揭秘玉米青贮厌氧发酵：短链脂肪酸生产的优化密码

《Biotechnology for the Environment》：Short-chain fatty acids production from maize silage: impact of stepwise hydraulic retention time reduction on microbial adaptation and process output

为优化玉米青贮厌氧发酵（AF）产短链脂肪酸（SCFAs），研究人员调整水力停留时间（HRT），发现 HRT>7.5 天效果佳，意义重大。

　　

玉米青贮 “变身” 宝藏：短链脂肪酸的奇妙之旅

在全球对清洁能源需求激增的当下，生物乙醇凭借其可再生的特性，成为了能源领域的 “新宠”。近年来，生物乙醇的产量一路飙升，2020 年达到了 2600 万立方米，2023 年更是攀升至 3000 万立方米。然而，在生物乙醇蓬勃发展的背后，却隐藏着一个亟待解决的问题 —— 大量玉米青贮的产生。每生产 1 升乙醇，就会 “诞生” 9 - 14 升玉米青贮。这些玉米青贮如果未经妥善处理，直接排放到土壤、水体中，或是用于农作物灌溉，会因自身高含量的有机物质、营养成分以及钾、氮、磷、硫酸盐等化学物质，对环境造成严重污染。但换个角度看，玉米青贮富含脂质、非发酵性碳水化合物和蛋白质，就像一座等待开采的 “宝藏”，蕴含着巨大的开发潜力。

为了变废为宝，研究人员将目光聚焦到了厌氧发酵（AF）技术上，期望利用该技术将玉米青贮转化为短链脂肪酸（SCFAs）。SCFAs 可是工业领域的 “多面手”，能用于合成酯、酮、醇、烷烃和烯烃等多种化学品，广泛应用于食品、制药、塑料和纺织等行业。目前，SCFAs 主要依赖不可再生的石化原料，通过化学前体的氧化或羧化来生产。而利用玉米青贮生产 SCFAs，不仅为这些平台分子找到了可持续的生产方法，还能减少废弃物处理的难题，提升生物乙醇生产过程的经济效益。不过，AF 生产 SCFAs 的过程涉及水解、酸 ogenesis 和 acetogenesis 三个阶段，并且容易受到 pH、HRT、温度和接种物类型等多种操作参数的影响。尤其是在不同 HRT 条件下，微生物群落如何变化，进而影响 SCFAs 的生产，这方面的研究还十分有限。在这样的背景下，来自 IMDEA Energy 等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Biotechnology for the Environment》杂志上。

研究方法：探索发酵奥秘的 “钥匙”

研究人员在实验过程中采用了多种关键技术方法。首先，以 Vertex Bioenergy 公司生产生物乙醇后的玉米青贮为原料，对其化学需氧量（COD）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）等各项指标进行了详细测定。接着，使用 40 升半中试连续搅拌釜式反应器（CSTR），在 25°C、pH 5.5 的条件下，以半连续进料的方式进行 AF 实验。实验设置了 15 天、12.5 天、10 天和 7.5 天四个不同的水力停留时间（HRT）梯度，且有机负荷率（OLR）均维持在 3gVS/L?day。在整个实验过程中，利用多种分析技术对各项指标进行监测，比如用高效液相色谱（HPLC）测定 SCFAs 含量，通过 16S rRNA 分析研究微生物群落结构变化等。

研究结果：解锁发酵过程的关键密码

1. AF 过程的性能评估：在不同 HRT 条件下，AF 过程展现出了不同的性能。当 HRT 为 15 天和 12.5 天时，VS 含量较为稳定，平均值约为 25g/L；而当 HRT 降至 10 天和 7.5 天时，VS 含量平均为 20g/L，这表明 HRT 低于 12.5 天更有利于颗粒有机物的分解。从酸 ification 百分比来看，15 天 HRT 时达到最大值 95.2±12.2% CODSCFAs,out?/sCODout? ，随着 HRT 降低，该比例下降，7.5 天时降至 82.4±5.9% CODSCFAs,out?/sCODout? ，但仍远高于文献中其他农业工业废弃物、微藻生物质和富脂食品废弃物 AF 过程的酸 ification 百分比。tSCFA 浓度则随着 HRT 的增加而线性上升，在 15 天 HRT 时达到最大值 14.3g/L。生物转化效率方面，HRT 大于 7.5 天时，生物转化效率可达 28% gCODSCFAs?/gCODin? ；当 HRT 为 7.5 天时，生物转化效率降至 21.7% gCODSCFAs?/gCODin? 。
2. 微生物群落的变化：研究人员通过对微生物群落的分析发现，随着 HRT 的降低，微生物群落的多样性明显减少，微生物群体逐渐向与 SCFA 合成相关的代谢途径 “聚集”。在门水平上，Firmicutes、Bacteroidetes 和 Actinobacteria 成为优势菌门，其中 Firmicutes 的数量相比接种物增加了 3 - 3.5 倍。在属水平上，unclassified Clostridiales、Megasphaera、Bulleidia 和 Prevotella 等菌属占据主导地位。这些微生物各自发挥着独特的作用，比如 unclassified Clostridiales 能产生多种胞外酶参与代谢过程，Megasphaera 可发酵糖类生成多种 SCFAs，Prevotella 则能水解多种多糖，为葡萄糖合成提供前体物质。
3. HRT 与微生物群落及酸生产的关系：通过典范对应分析（CCA），研究人员揭示了 HRT 对微生物群落动态和 SCFA 谱的重要影响。结果显示，15 天的 HRT 有利于戊酸和异丁酸的产生；10 天 HRT 时，Acidaminococcus 受 HRT 变化影响较小，可能参与玉米青贮中单糖和部分 SCFAs 的降解。此外，CCA 还发现 Ruminococcaceae 与 Prevotella、Lachnospiraceae 与 Megasphaera 之间存在显著的相关性，它们相互协作，共同促进发酵过程的进行。

研究结论与意义：开启绿色生产新征程

这项研究表明，7.5 - 15 天的 HRT 能够促进水解和产酸微生物的专业化，有效提高玉米青贮生产 SCFAs 的效率。HRT 大于 7.5 天是一个关键节点，超过这个时间，生物转化效率基本稳定在 28% gCODSCFAs?/gCODin? 左右，不会再有明显提升。在 AF 过程中，能够达到相对较高的 SCFAs 浓度，其中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸是主要的产物，占总 SCFA 浓度的 76%。此外，研究还发现 unclassified Clostridiales、Megasphaera、Lachnospiraceae、Ruminococcaceae 和 Prevotella 等关键微生物群体，对于高效降解玉米青贮这种富含脂质的废弃物、维持发酵过程的稳定性起着至关重要的作用。

总的来说，该研究为玉米青贮的资源化利用提供了重要的理论依据和实践指导，为实现生物乙醇产业的可持续发展、减少环境污染开辟了新的道路，也为短链脂肪酸的绿色生产提供了新的思路和方法。相信在未来，随着相关研究的不断深入，玉米青贮有望成为工业生产中不可或缺的 “绿色原料”，为推动循环经济发展贡献更大的力量。