利用高曲率纳米气泡从牛粪中提高中等链羧酸的产量

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced medium–chain carboxylic acids production from cow manure using high–curvature nanobubbles

　　本研究利用高曲率纳米气泡促进牛粪厌氧消化产中链羧酸，通过基因组分析发现纳米气泡增强电子转移和降解抗逆物质，使产率提高35.01%，为有机废物流化提供新策略。

　　本研究围绕牛粪在厌氧消化过程中用于中链羧酸（MCCAs）生产的潜力展开，重点探讨了高曲率纳米气泡（HCNBs）在提升发酵效率方面的作用。牛粪本身含有丰富的有机物质，其中乳酸菌的发酵过程能够自然生成乳酸。同时，厌氧细菌在分解有机物时，会利用挥发性脂肪酸（VFA）作为电子受体，随后通过链延长（CE）过程将这些VFA转化为中链羧酸。实验结果表明，引入高曲率纳米气泡后，己酸产量提升了35.01%，达到峰值27.57 g化学需氧量（COD）/L，显著优于对照组。这一发现不仅为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为可持续废物管理实践带来了重要的技术支持。

### 研究背景与挑战

全球畜牧业正面临双重挑战：一方面，随着人口增长和对动物蛋白需求的上升，必须确保足够的动物饲养以满足市场供应；另一方面，每年大量动物废弃物的产生给环境带来了沉重负担。有效的动物粪便处理已成为当务之急，而厌氧消化（AD）作为一种将有机废弃物转化为有价值的产物的技术，正逐渐被广泛采用。通过厌氧消化，不仅可以产生甲烷等可再生能源，还能生成短链和中链羧酸。其中，中链羧酸因其高经济价值和高能量密度，备受关注。然而，当前中链羧酸的生产过程仍面临诸多挑战。

农业有机废弃物中的木质素因其稳定的碳-碳键和醚键等化学结构，形成了天然的物理屏障，使得微生物和酶难以有效降解。这直接导致了厌氧消化系统中基质转化率较低。此外，现有的中链羧酸生产技术通常依赖于外源性电子供体（ED）的添加，以驱动链延长反应。这种依赖性使得生产过程需要大量商业化的电子供体，从而显著增加了运营成本。同时，电子转移效率低下也限制了还原当量的再生和供应，导致基质利用偏离链延长路径，成为中链羧酸产量不足的关键瓶颈。

为了解决这些问题，近年来的研究主要集中在木质素预处理、厌氧消化优化以及导电材料的应用等方面。例如，有研究通过添加生物炭提高了电子转移效率，从而提升了中链羧酸的产量；也有研究利用金属氧化物促进有机物的降解；此外，热处理也被证明可以增强基质的溶解性和缓冲能力。然而，这些方法往往只针对单一问题，缺乏对基质预处理、电子供体生成和电子流优化的系统整合。因此，亟需一种更加综合且低输入的策略，以实现高效、经济的中链羧酸生产。

### 研究方法与创新点

本研究提出了一种创新的综合策略，旨在通过整合多个技术手段，优化厌氧消化系统中中链羧酸的生成。首先，通过接种乳酸菌，在系统内部原位生成电子供体，从而避免了对外源性电子供体的依赖。其次，引入高曲率纳米气泡，以提高木质素的降解效率和电子转移能力。高曲率纳米气泡是一种纳米尺度的气泡，其直径通常小于1000纳米，由于其极小的曲率半径，使得气液界面具有极高的曲率。这种高曲率特性赋予了纳米气泡独特的物理化学性质，如负表面电荷、高效的物质传递能力和高度的界面活性，从而促进了微生物、酶和基质之间的高效相互作用。

当高曲率纳米气泡破裂时，会释放出活性氧物种和瞬时能量，这些物质能够破坏木质素的结构，进而促进基质的水解过程。此外，纳米气泡的负表面电荷有助于诱导电子的排斥作用，而布朗运动驱动的分散性则增强了电子转移的效率。尽管高曲率纳米气泡具有诸多优势，但在乳酸菌自发酵系统或基于链延长的中链羧酸生产过程中，其作用机制尚未被系统研究。因此，本研究首次将高曲率纳米气泡作为多功能生物界面，用于牛粪的资源化利用，并通过综合代谢物检测、界面表征和宏基因组分析，揭示了其在厌氧消化系统中对中链羧酸生产的影响机制。

### 实验设计与结果分析

为了评估高曲率纳米气泡对中链羧酸生产的影响，研究团队设计了一系列实验，涵盖了基质特性、纳米气泡表征以及宏基因组分析等多个方面。首先，牛粪样品是从南京维钢乳业有限公司收集的，经过初步处理后用于厌氧消化实验。乳酸菌粉末则从北京卓远恒诚科技发展有限公司采购，用于乳酸菌的激活和接种。在乳酸菌激活过程中，将1克乳酸菌粉末加入1升4%（w/v）的葡萄糖溶液中，置于35℃下预培养24小时。随后，将激活后的乳酸菌接种到厌氧消化系统中，以促进电子供体的生成。

高曲率纳米气泡的表征分析显示，纳米气泡的浓度、平均粒径和曲率是影响其性能的关键因素。实验结果表明，纳米气泡的粒径主要集中在0-200纳米范围内，其中高曲率纳米气泡（HCNB25）的粒径分布以3-199.7纳米为主，峰值出现在126.5纳米处。这种粒径分布不仅有助于提高气液界面的接触面积，还能增强纳米气泡的稳定性，从而延长其在厌氧系统中的作用时间。此外，通过宏基因组分析，研究团队发现高曲率纳米气泡能够显著促进脂肪酸生物合成途径的激活，特别是与FAB途径相关的基因（如cdhD和acsD）的表达上调，从而推动了中链羧酸的合成。

在实验过程中，研究团队还对厌氧消化系统的各个阶段进行了详细分析，包括水解、酸化和链延长。水解阶段是基质分解的关键步骤，高曲率纳米气泡通过增强微生物与基质之间的相互作用，提高了水解效率。酸化阶段则是VFA生成的重要环节，纳米气泡的引入有助于提高酸化反应的速率和效率。而在链延长阶段，纳米气泡的高曲率特性和负表面电荷显著增强了电子转移效率，从而提高了中链羧酸的产量。此外，纳米气泡还促进了难降解物质如木质素的降解，进一步提高了基质的转化率。

### 机制解析与应用前景

宏基因组分析结果揭示了高曲率纳米气泡在厌氧系统中的多重作用机制。首先，纳米气泡通过扩大微环境的表面积，增强了电子供体与电子受体之间的相互作用，从而提高了电子转移效率。其次，纳米气泡的高曲率特性有助于提高气液界面的活性，使得微生物能够更有效地利用基质中的有机物。此外，纳米气泡的负表面电荷能够诱导电子的排斥作用，从而促进电子的流动和转移，为链延长反应提供了更多的还原当量。

在中链羧酸合成过程中，脂肪酸生物合成途径的激活是关键因素。通过宏基因组分析，研究团队发现高曲率纳米气泡能够显著提高FAB途径相关基因的表达水平，从而推动中链羧酸的生成。这种基因表达的上调不仅表明了纳米气泡对微生物代谢的促进作用，还揭示了其在厌氧系统中对特定代谢途径的调控能力。此外，纳米气泡还能够通过改善微生物的生长环境，促进乳酸菌的增殖和活性，从而进一步提高电子供体的生成效率。

本研究的创新点在于首次将高曲率纳米气泡作为多功能生物界面应用于中链羧酸的生产过程中。通过整合多个技术手段，研究团队不仅优化了厌氧消化系统的性能，还提高了中链羧酸的产量和质量。此外，本研究还揭示了高曲率纳米气泡在促进基质降解、提高电子转移效率和调控微生物代谢方面的多重作用机制，为未来农业废弃物资源化利用提供了重要的理论依据和技术支持。

### 研究意义与未来展望

本研究的成果对于推动可持续废物管理具有重要意义。首先，通过原位生成电子供体，避免了对外源性电子供体的依赖，从而降低了生产成本。其次，高曲率纳米气泡的引入显著提高了基质的降解效率和电子转移能力，使得厌氧消化系统能够更高效地利用农业废弃物，生成更多的中链羧酸。此外，纳米气泡的多功能特性使其能够同时促进基质的水解、酸化和链延长，从而提高了整个生产过程的效率和经济性。

在实际应用中，高曲率纳米气泡技术有望成为农业废弃物资源化利用的新范式。通过将纳米气泡技术与厌氧消化系统相结合，可以实现对农业废弃物的高效处理，同时生成高附加值的中链羧酸。这不仅有助于减少农业废弃物对环境的污染，还能为农业经济提供新的增长点。此外，本研究的成果也为未来相关技术的开发和优化提供了重要的参考，特别是在如何提高电子转移效率、优化基质利用和调控微生物代谢等方面。

未来的研究可以进一步探索高曲率纳米气泡在不同农业废弃物中的应用效果，以及其在不同环境条件下的稳定性。此外，还可以研究纳米气泡与其他技术手段的协同作用，以实现更高效的中链羧酸生产。同时，随着对纳米气泡技术的深入理解，其在其他生物过程中的应用潜力也将得到进一步挖掘，为可持续发展提供更多的技术支持和解决方案。

综上所述，本研究通过引入高曲率纳米气泡，成功地优化了厌氧消化系统中中链羧酸的生产过程，不仅提高了产量，还增强了系统的稳定性和经济性。这一研究成果为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为可持续废物管理实践带来了重要的技术支持。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，高曲率纳米气泡有望在更多领域发挥其独特的优势，推动绿色生产和循环经济的发展。