微生物電合成生產(chǎn)中鏈脂肪酸的基本原理及研究進(jìn)展

褚娜 蔣永 曾建雄

（福建農(nóng)林大學(xué)，福州 350002）

化石燃料的開(kāi)采使用帶來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，但是化石燃料儲(chǔ)量有限，并造成人為CO2排放等環(huán)境問(wèn)題［1］。利用清潔能源驅(qū)動(dòng)CO2催化轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物可實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)存，并降低CO2排放。微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）能夠利用電極提供還原力驅(qū)動(dòng)微生物將CO2還原為多碳、胞外有機(jī)化合物［2］。MES技術(shù)發(fā)明于2009-2010年，國(guó)內(nèi)MES技術(shù)研究發(fā)展基本與國(guó)際同步。2009年，黃霞課題組報(bào)道在光照下，生物陰極能夠固定CO2產(chǎn)生生物質(zhì)［3］；同年，成少安教授報(bào)道基于混菌的生物陰極能夠還原CO2產(chǎn)生甲烷［4］。2010年，Lovley課題組研究表明產(chǎn)乙酸菌Sporomusa ovata能夠從石墨電極獲得電子將CO2還原為乙酸，并正式定義了微生物電合成技術(shù)［5］。2012年，May課題組和李大平課題組分別報(bào)道基于混菌的生物陰極可以還原CO2產(chǎn)生乙酸以及甲烷［6］，并探究了陰極電位對(duì)產(chǎn)物的影響［7］。在電化學(xué)促進(jìn)有機(jī)物的微生物轉(zhuǎn)化方面，2013年Rabaey課題組發(fā)現(xiàn)電流作用下，微生物轉(zhuǎn)化甘油時(shí)通過(guò)碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生戊酸［8］。

中鏈脂肪酸（medium-chain fatty acids，MCFAs）是指由6-12個(gè)碳原子構(gòu)成的一元飽和羧酸，包括己酸（C6H12O2）、庚酸（C7H14O2）、辛酸（C8H16O2）、壬酸（C9H18O2）、癸酸（C10H20O2）、十一酸（C11H22O2）和十二酸（C12H24O2）。與短鏈脂肪酸（如乙酸：0.60$/kg［9］）相比，MCFAs具有更高的市場(chǎng)價(jià)值（如己酸：3.82 $/kg［9］），以及更強(qiáng)的疏水性（如己酸：10.82 g/L，而癸酸、十一酸和十二酸幾乎不溶于水［10］），因此MCFAs的分離成本更低。MCFAs是重要的化工原料和農(nóng)用產(chǎn)品，能夠制造抗菌劑、潤(rùn)滑油和香料，并應(yīng)用于畜禽產(chǎn)品的防腐保鮮［11］。

MCFAs的傳統(tǒng)產(chǎn)生方法主要依靠石油衍生物或生物質(zhì)提?。?2］。石油衍生物途徑污染嚴(yán)重且不可持續(xù)；生物質(zhì)提取途徑來(lái)源有限且濃度較低（如椰子和棕櫚仁等提取的MCFAs占總脂肪酸的7.9%-15%［13］）。因此，探究無(wú)污染、可持續(xù)途徑高效產(chǎn)生MCFAs至關(guān)重要。微生物生產(chǎn)MCFAs主要包括有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵以及MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣兩種方法，其中，厭氧發(fā)酵中的有機(jī)廢棄物主要包括城市固體廢棄物［14］、污泥發(fā)酵液［15］、餐廚垃圾［16］、釀酒廢水［17］等，MES中的C1廢氣主要是和合成氣［19］。

MES催化轉(zhuǎn)化CO2生產(chǎn)MCFAs的原理如圖1所示，即MES轉(zhuǎn)化CO2為乙酸和乙醇，再利用這些中間產(chǎn)物二次發(fā)酵（secondary fermentation），即進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)（chain elongation）產(chǎn)生MCFAs。MES生產(chǎn)MCFAs可望獲得比傳統(tǒng)有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵途徑更高的能量效率：MES中可再生能源直接用于捕獲并轉(zhuǎn)化CO2；而厭氧發(fā)酵途徑通過(guò)固定CO2形成生物質(zhì)，再轉(zhuǎn)化生物質(zhì)獲得目標(biāo)產(chǎn)物。此外，MCFAs的能量密度、價(jià)格均高于甲烷和乙酸等MES常見(jiàn)產(chǎn)物，MES生產(chǎn)MCFAs可望推進(jìn)MES技術(shù)的實(shí)用化。

圖1 MES耦合二次發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生MCFAsFig.1 MES coupled with secondary fermentation for producing MCFAs

現(xiàn)有綜述多介紹MES產(chǎn)生甲烷或乙酸的相關(guān)微生物、電子傳遞或調(diào)控方法［20-22］。本綜述通過(guò)總結(jié)MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣并耦合二次發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs的研究現(xiàn)狀，分析主要代謝路徑及涉及的功能微生物、電極材料和關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，探討MES特異性產(chǎn)生MCFAs的有效策略。

1 代謝路徑及功能微生物

1.1 代謝路徑

MES轉(zhuǎn)化CO2產(chǎn)生MCFAs的主要代謝路徑如圖2所示：首先通過(guò)還原性乙酰輔酶A途徑（Wood-Ljungdahl pathway，WLP）產(chǎn)生乙酰輔酶A；進(jìn)而產(chǎn)生乙酸和乙醇；最后通過(guò)逆β氧化途徑（reversed β-oxidation，R-Box）產(chǎn)生 MCFAs［13］。

每個(gè)R-Box周期，乙酰輔酶A均會(huì)偶聯(lián)其他輔酶A衍生物經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)形成增加兩個(gè)碳的新輔酶A衍生物（圖2-B）［23］。在乙酸增長(zhǎng)為丁酸的逆β氧化周期，乙酰輔酶A偶聯(lián)另一個(gè)乙酰輔酶A在乙酰乙酰輔酶A硫解酶的作用下生成乙酰乙酰輔酶A。在一系列酶促反應(yīng)下生成丁酰輔酶A，乙酸輔酶A轉(zhuǎn)移酶催化丁酰輔酶A的輔酶A轉(zhuǎn)移到乙酸上形成乙酰輔酶A，進(jìn)而產(chǎn)生丁酸。電子供體氧化階段生成的乙酰輔酶A與本次逆β氧化形成的丁酰輔酶A作用形成已酰輔酶A，開(kāi)始丁酸增長(zhǎng)為己酸的逆β氧化周期［23］。以此類(lèi)推，乙酸能夠增長(zhǎng)為丁酸、己酸、辛酸、癸酸和十二酸，而丙酸則能夠增長(zhǎng)為戊酸、庚酸、壬酸和十一酸。

圖2 乙酸和乙醇產(chǎn)生路徑(A) 和逆β氧化循環(huán)(B)［23-24］Fig.2 Pathway for producing acetate and ethanol(A), the reverse β oxidation(B)［23-24］

1.2 功能微生物

MES通過(guò)產(chǎn)乙酸菌與碳鏈延長(zhǎng)菌協(xié)同作用產(chǎn)生MCFAs，所涉及的主要功能微生物如表1所示。目前，已經(jīng)分離出100多種產(chǎn)乙酸菌［25］。在MES中，多種產(chǎn)乙酸菌（純菌和混菌）均能夠從陰極獲得電子轉(zhuǎn)化 CO2產(chǎn)生乙酸［22］，如 Acetobacterium、Sulfurospirillum和Desulfovibrio等均能夠利用電子產(chǎn)生乙酸［18，26-27］。純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明多種產(chǎn)乙酸菌，包括Sporomusa ovata［5］、Clostridium ljungdahlii 和 Clostridium aceticum 及 Moorella thermoacetica［2］可從陰極獲取電子產(chǎn)生乙酸。共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明硫酸鹽還原菌Desulfopila corrodens能夠利用陰極產(chǎn)生的電子以及氫氣作為中介體，而Acetobacterium woodii消耗產(chǎn)生的氫氣形成乙酸［28］。多種產(chǎn)乙酸菌，如Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii和 Clostridium ragsdalei等均能夠利用CO2和H2為底物產(chǎn)生乙醇［29］。Clostridium thermoaceticum能夠還原乙酸為乙醇［30］，Thermoanaerobacter pseudoethanolicus能 還 原有機(jī)酸為對(duì)應(yīng)的醇［31］，Thermoanaerobacter ethanolicus利用乙酸產(chǎn)生乙醇［32］。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)生MCFAs主要使用乙醇和乳酸兩種電子供體，而MES產(chǎn)生MCFAs尚未見(jiàn)乳酸作為電子供體的報(bào)道。野生型Clostridium spp.的純菌能夠進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs，如Clostridium kluyveri和Clostridium sp.BS-1［33］等。野生型菌株 Clostridium kluyveri是脂肪酸產(chǎn)生和氧化的模式微生物［34］，能夠利用實(shí)際廢棄有機(jī)物，比如合成氣發(fā)酵液（主要成分為乙酸和乙醇）作為底物高效生產(chǎn)MCFAs［35］。Clostridium sp.BS-1能夠利用多種有機(jī)物（如葡萄糖、淀粉等）作為底物，進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs［36］?；炀哂胁僮鞑襟E簡(jiǎn)單，不需要滅菌等優(yōu)點(diǎn)。MES使用混菌生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物，受到環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。Clostridium spp.是利用復(fù)雜底物產(chǎn)生MCFAs的重要微生物，如利用啤酒［37］、中國(guó)黃水［38］等進(jìn)行發(fā)酵。Clostridium_sensu_stricto是產(chǎn)生己酸的關(guān)鍵微生物，能夠利用乙醇作為電子供體進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)［17］。許多研究表明，Clostridium spp.是MES碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs的優(yōu)勢(shì)菌群。在MES中，使用Clostridium spp.為優(yōu)勢(shì)菌的混菌能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)產(chǎn)酸、產(chǎn)醇以及碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs［39］。在MES中，使用混菌以CO2為底物進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)Clostridium spp.是生物膜以及懸浮微生物中的優(yōu)勢(shì)菌群［18］；以乙酸鹽為底物時(shí)，發(fā)現(xiàn)Clostridium spp.作為優(yōu)勢(shì)菌的混菌能夠進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs［40］。

從胞外固相載體（通電電極以及共生或互生微生物菌群領(lǐng)域的微生物細(xì)胞等）中攝取胞外電子的親電微生物（electroautotrophic microorganisms）是MES的核心微生物，親電微生物的電子攝取能力和代謝特性直接影響MES產(chǎn)生MCFAs的能量轉(zhuǎn)換效率［41］，而功能菌的富集能夠提高反應(yīng)器性能［42］。表1中MES產(chǎn)生MCFAs涉及的微生物是否為親電微生物，或者與親電微生物的互作關(guān)系還有待研究。因此，在MES中優(yōu)化親電微生物與碳鏈延長(zhǎng)微生物的種群結(jié)構(gòu)和空間分布，有望實(shí)現(xiàn)MES高效產(chǎn)生MCFAs。

注：-：未報(bào)道數(shù)據(jù)；a：依據(jù)MCFAs的電子產(chǎn)生與底物以及電極的電子消耗計(jì)算； b：液體產(chǎn)品中MCFAs的電子回收率Note: -: Not available.a: Calculated based on the electron recovery in MCFAs and the electron consumption donated from substrate andelectrode.b: Calculated basedonelectronrecovery in MCFAs andall identified liquid chemicals.

2 電極材料及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

在MES產(chǎn)生MCFAs的過(guò)程中，電極材料以及反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)于提高產(chǎn)物生成效率至關(guān)重要。構(gòu)建新型MES反應(yīng)器以連續(xù)運(yùn)行，增強(qiáng)傳質(zhì)和電子傳遞，有利于進(jìn)一步評(píng)估MES產(chǎn)生MCFAs的性能。

MES中微生物以CO2為底物從陰極獲取電子產(chǎn)生化學(xué)品，不同陰極材料下的產(chǎn)物產(chǎn)生效率不同［48］。例如，中空纖維膜陰極是極具潛力的陰極材料，有利于促進(jìn)氣體傳質(zhì)和觸發(fā)界面電化學(xué)反應(yīng)［49］。復(fù)合陰極材料能夠增強(qiáng)生物電化學(xué)還原CO2性能（圖3-A），并且提高乙酸產(chǎn)生濃度［50］。以上陰極材料均已成功應(yīng)用于MES以提高乙酸產(chǎn)生效率，但是微生物合成MCFAs的步驟更為復(fù)雜，以上陰極材料能否促進(jìn)MES產(chǎn)生MCFAs還有待研究。如表1所示，反應(yīng)器在不同電極材料下產(chǎn)生MCFAs的性能不同。反應(yīng)器構(gòu)型優(yōu)化有望促進(jìn)電子傳遞以及增加產(chǎn)物產(chǎn)生速率，加速產(chǎn)物分離以及產(chǎn)品回收。如圖3-B所示［51］，連續(xù)攪拌反應(yīng)器能夠促進(jìn)傳質(zhì)以及出水循環(huán)，升流式反應(yīng)器有利于微生物保持懸浮狀態(tài)，反應(yīng)器三室結(jié)構(gòu)方便產(chǎn)物提取與分離等。因此，使用新型陰極材料以及反應(yīng)器構(gòu)型進(jìn)行有效的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)物產(chǎn)生效率的同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)物選擇性分離，有望促進(jìn)MES高效產(chǎn)生MCFAs。

圖3 不同（A）電極材料［50］，（B）反應(yīng)器構(gòu)型［51］用于MESFig.3 Electrode materials［50］and reactor configurations［51］used in MES

3 關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)

關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)（電子供體和電子受體負(fù)荷、電極電勢(shì)、pH和氣體分壓等）影響微生物催化劑的組成及活性，進(jìn)而對(duì)MES產(chǎn)生MCFAs帶來(lái)影響。如何綜合調(diào)控MES的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)化CO2合成MCFAs，尚需深入研究。

3.1 電子供體和電子受體

電子供體和電子受體直接影響MES產(chǎn)生MCFAs。在MES碳鏈延長(zhǎng)過(guò)程中，僅以CO2為電子受體，以電極為電子供體時(shí)，MCFAs的延滯期較長(zhǎng)，且產(chǎn)物產(chǎn)生速率較低［18，43］（表1）。與效率低的H2或電極相比，乙醇被認(rèn)為是最適合碳鏈延長(zhǎng)的電子供體之一［23］。在MES轉(zhuǎn)化CO2的過(guò)程中，加入乙醇電子供體，明顯增加MCFAs選擇性以及最大MCFAs產(chǎn)量，最終MCFAs濃度達(dá)到7.66 g/L［45］（表1）。研究表明，乙醇和氫氣的電子供體組合比單獨(dú)使用乙醇產(chǎn)生MCFAs的濃度更高［52］。當(dāng)CO作為電子供體時(shí)，加入乙酸或丁酸電子受體能夠提高M(jìn)CFAs產(chǎn)量［53］。

在設(shè)定的乙醇和乙酸比例中，乙醇與乙酸比例越高越有利于產(chǎn)生辛酸鹽［54］。當(dāng)初始乙醇濃度為 28.8 g COD/L（0.3 mol/L，13.82 g/L）時(shí)， 抑 制MCFAs產(chǎn)生；而且乙醇/乙酸底物比例越高，微生物碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生辛酸/己酸的比例越高［55］。CO2/CO比例［19］以及 CO2/H2比例［23］能夠影響 MCFAs的產(chǎn)物選擇性。因此，通過(guò)調(diào)控多種電子供體（電極、H2、CO和乙醇等）和電子受體（CO2、甲酸和乙酸等）的組合及比例，有利于促進(jìn)MES產(chǎn)生目標(biāo)MCFAs。

3.2 電極電勢(shì)

電極作為MES中的固體電子供體，陰極的電極電勢(shì)對(duì)微生物代謝具有較大影響［56］。成少安教授［4］發(fā)現(xiàn)陰極電位低于-0.700 V（本文出現(xiàn)的電極電勢(shì)均相對(duì)于Ag/AgCl參比電極）時(shí)，微生物能夠還原CO2為甲烷。李大平課題組以CO2為底物，MES的陰極電位在-0.850 V到-0.950 V之間時(shí)，只產(chǎn)生CH4和H2；而當(dāng)陰極電位低于-0.950 V時(shí)，主要產(chǎn)物為CH4和乙酸［7］。有研究在-1.0 V電位下進(jìn)行MES，微生物轉(zhuǎn)化CO2主要產(chǎn)生乙酸［57］。在-1.047 V的陰極電位下，MES使用生物膜以連續(xù)流模式運(yùn)行能夠轉(zhuǎn)化CO2產(chǎn)生 MCFAs［43］；增加 CO2加載速率以及水力停留時(shí)間能夠增強(qiáng)丁酸和己酸的產(chǎn)物選擇性［44］。

MES中，電極電勢(shì)會(huì)影響多種反應(yīng)參數(shù)，如氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）環(huán)境和析氫速率等，并對(duì)氣體分壓以及陰極液pH帶來(lái)顯著影響。電極電勢(shì)能夠影響微生物和電極的電子交換能力［46］。電極電勢(shì)對(duì)MES產(chǎn)生MCFAs的具體影響及調(diào)控機(jī)制還有待研究。

3.3 氣體分壓

不同氣體分壓對(duì)MES合成MCFAs過(guò)程均有一定影響。CO2分壓影響自養(yǎng)微生物的固碳速率和異養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化短鏈脂肪酸的效率［58］，H2分壓影響自養(yǎng)微生物與電極間的電子傳遞過(guò)程和異養(yǎng)微生物的乙醇氧化副反應(yīng)［59］，CO分壓影響CO對(duì)不同種類(lèi)微生物的毒性［60］。

CO2/CO比例主要通過(guò)不同氣體底物供應(yīng)速率或者使用不同電化學(xué)特性的陰極材料進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究表明高CO2負(fù)載率與長(zhǎng)水力停留時(shí)間相結(jié)合，能夠刺激碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生丁酸和己酸［44］。CO具有毒性，當(dāng)CO分壓高于0.11 atm時(shí)，對(duì)產(chǎn)甲烷抑制作用明顯高于對(duì)產(chǎn)酸或者產(chǎn)醇的抑制作用［60］。在產(chǎn)生乙酸過(guò)程中，增加CO氣體組分，混菌微生物群落比純菌靈敏性低，但是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中主要產(chǎn)物從乙酸轉(zhuǎn)為乙醇［61］，而乙醇與乙酸的比例會(huì)影響產(chǎn)生的辛酸鹽和己酸鹽的比例［56］。CO占比從8%增加到30%，促進(jìn)乙醇發(fā)酵產(chǎn)生己酸［60］；研究表明CO2/CO比例為1∶1時(shí)，己酸選擇性最高［19］。

在MES中，H2的原位產(chǎn)生和迅速消耗是實(shí)現(xiàn)陰極和微生物之間電子轉(zhuǎn)移的重要途徑［22］，所以H2分壓在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通常比較低。因此，在MES中，有望通過(guò)調(diào)節(jié)氣體分壓來(lái)調(diào)控乙酸和乙醇等中間產(chǎn)物的比例，進(jìn)而增加目標(biāo)MCFAs的產(chǎn)量。

3.4 pH

在生物活性范圍內(nèi)，pH＞6時(shí)有利于產(chǎn)生乙酸，pH＜5時(shí)有利于產(chǎn)生乙醇［62-63］，pH在4.8左右時(shí)，有利于產(chǎn)生高級(jí)醇［25］。pH為5.0-5.5時(shí)，乙酸和乙醇同時(shí)存在，微生物能夠通過(guò)逆β氧化途徑進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs［55］。有研究發(fā)現(xiàn)pH為5.5和7時(shí)，均能夠產(chǎn)生己酸；而辛酸只在pH為7時(shí)產(chǎn)生［52］。構(gòu)建雙生物陰極的MES，以離子交換膜分割設(shè)置不同pH區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)酸、產(chǎn)醇（pH約4.9）以及碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生 MCFAs（pH 約 6.9）［39］（圖4）。

圖4 配備雙生物陰極的MES實(shí)現(xiàn)不同pH區(qū)域劃分［39］Fig.4 MES equipped with dual biocathodes working at different pH zones［39］

當(dāng)溶液pH在羧酸的解離常數(shù)pKa（4.8-4.9）附近時(shí)，溶液中的MCFAs幾乎均為未解離MCFAs；當(dāng)溶液pH為中性時(shí)，未解離MCFAs低于1%［64］。酸性pH下存在未解離MCFAs，而產(chǎn)甲烷菌比碳鏈延長(zhǎng)功能菌對(duì)未解離MCFAs毒性更敏感［59］，所以酸性pH能夠抑制并減少與碳鏈延長(zhǎng)微生物競(jìng)爭(zhēng)底物的產(chǎn)甲烷菌［65］。已有兩種方法維持低濃度未解離MCFAs：一是在6.5-7.0的中性pH下直接產(chǎn)生MCFAs［66］；二是在5.0-5.5的酸性pH下運(yùn)行反應(yīng)器并進(jìn)行產(chǎn)物提取［37］。

pH直接影響微生物電化學(xué)還原CO2以及碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs，而且這兩個(gè)過(guò)程均可能導(dǎo)致陰極液酸化［18］。與此相反，析氫反應(yīng)可能致使陰極液堿化，當(dāng)混菌不能消耗原位產(chǎn)生的H2時(shí)會(huì)出現(xiàn)陰極液過(guò)堿化［67］，進(jìn)而導(dǎo)致MES產(chǎn)生MCFAs的性能下降。pH能夠通過(guò)改變脂肪酸和CO2的解離平衡，影響MES產(chǎn)生產(chǎn)品的分離選擇性。因此，可以通過(guò)pH調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)控MES產(chǎn)生目標(biāo)MCFAs。

4 MES中復(fù)雜底物影響MCFAs生產(chǎn)

研究表明MES能夠利用不同底物進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs，如表1所示。在MES中，底物選取及其比例對(duì)MCFAs產(chǎn)生起著重要作用，有望通過(guò)底物選擇以及比例調(diào)控促進(jìn)特異性產(chǎn)生MCFAs。

4.1 C1廢氣

4.1.1 CO2氣體 MES能夠利用CO2為底物直接產(chǎn)生MCFAs（表1）。陰極電勢(shì)固定在-0.997 V時(shí)，陰極溶解的CO2以及產(chǎn)生的羧酸能夠抵消陰極產(chǎn)生氫氣帶來(lái)的陰極液堿化，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中陰極pH能夠保持穩(wěn)定以利于產(chǎn)生MCFAs，己酸濃度最大達(dá)到1.2 g/L［18］。使用廉價(jià)的碳?xì)株帢O，在低CO2供應(yīng)速率（0.09 L/d）以及短水力停留時(shí)間（4 d）下產(chǎn)生己酸的濃度最高達(dá)到1.5 g/L［43］；而在高CO2加載速率（173 L/d）以及長(zhǎng)水力停留時(shí)間（14 d）下，己酸濃度最高為3.1 g/L［44］。盡管MES利用CO2產(chǎn)生MCFAs具有環(huán)境效益，但是CO2的高氧化電位以及熱力學(xué)穩(wěn)定性，使其以MCFAs作為目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)仍表現(xiàn)出低產(chǎn)物選擇性。

4.1.2 合成氣 工業(yè)過(guò)程（如鋼鐵產(chǎn)業(yè)、有機(jī)廢物氣化等）中通常產(chǎn)生大量C1廢氣，其組分顯著不同，如在煉鋼過(guò)程［68］、生物質(zhì)氣化過(guò)程［69］等產(chǎn)生的合成氣中CO占比為5%-70%。不同CO2/CO比例［19］及CO2/H2比例［23］均會(huì)影響MCFAs的產(chǎn)物生成以及產(chǎn)生速率。CO對(duì)微生物具有毒性，當(dāng)CO分壓高于0.11 atm時(shí)，明顯抑制產(chǎn)甲烷［60］。CO在生物轉(zhuǎn)化中能夠同時(shí)作為碳源和電子供體［53］。CO/CO2的氧化還原電位（E0′= -520 mV）低，有利于微生物還原其產(chǎn)生醇或丙酮酸衍生物等化學(xué)品［70］。合成氣組分以及比例影響MES中MCFAs的產(chǎn)生速率以及選擇性，當(dāng)CO2/CO合成氣比例為1∶1時(shí)，產(chǎn)生MCFAs的選擇性最高［19］。因此，探究MES利用合成氣產(chǎn)生MCFAs，有利于C1廢氣的回收利用，以實(shí)現(xiàn)MES利用不同來(lái)源的C1廢氣特異性產(chǎn)生MCFAs。

4.2 有機(jī)廢棄物

4.2.1 人工合成廢棄物 已有研究表明，在MES中微生物能夠?qū)⒍替溨舅嵫娱L(zhǎng)為MCFAs。例如，MES利用乙酸為底物產(chǎn)生己酸（0.739 g/L）和辛酸（0.036 g/L）［40］。有機(jī)酸種類(lèi)和濃度影響MCFAs的生產(chǎn)。乙酸和丁酸對(duì)于正己酸產(chǎn)生至關(guān)重要，而異丁酸和乙醇促進(jìn)異己酸產(chǎn)生［71］。辛酸鹽濃度隨乙醇與乙酸比例增加而升高，己酸鹽產(chǎn)生則相反［54］。使用乙酸和乙醇為底物進(jìn)行電發(fā)酵，新鮮碳?xì)株帢O電發(fā)酵比不加電組己酸選擇性增加28%，而富集陰極電發(fā)酵的底物濃度與己酸選擇性呈現(xiàn)非線性關(guān)系［46］。因此，調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸與醇的種類(lèi)和比例進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)，有利于選擇性產(chǎn)生目標(biāo)MCFAs。

4.2.2 實(shí)際廢棄物 MES利用有機(jī)廢棄物為底物進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs，需要同時(shí)進(jìn)行水解、初次發(fā)酵、碳鏈延長(zhǎng)等多重步驟。在MES中，以甘油為底物，對(duì)混菌供電時(shí)戊酸積累量增加［8］。利用甘油為底物進(jìn)行電發(fā)酵時(shí)，不同陰極電位下混菌產(chǎn)生丙酸和丁酸的比例不同［47］。使用不銹鋼網(wǎng)陰極利用釀酒廢水發(fā)酵，主要產(chǎn)物從丙酸轉(zhuǎn)變?yōu)槲焖?，表明存在碳鏈延長(zhǎng)過(guò)程［72］。在MES中，置入電極會(huì)影響微生物群落的分布和結(jié)構(gòu)。通過(guò)有毒產(chǎn)物提取等方法增強(qiáng)微生物和電極的協(xié)同作用有利于碳鏈延長(zhǎng)。例如，構(gòu)建膜液液萃取系統(tǒng)，將生物反應(yīng)器（pH5.5）產(chǎn)生的MCFAs泵入堿性提取液（pH9），再將堿性提取液通入膜電解池的陰極室（pH約9），使陰極液中解離MCFAs通過(guò)陰離子交換膜轉(zhuǎn)移到酸性陽(yáng)極液（pH約1.5），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液相分離并高效提取MCFAs［73］。盡管目前沒(méi)有相關(guān)報(bào)道，上述研究揭示MES可望提供一種利用有機(jī)廢棄物進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)際廢棄物資源化的新方法。

5 展望

MES是利用C1廢氣以及有機(jī)廢棄物產(chǎn)生MCFAs的較有潛力的技術(shù)，然而，MES產(chǎn)生MCFAs尚存在一些技術(shù)瓶頸。尚需通過(guò)菌群優(yōu)化、調(diào)節(jié)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)以及使用新型陰極材料等提高其性能。

（1）合成生物學(xué)手段以及混菌群落調(diào)控可提高生化反應(yīng)性能。合成生物學(xué)使用基因組設(shè)計(jì)和有效的分子工具，可以廣泛高效地改造功能菌，有望從調(diào)控細(xì)胞電子傳遞路徑、胞內(nèi)還原力水平和胞內(nèi)信號(hào)分子的表達(dá)等3個(gè)方面［74］改造功能菌以實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)生MCFAs。對(duì)細(xì)胞進(jìn)行材料修飾有望提高M(jìn)CFAs產(chǎn)率，如使用半導(dǎo)體納米顆粒修飾CO2固定菌［75］，促進(jìn)陰極CO2還原產(chǎn)生其他高附加值產(chǎn)品。混菌群落調(diào)控優(yōu)化功能菌，有望增強(qiáng)菌群相互作用，以提高M(jìn)ES產(chǎn)生MCFAs的性能。電極生物膜的形成可為不同菌群提供最優(yōu)微環(huán)境，增加生物量以及提高體積產(chǎn)率。

（2）尚須綜合優(yōu)化MES產(chǎn)生MCFAs的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。綜合調(diào)控電子供體和電子受體負(fù)荷、電極電勢(shì)、氣體分壓和pH等運(yùn)行參數(shù)，控制以C1廢氣或有機(jī)廢棄物為底物產(chǎn)生乙酸和乙醇等中間產(chǎn)物的比例，增強(qiáng)微生物和電極的協(xié)同作用，能夠促進(jìn)短鏈脂肪酸和乙醇特異性產(chǎn)生目標(biāo)MCFAs。

（3）有必要對(duì)MES產(chǎn)生MCFAs的長(zhǎng)期運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估。連續(xù)運(yùn)行MES反應(yīng)器，促進(jìn)底物和產(chǎn)物傳質(zhì)以及胞外電子傳遞；使用同位素標(biāo)記方法［76］和定量PCR技術(shù)對(duì)碳鏈延長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行研究；建立動(dòng)力學(xué)模型分析碳鏈延長(zhǎng)過(guò)程中不同路徑的具體貢獻(xiàn)；均有望進(jìn)一步促進(jìn)MES高效產(chǎn)生MCFAs。

6 結(jié)論

MES利用C1廢氣以及有機(jī)廢棄物為底物產(chǎn)生MCFAs，能夠在減少碳排放、處理有機(jī)廢棄物的同時(shí)將其資源化并轉(zhuǎn)化為具有較高價(jià)值的化合物，具有很高的環(huán)境和社會(huì)效益。本文總結(jié)MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣并耦合二次發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行碳鏈延長(zhǎng)產(chǎn)生MCFAs的研究現(xiàn)狀，具體如下。

（1）MES研究中多為產(chǎn)乙酸菌與碳鏈延長(zhǎng)菌協(xié)同作用產(chǎn)生MCFAs：通過(guò)WLP產(chǎn)生乙酸和乙醇，并通過(guò)R-Box過(guò)程產(chǎn)生MCFAs。（2）探索新型陰極材料以及綜合調(diào)控MES的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，有望實(shí)現(xiàn)MES高速合成目標(biāo)MCFAs。（3）探究不同底物的組合及其比例，有望為MES轉(zhuǎn)化實(shí)際廢棄物并特異性產(chǎn)生MCFAs提供指導(dǎo)。