综述：碳高效废物升级循环：合成菌群联合合成气发酵与链延长技术

这篇综述探讨了如何通过合成菌群（synthetic consortia）整合合成气发酵（syngas fermentation）和链延长（chain elongation）技术，将气态和湿废物高效转化为中链羧酸（MCCAs）和醇类（MCOHs），实现零CO2 排放的碳循环经济。作者提出“自上而下”与“自下而上”策略，结合自动化高通量技术优化菌群设计，以突破开放培养体系的低产率瓶颈，拓展废物原料范围并开发新型化学品。

　　

引言

厌氧发酵技术为气态和湿废物资源化提供了可持续解决方案，其中中链羧酸（MCCAs）因其可直接用作饲料抗菌剂或衍生为多种油化学品（如醇类、酯类）而备受关注。传统碳水化合物发酵因糖酵解脱羧导致CO₂
释放，而合成气发酵则受限于ATP不足。混合营养链延长（mixotrophic chain elongation）通过协同利用有机废物（如食物残渣）与合成气（CO/H₂
/CO₂
），将水解产物（乳酸、乙醇）与气态底物转化为MCCAs，理论上可避免碳损失。然而，开放培养体系中竞争途径（如产甲烷、硫酸盐还原）导致产物选择性和多样性受限。

混合营养链延长的技术框架

混合营养过程的核心在于分阶段代谢分工：

1. 水解与酸化：异养菌降解生物聚合物为短链羧酸（SCCAs）、乳酸和乙醇；
2. 链延长：通过反向β-氧化将SCCAs延伸为C4-C8 MCCAs，释放CO₂
   ；
3. 碳回收：同型产乙酸菌利用合成气将CO₂
   重新固定为乙酸/乙醇，驱动链延长循环。
   关键优势在于直接处理高固体废物（如食物残渣浆液），无需底物精制。但实际挑战包括电子选择性低（仅20-30%至MCCAs）和产物谱狭窄（多为C2-C8混合物）。

合成菌群的构建策略

自上而下筛选：从富集培养中挖掘功能菌株。例如，Baleeiro等通过CO胁迫富集到耐CO链延长菌（如假拉姆菌属Pseudoramibacter），与混合同型产乙酸菌（如Clostridium luticellarii）共生，将乳酸/乙酸选择性转化为C6羧酸。其他研究中，Megasphaera hexanoica在含己酸培养基中被分离，展现链延长特异性。

自下而上工程化：

• 高通量分离：结合微流控分选（如GrowMiDE技术）与机器学习辅助菌落挑选，加速厌氧菌分离；
• 代谢建模：RedCom框架优化菌群分工，例如预测Clostridium kluyveri在乙醇/乙酸条件下的丁酸通量；
• 自动化组装：生物铸造厂（biofoundry）通过贝叶斯优化测试千级菌群组合，快速锁定高产配方。

挑战与创新方向

功能稳定性：需引入冗余菌株（如Thermocaproicibacter melissae）抵抗环境波动。热发酵（≥75°C）可抑制杂菌，但需匹配嗜热同型产乙酸菌（如Moorella thermoacetica）。
产物扩展：通过CRISPR-Cas编辑（如pMTL80000载体）改造菌株，将MCCAs还原为醛类或甲基酮。例如，Eubacterium limosum经工程化后可利用甘油合成C6醇。
反应器设计：膜生物反应器促进生物膜形成以增强气液传质，而在线萃取缓解产物抑制（如己酸毒性阈值10 g/L）。

未来展望

突破方向包括：

1. 解析乳酸菌（如Bifidobacteriaceae）在生物聚合物水解中的调控机制；
2. 开发非模式菌遗传工具（如RiboCas系统）；
3. 耦合逆扩散生物膜反应器实现好氧-厌氧耦合。这些进展将推动混合营养技术从实验室迈向工业规模，实现“负碳制造”的循环经济愿景。