《Bioresource Technology》：pH-mediated microbial interactions enhance caproic acid production from Huangshui: Mechanisms and community engineering strategies
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微生物链延伸合成中链脂肪酸的研究，发现初始pH和碳源调控菌群结构及互作机制，pH5.0-6.0下Huangshui和乙醇分别富集NatCom H和E菌群，前者通过C. tyrobutyricum与Caproiciproducens的pH互作实现跨pH适应性产庚酸，后者依赖单一C. kluyveri。该研究为有机废水转化高值脂肪酸提供机制依据。
作者：金向义、范展阳、杨曼青、沈宏业、李金山、胡永梅、彭楠、赵书淼
华中农业大学农业微生物国家重点实验室与生命科学技术学院，中国武汉430070
摘要
微生物链延长用于生产中链脂肪酸的研究受到了广泛关注。本研究阐明了初始pH值和碳源如何调节微生物从有机废物中产生己酸的过程。通过在不同pH值（4.0–6.0）下依次用黄水、乳酸或乙醇对坑泥进行二次培养，我们获得了两个富集的微生物群落：NatCom H（来自黄水）和NatCom E（来自乙醇），两者在pH 6.0时都能产生10克/升的己酸。观察到了关键的功能差异：NatCom H在pH 5.0至6.0范围内都能持续产酸，而NatCom E仅在pH 6.0时具有产酸能力。综合多组学和生物反应器分析表明，这种差异源于微生物之间的不同相互作用。NatCom H主要由Clostridium tyrobutyricum和酸敏感的Caproiciproducens物种通过pH介导的互惠关系构成，它们协同进行底物转化。相比之下，NatCom E主要由Clostridium kluyveri主导。通过分离关键菌株（包括两种新的Caproiciproducens物种）并构建合成群落，证实了C. tyrobutyricum能够缓解Caproiciproducens的酸性压力，使其在pH 5.0时仍能合成己酸。这些发现揭示了一种基于底物的生态适应策略，并为设计能够将黄水等废物转化为有价值己酸的强健微生物群落提供了机制框架。
引言
己酸是一种六碳中链脂肪酸，是食品调味剂、生物燃料和精细化学品的宝贵平台化学品，因此人们对绿色和可持续的生物合成途径越来越感兴趣（Yan等人，2015年；Zentek等人，2011年）。在厌氧发酵过程中，碳链延长是产生己酸的主要机制，其中微生物利用电子供体（如乳酸或乙醇）通过反向β-氧化（RBO）途径延长短链脂肪酸（Wu等人，2021年）。这一过程严重依赖于功能性微生物的活性。具有强烈风味的白酒发酵产生的坑泥中含有这类功能性微生物，尤其是Clostridium和Caproiciproducens（Jin等人，2025b年；Pau等人，2020年；Reddy等人，2018年；Wang等人，2021年；Zhou等人，2024年）。这些属具有不同的底物偏好：Caproiciproducens物种更喜欢乳酸（Jin等人，2025b年），而Clostridium kluyveri则偏好乙醇（Weimer等人，2015年）。这种代谢差异表明，电子供体的选择驱动了具有不同结构和功能的微生物群落的形成；然而，在复杂的发酵系统中，这一假设尚未得到充分验证。
黄水是具有强烈风味的白酒生产过程中的副产品，富含乳酸、乙醇和氨基酸，尽管具有营养价值，但通常被作为富含有机物的废水处理（Huo等人，2020年；Kang等人，2022年）。每年产生的黄水量很大，每生产1000公斤白酒大约会产生300–400公斤黄水（Kang等人，2022年），这给这个行业带来了巨大的废水负担（2024年该行业生产了414.5万公斤白酒，Fan等人，2026年）。先前的研究表明，黄水可以通过厌氧发酵低成本生产己酸，试点规模下的产量可达15克/升，提取率超过85%（Zhu等人，2022年）。如果能够扩大这种生物转化的规模，可以将大量工业有机废物转化为高价值的己酸，从而同时带来经济和环境效益。然而，对于黄水复杂的底物组成如何影响微生物群落构建和代谢途径的系统理解仍然有限。在代谢层面，RBO途径被认为是己酸合成的主要途径（Ahn等人，2023年；Wang和Yin，2021年），但有新的证据表明，在开放混合培养系统中，脂肪酸生物合成（FAB）途径也可能起到重要作用（Han等人，2018年；Wu等人，2020年；Zhang等人，2023年）。这些途径在电子载体和关键酶方面存在根本差异，这引发了关于电子供体类型如何影响它们对复杂底物（如黄水）贡献程度的问题（Ahn等人，2023年；Kallscheuer等人，2017年；Wu等人，2021年）。
目前的研究主要集中在单一底物或整体发酵性能上，缺乏系统比较乳酸与乙醇作为主要电子供体在不同pH条件下的对群落结构、代谢途径和功能效率的影响。具体来说，尚不清楚由灭菌黄水（以乳酸为主）塑造的微生物群落与纯乳酸或乙醇系统中的微生物群落有何不同，以及这些差异背后的生态机制是什么。
为了解决这些不足，本研究使用来自坑泥的微生物群落作为接种剂，探讨了初始pH值和碳源对己酸产生菌群的调控作用。采用结合生物反应器培养、扩增子测序、宏转录组学和基于分离株验证的综合方法，来（i）阐明不同pH条件下乳酸驱动和乙醇驱动的微生物群落在结构和功能上的差异；（ii）评估复杂黄水系统的代谢性能与纯电子供体系统的差异；（iii）评估不同底物条件下RBO和FAB途径的相对贡献；（iv）通过构建合成群落验证物种间的相互作用及其对pH值的敏感性。这项研究为基于底物的微生物群落构建提供了机制框架，有助于合理设计高效的己酸生产系统。
实验材料
坑泥和黄水采集自湖北省宜昌市的一家酿酒厂。本研究中使用的黄水含有70–90克/升的乳酸、5–6克/升的乙酸、0.4–0.8克/升的丁酸、0.6–1.0克/升的己酸以及8–15克/升的还原糖，不同批次之间这些成分的含量有所波动。灭菌后的黄水中未检测到乙醇。
己酸产生微生物群的富集
将坑泥以5%（w/v）的比例接种到基于基础培养基（BM：1%酵母提取物，0.5% CH3COONa）的培养基中，并加入20%（v/v）的黄水（命名为Huangshui）
己酸产生微生物群的富集
为了评估不同条件下的己酸合成潜力，我们首先研究了坑泥微生物群落在各种底物和pH梯度下的表现。坑泥来源的微生物群落表现出不同的己酸合成能力，在黄水（pH 6.0和5.0）和乙醇培养基（pH 6.0）中的产量最高，而在乳酸培养基中的产量最低（图1A）。当乙醇作为底物时，己酸的产量
结论
本研究表明，初始pH值和碳源通过选择不同的微生物群落来差异性地调节己酸的产生。富集黄水的微生物群落在pH 5.0–6.0范围内都能产酸，而富集乙醇的微生物群落仅限于pH 6.0。这种灵活性反映了一种代谢接力机制：Clostridium tyrobutyricum消耗乳酸生成丁酸并提高pH值，从而使Caproiciproducens能够将丁酸转化为己酸
作者贡献声明
金向义：撰写初稿、数据可视化、软件使用、实验设计、数据分析。
范展阳：数据可视化、软件使用、实验设计。
杨曼青：软件使用、实验设计。
沈宏业：软件使用、方法学研究。
李金山：撰写初稿、审稿与编辑、项目监督。
胡永梅：撰写初稿、审稿与编辑、数据管理。
彭楠：撰写初稿、审稿与编辑、数据可视化。
赵书淼：撰写初稿、审稿与编辑、项目监督、方法学研究、资金争取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFE0104900）、欧盟地平线欧洲研究与创新计划（资助协议编号101081776）、英国研究与创新（UKRI）基金（在欧盟地平线欧洲资助框架下）、瑞士国家教育、研究与创新秘书处（SERI）的支持；以及农业微生物国家重点实验室的开放资金（编号AMLKF202508）的资助。同时，我们也感谢Zhanlei的支持
