内在废物成分的协同作用：富含钙的蛋壳废物能够调节真菌-细菌微生物组，从而选择性地促进中链脂肪酸的生成

《Bioresource Technology》：Intrinsic waste component synergy: calcium-rich eggshell waste modulates fungal-bacterial microbiome toward selectively medium-chain fatty acid production

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作者名单：向莉|程双兰|王新杰|顾霞|徐显宝|段旭|薛刚|皮奥特·奥莱斯科维奇-波皮埃尔|徐家杰|刘斌|刘志宏|周爱娟|雅切克·马基尼亚

研究机构：华东大学环境科学与工程学院国家纺织工业污染防治与控制环境保护工程技术中心，中国上海人民北路2999号，邮编201620

摘要

通过真菌与细菌的协同作用将废物流转化为中链脂肪酸（MCFAs）的过程经常受到底物竞争和不同生态位的影响。本研究表明，蛋壳废物可作为生物调节剂，优化这种协同作用以促进己酸的生产。在20克/升的添加量下，蛋壳促进了高产量的己酸生成（22.3±1.3克COD/升），这得益于现场提供的乙醇（11.3±1.9克COD/升）。该添加剂建立了稳定的微生态位，显著丰富了酵母（Wickerhamomyces、Candida和Issatchenkia，占69.2%）和延长链的细菌（CEB、Caproiciproducens和Clostridium_sensu_stricto_12，占10.2%），宏基因组学分析证实糖酵解和反向β-氧化途径得到了上调。此外，在糖分匮乏的阶段，酵母与CEB之间的乙醇交叉喂养协同作用可能会受到干扰。共培养实验显示，8克/升的Ca²⁺可以缓解真菌与细菌之间的竞争，并促进CEB的功能。本研究提出了一种废物转化策略，利用废物本身的协同性来优化真菌与细菌的相互作用，从而实现基于内源性乙醇的己酸生产。

引言

中链脂肪酸（MCFAs，C₆-C₈）可以通过Kolbe反应升级为生物燃料，这被视为化石燃料的潜在替代品（Wang等人，2024年）。最近，通过延长链反应（CE）从废物流中回收MCFAs引起了广泛关注（Qiang等人，2026年；Yin等人，2024年）。通常需要特殊的延长链细菌（CEB）和还原电子供体（ED）来驱动这一过程，但几乎所有CEB本身都无法利用废物流产生内源性ED（Wang & Yin，2022年）。因此，将废物流高效转化为己酸依赖于CEB与功能互补的微生物之间的协同作用。

真菌与细菌的协同作用为原位生成电子供体（如乙醇）提供了有前景的策略。最近的一项研究通过接种真菌-细菌协同组合实现了乙醇（6.0克COD/升）和己酸（5.8克COD/升）的同时生产（Li等人，2024年）。然而，Wang等人（2024年）和Wu等人（2024年）报告称，尽管产生了乙醇（0.9–9.8克COD/升），但己酸的产量仍然较低（1.5–3.2克COD/升），尤其是在使用Saccharomyces cerevisiae的情况下。这种不一致性可能是由于微生物对栖息环境的偏好不同（例如pH值）以及底物利用过程中的相互作用机制尚不明确所致。开发平衡真菌与细菌之间合作关系的策略对于稳定生产己酸至关重要。

有机废物的发酵通常伴随着严重的酸化现象（Luo等人，2020年）。然而，传统的碱添加方法仅能提供阶段性调节（Xu等人，2022年），无法满足酵母和CEB的pH需求。相比之下，蛋壳被认为是一种稳定的pH调节剂（Luo等人，2020年）。蛋壳已广泛应用于甲烷（Xiao等人，2023年）、氢气（Pachapur等人，2017年）和短链脂肪酸（SCFAs）的生产（Luo等人，2020年）的调节中。然而，在CE过程中，生物气生成与SCFAs的生产存在竞争关系，而SCFAs既是竞争产物也是必需的前体（Wu等人，2019年）。蛋壳对真菌-细菌微生物组的影响尚未得到充分研究，特别是在电子供体的生成和利用方面。

目前的研究主要集中在缓冲功能上，忽视了Ca²⁺对微生物活性的调节作用。Ca²⁺可通过增加质膜H⁺-ATP酶的活性来促进乙醇的生产（Dong等人，2021年）。此外，Ma等人（2016年）发现，加入CaCO₃后生产谱可以从乳酸转向乙醇，表明Ca²⁺可能在乙醇生产中起积极作用。然而，Ca²⁺也可能与SCFAs发生絮凝作用，而SCFAs是CE过程中的电子受体（Wu等人，2022年）。此外，高浓度的Ca²⁺会导致细胞损伤（Luo等人，2020年）。总体而言，Ca²⁺在指导CE过程和调节真菌-细菌合作中的作用仍需进一步研究。

本研究评估了蛋壳添加量对MCFAs生产的影响，并通过分析发酵途径研究了添加机制。通过16S、ITS和宏基因组测序揭示了细菌与真菌之间的相互作用机制。最后，进一步探讨了Ca²⁺对CE过程的调节作用。本研究为调节真菌-细菌微生物组提供了新的见解，成功实现了通过内源性乙醇供应生产MCFAs的目标。

部分摘录

底物与接种物

食品废物（FW）和废弃蛋壳来源于上海华东大学的食堂。FW的初始总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量分别为0.40±0.002克/克和0.38±0.001克/克。收集到的FW被粉碎并稀释至70克COD/升，然后储存在4℃下。废弃蛋壳干燥后被磨成粉末。接种物——富含有机和细菌的干酵母（DY），来自中国湖北省的一家酿酒厂。

蛋壳添加显著增强了已酸的产量

己酸的最高产量达到了22.3至24.9克COD/升（当蛋壳添加量为20克/升时），这一结果显著高于对照组（0.8±0.3克COD/升）和EG-10组（1.1±0.1克COD/升）（图1A）。另外值得注意的是，在最初的六天内，己酸的产量相对较低（<0.3克COD/升）。这些结果表明，适量的蛋壳添加有助于系统的启动和适应阶段，期间CE活性逐渐提高。

结论

添加废弃蛋壳有助于调节细菌-真菌的相互作用，以生产己酸，解决了内源性乙醇供应不足的问题。20克/升的蛋壳添加量成功地实现了由内源性乙醇驱动的己酸生产（22.3±1.3克COD/升）。蛋壳的添加不仅改善了发酵环境，还丰富了关键酵母和延长链细菌的种群。纯共培养实验表明，Ca²⁺可能在调节这一过程中发挥重要作用。

CRediT作者贡献声明

向莉：验证、监督、研究、资金获取。程双兰：撰写初稿、研究、正式分析、概念构思。王新杰：研究。顾霞：方法学研究、数据处理。徐显宝：撰写、审稿与编辑、监督。段旭：验证、研究。薛刚：验证、资源协调、研究。皮奥特·奥莱斯科维奇-波皮埃尔：撰写、审稿与编辑、验证、研究。徐家杰：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52570149和52200170）和上海市科学技术委员会（编号23YF1417800）的财政支持。

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