《Bioresource Technology》：Impacts of organic loading rate fluctuations and division of labor on sugar-based chain elongation revealed through metatranscriptomics
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本研究通过元转录组学分析了在葡萄糖和木糖为底物的无氨基酸、维生素培养基中，有机负荷率(OLR)波动对中链羧酸盐(MCCs)生物合成（链延长）的影响。研究发现，提高OLR并未持续提升己酸产量，反而揭示了微生物群落中在氨基酸、叶酸、泛酸等关键生长因子合成上存在明确分工。这种分工虽利于群落稳定，却可能因分流还原力而限制更具价值的己酸生成，为理解链延长工艺调控提供了新视角。
在追求可持续生物制造的浪潮中，如何将有机废弃物高效转化为高值化学品是一个关键议题。链延长，作为一种新兴的生物工艺，能够利用混合微生物群落将废弃物发酵转化为中链羧酸盐，特别是己酸和辛酸。这些产物因其疏水性和高价值而备受青睐，有望成为传统石化产品的绿色替代品。然而，这一过程的调控机制仍不清晰。尤其是有机负荷率这一关键工程参数如何影响目标产物的产量和选择性，以及微生物群落内部如何协作以在营养有限的条件下生存和代谢，都是亟待解答的科学问题。研究人员假设，在缺乏外源氨基酸和维生素的极限培养基中，提高有机负荷率会迫使微生物为最大化ATP产量而合成更长的链（如己酸），从而提升己酸产量。为了验证这一假设，一项结合了工程调控与多组学分析的研究得以开展。
该研究主要运用了以下关键技术方法：使用完全混合搅拌槽反应器进行长期发酵实验，并动态调整有机负载率；通过气相色谱-质谱联用技术定量检测多种短链及中链羧酸盐；利用16S rRNA基因扩增子测序和鸟枪法宏基因组学分析微生物群落组成与代谢潜能；并通过对选定时间点的样品进行元转录组学测序，深入解析了活跃微生物的基因表达谱，特别是与糖降解、链延长及生长因子合成相关的通路。
3. Results and discussion
3.1. Consumption of glucose and xylose and production of carboxylates
研究人员在双重复生物反应器中，以葡萄糖和木糖为底物，动态调整有机负荷率。结果表明，尽管几种已知的产己酸细菌存在，但提高OLR并未可靠地改善己酸生产。在OLR为6.7 g COD L-1d-1时，观察到了最高的己酸浓度和电子当量转化率（J1为39%，J2为42%）。统计分析显示，丁酸盐浓度与OLR的正相关性比己酸盐更强。因此，在研究的营养限制条件下，提高OLR以增加己酸生产率和选择性的假设并未得到支持。
3.2. Microbial community analysis with 16S rRNA gene amplicon sequencing
16S rRNA基因扩增子测序显示，两个反应器的微生物群落变化模式相似。随着时间推移，群落中富集了已知的糖发酵菌（如Tractidigestivibacter、Olegusella、Bifidobacterium、Lentilactobacillus）和链延长菌（如Caproiciproducens、Caproicibacter、Caproicibacterium）。相关性分析发现，Caproicibacterium的丰度与较高的OLR显著正相关，但与己酸盐浓度或选择性的相关性不显著。而Pseudoramibacter等菌属与己酸盐浓度呈正相关。
3.3. Metagenomic analyses
宏基因组分析共恢复了36个宏基因组组装基因组。分析证实了多种潜在的链延长菌存在，如Caproicibacterium、Caproicibacter、Clostridium和Pseudoramibacter。此外，在JAAYNV01sp. 012520645和Anaerostipes caccae的基因组中也发现了完整的反向β-氧化途径基因，暗示它们也可能在生产丁酸盐或MCCs中发挥作用。反应器中后期，Caproicibacteriumsp. 002399445成为最优势的物种。
3.4. Metatranscriptomic analyses of sugar degradation and chain elongation
对第33天（高己酸产量）和第58天（高丁酸产量）的元转录组学分析揭示了活跃的链延长菌群发生了转移。第33天，转录最活跃的潜在链延长菌是JAAYNV01sp. 012520645和Anaerostipes caccae。而第58天，则转变为Caproicibacteriumsp. 002399445和Caproicibactersp. 002316805，它们表达了全套的反向β-氧化途径基因。这表明，尽管这两类菌以其属名暗示产己酸能力，但在该实验条件下，其代谢活动更倾向于产生丁酸。
3.5. Insights into syntrophic relationships between abundant organisms
对第58天最活跃的四种菌（Caproicibacteriumsp. 002399445、Caproicibactersp. 002316805、Olegusellasp. 002407925、Tractidigestivibactersp. 902834555）的深入分析，揭示了一种基于生长因子合成的精密分工。Caproicibacterium是群落中唯一能合成泛酸、色氨酸和生物素的成员，这需要消耗大量NAD(P)H还原力。Caproicibacter则对色氨酸、叶酸、生物素、泛酸和辅酶A(CoA)均呈营养缺陷型。Olegusella和Tractidigestivibacter是仅有的能合成叶酸的菌。这种分工意味着，作为主要链延长菌的Caproicibacterium，可能需要将原本可用于将丁酸还原为己酸的还原力，转而用于合成支持整个群落生长的必需因子。同时，Caproicibacter对多种辅因子的依赖可能限制了其进行多轮链延长以合成己酸的能力。
本研究得出结论，在基于糖的链延长体系中，将有机负荷率提高到6.7 g COD L-1d-1以上并不能提高己酸产量。元转录组学分析首次揭示，链延长微生物群落成员之间存在基于氨基酸和维生素合成的分工现象。这种原本利于群落稳定的互作关系，可能通过分流电子还原力（对Caproicibacterium而言）或限制链延长必需辅因子的可用性（对Caproicibacter而言），无意中限制了更具经济价值的己酸生产。这一发现超越了传统仅关注碳流和能量代谢的模型，指出微生物间的营养共生关系同样是决定终端发酵产物的关键因素。该研究强调了在设计和优化链延长工艺时，除了工程参数，还需充分考虑微生物群落内部复杂的生态互作，特别是生长因子代谢所扮演的角色。这对于利用成分多变的有机废弃物进行高效生物制造具有重要的指导意义。相关成果发表于《Bioresource Technology》期刊。
