張艷艷,白佳喆,左劍惡,*

己酸菌富集及其利用餐廚垃圾產己酸的研究

張艷艷1,白佳喆2,左劍惡1,2*

(1.清華大學環(huán)境學院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 100084；2.清華大學深圳國際研究生院,廣東 深圳 518055)

采用批式發(fā)酵的方式,考察3種不同電子供體(乙醇、乳酸、乙醇和乳酸)對己酸菌的富集情況,進而選取產己酸最優(yōu)的混合菌,探究在不外加電子供體情況下,餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸的性能.結果表明:當以乙醇和乳酸共同作為電子供體時,己酸濃度可達(2303.06±499.56)mgCOD/L,產己酸效果最佳,并顯著富集到了3種碳鏈延長菌:12(16.04%±0.16%),(28.78%±0.15%),(2.32%±0.03%);將產己酸最優(yōu)的混合菌接種于餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵,己酸濃度最高可達(8657.36±996.21)mg COD/L,己酸產率為(230.05±26.47)mg COD/gVS,己酸選擇度為27.74%±3.19%.以上結果驗證了以乙醇和乳酸共同作為電子供體時對己酸菌具有明顯的富集作用,富集到的混合菌可有效用于餐廚垃圾的產己酸發(fā)酵,為餐廚垃圾的資源化利用提供了理論支撐.

電子供體；己酸；餐廚垃圾；厭氧發(fā)酵

己酸是含有6個碳原子的飽和中鏈脂肪酸,是重要的工業(yè)原料和能源物質的前體物質[1].在工業(yè)領域,己酸可用于生產動物飼料[2]、食品香料[3]、醫(yī)療藥物(如己酸孕酮)[4]等,是重要的生物基化學品.在能源領域,己酸可用于生產己烯和己烷等,用作汽車和飛機的燃料[5-6].目前,己酸的生產主要依賴于石油化工、天然動植物油脂提取,能耗大成本高[7].因此,探索一種經濟環(huán)保的己酸生產方式擁有廣闊的前景和現(xiàn)實意義.

近年來,一種利用碳鏈延長技術將有機廢棄物轉化為己酸的方式越來越受到研究者的關注.碳鏈延長技術的化學基礎是逆β氧化反應,即通過特定的碳鏈延長微生物以特定的能源物質作為電子供體,以短鏈脂肪酸作為電子受體,在生物酶的催化下,將短鏈脂肪酸延長為中鏈脂肪酸(6～12個碳原子)的技術[8-10].每進行一次逆β氧化,短鏈脂肪酸會被增加兩個碳原子.目前,可作為碳鏈延長反應的電子供體有很多,包括糖類、醇類、H2等,其中乙醇和乳酸是當前研究中最為成熟的兩種電子供體,它們通過兩步氧化生成乙酰輔酶A,作為逆β氧化反應中間體參與到碳鏈延長反應中去[11].另外,有研究表明,當乙醇和乳酸同時參與碳鏈延長反應時,可通過互相補充中間物、降低H2分壓、減少碳流失等方式來提高己酸產量[12].目前應用于己酸生成的有機廢棄物有很多,主要包括釀酒廢水、乳清廢水、木質纖維素、餐廚垃圾等[9].但是目前,大部分研究仍然依賴于外加電子供體來強化碳鏈延長反應的效果[13].

餐廚垃圾是一種極具資源化價值的有機廢棄物,厭氧消化產甲烷是目前餐廚垃圾最主要的的資源回收方式[14-15].由于厭氧消化產甲烷技術存在體系穩(wěn)定性差、產氣率低、經濟效益低等因素[16],越來越多的研究者致力于將餐廚垃圾通過碳鏈延長技術轉化為比甲烷具有更高附加值的己酸的研究[17-18].選擇合適的接種菌對于餐廚垃圾產己酸發(fā)酵具有關鍵作用,目前產己酸發(fā)酵的接種菌主要包括處理廢水的剩余污泥、窖泥、酒曲、酒糟等[19].然而,目前關于如何富集己酸菌研究鮮有報道.另外,現(xiàn)有餐廚垃圾產己酸的研究大多數依賴于電子供體的添加,如Roghair等[13]將餐廚垃圾水解酸化液作為底物,添加乙醇進行碳鏈延長反應,獲得了5.5g/ (L×d)的己酸產率.而在不外加電子供體條件下直接將餐廚垃圾轉化為己酸的研究較為少見.

因此,本研究首先以批式發(fā)酵的方式,考察3種不同電子供體(乙醇、乳酸、乙醇和乳酸)對己酸菌的富集情況,并評估其產己酸性能;根據不同電子供體產己酸效能和微生物群落分析結果,以期獲得產己酸效果最優(yōu)的混合菌并用于后續(xù)餐廚垃圾的產己酸發(fā)酵,探究在不外加電子供體的情況下,餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸的性能.本研究從接種菌源、不依賴電子供體、效能評估3個方面探究餐廚垃圾厭氧產己酸可能性,為餐廚垃圾新的資源化方式提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚垃圾取自山東省濟南市某餐廚垃圾處理廠,主要組分為米飯、蔬菜、肉類、油脂等,經過分揀、破碎、除油、稀釋等預處理后轉運至實驗室4℃保存.接種污泥取自該餐廚垃圾處理廠內長期用于厭氧消化產沼氣的厭氧消化罐,轉運至實驗室4℃保存.實驗過程中使用的配水為人工配置,其組份參考Leng等[20]的研究.餐廚垃圾和接種污泥的主要性質見表1.

表1 餐廚垃圾和接種污泥主要性質

1.2 實驗方案和方法

1.2.1 己酸菌富集 采用批式發(fā)酵方式,共設置9個有效容積為500mL的厭氧瓶,每三個為一組平行,分別添加乙醇+乙酸、乳酸+乙酸、乙醇+乳酸+乙酸三種不同組合的底物,底物濃度參考Wu等[7]得出的最佳底物濃度的結果,并接種相同濃度的厭氧污泥,置于35℃的空氣搖床中振蕩(120r/min),運行35d.在發(fā)酵過程中,當底物不足時,及時補充.每隔3d取一次樣品,用于后續(xù)發(fā)酵產物(揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、乳酸和乙醇)的檢測,并調節(jié)pH值為5.5±0.1.其具體的實驗設置和底物濃度見表2.

表2 實驗設置

1.2.2 微生物群落分析 選取1.2.1中第35d的9個樣品,對不同條件下富集的微生物群落進行分析,結合理化檢測結果,篩選用于后續(xù)作為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的接種物.采用FastDNA?SPIN Kit for Soil試劑盒提取發(fā)酵樣品DNA, 利用16S rRNA基因片段的通用引物(338F/806R)對16S rRNA片段的V3～V4區(qū)進行PCR擴增[20],通過上海美吉生物技術有限公司的Illumina MiSeq-PE250平臺進行高通量測序.測序得到的原始數據經過質控、拼接、OTU聚類、數據庫比對,獲得每個樣品的微生物群落組成結果,結合理化檢測結果分析其相關性.其中,用于比對的數據庫為Silva數據庫(http://www.arb-silva.de).

1.2.3 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸 選取1.2.1中產己酸效能最佳的一組厭氧混合菌作為接種物,用于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸.采用批式發(fā)酵的方式,設置3個有效容積為500mL的厭氧瓶,以餐廚垃圾為底物(213mL, 18.82g VS),取LA_ET中第35d的混合菌離心(8000r/min, 10min)和清洗,稱取6g,接種于餐廚垃圾,添加配水至500mL,置于35℃的空氣搖床中振蕩(120r/min),運行30d.每隔3d取一次樣品(2mL),用于檢測發(fā)酵產物(VFAs、乳酸和乙醇)的濃度,并調節(jié)pH值于5.5±0.1.

1.3 常規(guī)指標及檢測方法

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)、總化學需氧量(TCOD)、溶解性化學需氧量(SCOD)、pH值的檢測方法參照參照APHA[21].C、N等元素分析采用元素分析儀(SENSE EDX-1050)測定.7種揮發(fā)性脂肪酸(VFAs),包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸和正己酸,以及乙醇采用氣相色譜儀(GC,島津GC-2010)檢測,檢測條件為:DB-WAX色譜柱(30m×0.32mm×0.25mm),氫火焰檢測器(FID),以高純氮氣為載氣.乳酸采用高效液相色譜儀(HPLC,島津,LC-20A)檢測,檢測條件為:HSS T3色譜柱(4.6mm×150mm,5 μm),濃度為20mmol/L KH2PO4的流動相,流速為0.5mL/min,柱溫30℃.總蛋白質和總脂肪含量分別采用凱氏定氮法和索氏提取法進行測定[4-5],總碳水化合物采用苯酚-硫酸法測定[22].

1.4 數據處理

餐廚垃圾水解率(%)為發(fā)酵液中SCOD與最初投入餐廚垃圾的TCOD的比值;餐廚垃圾酸化率(%)為發(fā)酵液中累積的總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)與發(fā)酵液中SCOD的比值,其中TVFAs濃度需要轉化為以COD作為計量單位[23].

式中的SCOD為發(fā)酵液中溶解性COD量;TCOD為試驗啟動時投入的底物總COD量;TVFAs為發(fā)酵液種所有VFAs濃度的總和.

己酸產率(mg COD/gVS)為己酸產量(mg COD)與投入的餐廚垃圾VS(g)的比值.

式中:己酸為發(fā)酵液中己酸濃度(mg COD/L)

己酸選擇度(%)為發(fā)酵液中己酸所占的碳源與總VFAs的碳源的比值[24].

式中:己酸為發(fā)酵液中己酸的碳物質的量濃度(mol/ L);θ為發(fā)酵液中所檢測到的VFAs(乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸、正己酸)的碳物質的量濃度(mol/L);=8.

2 結果與討論

2.1 不同電子供體條件下厭氧發(fā)酵產物分析

以不同電子供體作為底物厭氧發(fā)酵的產物分布如表3所示.由結果可以看出,當以乙醇作為單一的電子供體時,僅在第10d檢測到了少量的己酸產生,濃度為(94.36±24.72)mg COD/L,此后25d沒有檢測到己酸.整個發(fā)酵過程中,正丁酸為主要的發(fā)酵產物,在第32d時最高濃度達到了(3107.83±1111.36)mg COD/L.另外,發(fā)酵液中剩余了大量未被利用的乙醇和乙酸.本次批式試驗中,未檢測到丙酸和戊酸的產生.實驗結果表明,接種的厭氧混合菌沒有適應以乙醇作為底物的碳鏈延長反應,只有少量的乙醇參與逆β氧化反應轉化為了丁酸.另外,乙酸含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,第15d降至最低,濃度為(1843.542±321.03)mg COD/L,隨后開始逐漸升高,第26d達到最高((3582.79±1042.58) mg COD/L),可推測,部分乙醇被氧化為乙酸,造成了乙酸的積累.該過程涉及的反應見反應式(5)～(7).反應器中的丁酸沒有進一步延長為己酸的原因與醇酸比、底物濃度等有直接關系,同時乙醇濃度過高對微生物會產生毒性[25].

CH3CH2OH+H2O→CH3COO-+H++2H2(5)

6CH3CH2OH+4CH3COO-→5CH3(CH2)2COO-+

H++2H2+4H2O(6)

6CH3CH2OH+5CH3(CH2)2COO-→CH3COO-+

5CH3(CH2)4COO-+H++2H2+4H2O (7)

CH3CHOHCOO-+H2O→CH3COO-+2H2+CO2(8)

CH3CHOHCOO-+CH3COO-+H+→CH3(CH2)2COO-+

H2O + CO2(9)

CH3CHOHCOO-+CH3(CH2)4COO-+H+→

CH3(CH2)4COO-+ H2O + CO2(10)

4H2+2CO2→CH3COO-+H++2H2O(11)

2H2+CH3COO-+H+→CH3CH2OH+H2O(12)

表3 不同電子供體條件下發(fā)酵產物濃度變化

注：“–”表示該實驗組不涉及此項內容.

當以乳酸作為單一的電子供體時,乳酸和乙酸消耗較快,第26d時乳酸濃度由最初的9630mg COD/L(100mM)降為0,乙酸濃度從3210mg COD/L (50mM)降至(1368.57±419.19)mg COD/L,為了實驗的持續(xù)性,本實驗組及時補充了乳酸和乙酸,濃度與實驗初始濃度相同.從結果可以看出,正丁酸為主要發(fā)酵產物,最高濃度可達(9362.83±1083.13)mg COD/ L.整個發(fā)酵過程,僅在第10d、第26d、第29d檢測到了少量己酸的存在,其濃度分別為(66.94±14.29), (62.67±13.95),(45.92±97.41)mg COD/L.本實驗中,絕大部分乳酸作為電子供體生成了正丁酸,己酸產量很少,說明在以乳酸作為單一的電子供體進行碳鏈延長時,反應體系更傾向于產丁酸,而非己酸,這與部分研究結果比較一致[26-27].乳酸作為電子供體時,經兩步氧化先轉化為乙酰輔酶A,然后參與逆β氧化進行碳鏈延長[28].當乳酸逐漸被消耗,丁酸濃度趨于穩(wěn)定后,乳酸提供不了足夠的能量支持逆β氧化的進行,乙酰輔酶A與乙酸生成丁酸后不再繼續(xù)碳鏈的延伸,造成了丁酸的積累.該過程涉及的反應過程見反應式(8)～(10).

當以乙醇和乳酸同時作為電子供體時,從第10d開始,檢測到少量己酸生成,濃度為(102.36± 16.85)mg COD/L,隨著發(fā)酵的進行,己酸含量逐漸增加,到第35d時己酸含量達到最高水平,濃度為(2303.06±499.56)mg COD/L.除了己酸,正丁酸也是主要的產物之一,最高濃度可達(5283.94±820.34)mg COD/L.其中,乳酸消耗較快,第26d時及時補充了乳酸.本研究結果表明,乙醇和乳酸同時作為電子供體時能夠顯著提高己酸的產量.已有研究報道,以乙醇作為電子供體的碳鏈延長微生物利用CO2為碳源合成細胞體,當乳酸被氧化為丙酮酸時生成的CO2為碳鏈延長微生物提供了必要的碳源;另外,乙醇代謝產生的H2可以與CO2產生乙酸,進而被還原為乙醇,參與碳鏈延長反應,乙醇和乳酸通過互相補充中間代謝物的方式提高了己酸的產量[29],該過程涉及的反應見反應式(5)～(12).

2.2 不同電子供體對己酸菌的富集結果分析

為了進一步揭示不同電子供體對己酸菌的富集情況,本研究對2.1中三種不同條件下的微生物群落進行分析.通過16S rRNA基因測序,共獲得1022059條優(yōu)化序列,利用OTU聚類分析(97%相似性)得到602個OTU.每組的多樣性指數如表4所示.Coverage指數代表了測序過程中文庫的覆蓋率[30],本次測序的覆蓋率均在99%以上,說明測序深度足夠反映樣品微生物群落的實際情況,測序結果可信.Chao1指數和ACE指數代表樣品的微生物物種豐富度,Shannon指數和Simpson代表將微生物物種豐富度和均勻度考慮在內的物種多樣性[31].從結果可以得知,當乙醇作為電子供體(ET)時富集的微生物群落多樣性(OTU數量、Chao1指數和ACE指數)高于(<0.05)其他兩種實驗組(LA和LA_ET),但從Simpsom指數和Shannon指數來看,三者之間的差異并不顯著,說明三種條件下富集到的微生物多樣性差異較大,但其物種均勻度不存在顯著差異.

表4 不同電子供體條件下微生物群落多樣性指數

由圖1(a)可見,9個樣品共檢測到了4種優(yōu)勢門類(31%),分別為厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、熱孢菌門(Thermotogae)、擬桿菌門(Bacteroidetes).其中LA組和LA_ET組具有相似的門類菌組成,Firmicutes含量最高,豐度分別為(69.13±12.78)%和(70.95±5.07)%,而ET組中Firmicutes含量為(19.62±5.08)%,說明單獨的乙醇作為電子供體厭氧發(fā)酵不利于Firmicutes的富集.根據已有研究報道,絕大多數的碳鏈延長微生物屬于Firmicutes,只有少數屬于Proteobacteria[8](本研究中未檢測出).因此,Firmicutes的相對豐度與發(fā)酵體系的產己酸性能有著緊密的關系.Actinobacteria是ET組中豐度最高(32.84%±1.12%)的門類菌,在LA (15.16%±11.16%)和LA_ET(13.73%±1.53%)中僅次于Firmicutes.根據報道,Actinobacteria是厭氧發(fā)酵體系中常被檢測到的水解酸化菌,它分泌的水解酶可以將大分子有機物分解為可溶性小分子物質[32].一些研究表明,部分屬于Actinobacteria的微生物有助于四氫葉酸的產生,對己酸菌的生長有間接的促進作用[33].另外兩種優(yōu)勢菌門Thermotogae和Bacteroidetes是常見的厭氧酸化菌,其中, Thermotogae可以將丁酸分解為乙酸和氫氣,Bacteroidetes可以將碳水化物和蛋白質轉化為短鏈脂肪酸(丙酸和乙酸)等[34-35].

圖1(b)為屬水平上相對豐度高于1%的微生物在三種發(fā)酵體系中的富集結果.本研究共檢測到了10種優(yōu)勢屬,其中有3類屬于碳鏈延長菌:12,,,與己酸的產生有直接的關系.12和在很多研究中被報道能夠以乙醇作為電子供體進行碳鏈延長反應,是較為常見的碳鏈延長微生物[29,36-38].是近年來發(fā)現(xiàn)的以乳酸作為電子供體的碳鏈延長菌[17],是本研究中發(fā)現(xiàn)的最主要的己酸菌.從結果可以看出,以乙醇和乳酸共同作為電子供體(LA_ET)時,富集的己酸菌最多,包括12(16.04%±0.16%),(28.78%±0.15%),(2.32%±0.03%).以乳酸作為電子供體(LA)時富集的己酸菌以12(33.52%±0.28%)為主,但在本研究中添加的乳酸不足以驅動兩輪的碳鏈延長反應,最終產物以丁酸為主.在以乙醇作為電子供體(ET)時,己酸菌豐度(5.94%±3.15%)非常少,主要以12(4.80%±2.78%)為主,因此,ET反應器中己酸含量最少,只有少量正丁酸產生.另外,在ET中豐度最高的和是污泥中常被檢測到的水解酸化菌,對發(fā)酵前期底物的降解具有重要作用[39-41].

基于OTU物種的Anosim分析如圖1(c)所示,結果可以看出組間差異顯著高于組內差異(<0.01),從統(tǒng)計學層面可以說明該分組是合理的,進一步說明不同的電子供體富集的微生物物種具有顯著差異性.RDA(redundancy analysis)分析考察不同電子供體條件下微生物群落與理化性質的相關性,如圖1(d)所示.結果顯示,和12是對反應體系影響最大的兩個因子(箭頭越長,影響越大).主要在LA_ ET中富集,且與己酸正相關性最強,可以說明LA_ ET中主要的己酸菌為.根據2.1結果得知,LA中的主要發(fā)酵產物為正丁酸,從RDA分析結果可以看出,與正丁酸相關性最強的菌屬為12,主要在LA中富集,說明12是最主要的產丁酸菌.對于ET分組,己酸菌富集較少,且在ET中富集的微生物與己酸相關性較弱甚至呈負相關.因此,根據不同電子供體條件下厭氧發(fā)酵結果可以得出,當以乙醇和乳酸共同作為電子供體(LA_ET)時,對己酸菌具有明顯的富集作用.

圖1 不同電子供體條件下富集的微生物群落分析結果

(a)門水平優(yōu)勢菌(31%)在不同反應體系中的分布;(b)屬水平優(yōu)勢菌(31%)在不同反應體系中的富集結果;(c)基于OTU分類水平的不同條件下微生物群落差異性Anosim分析結果;(d)基于優(yōu)勢菌屬(31%)的RDA分析結果(虛線箭頭代表不同的理化性質,實線箭頭代表優(yōu)勢菌屬,不同形狀的圖形代表不同分組的樣品,圓形代表LA,三角形代表ET,正方形代表LA_ET)

2.3 富集的混合菌在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵中的應用

圖2(a)是將2.1中LA_ET中的混合菌接種于餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵的結果.可以看出,發(fā)酵產物以正丁酸和己酸為主,其他VFAs產物含量較少.隨著發(fā)酵的進行,己酸濃度逐漸增加,第27d時最高濃度可達(8657.36±996.21)mg COD/L.而正丁酸含量在第6d達到最高水平,濃度為(25874.05± 7757.83)mg COD/L,隨后逐漸下降,在第21d和第24d有略微上升.從第24d開始直到發(fā)酵結束,正丁酸濃度逐漸下降至(17070.83±192.02)mg COD/L,此過程伴隨著己酸濃度的上升,說明在發(fā)酵過程中部分正丁酸逐漸向己酸轉化.另外,在本研究中檢測到了乙醇和乳酸的產生.發(fā)酵第3d乙醇含量達到最高水平,濃度為(4168.84±636.13)mg COD/L,隨著發(fā)酵的進行,乙醇濃度逐漸下降,第21d時完全消失,推測乙醇在發(fā)酵過程中作為電子供體逐漸被碳鏈延長菌消耗.與乙醇相比,乳酸的產生量較少,一直低于100mg COD/L.圖2(b)為餐廚垃圾在發(fā)酵過程中的水解酸化結果,可以看出整個發(fā)酵過程水解酸化程度相對較為充分,從第3d開始水解率始終在80%以上,從第6d開始,酸化率在60%～90%范圍之間波動.研究結果可以看出,在不外加電子供體的情況下,以餐廚垃圾為底物進行碳鏈延長反應時,雖然水解酸化較為充分,但卻未能提供充足的電子供體(乙醇和乳酸),絕大部分底物以生成丁酸為主要產物,沒有再進一步生成己酸.很多研究表明,當電子供體不足時,反應體系不能夠提供足夠的能量驅動碳鏈延長反應的持續(xù)進行,從而造成丁酸的積累[25,42-43].另外,正丁酸的存在同時意味著反應體系具有較大的產己酸潛力,通過碳鏈延長反應將積累的丁酸轉化為己酸為進一步提高產己酸效率提供了一條新思路.目前,不外加電子供體情況下,將餐廚垃圾直接轉化為己酸的研究較少,單純依靠餐廚垃圾的水解酸化生成充足的電子供體和電子受體進行碳鏈延長反應,仍然是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸面臨的挑戰(zhàn)[17-18,44].

圖2 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產物濃度變化(a)和水解酸化程度(b)

圖3 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中己酸產率(a)和己酸選擇度(b)變化

由圖3可以看出,在發(fā)酵過程中,己酸產率逐漸升高,在第27d時最高可達(230.05±26.47)mg COD/g VS.Isaac等[45]以餐廚垃圾進行以總VFAs為目標產物的發(fā)酵時,總VFAs產率為305mg COD/g VS,己酸所占的比例不足10%,低于本研究結果.當反應體系中VFAs過度積累,會對微生物的活性產生抑制作用,導致底物轉化率降低[45].在發(fā)酵過程中,總VFAs中己酸所占的碳源比例用選擇度來表示.從圖3(b)可以看出,己酸選擇度從第3d開始逐漸升高,最高達到27.74%±3.19%,且從第18d開始直到發(fā)酵結束,己酸選擇度在較小的范圍內(21.34%～27.74%)波動,說明己酸的產生從第18d開始保持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài).Contreras-Davila等[17]利用餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產己酸時,其己酸選擇度最高可達38%,高于本研究結果.己酸選擇度表明了己酸在發(fā)酵產物(VFAs)中碳源占比,反映了在底物水解酸化徹底后,碳鏈延長菌在反應系統(tǒng)中的活躍度,當碳鏈延長反應足夠充分時,會有更多的短鏈脂肪酸向己酸轉化,己酸選擇度變大;當碳鏈延長反應不夠充分時,會導致短鏈脂肪酸的累積,己酸選擇度降低.

3 結論

3.1 當乙醇和乳酸共同作為電子供體時,產己酸效果最佳,對己酸菌具有明顯的富集作用;當乙醇和乳酸分別作為單一電子供體時,產物以正丁酸為主,不利于己酸菌富集.

3.2 乙醇和乳酸共同作為電子供體時,可顯著富集三種己酸菌:(28.78%±0.15%),12(16.04%±0.16%),(2.32%±0.03%),其中,與己酸相關性最強,是富集到的最主要的己酸菌.

3.3 經己酸菌富集的污泥可在不外加電子供體的情況下,有效用于餐廚垃圾產己酸發(fā)酵,己酸濃度最高達到(8657.36±996.21)mg COD/L,己酸產率和選擇度可達(230.05±26.47)mg COD/g VS和(27.74± 3.19)%.

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致謝：本論文的英文摘要部分由深圳職業(yè)技術學院王絲可博士和清華大學博士生Sanjena Naray anasamydamodaran協(xié)助修改完成,在此表示感謝.

Enrichment of caproate bacteria and its application in caproic acid production from food waste.

ZHANG Yan-yan1, BAI Jia-zhe2, ZUO Jian-e1,2*

(1.State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Shenzhen 518055, China)., 2022,42(6)：2724～2733

This study investigated three different electron donor combinations to attain maximum enrichment of caproic acid bacteria and the ability of these enriched bacteria to further digest food waste without the addition of external electron donors. Three batch experiments were performed using ethanol, lactate, and ethanol plus lactate as electron donors. The results showed that the highest concentration of caproic acid ((2303.06±499.56) mg COD/L) was reached when ethanol and lactate were both used as electron donors which was justified by the significant increase in the microbial population of caproate bacterial genera such as12 (16.04%±0.16%),(28.78%±0.15%) and(2.32%±0.03%). When this enriched culture was inoculated to food waste, the maximum concentration of caproate reached (8657.36±996.21) mg COD/L, and the caproic acid yield and specificity were (230.05±26.47) mg COD/g VS and 27.74%±3.19% respectively. This study proved that caproic acid bacteria are significantly enriched in the presence of the electron donor combination of ethanol and lactate, and that the enriched inoculum can promote caproic acid production from food waste. These results provide theoretical support for the recovery of resources from food waste.

electron donors；caproic acid；food waste；anaerobic fermentation

X705

A

1000-6923(2022)06-2724-10

張艷艷(1991-),女,山東濰坊人,清華大學博士研究生,主要研究方向為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵.發(fā)表論文1篇.

2021-12-01

國家重點研發(fā)計劃項目(2017ZX07103-007)

* 責任作者, 教授, jiane.zuo@mail.tsinghua.edu.cn