操作模式对农业工业残留物衍生挥发性脂肪酸培养丝状真菌的影响研究

《Environmental Technology & Innovation》：The Effect of Operation Modes on Filamentous Fungi Cultivation using Agro-industrial Residues-derived Volatile Fatty Acids

　　本研究针对农业工业残留物厌氧消化产生的挥发性脂肪酸(VFAs)在丝状真菌培养过程中存在的抑制效应问题，开展了不同操作模式下的真菌培养实验。研究团队通过比较批次和分批补料培养策略，发现24小时间隔的分批补料模式能显著提升真菌对丙酸(PrA)和丁酸(BuA)的利用率，使生物量产量提高三倍，为废物衍生VFA混合物生物转化为真菌蛋白提供了有效策略。

　　

在可持续有机废物资源化领域，厌氧消化技术多年来一直受到科学界和工业界的广泛关注。作为厌氧消化中间产物的挥发性脂肪酸(VFAs)，具有转化为微生物蛋白的巨大潜力，特别是通过丝状真菌培养这一途径。然而，这一转化过程对VFA的浓度和类型极为敏感，尤其是丙酸(PrA)和丁酸(BuA)等长链脂肪酸的抑制效应，严重限制了真菌的生长和底物利用效率。

发表在《Environmental Technology》上的这项研究，由瑞典布罗斯大学资源回收中心的Clarisse Uwineza、Mohammad J. Taherzadeh和Amir Mahboubi合作完成，系统探讨了不同操作模式对丝状真菌利用农业工业残留物衍生VFA的影响。研究团队选择了五种具有重要工业应用价值的丝状真菌菌株：米曲霉(A. oryzae)、粗糙脉孢菌(N. intermedia)、黑曲霉(A. niger)、戴尔根霉(R. delemar)和少孢根霉(R. oligosporous)，在批次发酵条件下评估了乙酸(AcA)、丙酸(PrA)、丁酸(BuA)、合成VFA混合物以及苹果渣和马铃薯蛋白液厌氧消化产生的实际VFA effluent(AP-VFA)对这些菌株的抑制效应。

为了缓解VFA对真菌细胞生长的抑制并最大化其利用效率，研究人员开发了两种分批补料喂养策略。研究结果显示，在批次培养中，米曲霉和粗糙脉孢菌在乙酸消耗方面表现相似，但在丙酸和丁酸培养基中，真菌生长受到显著抑制，导致延滞期延长。值得注意的是，米曲霉在含有较高丁酸浓度的AP-VFAs培养基中表现出较强的生长能力，实现了23%的丁酸消耗和0.15 g细胞/g VFA_fed的生物量产量。

关键技术方法包括：采用摇瓶进行批次培养实验，使用气泡柱反应器进行分批补料培养，通过气相色谱(GC-FID)分析VFA浓度，利用微波等离子体原子发射光谱(MP-AES)测定矿物质离子含量，并通过统计学方法进行数据分析。实验使用的AP-VFA effluent来源于苹果渣和马铃薯蛋白液的厌氧共消化过程。

研究结果部分通过三个子章节详细展示了实验结果：

在"VFA变异性对真菌培养的影响"部分，研究发现所有测试的真菌菌株均能在AP-VFA 1上生长，并在48小时内完全消耗乙酸。米曲霉在利用丙酸(82%)和丁酸(53%)方面表现最优，显著优于其他菌株。然而，当使用丁酸浓度(6.65 g/L)高于乙酸(4.69 g/L)的AP-VFA 2时，仅米曲霉能够生长，且延滞期长达60小时，总酸消耗率为40.6%，生物量浓度为1.89 g/L。

在"丙酸和丁酸对真菌生长的抑制效应"研究中，单独培养实验表明，米曲霉和粗糙脉孢菌在乙酸培养基中表现最佳，消耗率分别为75%和78%。然而，在丙酸和丁酸培养基中，所有菌株都表现出明显的生长抑制，延滞期显著延长。抑制效应的强度依次为：乙酸 < 丙酸 < 丁酸。

在"基于合成和AP衍生VFA混合物的分批补料培养"部分，研究人员开发了12小时和24小时两种喂养间隔的分批补料策略。12小时喂养间隔导致丙酸和丁酸在培养液中积累，而24小时间隔则显著提高了这些酸的消耗率。在合成VFA混合物中，乙酸和丙酸的消耗率达到100%，丁酸消耗率为89%；在AP-VFAs中，乙酸和丙酸完全消耗，丁酸消耗率为83%。相应的生物量产量分别达到0.40和0.42 g细胞/g底物，比批次培养提高了三倍。

研究结论强调，米曲霉在乙酸、丁酸、丙酸和VFA混合物上表现出显著生长潜力，但丙酸和丁酸在批次发酵中会显著抑制真菌生长。开发的分批补料喂养策略极大地提高了丙酸和丁酸的消耗率，生物量产量比批次发酵提高了六倍。调整喂养间隔时间对于优化酸消耗至关重要，这为有机残留物衍生VFA的生物增值转化为真菌生物量提供了有效策略。

这项研究的重要意义在于为厌氧消化生物精炼厂中VFA混合物的微生物生物量生产提供了优化策略，符合循环经济框架下的资源可持续利用理念。通过巧妙的操作模式设计，研究人员成功克服了长链VFA对丝状真菌的抑制效应，为废物资源化高值利用开辟了新途径。