安柯萌， 趙立欣， 姚宗路， 于佳動(dòng)*， 李再興，黃亞麗， 梁依， 申瑞霞

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北平原農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食、蔬菜、油料等作物收獲產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈。近5年全國(guó)主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量在8億t左右，可收集資源量約7億t，2021年秸稈綜合利用率為88.1%[1-2]。秸稈含有豐富的有機(jī)物，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣和熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)是秸稈能源化利用的2個(gè)重要技術(shù)手段，秸稈降解率可達(dá)到40%~60%，副產(chǎn)物還可用于生產(chǎn)有機(jī)肥[3]。但從能源及有機(jī)肥供需關(guān)系分析，目前農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用全鏈條產(chǎn)業(yè)體系還不健全，收集運(yùn)輸和儲(chǔ)存有一定難度，產(chǎn)品利用價(jià)值不高，阻礙了沼氣工程和熱解工程的發(fā)展。因此，基于秸稈沼氣和熱解工程功能，提升秸稈資源化處理產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈，遵循生物和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)原理，尋找一種中間產(chǎn)物高值轉(zhuǎn)化途徑，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，可助力產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

近年來(lái)，一種生物合成中鏈脂肪酸（mediumchain fatty acids，MCFAs）技術(shù)成為有機(jī)廢棄物高值化利用的研究熱點(diǎn)，MCFAs在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用作飼料添加劑、鹽堿土壤改良劑、生物農(nóng)藥等，售價(jià)10 000~20 000元·t-1，是沼氣/有機(jī)肥價(jià)格的3~5倍。秸稈生物轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要中間產(chǎn)物均可用于合成MCFAs，一方面，厭氧發(fā)酵水解酸化產(chǎn)物乙酸、丁酸、乳酸、乙醇等作為電子受體、電子供體，在功能微生物作用下通過(guò)碳鏈延長(zhǎng)（chain elongation，CE）途徑合成MCFAs；另一方面，秸稈熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)的合成氣富含CO2、H2和CO，通入?yún)捬醢l(fā)酵體系在功能微生物的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸和乙醇，進(jìn)行CE合成MCFAs。

在有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵中間產(chǎn)物合成MCFAs方面，德國(guó)圖賓根大學(xué)、比利時(shí)根特大學(xué)及中國(guó)的復(fù)旦大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，利用污水和餐廚垃圾等原料合成MCFAs，選育了高效微生物菌種，研發(fā)了高效產(chǎn)酸調(diào)控工藝，己酸、辛酸產(chǎn)率為70%~80%[4-5]；在秸稈熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)合成氣轉(zhuǎn)化MCFAs方面，丹麥科技大學(xué)、北京化工大學(xué)等在以合成氣為底物的功能微生物馴化、抑制機(jī)理分析等方面做了較多研究，己酸、辛酸產(chǎn)率為30%~70%[6]。功能微生物挖掘、發(fā)酵機(jī)制探索、工藝優(yōu)化等是理論研究與技術(shù)突破的主要關(guān)注點(diǎn)，但是以秸稈為主要原料的合成MCFAs特性及轉(zhuǎn)化機(jī)制研究較少。因此，本研究圍繞秸稈生物轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注秸稈厭氧發(fā)酵中間產(chǎn)物（乙酸、乙醇等）以及熱解合成氣（CO2、H2、CO）在微生物作用下轉(zhuǎn)化合成MCFAs的研究進(jìn)展，分析2條路徑轉(zhuǎn)化合成MCFAs的原理、功能微生物、工藝調(diào)控及強(qiáng)化等的研究進(jìn)展，提出了秸稈合成MCFAs主流應(yīng)用工藝，為秸稈綜合利用工作提供參考。

1 秸稈轉(zhuǎn)化合成MCFAs原理

秸稈轉(zhuǎn)化合成MCFAs主要分為2個(gè)階段，包括秸稈轉(zhuǎn)化成電子供體（乳酸、乙醇）/電子受體（乙酸、丙酸、丁酸等）階段和CE階段，其中，CE階段每輪反應(yīng)實(shí)現(xiàn)2個(gè)碳原子個(gè)數(shù)的增加（圖1）。

圖1 秸稈轉(zhuǎn)化合成MCFAs代謝過(guò)程Fig. 1 Metabolic process of MCFAs synthesis by straw transformation

秸稈可通過(guò)生物轉(zhuǎn)化（步驟1-1）和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化（步驟1-2）生成電子供體和電子受體。秸稈生物轉(zhuǎn)化途徑主要是在厭氧條件下進(jìn)行水解酸化產(chǎn)生乙酸、乳酸、乙醇等，其中參與秸稈水解酸化的酶主要有纖維素酶、胞外水解酶（如淀粉酶、蛋白酶和纖維素酶）、乙酰輔酶A、丁酰輔酶A等。秸稈熱化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑是在700~800 ℃下熱解，產(chǎn)生混合熱解氣（30%~40% CO、30%~40% CO2、15%~20% CH4和5%~10% H2），氣體混合物經(jīng)過(guò)濾去除焦油和固體顆粒等后，清潔氣體在厭氧微生物作用下通過(guò) Wood-Ljungdahl途徑，將 CO、CO2和 H2催化轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸和乙醇，其中參與Wood-Ljungdahl途徑的關(guān)鍵酶有甲酸脫氫酶、CO脫氫酶、乙酰輔酶A、乙醛脫氫酶和乙醇脫氫酶等。

CE反應(yīng)是MCFAs生產(chǎn)的關(guān)鍵代謝路徑，核心是逆β氧化，包括電子供體氧化和電子受體的還原[7]。乙醇和乳酸作為電子供體其氧化產(chǎn)物分別為乙?；o酶A、醋酸鹽（步驟2-1）和乙?；o酶A、CO2（步驟2-2）。電子供體氧化后的乙酰輔酶A進(jìn)入逆β氧化途徑，經(jīng)過(guò)逆β氧化周期（乙酸增長(zhǎng)為丁酸，步驟3），最終生成己酸（步驟4）。在己酸累積并且有乙醇/乳酸存在的條件下，可能會(huì)通過(guò)逆β氧化途徑向羧酸鏈中額外添加2個(gè)碳原子，將C6(己酸)延長(zhǎng)至C8(辛酸)。隨著碳鏈(最多至C12)的延長(zhǎng)，產(chǎn)物的毒性會(huì)隨之增加，對(duì)微生物群落也會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用[8]。因此，如果產(chǎn)物在反應(yīng)過(guò)程中不及時(shí)提取，逆β氧化途徑就會(huì)成為CE的限制過(guò)程。

2 功能微生物

秸稈在功能微生物的作用下，經(jīng)水解酸化或合成氣發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇、乳酸、乙酸、丁酸等，為合成MCFAs微生物提供可直接利用的底物。秸稈水解酸化階段的功能微生物主要有Clostridium_sensu_stricto、Bifidobacterium、Rummeliibacillus和Lactobacillus等菌屬[9-10]。功能微生物又分為純菌體系和復(fù)合菌體系，純菌培養(yǎng)試驗(yàn)表明Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii和Clostridium ragsdalei等均能利用CO2和H2為底物產(chǎn)生乙醇。復(fù)合菌培養(yǎng)試驗(yàn)證明，Clostridium和Bifidobacterium可以在微曝氣條件下協(xié)同作用生產(chǎn)乙酸和乳酸[11]。近年來(lái)，利用合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸過(guò)程中功能微生物的挖掘成為研究熱點(diǎn)，Struber等[12]和Tanner等[13]在中溫發(fā)酵體系下發(fā)現(xiàn)了Clostridium aceticum、Acetobacteriumwoodii、Clostridiumljungdahlii、Clostridium autoethanogenum等功能微生物，其中Clostridium ljungdahlii是合成氣發(fā)酵的功能菌株，研究證實(shí)該菌株通過(guò)Wood-Ljungdahl途徑利用生物酶將CO、CO2和H2催化轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸。但在目前的研究中，合成氣轉(zhuǎn)化乙酸、乙醇的產(chǎn)量較低，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

微生物利用電子供體和電子受體為底物，通過(guò)CE反應(yīng)合成MCFAs。已報(bào)道的CE功能菌株包括Clostridium kluyveri、Ruminococcaceae bacterium、Clostridiumsp.BS-1和Megasphaera elsdenii，其中被廣泛應(yīng)用的Clostridium kluyveri能夠利用乙酸、乙醇作為底物合成丁酸并進(jìn)一步合成己酸，在連續(xù)高產(chǎn)MCFAs反應(yīng)器中的豐度可達(dá)50%~70%[14]。Megasphaera elsdenii和Ruminococcaceae strainCPB6被證實(shí)是以乳酸為底物的CE細(xì)菌，研究發(fā)現(xiàn)了編碼催化CE反應(yīng)酶復(fù)合物的完整基因組[15]。Zhu等[16]通過(guò)純菌培養(yǎng)試驗(yàn)證實(shí)了Ruminococcaceae bacteriumCPB6可利用乳酸作為底物高效合成己酸，在乳酸濃度為45.1 g·L-1條件下，己酸產(chǎn)量達(dá)16.6 g·L-1。復(fù)合菌種也表現(xiàn)出合成MCFAs的優(yōu)勢(shì)，朱孔云等[9]以秸稈為原料，發(fā)現(xiàn)在混菌厭氧發(fā)酵鏈延長(zhǎng)體系中，Clostridia相對(duì)豐度達(dá)到40.3%，Clostridia菌群能夠?qū)⒏鞣N碳水化合物轉(zhuǎn)化為己酸、辛酸等。近年來(lái)，隨著生物信息學(xué)和厭氧微生物分離純化研究方法的不斷進(jìn)步，亥姆霍茲環(huán)境研究中心和康斯坦茨大學(xué)分離出新型梭狀芽胞桿菌物種，與Clostridium kluyveri和Clostridium luticellarii具有極高的相似性，能夠?qū)⑷樗徂D(zhuǎn)化為己酸，進(jìn)一步豐富了MCFAs合成菌種資源[17]（表1）。

表1 秸稈轉(zhuǎn)化為MCFAs微生物工藝研究進(jìn)展Table 1 Research progress on microbial technology of straw conversion to MCFAs

表1 秸稈轉(zhuǎn)化為MCFAs微生物工藝研究進(jìn)展Table 1 Research progress on microbial technology of straw conversion to MCFAs 續(xù)表Continued

3 秸稈轉(zhuǎn)化生成電子供體和電子受體

3.1 秸稈水解酸化生成電子供體和電子受體

秸稈水解酸化為MCFAs合成提供電子供體和電子受體。秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等難降解組分，導(dǎo)致水解酸化效率較低，可通過(guò)預(yù)處理的方式破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)、提高秸稈的降解效率，常用蒸汽爆破、柔絲處理或加入酸堿試劑等單一或復(fù)合手段[31-32]。秸稈自然水解酸化產(chǎn)物以乙酸、丙酸、丁酸為主，乙醇、乳酸占比較低（3.2%~21.4%），研究人員探索了水解酸化階段的調(diào)控工藝，如在秸稈水解酸化不同階段添加復(fù)合菌群或調(diào)控體系pH、溫度等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)優(yōu)化酸化產(chǎn)物組分，通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)使酸化產(chǎn)物向乙醇型或乳酸型方向驅(qū)動(dòng)，顯著提高了電子供體（乙醇、乳酸）、電子受體（乙酸、丁酸）協(xié)同生產(chǎn)效率，乙醇、乳酸占比提高到40%~55%[11,20]。研究發(fā)現(xiàn)[33]，秸稈發(fā)酵體系的CE更傾向于利用乙醇和乙酸作為底物來(lái)生產(chǎn)MCFAs，因此通過(guò)對(duì)秸稈水解酸化體系定向調(diào)控促進(jìn)產(chǎn)酸，可以為CE體系提供充足電子供體和電子受體（表2）。

表2 生物轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為電子供體和電子受體的研究進(jìn)展Table 2 Advances in bioconversion and thermochemical conversion to electron donor and electron acceptor

3.2 秸稈熱解氣生成電子供體和電子受體

秸稈熱解生成合成氣（CO、H2、CO2）是電子供體和電子受體再生的關(guān)鍵步驟，發(fā)酵過(guò)程中合成氣組分決定了電子供體和電子受體的含量水平。秸稈熱解過(guò)程以空氣為氣化劑時(shí)，產(chǎn)物合成氣中含有體積分?jǐn)?shù)15%~22%的CO、8%~12%的H2、10%~15%的CO2以及50%左右的N2[34]。原料含水率也是影響合成氣組分的重要因素，于杰等[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈含水率增大（5%~25%），合成氣中的CO2與H2含量逐漸升高，CO含量下降。發(fā)酵過(guò)程中的總壓力可影響發(fā)酵微生物活性，進(jìn)而對(duì)電子供體和電子受體的含量水平產(chǎn)生影響。Najafpour等[36]在 81~182 kPa 下將 CO(55%)、CO2(10%)、H2(20%)和 Ar(15%)通入反應(yīng)器進(jìn)行批次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在Clostridium ljungdahlii作用下，乙醇含量隨氣壓的增加而增加，在182 kPa時(shí)乙醇含量最高，達(dá)12 mg·L-1，乙酸含量達(dá)2~4 mg·L-1，在相同的工藝條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，會(huì)獲得更高的乙醇和乙酸含量（12~15 mg·L-1）。目前，合成氣發(fā)酵體系還需在發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定性控制、提高產(chǎn)醇產(chǎn)酸效率等方面加強(qiáng)攻關(guān)。

4 CE調(diào)控強(qiáng)化工藝研究

4.1 CE產(chǎn)MCFAs調(diào)控技術(shù)

醇酸比、pH、溫度、水力停留時(shí)間等是影響CE合成MCFAs效率的主要因素，調(diào)控不同因素對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)MCFAs的影響見(jiàn)表3。

表3 生產(chǎn)MCFAs調(diào)控工藝研究進(jìn)展Table 3 Research progress in regulation process of MCFAs production

4.1.1 醇酸比 電子供體和電子受體的含量水平和比例會(huì)對(duì)MCFAs生成效率產(chǎn)生影響。研究表明[44-45]，醇酸比過(guò)低或過(guò)高均不利于MCFAs的合成，醇酸比較低時(shí)可能缺少CE所需的電子供體，但過(guò)高的醇酸比會(huì)對(duì)MCFAs合成產(chǎn)生毒害作用。Liu等[33]研究了不同的醇酸比對(duì)CE體系MCFAs的產(chǎn)量和組分的影響，在乙醇/乙酸的摩爾比大于2∶1（300 mmol總碳）時(shí)，能夠?yàn)镃E反應(yīng)提供足夠的電子供體，有利于MCFAs的產(chǎn)生，當(dāng)乙醇/乙酸的摩爾比從3∶1(乙醇濃度（226.63±2.52） mmol·L-1)增加到5∶1（乙醇濃度（226.63±2.52）mmol·L-1）時(shí)，MCFAs的產(chǎn)生量增加38%[46]，醇酸比大于5∶1時(shí)，MCFAs產(chǎn)量開(kāi)始下降。有研究利用Clostridium kluyveri strain3231B 和Clostridium kluyveri strainK.l的純培養(yǎng)微生物，對(duì)比了乙醇/乙酸摩爾比0.78~12.00的產(chǎn)酸性能，結(jié)果顯示乙醇/乙酸比例系數(shù)越大，其產(chǎn)物己酸含量越高[39,47]。合理設(shè)計(jì)電子供體和電子受體的含量水平和比例是工藝調(diào)控的重要內(nèi)容。

4.1.2 pH pH可對(duì)CE功能微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性和代謝途徑產(chǎn)生影響。大多產(chǎn)己酸菌最適pH在4~7，例如以青貯秸稈為底物的完全混合式反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor,CSTR）中pH保持在4.2~5.7，在Megasphaera elsdenii菌株作用下 ，己 酸 產(chǎn) 量 達(dá) 3.1 g·L-1[21]，Ruminococcaceae bacteriumCPB6菌株在pH 5.0～6.5的酸性環(huán)境下，己酸最大產(chǎn)量達(dá)16.6 g·L-1[48]。目前研究表明，以乙酸為電子受體時(shí)，Clostridium kluyveri在pH 6.4～7.5時(shí)有較高的CE活性[49]，并且添加碳酸氫鹽等無(wú)機(jī)碳源調(diào)控pH，己酸含量會(huì)提升。pH對(duì)混菌發(fā)酵過(guò)程中的微生物菌群具有直接選擇性，不同的微生物菌群最適pH范圍變化較大，如產(chǎn)甲烷菌的最適pH在6.5~7.5，而產(chǎn)酸菌pH在4.0~10.0可保持較高活性[50]，在CE體系中保持pH 5.5左右可有效抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，有利于己酸、辛酸等MCFAs的生成。

4.1.3 溫度 在CE體系中，發(fā)酵溫度直接影響CE功能微生物代謝產(chǎn)酸速率，有研究表明，在中溫條件（30~40 ℃）表現(xiàn)出更高的產(chǎn)MCFAs效率[41]。當(dāng)系統(tǒng)溫度為（37±1） ℃時(shí)，產(chǎn)MCFAs效果最好，表明參與CE反應(yīng)過(guò)程的丁酰輔酶A脫氫酶和鐵氧還蛋白氧化還原酶的活性較高，與己酸具有顯著的正相關(guān)性[51]。Zhu 等[16]研究了溫度（20、30、40、50 ℃）對(duì)Ruminococcaceae strainCPB6產(chǎn)己酸效能的影響，發(fā)現(xiàn)40 ℃是該菌種利用乳酸轉(zhuǎn)化己酸的最適溫度。Hollister等[52]比較了中溫(40 ℃)和高溫(55 ℃)體系產(chǎn)酸的差異，發(fā)現(xiàn)中溫和高溫下Clostridia、Bacill和Thermoanaerobacterium明顯富集，但中溫下產(chǎn)己酸菌的豐度更高，可獲得更高的己酸產(chǎn)量。此外有研究發(fā)現(xiàn)，在中低溫環(huán)境下(20~30 ℃)也有較高的MCFAs生產(chǎn)效率，低溫環(huán)境抑制部分產(chǎn)甲烷菌、硫化氫還原菌的功能，而CE功能菌群溫度適應(yīng)范圍廣，在適宜的理化培養(yǎng)環(huán)境下易被富集[53-54]。

4.1.4 水力停留時(shí)間 調(diào)控水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）會(huì)顯著影響酸化產(chǎn)物組分及含量，引起微生物豐度和數(shù)量的明顯差異，是連續(xù)運(yùn)行MCFAs調(diào)控研究關(guān)注較多的影響因素之一。Grootscholten等[55]研究表明，當(dāng)上流式厭氧反應(yīng)器HRT為17 h時(shí)，連續(xù)發(fā)酵80 d，己酸產(chǎn)率達(dá)16.6 g·L-1·d-1。進(jìn)一步研究通過(guò)縮短水力停留時(shí)間(提高向上流動(dòng)的速度)，產(chǎn)甲烷菌豐度及關(guān)鍵酶活性均下降30%以上，MCFAs的最大體積產(chǎn)率達(dá)到 57.4 g·L-1·d-1，MCFAs選擇性仍在80%以上[56]，表明在較短的水力停留時(shí)間下，有利于CE功能菌的生長(zhǎng)。Liu等[57]研究發(fā)現(xiàn)，HRT指示菌與不斷變化的環(huán)境和相應(yīng)的功能之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，縮短HRT，增加了HRT指示菌的豐度，而這部分指示菌90%以上被證明具有MCFAs合成功能，產(chǎn)甲烷菌豐度降至1%以下，HRT從8 d縮短到2 d，己酸、辛酸含量達(dá)到64.1、5.9 mmol C·L-1·d-1。在工藝調(diào)控上，可根據(jù)CE細(xì)菌生長(zhǎng)速率快的特點(diǎn)，營(yíng)造適宜的發(fā)酵環(huán)境，通過(guò)控制水力停留時(shí)間限制性培養(yǎng)，提高M(jìn)CFAs產(chǎn)量。

4.2 CE產(chǎn)MCFAs強(qiáng)化技術(shù)

CE強(qiáng)化主要以理化強(qiáng)化和生物強(qiáng)化為主，理化強(qiáng)化是通過(guò)改善微生物發(fā)酵環(huán)境，達(dá)到MCFAs增產(chǎn)的目的。理化強(qiáng)化方法為熱沖擊強(qiáng)化、氣調(diào)強(qiáng)化、加入生物炭與微量元素等，例如，Clostridium kluyveri具有耐熱孢子，對(duì)熱沖擊具有一定的耐受力，對(duì)接種物進(jìn)行熱沖擊處理可以相對(duì)富集MCFAs功能微生物，特別是在偏酸性或中性條件下連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，減少底物競(jìng)爭(zhēng)[64]。氣調(diào)強(qiáng)化通過(guò)調(diào)節(jié)氫分壓在3~10 kPa，可避免乙醇過(guò)度氧化，促使更多CE功能菌利用乙醇，一定程度上抑制了乙醇氧化菌、嗜氫產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)[65]。添加生物炭、微量元素等，也可顯著提高M(jìn)CFAs的生產(chǎn)效率。Liu等[66]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可通過(guò)吸附有機(jī)化合物、重金屬等提高M(jìn)CFAs的轉(zhuǎn)化效率，粒徑小于5 μm的生物炭能夠強(qiáng)化微生物種間電子傳遞，促進(jìn)丁酸向己酸的轉(zhuǎn)化，并能縮短CE反應(yīng)周期，CE功能微生物明顯得到富集。微量元素在CE混合培養(yǎng)體系中，對(duì)微生物生長(zhǎng)和代謝過(guò)程也表現(xiàn)出促進(jìn)作用，Heike等[59]發(fā)現(xiàn)，在青貯秸稈發(fā)酵體系中，加入鐵元素可以促進(jìn)丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶和梭菌氫化酶的活性，梭狀芽胞桿菌的豐度增加了55%~65%，MCFAs轉(zhuǎn)化效率提高了89%。

生物強(qiáng)化是通過(guò)添加功能微生物菌劑促進(jìn)CE體系MCFAs的生產(chǎn)效率。CE過(guò)程中研究較多的微生物強(qiáng)化技術(shù)有加入CE菌劑[67]、培養(yǎng)馴化功能微生物[68]以及加入有助于微生物作用的酶等使CE過(guò)程加強(qiáng)。目前，研究報(bào)道的CE菌劑主要為具備生產(chǎn)MCFAs的純菌種和混合菌種，其中常見(jiàn)的純菌種見(jiàn)表1。另外，馴化厭氧消化污泥、土壤沉積物、產(chǎn)MCFAs反應(yīng)器的污泥得到具有產(chǎn)MCFAs的混合菌種，通過(guò)加入甲烷抑制劑（溴乙烷磺酸鈉、氯仿等）或降低CE體系的pH至酸性(5.0~5.5)來(lái)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而使CE功能微生物成為混合體系的優(yōu)勢(shì)菌種，馴化后的混合菌種產(chǎn)酸能力提高2~8倍。微生物強(qiáng)化相對(duì)于理化強(qiáng)化方法而言，具有能耗降低、二次污染減少等優(yōu)勢(shì)，但CE轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高[69]。

5 應(yīng)用工藝

秸稈可通過(guò)生物轉(zhuǎn)化工藝和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝得到MCFAs，2種工藝下，適用條件、反應(yīng)器和優(yōu)化條件以及生產(chǎn)的MCFAs在農(nóng)業(yè)和工業(yè)上的應(yīng)用見(jiàn)圖2。

圖2 秸稈轉(zhuǎn)化合成MCFAs應(yīng)用工藝Fig. 2 Application technology of straw transformation to synthesize MCFAs

5.1 生物轉(zhuǎn)化合成MCFAs工藝

生物轉(zhuǎn)化合成MCFAs可通過(guò)單相厭氧發(fā)酵工藝或兩相厭氧發(fā)酵工藝完成，常用的反應(yīng)器有升流式厭氧污泥床（upflow anaerobic sludge bed，UASB）、完全混合式反應(yīng)器(CSTR)、升流式厭氧過(guò)濾反應(yīng)器(up-flow anaerobic sludge bed, UAFR )等，可根據(jù)秸稈發(fā)酵體系的電子供體和電子受體的量來(lái)選擇適用的發(fā)酵體系。當(dāng)反應(yīng)體系有充足的外源電子供體添加時(shí)，可在單相反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行CE反應(yīng)，與秸稈水解酸化生成的電子受體（乙酸）反應(yīng)合成MCFAs；當(dāng)電子供體來(lái)源不足時(shí)，搭建兩相厭氧發(fā)酵體系，將創(chuàng)造的秸稈轉(zhuǎn)化乙醇或乳酸的發(fā)酵體系與水解酸化體系結(jié)合，在第二相反應(yīng)器中合成MCFAs。兩相反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)電子供體、受體生產(chǎn)與CE反應(yīng)均在最適條件下進(jìn)行，具有提高M(jìn)CFAs生產(chǎn)的穩(wěn)定性，減少有機(jī)負(fù)荷、氫分壓、CO2含量等不匹配帶來(lái)負(fù)面影響的優(yōu)勢(shì)。Zhang等[70]評(píng)價(jià)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模兩相反應(yīng)器中外加電子供體MCFAs的生產(chǎn)效率，將CSTR中生成的8.4 g COD·L-1乳酸加入CE反應(yīng)器（UAFR）中，連續(xù)發(fā)酵90 d，己酸酯的最大產(chǎn)率為1.5 g COD·L-1·d-1，選擇性為68.3%，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)，該過(guò)程每噸新鮮生物質(zhì)的總收益約為62.9美元。目前，兩相反應(yīng)模式已在工業(yè)上得到應(yīng)用[71]，德國(guó)Darmstadt有機(jī)垃圾處理廠(處理量 13 200 t·年-1)將秸稈、食物垃圾等有機(jī)廢棄物進(jìn)行收集分選，破碎后進(jìn)行水解酸化，酸化后的固體用于好氧堆肥，液體進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行CE反應(yīng)產(chǎn)MCFAs，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行提取分離，該工廠每年提煉MCFAs 15.5~22.5 t，脂肪酸轉(zhuǎn)化產(chǎn)值6萬(wàn)歐元，沼氣5 000 m3，固體有機(jī)肥1 760 t。

5.2 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化合成MCFAs工藝

秸稈熱解生成合成氣(H2、CO2和 CO)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為MCFAs，其中，合成氣轉(zhuǎn)化MCFAs可通過(guò)單相或兩相工藝實(shí)現(xiàn)。當(dāng)合成氣發(fā)酵和CE的溫度范圍、pH、微生物所需的生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物大致相同時(shí)，可以在單相反應(yīng)器中完成；當(dāng)CE階段缺少電子供體和電子受體時(shí)，秸稈熱解后進(jìn)行合成氣發(fā)酵生成乙醇和乙酸，然后加入CE反應(yīng)相，通過(guò)兩相反應(yīng)器完成MCFAs的合成。其中，CSTR、鼓泡塔反應(yīng)器(slurry bubble column reactor，SBCR)、生物膜反應(yīng)器(membrane bio-reactor,MBR)、滴流床反應(yīng)器(trickle-bed reactor，TBR)是合成氣發(fā)酵常用的反應(yīng)器，除此之外，中空纖維膜生物反應(yīng)器（hollow fiber membrane reactor，HFMBR）憑借生物膜對(duì)微生物的富集作用以及裝置氣體損耗小的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到合成氣轉(zhuǎn)化MCFAs體系。Zhang等[42]首次證實(shí)了混合微生物利用H2和CO2合成氣生成MCFAs，己酸鹽和辛酸鹽的含量分別0.98和0.42 g·L-1，其中氣體率接近100%，表明了HFMBR是具有發(fā)展?jié)摿Φ暮铣蓺獍l(fā)酵技術(shù)。有研究[34]通過(guò)兩相工藝，利用Clostridium kluyveri的純培養(yǎng)物，從合成氣發(fā)酵產(chǎn)物中獲得了更高的己酸 生 產(chǎn) 率 (40 mmol·L-1)、辛 酸 生 產(chǎn) 率 (約2.19 mmol·L-1)和＞90%的碳轉(zhuǎn)化率。到目前為止，將難于生物降解的秸稈進(jìn)行熱解氣化，得到富含CO2、CO和H2的合成氣，再利用合成氣作為底物發(fā)酵生產(chǎn)MCFAs是一項(xiàng)具有巨大應(yīng)用潛力的生產(chǎn)技術(shù)，很多的研究依舊處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離達(dá)到商業(yè)化還存在諸多限制。

6 對(duì)我國(guó)秸稈綜合利用的啟示

秸稈有機(jī)質(zhì)含量豐富，是厭氧合成MCFAs的理想原料，研究MCFAs合成技術(shù)的主要目的是為秸稈離田利用價(jià)值尋找新的突破口，為秸稈產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)處理秸稈的主要方式仍是還田，面對(duì)秸稈產(chǎn)量大、耕地少、種植岔口緊的供需矛盾，在保證土壤健康及不影響下茬作物種植的情況下，加大還田量難度較大，且還田產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低，難以帶來(lái)收益，根本出路仍是離田利用。許多研究和案例已經(jīng)證明，影響秸稈離田做肥料、做飼料、做能源、做基料甚至做原料的產(chǎn)業(yè)鏈的限速步驟均為收儲(chǔ)運(yùn)成本高、產(chǎn)品價(jià)值低、市場(chǎng)空間小，如秸稈飼料需混配其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)質(zhì)后才有較好的市場(chǎng)價(jià)值、沼氣/生物天然氣并網(wǎng)發(fā)電或做車(chē)用燃料市場(chǎng)準(zhǔn)入困難等。因此，傳統(tǒng)的秸稈綜合利用方式亟需升級(jí)，高值利用將是秸稈綜合利用的一個(gè)重要方向。

秸稈兩大轉(zhuǎn)化路徑（生物化學(xué)、熱化學(xué)）均具備高效合成MCFAs的潛力，發(fā)酵技術(shù)設(shè)備與厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣幾乎相同，一些電子供體/受體富集、接種、水力停留時(shí)間、pH等調(diào)控技術(shù)趨于成熟，秸稈產(chǎn)酸速率不斷提高，可實(shí)現(xiàn)MCFAs的定向連續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)有技術(shù)模式示范證明了秸稈轉(zhuǎn)化MCFAs可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，為秸稈的高值利用提供了良好的技術(shù)路徑和技術(shù)儲(chǔ)備。秸稈高效合成MCFAs技術(shù)仍需進(jìn)一步探索，復(fù)雜發(fā)酵體系中間產(chǎn)物定向代謝路徑、微生物功能網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題尚不清楚，產(chǎn)酸周期長(zhǎng)、發(fā)酵體系緩沖能力不足、過(guò)程不穩(wěn)定等技術(shù)問(wèn)題亟需突破。因此，下一步研究將根據(jù)秸稈原料特性，研究協(xié)同生產(chǎn)乙醇-乙酸、乳酸-乙酸及CE轉(zhuǎn)化MCFAs過(guò)程的代謝流，建立不同生態(tài)位層次的微生物關(guān)系圖譜，通過(guò)信息學(xué)、生物學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)交叉融合等方式挖掘關(guān)鍵微生物及產(chǎn)酸潛力，結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，攻克接種物富集、抗酸沖擊等關(guān)鍵技術(shù)，提高秸稈連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)酸水平。