餐厨垃圾资源转化为中链脂肪酸己酸的研究

Given the fact that high cost and economic benefit for food waste treatment usually lead to two problems of relying on government subsidy and treatment shortage, it is a big concern to increase the economic feasibility of treatment process. Containing large amounts of carbohydrate and protein, food waste is an ideal substrate for lactic acid fermentation. Based on the new process: synthesis of medium chain carboxylic acid—caproic acid from lactic acid reported by applicant for the first time, the aim of this project is to recover high value-added caproic acid from food waste by using a unique microbiome, Clostridium IV cluster. The project focuses on investigating the influences of ammonia and salty on functional microbiome and its mechanisms. In addition, the effects of pH, temperature and organic load on caproic acid production was investigated, and the mechanisms will also be researched. By obtaining optimized fermentation parameters, functional microbiomes will be used to convert lactic acid which is the fermentation product of food waste to caproic acid via chain elongation. Furthermore, analysis of metagenomic and metatranscriptomic of open culture will be performed to reveal the microecology mechanism from community structure and gene levels. This project has high academic and practical values because results of this project are meaningful for food waste treatment and utilization.

餐厨垃圾处理成本高，经济效益低，依赖政府补贴，处理处置严重不足。对餐厨垃圾进行高效资源化利用，提高处理经济效益，是当前亟待解决的问题。鉴于餐厨垃圾含大量碳水化合物和蛋白质，是理想的乳酸发酵底物，结合申请人在国内外首次报道的乳酸合成己酸的新途径，本项目拟利用以Clostridium IV为核心的功能微生物，开展餐厨垃圾资源化合成高附加值己酸的研究。先从餐厨垃圾中含有的影响微生物生长的环境因子作为切入点，明晰氨氮和盐分对功能菌群的影响及机理；研究功能菌群合成己酸的最佳条件，阐明pH，温度和有机负荷的影响机理；对餐厨垃圾进行乳酸发酵后，再利用功能菌群将乳酸转化为己酸，获得己酸合成的工艺参数；最后，利用宏基因组和转录组分析技术从群落与基因水平探究餐厨垃圾合成己酸系统的微生态学机制。研究结果对推动餐厨垃圾的无害化与资源化利用具有极其重要的学术意义和工程实用价值。

餐厨垃圾处理成本高，经济效益低，依赖政府补贴，处理处置严重不足。对餐厨垃圾进行高效资源化利用，将其转化为高附加值己酸，可以提高处理的经济效益，从而推动餐厨垃圾的处理处置。以Clostridium IV为核心的功能微生物是申请人发现的一种新型的菌群，可以利用乳酸作为能源供体，以乙酸为碳骨架，进行碳链延长，合成己酸。本项目发现，NaCl是一种对己酸合成不利的影响因素，当NaCl浓度在6 g/L及以下时，己酸菌可以保持其功能，即将乳酸主要转化为己酸；当NaCl浓度提高至10 g/L及以上时，己酸合成受到抑制. 氨氮也是一种对己酸合成有抑制的环境因素，随着氨氮浓度从1 g/L上升至4 g/L，己酸的合成效能线性降低了25-80%。当氨氮浓度提高至5 g/L及以上时，微生物不再进行碳链延长，产物从己酸转变为丙酸。氨氮影响了微生物的生态群落，抑制了Clostridium IV的生长，导致耐氨氮的丙酸杆菌成为优势菌群。在初始乳酸浓度为30 g/L，反应pH值为6、反应温度为30 ~ 40℃条件下，己酸合成效率最高，微生物生长代谢活性与产酸功能最佳，优势菌Clostridium IV在混合微生物群落中的相对丰度最高（52.22%），占据了菌群中的优势生态位。接下来我们构建了乳酸合成己酸的工艺，开展了为期780天的长期试验。结果表明，己酸合成工艺可以保持长期稳定，平均己酸出水浓度为20.26 g/L。己酸的最高合成浓度从之前报道的25.7 g/L上升至33.7 g/L，最大生产速率为11.5 g/L/d。与此同时我们利用16S rDNA扩增子结合宏基因组学测序分析，揭示了己酸合成菌群的微生物生态学机制。最后，我们构建了一套集乳酸发酵-碳链延长-己酸提取为一体的餐厨垃圾资源化合成高附加值己酸的技术体系。通过为期210天的反应器持续运行期间，在HRT为2天的情况下，本试验获得最高己酸浓度为17.0 g/L，平均己酸浓度为12.0 g/L，最高己酸产率达到8.5 g/L/d，平均己酸产率为4.4 g/L/d。优势菌由Clostridium IV转变为Anaerococcus和Pseudoramibacter。宏基因组分析表明，这两种菌可能参与了己酸的合成。我们的研究对于碳链延长工艺的发展具有重要的科学意义，并将快速推进该技术在餐厨垃圾资源化领域的研究及应用。