《Journal of Biotechnology》：Effect of Mn2? levels on caproic acid production during anaerobic fermentation using ethanol and butyric acid as co-substrates
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刘龙龙 | 沈英梦 | 杨森 | 吉晓峰 | 陈正刚 | 朱纪英
山东工业大学农业工程与食品科学学院，淄博，255000，中国
摘要
作为酶的辅因子、抗氧化剂和细胞结构的稳定剂，Mn2?对微生物的生长、代谢和环境适应至关重要。在本研究中，我们考察了不同Mn2?浓度在厌氧发酵过
刘龙龙 | 沈英梦 | 杨森 | 吉晓峰 | 陈正刚 | 朱纪英
山东工业大学农业工程与食品科学学院，淄博，255000，中国
摘要
作为酶的辅因子、抗氧化剂和细胞结构的稳定剂，Mn2?对微生物的生长、代谢和环境适应至关重要。在本研究中，我们考察了不同Mn2?浓度在厌氧发酵过程中对己酸生成和微生物群落变化的影响，其中乙醇作为电子供体，丁酸作为电子受体。结果表明，0.5 mg/L的Mn2?浓度对己酸的生成没有显著影响，而1.0 mg/L的Mn2?浓度提高了发酵系统的还原能力并促进了种间电子转移。因此，己酸的产量和电子转移效率分别提高了31.7%和19.0%。此外，添加1.0 mg/L的Mn2?有效抑制了乙醇的过氧化，并富集了Desulfovibrio菌种，其相对丰度与己酸产量呈现正相关。相反，20.0 mg/L的Mn2?浓度富集了Bacteroidota菌群并促进了乙醇的过度氧化（EEO），导致乙酸产量增加了105.3%，而己酸产量减少了34.2%。
引言
中链脂肪酸（MCFAs）含有6–12个碳原子，是生产增塑剂、调味剂、粘合剂、食品添加剂和抗菌化合物的重要化学中间体。目前，它们主要通过石油裂解、植物油水解等传统方法提取（Sun et al., 2024）。碳链延伸（CCE）技术的发展为MCFAs提供了一种有前景的绿色合成途径，显著扩展了它们在新能源领域的应用潜力（Lou et al., 2024b）。己酸作为一种关键的MCFAs，因其多种应用而受到广泛关注，包括用作抗菌剂、食品和药品添加剂以及柴油和航空燃料的合成前体（Wu et al., 2019a）。
MCFAs的合成通常由短链脂肪酸（SCFAs）作为电子受体（EA）来催化，而还原剂提供电子供体（ED）以推动反应进行（Ning et al., 2024）。乙醇作为一种高效的ED，也可以通过处理有机和工业废水轻松回收。然而，生物方法在MCFAs合成方面面临诸多挑战，如缺乏有效的酶和菌株、低产量和底物利用率以及副产物成分复杂。这些因素使得产物分离和纯化变得困难，增加了成本，并阻碍了大规模生产。为了解决这些问题，研究人员开展了大量研究，重点探讨了微生物驯化、底物组成调整以及金属离子添加等策略（Lou et al., 2024b）。
锰（Mn）是正常生物功能所必需的营养元素，研究表明，锰通过与酶的活性位点特异性结合来增强酶的催化活性，从而改变蛋白质构象（Bai et al., 2021, Su et al., 2019）。最近，金属氧化物颗粒（如氧化锌、氧化锰和氧化铜）对厌氧消化的影响受到了广泛关注（García et al., 2012）。在厌氧消化系统中，氧化锰的存在作为EA会显著影响产甲烷微生物群落的结构。氧化锰通过自身作用或释放的离子直接影响产甲烷过程，并可能通过改变发酵产物的电子传递和吸收途径间接影响产甲烷菌群的活性和丰度（Tian et al., 2017）。一些研究表明，Mn2?浓度显著影响微生物活性和废水处理效率。例如，Xu等人（2022）发现添加5.0 mg/L的Mn2?可以提高化学需氧量（COD）的去除效率并增强脱氢酶和磷酸酶的活性。然而，Su等人（2020）指出，过高的Mn2?浓度会抑制细菌活性，当Mn2?浓度达到60.0 mg/L时，硝酸盐的去除率降低了81.4%。Cai等人（2018）系统研究了0.1–100 mg/L范围内Mn2?对水稻秸秆厌氧消化的影响，发现在1 mg/L的Mn2?浓度下甲烷产量最高。Xu等人（2024）评估了Mn2?对废水处理系统中污染物去除效率、微生物活性和群落结构的影响，结果显示5 mg/L的Mn2?浓度下去除效率最高，而20 mg/L的浓度对微生物具有毒性作用。Bai等人（2021）发现添加5.0 mg/L的Mn2?可显著提高反硝化速率，实现了95.0%的硝酸盐氮去除。这表明Mn2?通过调节微生物活性和群落结构来提高废水处理效率。表1总结了不同应用领域关于锰离子和氧化锰的研究。尽管上述研究表明Mn2?在许多厌氧消化领域具有积极作用，但其对己酸合成的影响尚未得到深入探讨。
为了确定最佳的Mn2?浓度以促进己酸的生成并研究其调控机制，本研究使用乙醇作为电子供体（ED）、丁酸作为电子受体（EA）进行了厌氧发酵。通过将Mn2?加入发酵系统，评估了Mn2?浓度对电子转移效率、选择性、碳分布和微生物群落的影响。本研究的结果旨在为工业规模的己酸生物生产提供 valuable 的见解。
章节片段
接种物和底物
接种物来自处理牛粪和秸秆混合物的中温厌氧消化器，存储温度为4°C。为了提高微生物的丰度和活性，在使用前将接种物在37°C下用10%（w/w）的培养基预适应六天。培养基包含每1000 mL去离子水中3 g牛肉提取物、10 g蛋白胨和5 g氯化钠。所需的培养基分三次等量加入接种物中，每次间隔两天。
底物和代谢产物浓度的变化
乙醇和丁酸的初始浓度分别为120.0 mmol/L和60.0 mmol/L。理论上，大约六分之一的乙醇会被转化为乙酸，通过底物磷酸化反应为CCE提供能量（Spirito et al., 2014）。因此，如果发酵系统中乙酸积累量超过20.0 mmol/L（1200 mg/L），则表明发生了乙醇的过氧化。
图1展示了整个发酵过程中的底物利用和产物生成情况。
结论
本研究使用乙醇和丁酸作为底物，探讨了不同浓度的Mn2?对己酸生成的影响。结果表明，0.5 mg/L的Mn2?浓度对己酸的合成没有显著影响。相反，1.0 mg/L的Mn2?浓度改善了发酵系统的还原条件，抑制了乙醇的过氧化，促进了Desulfovibrio的生长，并显著提高了己酸的产量。
资金支持
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
沈英梦： 数据整理与调查。刘龙龙： 文稿撰写——审阅与编辑，初稿撰写，数据整理，概念构思。吉晓峰： 监督。杨森： 监督。朱纪英： 文稿撰写——审阅与编辑，项目管理，资金筹集。陈正刚： 监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2024ME187）的支持。
