29种来自生物精炼工艺水的化合物对G. oxydans生长的影响

摘要分析29种工艺水化合物对Gluconobacter oxydans的抑制毒性，发现官能团和疏水性显著影响毒性，验证其生物精炼处理潜力。

　　

詹姆斯·L·阿代尔（James L. Adair）|艾米·S·吴（Amy S. Wu）|布兹·巴斯特（Buz Barstow）|吉莉安·L·戈尔德法布（Jillian L. Goldfarb）

康奈尔大学生物与环境工程系，美国纽约州伊萨卡市Wing Drive 111号，邮编14853

摘要

生物质转化技术，如热液处理、酸预处理和发酵，会产生含有大量有机化合物的工艺废水。与厌氧消化相比，好氧消化是一种更快且更有效的工艺水处理方法，这有助于满足这些生物质转化技术的规模化需求。醋酸菌Gluconobacter oxydans因其在不完全柠檬酸循环中氧化醇类生成酸的能力而受到关注。目前，G. oxydans已被应用于具有明确输入条件的成熟工业生物过程中，相关研究主要基于特定的前体和产物。在含有呋喃和酚类化合物的生物精炼工艺废水中，关于这些化合物对G. oxydans独特代谢途径的毒性机制的研究尚未开展。在本研究中，我们分析了热液碳化和液化工艺废水中存在的29种具有不同结构和官能团的化合物，以确定G. oxydans对这些化合物的耐受性。研究发现，呋喃衍生物上的额外官能团会增加毒性；而酚类化合物的脂溶性也可能增加毒性，这可能是由于它们在细胞膜上的积累所致。存在于这些化合物中的环状结构通常是活性氧的生成源，有机酸由于其较低的pKa值而表现出更大的酸胁迫作用。通过对这些化合物及其浓度的研究，我们可以为生物精炼过程的设计提供依据，从而更好地了解在何种情况下G. oxydans可以作为好氧消化过程的合适选择。

引言

Gluconobacter oxydans属于醋酸菌家族。该菌具有不完整的柠檬酸循环，通过依赖吡咯喹啉醌的脱氢酶将醇类氧化为具有工业价值的化合物，例如作为维生素C前体的2-酮-L-古洛糖酸、用于无晒黑产品的二羟基丙酮以及基础化学品葡萄糖酸。在这些化学合成过程中，G. oxydans能够将原始培养基转化为有价值的化学品。然而，G. oxydans也应用于一些要求较低、但压力较大的场景，例如作为生物采矿中的浸出剂，作为比强酸提取更环保的替代方案。我们团队的最新研究表明，G. oxydans可以部分处理食物废物热液处理后的残余水相以生产生物燃料。鉴于这些应用的新颖性，关于G. oxydans抑制作用的相关文献相对较少，而关于其工艺优化研究的文献较多。

废水和工艺废水来源于多种来源，从城市污水到工业废水，每种水源都含有不同的化学成分。这些废水中含有多种微生物胁迫因子，而G. oxydans>因其能够在广泛的底物上生长并快速氧化目标化合物而受到关注。2022年，一种单培养的G. oxydans微生物燃料电池被用于处理城市废水，成功降低了32%的化学需氧量，并产生了81 mW/m2的电力。我们的研究还表明，G. oxydans能够在含有有机酸和呋喃衍生物的生物精炼工艺废水中存活。当热液处理温度为310°C时，G. oxydans>可以耐受高达50%的工艺废水替代率，且在替代率为25%时生长仍有所改善。不过，工艺废水的成分会因生物质原料、反应温度、压力和反应时间而有所不同。

针对G. oxydans的抑制作用研究通常针对特定工业过程中的单一或少数几种化合物进行。例如，Stasiak-Ró?ańska等人（2014年）研究了从甘油生产二羟基丙酮的过程，发现50-70 g/L的原料浓度下生长最佳，但在30 g/L的产品浓度下代谢受到抑制，70 g/L时细胞无法分裂。Eyles和Warth（1989年）发现，山梨酸和苯甲酸在pH 3.8时的最低抑制浓度约为1 g/L，这说明G. oxydans>能够耐受酸胁迫（因此即使有防腐剂存在也能导致食品变质）。Zhou等人（2019年）研究了基于生物质预处理的抑制剂，测试了包括呋喃、醛类和醋酸在内的6种化合物，发现随着剂量的增加生长速度会不同程度减缓，但葡萄糖酸的产量相对稳定。在另一种醋酸菌Acetobacter aceti中，添加酚类也会产生类似的效果，即生长受到抑制，但在足够长的时间内总醋酸产量保持不变。这些研究提供了关于某些潜在生物质基抑制剂的作用机制的见解，但由于分析范围有限，难以进行跨类比较。

鉴于G. oxydans的代谢多样性和对化学复杂环境的耐受性，它是一种有前景的微生物，可用于处理热液处理产生的水相副产物。特别是热液液化（HTL）过程中产生的富碳水相（PW）中含有多种氧合物、含氮化合物和潜在抑制剂，处理这一废水在技术和经济上都具有挑战性。虽然常建议采用厌氧消化方法，但其较慢的转化速率意味着需要更大的消化池来处理HTL产生的大量废水。一些技术经济分析表明，现有的PW处理方法（如厌氧消化、催化热气化）会增加运营成本，并使系统集成变得复杂，即使HTL与废水处理厂或精炼厂共址也是如此。尽管HTL基燃料的最低销售价格（MFSP）比化石燃料高出10%至150%，但利用PW中的碳资源仍有可能提升其商业化潜力。

虽然我们之前的工作证明了使用食物废物衍生热液处理废水作为G. oxydans培养基替代物的可行性，但要广泛推广这一想法，需要了解该菌对各种潜在PW化合物的耐受性。否则，将每种生物质原料的废水逐一与G. oxydans进行配对测试将是一项繁重的任务。因此，为了进一步发展这种集成热化学-生物精炼概念，我们测试了29种不同HTL废水中化合物在广泛浓度范围（0.5 – 25,000 ppm）内的抑制作用，以了解不同化学结构和官能团对G. oxydans>生长的影响。这些信息有助于根据已知原料和处理参数预测G. oxydans的生长潜力。

方法与材料

选择29种化合物进行研究，是因为它们存在于HTL废水中，并涵盖了多种官能团（表1）。尽管生物精炼工艺废水成分复杂，但本次测试每种化合物仅使用一个样本，以避免实验矩阵过大。

使用的聚丙烯96孔板（PlateOne）包含8行，每行12个孔，孔外边缘填充了150微升的超纯水以防止水分流失。

结果与讨论

生物精炼过程可能产生需要后续处理的含碳废水。通过测试这些废水中存在的29种化合物对G. oxydans>的影响，我们评估了利用这种细菌处理废水的潜力，从而将其碳资源转化为比其他修复方法更具价值的微生物产品。

结论

本研究评估了29种与生物精炼过程相关的化合物在富酵母蛋白胨甘露醇培养基中不同浓度下对Gluconobacter oxydans>生长的影响。总体而言，研究结果揭示了某些化合物类别为何比其他化合物更具抑制性的结构-反应模式，并表明G. oxydans>能够耐受低水平的木质纤维素降解产物。

作者贡献声明

布兹·巴斯特（Buz Barstow）：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹措。 吉莉安·L·戈尔德法布（Jillian L. Goldfarb）：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹措、概念构思。 詹姆斯·阿代尔（Adair James）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。 艾米·吴（Amy Wu）：撰写初稿、方法设计、实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了美国农业部-NIFA Sun Grant（项目编号20-38502-32916，东北地区子项目S006552-USDA）以及康奈尔大学Atkinson Venture Fund的支持。