《Bioresource Technology》：Modeling thermophilic syntrophic VFA oxidation using thermodynamic principles: Insights from enrichment cultures
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本研究比较了传统ADM1模型与热力学约束模型M_Th在含高氨和热力学条件下的表现，发现后者通过减少经验参数并强制热力学可行性，显著提升了参数可识别性和生长收益的合理性。实验数据表明，M_Th能更精确预测SAOB及其协同菌（SPOB、HM）的动力学行为，但半饱和常数仍存在不确定性。研究揭示SAOB无法通过底物氧化直接产生ATP却仍能生长，提示存在未充分认识的代谢途径（如替代电子传递或能量保守机制）。该成果为高温高氨条件下的协同乙酸氧化过程提供了验证参数范围，并证实热力学约束对ADM1型模型优化的重要性。
Sahak Yeghiazaryan|Gabriel Capson-Tojo|Jean-Philippe Steyer|Maria Westerholm|Nicolas Bernet|Simon Labarthe|Elie Desmond-Le Quemener
法国国家农业食品与环境研究院（INRAE），蒙彼利埃大学，LBE实验室，102 Avenue des étangs，F-11100 纳博讷
摘要
在厌氧消化过程中，高浓度的氨和嗜热条件会抑制产乙酸甲烷菌的活动，从而促进挥发性脂肪酸的共生效应氧化。然而，在著名的ADM1模型中，并没有包含挥发性脂肪酸的共生效应氧化过程。在这项研究中，我们利用专门的富集实验数据，估算并验证了共生效应氧化乙酸的细菌（SAOB）及其相关共生菌（共生效应氧化丙酸的细菌（SPOB）和产氢甲烷菌（HM）的代谢参数。共生效应之间的相互作用受到热力学的限制，需要各微生物之间紧密合作才能实现甲烷生成。因此，我们将基于ADM1的经典模型（MAMD1）与一个考虑热力学限制的改进模型（MTh）进行了比较；后者直接根据热力学原理估算生长产量和抑制作用。两种建模方法均成功获得了参数估计结果，但MTh模型具有更多优势：它减少了经验参数的数量，并通过确保热力学可行性提高了参数的可识别性，尽管半饱和常数（KS的不确定性仍然较高。分析还发现，与SPOB和HM不同，SAOB无法仅通过底物氧化产生ATP，但仍能实现生长。这一矛盾表明可能存在某些未被充分理解的代谢途径（例如替代的电子传递机制或能量守恒机制）。总体而言，本研究为嗜热和高氨条件下的共生效应微生物提供了经过验证的参数范围，并展示了在ADM1型模型中引入热力学约束以提高模型稳健性的价值。
引言
生物质生物转化产生的沼气是化石燃料的可持续替代品（Pantaleo等人，2013年；Viancelli等人，2019年）。在厌氧消化（AD）过程中，有机底物被厌氧微生物转化为消化产物和富含甲烷的沼气，后者分别可用作肥料和多功能可再生能源（2019年）。
厌氧消化过程包括四个阶段：水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成（Meegoda等人，2018年；Wanget等人，2009年）。在水解阶段，复杂的有机物质（如蛋白质、脂肪和碳水化合物）被分解为氨基酸、脂肪酸或寡肽等简单分子（Heukelekian，1958年）。在酸生成阶段，这些化合物进一步转化为丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸（VFA）或醇类（Gujer和Zehnder，1983年）。随后，乙酸生成菌将中间产物氧化为乙酸和H2或甲酸。在最后的甲烷生成阶段，乙酸、甲酸和H2被转化为甲烷（McCarty和Smith，2002年；McInerney和Bryant，1981年）。
甲烷的产生途径有两种：一种是产乙酸甲烷菌通过直接分解乙酸生成甲烷；另一种是产氢甲烷菌利用H2或甲酸还原CO2生成甲烷（Boone等人，1989年；Hattori等人，2001年；Panet等人，2016年）。在富含蛋白质的底物（如食物废弃物）中，蛋白质水解会产生高浓度的氨，这会抑制某些微生物（尤其是产乙酸甲烷菌）的生长（Capson-Tojo等人，2020年；Chenet等人，2014年；Rajagopalet等人，2013年；Westerholm等人，2011年）。产乙酸甲烷菌活性的下降会导致乙酸积累，可能引发反应器酸化并导致工艺失败。在这种情况下，共生效应氧化乙酸的细菌（SAOB）可以将乙酸氧化为CO2（Schnürer和Nordberg，2008年；Westerholm等人，2011年）。释放出的电子以H2、甲酸的形式传递，或通过种间电子转移（DIET）传递给产氢甲烷菌（HM），后者将其还原为甲烷（Hattori等人，2001年；Schink，1997年；Westerholm等人，2019年，2011年）。从嗜温条件向嗜热条件转变时也会观察到这种从产乙酸甲烷菌向产氢甲烷菌的转变（Wett等人，2014年），这可能是由于产乙酸甲烷菌对温度的敏感性以及高温下NH3/NH4+平衡的变化，导致游离NH3增加从而增强抑制作用。在标准条件下，挥发性脂肪酸的氧化在热力学上是不利的，只有在H2或甲酸浓度足够低时才能进行（Dolfing，2014年；Scholten和Conrad，2000年；Westerholm等人，2019年）。这需要产氢微生物和消耗氢的微生物之间的紧密耦合，这种合作定义了共生效应，也突显了热力学在调控这些过程可行性和动力学中的关键作用。然而，即使共生效应氧化乙酸的过程建立起来，其较低的能量产出也会限制SAOB的生长速率，可能导致乙酸积累，进而减少甲烷产量，在极端情况下甚至引发酸化和甲烷生成抑制。因此，准确表征SAOB及其受热力学和动力学限制的机制对于在这些条件下建模、操作和控制厌氧消化器至关重要。
生物过程建模有助于做出预测和假设，从而指导工艺优化和实验设计。在现有的厌氧消化模型中，ADM1模型最为知名且应用广泛。虽然该模型最初是为污水处理厂中的污泥消化开发的（Batstone等人，2002年），但经过适当修改后也可用于描述其他底物的消化过程（Antonopoulou等人，2012年；Mo等人，2023年）。这可以通过重新校准某些参数或修改模型结构来实现（例如添加新的反应过程和状态变量）。在ADM1的默认版本中，仅考虑了通过产乙酸甲烷菌途径将乙酸转化为甲烷。当将ADM1应用于食物废弃物消化建模时，敏感性分析表明乙酸摄取参数是影响模型预测效果的关键因素（Zhao等人，2019年）。进一步的研究表明，在嗜温（Capson-Tojo等人，2021年；Yanget等人，2020年）或嗜热（Montecchio等人，2017年；Rivera-Salvadoret等人，2014年；Wett等人，2014年）条件下，引入共生效应氧化乙酸的机制可以显著提高模型预测准确性。然而，在之前的研究中，尚未根据高氨条件下的SAOB及其共生菌的专门实验数据来确定相关参数，因此预测结果不够稳健。
由于挥发性脂肪酸的共生效应氧化接近热力学平衡，因此在建模过程中考虑热力学因素非常重要。在ADM1模型中，使用经典的Monod方程来描述底物消耗的动力学过程。然而，该方程无法准确描述接近热力学平衡的反应（Hoh和Cord-Ruwisch，1996年；Jin和Bethke，2003年）。通过计算吉布斯自由能并利用其估算生长产量和潜在抑制作用，可以将热力学原理纳入模型（Kleerebezem和Van Loosdrecht，2010年）。已有研究将热力学原理应用于共生效应氧化丙酸的细菌（SPOB）的建模（Patón和Rodríguez，2019a），但据我们所知，尚未有研究将热力学原理整合到同时包含SAOB和HM的微生物群落模型中。
在本研究中，我们对SAOB及其相关共生菌（SPOB和HM）进行了建模。参数估算和验证基于之前在嗜热条件下使用丙酸或乙酸培养的富集反应器数据。通过富集培养，我们能够专注于一个特征明确的微生物群落，降低厌氧消化的复杂性，从而提高参数估算的可靠性。为了确定最合适的建模方法，评估了多种类似ADM1的模型变体，包括经典的ADM1公式和基于热力学的改进版本，并从预测准确性、参数分布和不确定性等方面对其性能进行了比较。
实验数据用于校准和验证
本研究使用了Singh等人（2023年）提供的实验数据（图1）。接种物来源于一个处理食物废弃物的工业规模沼气反应器（Westerholm等人，2020年）。微生物群落在连续搅拌反应器（CSTRs）中培养，这些反应器以丙酸或乙酸作为唯一的能量和碳源。反应器在嗜热条件（52°C）下运行，培养基中含有丙酸和乙酸（浓度约为0.3 M）。
不含热力学的模型
在本研究中，首先使用基于ADM1的模型（MADM1）分析了其在描述先前从共生效应氧化乙酸和丙酸的富集实验中获得的性能数据方面的能力（Singh等人，2023年）。结果表明，MADM1模型在BProp_Ac和BProp_Prop实验数据上的拟合度（GOF）良好（详见补充材料）。
结论
在这项研究中，我们开发并评估了一个考虑热力学限制的模型（MTh），用于描述挥发性脂肪酸的共生效应氧化过程，扩展了传统的ADM1模型。通过直接根据热力学原理推导生长产量和抑制函数，该模型具有多项明显优势。在定量方面，MTh在所有关键代谢物的预测性能上与ADM1模型相当（以平均绝对误差（MAE）衡量），同时所需参数更少。
未引用的参考文献
Patón和Rodríguez，2019年；Patón和Rodríguez，2019年；Processes，I.T.G. for M.M. of A.D.，2005年；Jain，2019年；Westerholm等人，2018年。
CRediT作者贡献声明
Sahak Yeghiazaryan：撰写初稿、可视化处理、实验设计。
Gabriel Capson-Tojo：撰写、审稿与编辑、方法学设计。
Jean-Philippe Steyer：撰写、审稿与编辑、方法学设计。
Maria Westerholm：撰写、审稿与编辑、资源协调。
Nicolas Bernet：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念框架制定。
Simon Labarthe：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法学设计、概念框架制定。
Elie Desmond-Le Quemener：撰写、审稿与编辑、项目监督。
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
感谢法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）的MICA部门和DIGIT-BIO项目为Sahak Yeghiazaryan提供的博士奖学金，同时感谢诺和诺德基金会（资助编号NNF23OC0081830）对Maria Westerholm的研究资助。
