氢气在厌氧菌群己酸合成代谢中的调控机制解析

Caproic acid is a kind of medium chain fatty acids (MCFAs) and can be easily separated due to its low water solubility. As a high-added value product, caproic acid have been widely used in various fields such as energy, chemical industry and food. The caproic acid biosynthesis from organic wastes via anaerobic microbial consortia is considered to be a very promising and sustainable technology for energy and resource recovery. However, the enhancement of biosynthesis efficiency is an urgent problem to be solved. Hydrogen has a significant impact on caproic acid via via anaerobic microbial consortia, but the relevant researches are not systematic and thorough. Hence, in this project, the fermentation control strategy, based on hydrogen as regulatory factor and potential electron donor, is investigated to enhance caproic acid production. Moreover, in order to elucidate the ecological mechanism of hydrogen regulation, the succession of microbial community structure and the growth of caproic acid-producing bacteria under different hydrogen pressure are studied by PCR-DGGE, clone libraries and quantitative PCR. Besides, the metabolic mechanism of hydrogen regulation on caproic acid production via anaerobic microbial consortia are multidimensionally revealed on the levels of key enzymes, cofactors and functional gene transcription. The research results in this project can contribute to enrich the connotation of caproic acid biosynthesis, which also can promote the technological development for energy and resource recovery from organic wastes.

己酸是一种中链脂肪酸，附加值高且易于纯化，已广泛应用于能源、化工及食品等多个领域。利用厌氧菌群将有机废弃物转化成己酸等中链脂肪酸被认为是一种非常有潜力的新型资源化回收技术，但是其合成效能的提高是目前亟待解决的关键问题。研究发现，氢气会显著影响厌氧菌群的己酸合成效能，但是目前相关研究并不系统和深入。有鉴于此，本项目探索通过氢气作为调控因子和潜在电子供体以强化厌氧菌群己酸合成的控制策略；并借助PCR-DGGE技术、克隆文库以及荧光定量PCR技术，研究不同氢分压调控下的微生物群落结构演替规律和产己酸菌生长规律，以阐释氢气对产己酸菌群的生态调控机制；然后进一步在关键酶、辅因子、功能基因表达等多维水平深入解析氢气对厌氧菌群己酸合成的代谢调控机制。研究成果有助于丰富和充实厌氧菌群高产己酸等MCFAs的内涵，从而进一步推动有机废弃物资源化技术的深层发展。

利用厌氧菌群将有机废弃物转化成己酸等中链脂肪酸被认为是一种非常有潜力的新型资源化回收技术，但是其合成效能的提高是目前亟待解决的关键问题。研究发现，氢气会影响厌氧菌群的己酸合成效能，但是目前相关研究并不系统和深入。因此本课题首先研究了氢分压对己酸合成效能的影响，并阐释了其作用机制。在此基础上，研究了有机废弃物两相法产己酸的发酵效能，并对其调控机制进行了解析。主要结论如下：.（1）在较低的氢分压下，乙醇和丁酸会被降解成乙酸，从而限制了己酸的合成效率；而通过调控合适的氢分压能够显著提升己酸的合成效能；但是过高的氢分压会对己酸发酵过程造成抑制，乙醇积累明显。.（2）厌氧菌群比活性随着己酸合成逐渐升高，且在氢分压为0.5atm时比活性最大，说明ATPase活性和产己酸效能之间存在一种正相关关系，而氢分压对其有一定的调控作用。.（3）氢分压对厌氧产己酸过程中的微生物群落结构有一定的影响。PCR-DGGE结果表明空白对照、0.33atm以及0.5atm氢分压下的微生物群落结构变化并不显著，这说明三种工况下的代谢表现差异并不能主要归结于微生物群落结构的变化；而在氢分压为1atm和0.66atm时，优势微生物的多样性显著增加，这也许是厌氧菌群代谢表现发生变化的原因之一。.（4）在有机废弃物两相己酸发酵过程中，第一相产酸相的接种比调控非常关键。在最优接种比下，可以获得充分的底物降解率和更多的乙酸产量，从而为后续产己酸相的高效合成提供基本条件。.（5）在有机废弃物两相己酸发酵过程中，Clostridium kluyveri是产己酸相的主导功能微生物。通过调控醇酸比和pH能够显著强化其生长过程，进而提高了碳链延伸效能，并减少了副产物的产生。己酸合成是非生长偶联型，主要生成于Clostridium kluyveri生长的中期和后期。.（6）筛选出能够特异性吸附己酸的离子交换树脂D201，其能够在发酵过程中有效减轻己酸的酸毒性，进一步提升了己酸合成效能，累积产量达到了27.47g/L。