外有机碳源、电子供体和化学抑制剂的条件下，微生物组同步进行合成气发酵与链延长，将合成气（H2/CO/CO2）和单一CO高选择性地转化为中链羧酸盐（MCCs，如己酸和戊酸）。在1.6 atm压力下，CO和H2消耗速率最高，MCCs选择性达72.7%。微生物群落分析揭示了优势功能菌群（如Haloimpatiens, Clostridium sensu stricto 12, Citrobacter）在驱动合成气固定与碳链延长中的关键作用。该工作为利用混合微生物组从无机气体（CO2/CO）高效合成高值化学品提供了经济、可持续的新策略。
在追求可持续发展和碳中和的全球背景下，如何将工业废气（如合成气）或温室气体（如CO2）高效转化为高附加值的燃料和化学品，是生物技术领域的前沿挑战。合成气（主要成分为H2、CO和CO2）是一种可由生物质、城市固体废弃物或工业尾气通过气化得到的重要平台气体。利用微生物将其转化为短链（SCCs，C1-C4）和中链羧酸盐（MCCs，C5-C12）是一条极具潜力的绿色转化路径。这些羧酸盐不仅是重要的化工原料，还可进一步升级为燃料或聚合物单体。
然而，这条看似光明的道路却布满荆棘。传统的合成气生物转化通常采用纯菌培养，但纯菌体系易受污染、操作成本高、生长条件苛刻，且产物通常局限于乙酸、乙醇等C2化合物。为了生产更长的碳链，往往需要额外“喂给”微生物有机碳源（如乙醇、乙酸）或电子供体，并添加昂贵的维生素、辅因子来“补充营养”，同时还需使用化学抑制剂来“镇压”消耗产物的产甲烷菌。这一系列操作不仅增加了工艺复杂性和成本，也偏离了利用无机碳源、实现真正“从无到有”碳固定的初衷。此外，合成气中的H2和CO在水中溶解度极低，导致气液传质效率差，成为制约微生物高效利用合成气的关键瓶颈。面对这些挑战，一个核心问题应运而生：能否找到一个“多才多艺”且“自力更生”的微生物团队，在不依赖任何外部有机“补给”和化学“保姆”的情况下，直接高效地将合成气“组装”成更有价值的中链化学品？
近期发表在《Biochemical Engineering Journal》上的一篇研究给出了肯定的答案。来自墨西哥圣路易斯波托西科学研究所环境科学部的研究团队Paulina Nú?ez-Valenzuela等人，从一个神奇的“产氢工厂”——以乳清为底物的连续搅拌釜式厌氧发酵反应器中，发现并成功驯化了一个天然的微生物“梦之队”。这个源自暗发酵的开放微生物组，本身就富含同型产乙酸菌，且因前期的热处理而天然抑制了产甲烷菌活性。研究人员通过巧妙的压力调控和气体适应性培养，让这个微生物团队掌握了“同步合成气发酵与链延长”的联合技能，成功将合成气甚至单一CO转化为了己酸和戊酸，实现了从无机碳到中链碳化合物的高效、高选择性一步合成。
为开展此项研究，作者运用了几个关键技术方法。首先，微生物组的获取与驯化源自一个以乳清为底物的产氢连续搅拌釜式反应器，并通过周期性注入H2和提供无机碳源（NaHCO3）进行长期自养适应性培养。其次，通过批次发酵实验，系统评估了不同压力（1.0-1.6 atm）对合成气（H2/CO/CO2混合气）和单一CO发酵过程中气体消耗动力学及羧酸盐产物谱的影响。最后，利用基于纳米孔测序技术的16S rRNA全长基因测序，对原始暗发酵菌群、驯化后菌群以及在不同气体条件下发酵后的微生物群落结构进行了全面的分析，并通过统计方法探究了关键菌属与发酵性能之间的相关性。
3.1. 微生物组驯化
研究人员从一个产氢暗发酵反应器中获取微生物组，该体系因使用高负荷乳清和不同水力停留时间，已富集了同型产乙酸菌。随后，在H2氛围和无机碳源中进行了为期数月的适应性培养。结果显示，驯化后的微生物组在无外源有机碳条件下，能够产生乙酸、丁酸和己酸。在第二阶段的适应性培养中，将pH从5.5升至5.9后，己酸产量显著增加，表明链延长过程得到增强。这表明，原始的暗发酵微生物组可以通过调控条件，成功转向利用无机碳源并具备链延长能力。
3.1.1. 驯化微生物组的同型产乙酸和氧化碳营养活性
为验证驯化菌群直接利用气体的能力，研究人员进行了合成气和单一CO发酵实验。结果显示，该微生物组能够消耗合成气中的CO2和H2，以及单一CO，并将其转化为以己酸为主的羧酸盐，碳平衡分析证实了气体碳向有机碳的有效转化。整个过程中未检测到甲烷，证明了该体系在不添加化学抑制剂的情况下天然抑制了产甲烷作用。
3.2. 压力对合成气发酵的影响
3.2.1. 合成气消耗动力学
在1.0 atm的常压条件下，合成气消耗微乎其微，表明过程受限于气液传质。随着压力升高至1.2、1.4和1.6 atm，H2、CO和CO2的消耗速率显著增加。在1.6 atm条件下，观察到最高的CO (0.23 mmol/h) 和H2(0.08 mmol/h) 消耗速率。研究表明，提高系统压力是克服H2和CO低溶解度瓶颈、增强其微生物可利用性的有效策略。
3.2.2. 羧酸盐生产
压力不仅影响气体消耗，还显著改变了产物谱。在1.2和1.4 atm下，产物以短链羧酸盐（SCCs，主要是乙酸）为主，选择性分别高达76.6%和86.6%。而在1.6 atm的高压下，产物选择性戏剧性地转向了中链羧酸盐（MCCs，戊酸和己酸），选择性达到72.7%。这表明更高的压力（尤其是更高的CO分压）为微生物提供了更充足的还原力和ATP（通过CO氧化产生），从而促进了将乙酸等前体进一步延长碳链的代谢途径。
3.3. 一氧化碳发酵
研究还测试了微生物组以CO为唯一碳源和能源的能力。在1.2 atm的50% CO气氛中，微生物组成功消耗了CO，并主要产生了己酸（27.4 mM）、戊酸（9.4 mM）和少量乙酸，MCCs总选择性达81%。尽管CO的净去除率（16-21%）和生物量增长较低，但该结果证明了驯化微生物组具备氧化碳营养代谢能力，能够将有毒的CO转化为有价值的MCCs，而无需H2或其他电子供体的辅助。
3.4. 微生物群落组成分析
微生物群落分析揭示了不同条件下菌群结构的动态变化。原始的暗发酵菌群以Lacticaseibacillus、Clostridium sensu stricto 1和Caproiciproducens为主。经过驯化并在不同压力下进行合成气发酵后，菌群结构变得高度一致，主要由Haloimpatiens(57.7–78%) 和Clostridium sensu stricto 12(10.5–20.2%) 主导，这两个菌属被证实与合成气发酵和链延长相关。而在单一CO发酵条件下，菌群结构发生显著变化，Citrobacter（一种已知的氧化碳营养细菌，能够通过水煤气变换反应氧化CO）成为绝对优势菌属（占39.7%），而Haloimpatiens的相对丰度下降。Spearman相关性分析进一步表明，Haloimpatiens与戊酸生产速率和CO消耗呈强正相关，Clostridium sensu stricto 1和12与CO消耗正相关，Citrobacter则与己酸生产速率正相关。这清晰地表明，气体底物的组成塑造了功能微生物群落，而不同的功能菌群分工协作，共同驱动了从合成气/CO到中链羧酸盐的完整转化链条。
本研究成功地从产氢暗发酵体系中驯化出一个功能强大的开放微生物组。该微生物组能够在无需外源有机碳、电子供体、维生素及产甲烷抑制剂的情况下，实现合成气发酵与链延长的高效耦合。将系统压力提升至1.6 atm是突破传质限制、最大化CO和H2消耗速率（分别达0.23和0.08 mmol/h）并引导代谢流高效转向中链羧酸盐（选择性72.7%）的关键操作策略。更引人注目的是，该微生物组仅利用CO作为唯一碳源和能源，也能高选择性地（81%）生产己酸和戊酸。微生物生态学分析证实，Haloimpatiens和Clostridium sensu stricto 12是驱动合成气条件下链延长的核心菌属，而Citrobacter则在CO单独发酵中扮演了关键的CO氧化者角色。这些发现不仅阐明了一个复杂开放菌群中跨物种协同固定无机碳并合成中链产品的微观机理，更重要的是，它提供了一条比纯培养或需要复杂补料的混合培养体系更为经济、 robust（鲁棒）且可持续的工艺路线。该工作为利用工业废气或捕获的CO2进行生物制造开辟了新视野，代表了朝向实现真正“碳中和”生物精炼迈出的坚实一步。未来的研究可聚焦于通过反应器工程（如膜生物膜反应器）进一步强化气液传质，并优化工艺条件以提升产物滴度和生产强度，推动该技术向实际应用迈进。
