直接将污泥转化为中链脂肪酸（MCFA），以自给自足的方式从污水污泥中获得增值液体生物产品。

一、引言

全球对燃料和化学品的需求在很大程度上依赖于天然化石资源的供应，这使得开发可再生替代前体成为一项重要的社会挑战.尽管在平台化学品的研究方面投入了相当大的努力，但在稳定和理想的水平上生成目标产品仍然至关重要.另一方面，当前商品化学品的经济利益限制了可用投入原料的成本.因此，最大限度地将具有成本效益的原料转化为商品化学品不可持续的方式提供了一种有吸引力的方法，可以同时缓解环境问题并实现循环经济.污水污泥是废水处理厂 （WWTP） 大量产生的副产品，由于其对水、土壤资源和空气质量的威胁，可能会对经济和环境管理构成压力. 然而，这种副产品被认为是一种替代的低成本原料增值产品。尽管在将污水污泥转化为沼气厌氧微生物处理方面取得了显著成就，但这种气体生物制品对运输管道提出了很高的要求，并且由于其潜在的温室效应而对气候构成威胁.这些限制刺激了将污水污泥转化为液态化学能源载体的长期目标，其特点是作为化学平台具有吸引力，同时减少了储存和运输需求. 羧酸盐平台已成为一种有效的液体替代品，可以同时满足能源和化学前体的要求。通过常规的厌氧发酵，污水污泥可以升级为短链脂肪酸 （SCFAs， C 1 ?C 5 ），是多种生物制品的极好前体平台。考虑到产品持续升级的潜力，碳链更长、C/O比更高的生化产品（即中链脂肪酸、MCFAs、C 6 ?C 竞争性）作为更优质的平台化学品和更多具有更高价值的化学品（包括燃料）的前体，显示出更强的价值。此外，MCFAs具有疏水性，可以很容易地通过简单的物理和化学方法从生产液系统中提取MCFAs，化学品回收效率高。自 1968 年首次在克鲁维梭菌中演示链伸长 （CE） 生产己酸酯以来，在探索微生物 MCFA 输出途径方面取得了相当大的进展。还发现混合培养系统为这些高价值化学品带来了更多的微生物功能潜力。传统上，污水污泥的微生物转化为 MCFA 的基础是电子供体 （ED） 的参与，以提供必要的还原当量和乙酰辅酶 A。有许多类型的 ED 可以参与 CE 过程。其中，乙醇作为一种具有代表性的高效ED脱颖而出，能够同时满足这两个条件。乙酰辅酶A，可以与有机原料（短链脂肪酸，SCFAs）厌氧发酵的中间代谢物偶联，可以通过每个循环添加2个碳原子来拉长碳链，产生具有n + 2个碳的酰基辅酶A。随后，酰基辅酶A生成C对应的C n+2 n+2脂肪酸，形成MCFAs积累的前端途径。然而，在这样的污泥转化过程中，ED（以乙醇为代表）是一种必要的刺激，需要通过外源性引入，其补充存在几个缺点。例如，商业乙醇主要由玉米基淀粉制成，玉米淀粉与粮食生产争夺耕地、水和肥料等资源。另一个主要问题是，在将乙醇掺入微生物发酵系统期间，源自工业乙醇生产过程的环境负担会对高价值的多氯芳烃生产过程施加。此外，添加外源性乙醇也受到批评，因为发酵产生的长链产品的好处可能无法平衡投入商业化学品的成本。因此，由低成本原料生产的自给自足的ED用于产品升级再造，是以经济和环境吸引人的方式回收增值生物产品的完美方式。

二、 研究目的

在这里我们提供了一种新型的、自给自足的厌氧发酵范式将污水污泥转化为增值液体MCFAs的概念验证研究。这种生物技术策略基于将乙醇型发酵与 CE 结合在一个厌氧系统中，通过将活性干酵母（酿酒酵母）引入厌氧微生物联盟的开放式培养物中。通过间歇模式和半连续发酵试验，研究了碳流分析反映的这种自给自足厌氧情景的可行性和稳健性。基于宏基因组学和宏转录组学分析，提出了酵母生物增强污泥发酵系统产生MCFAs的微生物代谢途径概念模型。此外，还进行了经济分析和生命周期评估，以突出该污泥发酵框架的可持续性潜力。

三、研究结果

1.从污水污泥自给自足生产MCFA

本研究建立了两套间歇式发酵生物反应器（即对照组和实验组），评估在提出的厌氧污泥发酵模式下，利用原位生产的乙醇和短链脂肪酸从污泥中生产MCFA的可行性。发酵系统持续了37天，羧酸盐和醇的浓度如图1所示。对照组和实验组的产物积累和COD分布曲线有明显差异。在37天的发酵过程中，由于缺乏显著的ED（即乙醇），对照组反应器中未观察到大量生产MCFAs（图1a）。对照组的主要发酵产物是短链脂肪酸（SCFAs），包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，总累计浓度为4299.1 ± 44.6 mg COD/L。实验组中，酵母菌粉驱动发酵系统中污泥的原位乙醇生产。在间歇操作下，乙醇浓度急剧上升至9824.1 ± 116.3 mg COD/L，随后因参与CE过程而减少，导致MCFAs的积累：己酸盐3172.7 ± 28.1 mg COD/L，庚酸盐645.0 ± 15.4 mg COD/L，辛酸盐2049.0 ± 7.4 mg COD/L（图1b）。尽管乙醇本身是由生物增强系统生产的生物产品，但其更高的燃烧潜力和更复杂的化学结构使得MCFAs成为更具竞争力的化学能载体。发酵液中的LCAs也在实验反应器中逐渐积累，37天后达到999.3 ± 10.7 mg COD/L的总浓度。这种新型厌氧污泥发酵模式将有效提高高价值产物MCFAs和LCAs在总醇和羧酸盐中的比例，分别占3.2%和18.7%（图1c）。实验组中的最终总醇和脂肪酸比例也有所增加（图1d）。实验组的SCFAs最终浓度较高，说明污泥发酵过程中水解酸化作用增强。在实验组中，原位产生的ED促进了SCFAs的消耗，进而促进了污泥中有机底物通过发酵转化为这些初级产品。最终发酵液是由SCFAs和MCFAs的混合物组成，尽管不期待高纯度的MCFAs，但其存在证明了这一概念的成功，并支持了这一理念的后续研究和应用在实际应用中，改进措施如从污泥系统中选择性提取所需的MCFAs以及增强厌氧系统的操作参数，将促进产品中SCFAs向MCFAs的转化，显著增加MCFAs的净产量。总体而言，这种新型厌氧污泥发酵模式的可行性得到了初步证实。

2.半连续发酵反应器的MCFA生产

作为一种操作灵活且性能稳定的实验室规模厌氧处理反应器，半连续发酵反应器被建立并运行至饱和状态，以评估这种新型厌氧污泥发酵概念的稳健性。羧酸盐和醇在对照组和实验组反应器中的分布如图2a、b所示。对照组的发酵产物积累较少，尤其是与实验组反应器相比。实验组的最终发酵产物与间歇实验一致，即发酵液由乙醇、SCFAs、MCFAs和LCAs组成。开始到第45天（约3个SRT），实验组反应器中发酵产物的浓度逐渐超过对照组，然后在约2个SRT后保持稳定（p > 0.05）。从第45天到第75天，实验组反应器中总乙醇、SCFAs、MCFAs和LCAs的平均浓度分别为466.3、24124.1、3355.5和661.1 mg COD/L。实验组中高价值MCFAs（从1.3%增加到7.4%，p < 0.05）和LCAs（从0%增加到1.5%，p < 0.05）在发酵液总SCOD中的选择性有所提高（图2c）。结果表明，这种新型厌氧污泥发酵模式可以在实验规模下以自给自足的方式连续稳定地从污泥中生产MCFAs和LCAs。

3.COD质量平衡与转化

基于COD的质量平衡评价分析了各生化步骤向产物（即醇类和羧酸类）转化的细节，数据来源于半连续实验的稳态（图2d；补充表S2）。污泥中的COD经过溶解和酸化，流向乙醇和简单脂肪酸（即乙酸、丙酸、丁酸），相应的COD分别为11235.1、8253.9、8080.3和1096.5 mg/L。这些简单的中间体参与CE过程，逐步生成长链脂肪酸，并产生还原性气体H2，随后脂肪酸在发酵系统中转化为相应的LCAs。所提出的厌氧污泥发酵模式在利用污泥中的COD和产品中的COD回收方面表现出效率和可持续性，能够通过原位生产的乙醇和SCFAs从废物中回收有价值的化学物质。通过这些结果，本文验证了在新型厌氧污泥发酵模式下，实现从污泥中生产高价值的MCFAs和LCAs的可行性和稳健性。

四、研究结论

本研究的结果为将新的自我维持污泥发酵概念转化为高价值mcfa的商业化生产提供了有力的证据。通过在不同模式下运行污泥发酵生物反应器，证实了这一概念的可行性和稳健性。显著的高价值羧酸盐和酒精产量以及有机转化效率表明了符合循环经济的污泥升级策略，可以在实现污泥减量的同时最大限度地提高产品回收的经济效益。这种提出的污泥处理模式将不依赖于外源性ce相关微生物的接种，并且可以在单个中温厌氧系统中实现产品积累。这种提出的污泥处理模式将不依赖于外源性ce相关微生物的接种，并且可以在单个中温厌氧系统中实现产品积累。

参考文献：A Novel Sustainable and Self-Sufffcient Biotechnological Strategy for Directly Transforming Sewage Sludge into High-Value Liquid Biochemicals