《Journal of Environmental Management》：The threshold of aeration intensity in micro-oxygen lactic acid fermentation and the underlying microbial mechanisms
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本研究系统量化微氧曝气强度阈值及微生物机制，以最大化未经处理混合农业废弃物（猪粪与苹果渣）中乳酸酸（LA）产量。通过梯度曝气（0-2000 mL/L/d）发现，1000 mL/L/d时LA产量达峰值23.1 g/L，微生物群落呈现Lactobacillus优势（52%）与水解菌（如Clostridium_sensu_stricto_1）动态平衡。过量曝气引发碳竞争和呼吸耗散，抑制LA合成。
曹启涛|尹福斌|连天静|周丹龙|蔡洋洋|魏小曼|孙佳欣|董洪民
中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京，100081，中国
摘要
本研究的独特贡献在于系统地量化了最佳曝气强度阈值及其潜在的微生物机制，以最大化从未经处理的混合农业废弃物中生产乳酸（LA）的产量。微氧曝气可以提高低成本农业废弃物的乳酸产量，但其效果强烈依赖于曝气强度。本研究使用猪粪和苹果废弃物作为原料，通过微氧共发酵生产乳酸，并系统地研究了曝气强度（0-2000 mL/L/d）对乳酸合成效率和微生物群落结构的影响。结果表明，曝气强度显著影响了乳酸生产和碳源代谢途径。最佳微氧曝气强度（即产生最高乳酸浓度峰值23.1 g/L的曝气强度）确定为1000 mL/L/d。适度的微氧曝气促进了乳酸菌（Lactobacillus）的优势（52%），而过度曝气则使微生物群落向水解细菌（如Clostridium_sensu_stricto_1、Terrisporobacter）转变，这导致了碳竞争加剧和潜在的呼吸作用耗散，最终降低了乳酸产量。这些发现确定了从农业废弃物中最大化乳酸产量的最佳曝气窗口，并提供了关于微生物调控机制的见解，为精确控制高价值废弃物转化过程中的微生物群落动态提供了理论基础，从而推动了环境管理和碳中性有机酸生产的可持续生物工艺的发展。
引言
乳酸（LA）是一种存在于许多生物系统和天然产品中的有机酸，在食品、制药、化妆品和皮革工业中得到广泛应用。2022年，全球乳酸市场达到了31亿美元，预计从2023年到2030年的年增长率约为8.0%（Grand View Research，2022年）。乳酸的微生物生物合成代表了一种高度可持续的代谢途径，有助于实现全球碳中和目标。这主要是因为该途径不产生二氧化碳排放，并具有完美的原子经济性（Li等人，2021年）。基于此，全面的生命周期评估证实了这一过程的环境可行性，特别是在利用木质纤维素生物质时（Munagala等人，2021年）。由于微生物发酵具有环境友好性、高转化率和易于产物分离的特点，它占据了全球乳酸产量的约90%（Carpinelli等人，2020年）。传统上，富含淀粉的作物一直是基于发酵的工业的主要原料，包括乳酸生产。市场对乳酸的大量需求引发了人们对大规模利用可食用作物可能对食品安全造成的威胁的担忧。因此，低成本和可再生的有机废弃物资源（如农业残留物（Ren等人，2022年）和食物废弃物（Song等人，2024年）已成为下一代原料，引起了广泛的研究关注。一个关键挑战在于这些有机废弃物中难以降解的木质纤维素结构，需要预处理和水解才能释放可发酵的糖类。只有经过这一步骤后，乳酸菌才能将这些糖类代谢为乳酸。提高这些难降解原料的水解效率对于实现高产量的乳酸发酵至关重要。
微氧条件代表了厌氧环境和好氧环境之间的独特界面，为厌氧和兼性好氧微生物提供了生态位（Nguyen和Khanal，2018年）。大多数水解微生物都是兼性的，在厌氧和好氧条件下都能保持酶活性。在氧气有限的情况下，兼性微生物由于能量产出较高而更倾向于进行好氧呼吸，从而增强了酶活性和水解速率。研究表明，在传统的厌氧发酵系统中引入控制性的曝气可以将水解效率提高11.4%，甲烷产量提高19.6%（Yang和Deng，2020年）。Wang等人（2025年）发现，在厌氧消化池中进行间歇性微氧曝气可以氧化异化铁还原产生的Fe(II)，形成Fe(III)/Fe(II)循环并生成细胞外活性氧（ROS），从而增强含酚废水的厌氧处理效果。对于以乳酸生产为目标 的发酵系统，微氧曝气已被证明可以有效提高乳酸产量。通过限制乳酸向挥发性脂肪酸（VFAs）的代谢转变，乳酸产量增加了19.1%。微生物群落分析进一步显示，微氧条件重塑了微生物群落，其中双歧杆菌（Bifidobacterium）显著增殖——这是一个有利于高效乳酸生物合成途径的属（Cao等人，2022年）。虽然低水平氧气对乳酸菌的刺激作用已被概念上认可，但由于缺乏精确的操作设定点，其在未经处理的混合农业废弃物中的应用仍然具有挑战性。微氧曝气的有效性高度依赖于曝气强度。本研究假设微氧曝气强度与乳酸产量之间存在抛物线关系。最佳曝气窗口预计源于兼性水解细菌驱动的水解增强与乳酸菌优势促进的乳酸持续积累之间的平衡。超过这一窗口会导致微生物群落向更多水解细菌转变，从而加剧碳竞争和呼吸作用耗散，最终降低乳酸产量。最近的研究表明，低至中等的微氧曝气通过改善水解和促进有益微生物的选择性富集显著提高了食物废弃物中的乳酸产量（Yang等人，2026年）。正如在UASB系统中所示，电子受体的选择性在调节微生物代谢和降解新兴污染物方面起着关键作用，强调了精确调控氧化还原条件的必要性（Azizan等人，2022年）。尽管微氧曝气的针对性应用已被证明有效——例如在红三叶草的生物转化中（Liao等人，2025年）——但氧剂量的精确优化往往被忽视。实际上，最近一项评估当前乳酸生产技术的综述强调了系统解决操作挑战的必要性，特别是缺乏明确的曝气强度梯度（Rahman等人，2025年）。微氧曝气的有效性仍然高度依赖于曝气强度。然而，对不同曝气强度的系统研究——特别是对未经处理的混合农业废弃物中最佳曝气强度窗口及其潜在微生物群落变化的定量识别——仍然有限。
本研究通过定量评估未经处理的猪粪和苹果废弃物共发酵过程中不同微氧曝气强度（0-2000 mL/L/d）的梯度，确定了最大化乳酸产量的最佳曝气窗口，并揭示了潜在的微生物群落动态和功能机制。这些努力旨在解释乳酸生产中的微氧调控机制，并为其精确控制提供理论基础。
部分内容摘录
原料和接种物
猪粪来自北京的一个养猪场，苹果废弃物则来自北京当地的农产品市场。乳酸菌（LAB）接种物包括保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）。接种物储存在-80°C的超低温冷冻柜中，并在MRS培养基（Solarbio Life Sciences，北京，中国；纯度≥99%）中于42°C下预培养36小时。
不同微氧曝气强度下乳酸浓度的变化
图1A显示了在不同微氧强度下猪粪和苹果废弃物共发酵产生的乳酸浓度变化。所有处理组表现出相似的趋势，在发酵的第2天达到了第一个乳酸浓度峰值（14.2-16.9 g/L）。这一初始峰值是由微生物快速利用底物中易水解的碳水化合物所驱动的。随后，随着微生物向木质纤维素的转化，代谢途径发生了变化。
结论
本研究通过量化曝气梯度对乳酸生物合成的决定性影响，超越了传统的关于乳酸菌耐氧性的认识。通过未经处理的猪粪和苹果废弃物的共发酵，定义了一个精确的曝气窗口以最大化产量，从而获得了23.1 g/L的乳酸峰值浓度。最佳微氧曝气强度（即产生最高乳酸浓度峰值的曝气强度）为1000 mL/L/d，这与抛物线响应一致。
CRediT作者贡献声明
曹启涛：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。尹福斌：撰写——审阅与编辑、监督、研究、概念化。连天静：方法学、研究。周丹龙：撰写——审阅与编辑、方法学。蔡洋洋：研究。魏小曼：研究。孙佳欣：研究。董洪民：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢所有同事在本研究期间提供的建议和支持。本工作得到了国家自然科学基金（编号：32372938）、农业部中国农业研究系统和MARA（编号：CARS-35-10B）、农业科技创新计划（编号：CAAS-ASTIP）以及国家生猪技术创新中心（编号：NCTIP-XD/B09）的支持。
