褚娜 蔣永 曾建雄

（福建農(nóng)林大學，福州 350002）

化石燃料的開采使用帶來經(jīng)濟的高速發(fā)展，但是化石燃料儲量有限，并造成人為CO2排放等環(huán)境問題［1］。利用清潔能源驅(qū)動CO2催化轉(zhuǎn)化為有機化合物可實現(xiàn)清潔能源的有效開發(fā)和儲存，并降低CO2排放。微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）能夠利用電極提供還原力驅(qū)動微生物將CO2還原為多碳、胞外有機化合物［2］。MES技術(shù)發(fā)明于2009-2010年，國內(nèi)MES技術(shù)研究發(fā)展基本與國際同步。2009年，黃霞課題組報道在光照下，生物陰極能夠固定CO2產(chǎn)生生物質(zhì)［3］；同年，成少安教授報道基于混菌的生物陰極能夠還原CO2產(chǎn)生甲烷［4］。2010年，Lovley課題組研究表明產(chǎn)乙酸菌Sporomusa ovata能夠從石墨電極獲得電子將CO2還原為乙酸，并正式定義了微生物電合成技術(shù)［5］。2012年，May課題組和李大平課題組分別報道基于混菌的生物陰極可以還原CO2產(chǎn)生乙酸以及甲烷［6］，并探究了陰極電位對產(chǎn)物的影響［7］。在電化學促進有機物的微生物轉(zhuǎn)化方面，2013年Rabaey課題組發(fā)現(xiàn)電流作用下，微生物轉(zhuǎn)化甘油時通過碳鏈延長產(chǎn)生戊酸［8］。

中鏈脂肪酸（medium-chain fatty acids，MCFAs）是指由6-12個碳原子構(gòu)成的一元飽和羧酸，包括己酸（C6H12O2）、庚酸（C7H14O2）、辛酸（C8H16O2）、壬酸（C9H18O2）、癸酸（C10H20O2）、十一酸（C11H22O2）和十二酸（C12H24O2）。與短鏈脂肪酸（如乙酸：0.60$/kg［9］）相比，MCFAs具有更高的市場價值（如己酸：3.82 $/kg［9］），以及更強的疏水性（如己酸：10.82 g/L，而癸酸、十一酸和十二酸幾乎不溶于水［10］），因此MCFAs的分離成本更低。MCFAs是重要的化工原料和農(nóng)用產(chǎn)品，能夠制造抗菌劑、潤滑油和香料，并應用于畜禽產(chǎn)品的防腐保鮮［11］。

MCFAs的傳統(tǒng)產(chǎn)生方法主要依靠石油衍生物或生物質(zhì)提取［12］。石油衍生物途徑污染嚴重且不可持續(xù)；生物質(zhì)提取途徑來源有限且濃度較低（如椰子和棕櫚仁等提取的MCFAs占總脂肪酸的7.9%-15%［13］）。因此，探究無污染、可持續(xù)途徑高效產(chǎn)生MCFAs至關(guān)重要。微生物生產(chǎn)MCFAs主要包括有機廢棄物厭氧發(fā)酵以及MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣兩種方法，其中，厭氧發(fā)酵中的有機廢棄物主要包括城市固體廢棄物［14］、污泥發(fā)酵液［15］、餐廚垃圾［16］、釀酒廢水［17］等，MES中的C1廢氣主要是和合成氣［19］。

MES催化轉(zhuǎn)化CO2生產(chǎn)MCFAs的原理如圖1所示，即MES轉(zhuǎn)化CO2為乙酸和乙醇，再利用這些中間產(chǎn)物二次發(fā)酵（secondary fermentation），即進行碳鏈延長（chain elongation）產(chǎn)生MCFAs。MES生產(chǎn)MCFAs可望獲得比傳統(tǒng)有機廢棄物厭氧發(fā)酵途徑更高的能量效率：MES中可再生能源直接用于捕獲并轉(zhuǎn)化CO2；而厭氧發(fā)酵途徑通過固定CO2形成生物質(zhì)，再轉(zhuǎn)化生物質(zhì)獲得目標產(chǎn)物。此外，MCFAs的能量密度、價格均高于甲烷和乙酸等MES常見產(chǎn)物，MES生產(chǎn)MCFAs可望推進MES技術(shù)的實用化。

圖1 MES耦合二次發(fā)酵過程產(chǎn)生MCFAsFig.1 MES coupled with secondary fermentation for producing MCFAs

現(xiàn)有綜述多介紹MES產(chǎn)生甲烷或乙酸的相關(guān)微生物、電子傳遞或調(diào)控方法［20-22］。本綜述通過總結(jié)MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣并耦合二次發(fā)酵過程進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs的研究現(xiàn)狀，分析主要代謝路徑及涉及的功能微生物、電極材料和關(guān)鍵運行參數(shù)，探討MES特異性產(chǎn)生MCFAs的有效策略。

1 代謝路徑及功能微生物

1.1 代謝路徑

MES轉(zhuǎn)化CO2產(chǎn)生MCFAs的主要代謝路徑如圖2所示：首先通過還原性乙酰輔酶A途徑（Wood-Ljungdahl pathway，WLP）產(chǎn)生乙酰輔酶A；進而產(chǎn)生乙酸和乙醇；最后通過逆β氧化途徑（reversed β-oxidation，R-Box）產(chǎn)生 MCFAs［13］。

每個R-Box周期，乙酰輔酶A均會偶聯(lián)其他輔酶A衍生物經(jīng)過一系列反應形成增加兩個碳的新輔酶A衍生物（圖2-B）［23］。在乙酸增長為丁酸的逆β氧化周期，乙酰輔酶A偶聯(lián)另一個乙酰輔酶A在乙酰乙酰輔酶A硫解酶的作用下生成乙酰乙酰輔酶A。在一系列酶促反應下生成丁酰輔酶A，乙酸輔酶A轉(zhuǎn)移酶催化丁酰輔酶A的輔酶A轉(zhuǎn)移到乙酸上形成乙酰輔酶A，進而產(chǎn)生丁酸。電子供體氧化階段生成的乙酰輔酶A與本次逆β氧化形成的丁酰輔酶A作用形成已酰輔酶A，開始丁酸增長為己酸的逆β氧化周期［23］。以此類推，乙酸能夠增長為丁酸、己酸、辛酸、癸酸和十二酸，而丙酸則能夠增長為戊酸、庚酸、壬酸和十一酸。

圖2 乙酸和乙醇產(chǎn)生路徑(A) 和逆β氧化循環(huán)(B)［23-24］Fig.2 Pathway for producing acetate and ethanol(A), the reverse β oxidation(B)［23-24］

1.2 功能微生物

MES通過產(chǎn)乙酸菌與碳鏈延長菌協(xié)同作用產(chǎn)生MCFAs，所涉及的主要功能微生物如表1所示。目前，已經(jīng)分離出100多種產(chǎn)乙酸菌［25］。在MES中，多種產(chǎn)乙酸菌（純菌和混菌）均能夠從陰極獲得電子轉(zhuǎn)化 CO2產(chǎn)生乙酸［22］，如 Acetobacterium、Sulfurospirillum和Desulfovibrio等均能夠利用電子產(chǎn)生乙酸［18，26-27］。純培養(yǎng)實驗表明多種產(chǎn)乙酸菌，包括Sporomusa ovata［5］、Clostridium ljungdahlii 和 Clostridium aceticum 及 Moorella thermoacetica［2］可從陰極獲取電子產(chǎn)生乙酸。共培養(yǎng)實驗表明硫酸鹽還原菌Desulfopila corrodens能夠利用陰極產(chǎn)生的電子以及氫氣作為中介體，而Acetobacterium woodii消耗產(chǎn)生的氫氣形成乙酸［28］。多種產(chǎn)乙酸菌，如Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii和 Clostridium ragsdalei等均能夠利用CO2和H2為底物產(chǎn)生乙醇［29］。Clostridium thermoaceticum能夠還原乙酸為乙醇［30］，Thermoanaerobacter pseudoethanolicus能 還 原有機酸為對應的醇［31］，Thermoanaerobacter ethanolicus利用乙酸產(chǎn)生乙醇［32］。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)生MCFAs主要使用乙醇和乳酸兩種電子供體，而MES產(chǎn)生MCFAs尚未見乳酸作為電子供體的報道。野生型Clostridium spp.的純菌能夠進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs，如Clostridium kluyveri和Clostridium sp.BS-1［33］等。野生型菌株 Clostridium kluyveri是脂肪酸產(chǎn)生和氧化的模式微生物［34］，能夠利用實際廢棄有機物，比如合成氣發(fā)酵液（主要成分為乙酸和乙醇）作為底物高效生產(chǎn)MCFAs［35］。Clostridium sp.BS-1能夠利用多種有機物（如葡萄糖、淀粉等）作為底物，進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs［36］?；炀哂胁僮鞑襟E簡單，不需要滅菌等優(yōu)點。MES使用混菌生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物，受到環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。Clostridium spp.是利用復雜底物產(chǎn)生MCFAs的重要微生物，如利用啤酒［37］、中國黃水［38］等進行發(fā)酵。Clostridium_sensu_stricto是產(chǎn)生己酸的關(guān)鍵微生物，能夠利用乙醇作為電子供體進行碳鏈延長［17］。許多研究表明，Clostridium spp.是MES碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs的優(yōu)勢菌群。在MES中，使用Clostridium spp.為優(yōu)勢菌的混菌能夠?qū)崿F(xiàn)同時產(chǎn)酸、產(chǎn)醇以及碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs［39］。在MES中，使用混菌以CO2為底物進行碳鏈延長時，發(fā)現(xiàn)Clostridium spp.是生物膜以及懸浮微生物中的優(yōu)勢菌群［18］；以乙酸鹽為底物時，發(fā)現(xiàn)Clostridium spp.作為優(yōu)勢菌的混菌能夠進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs［40］。

從胞外固相載體（通電電極以及共生或互生微生物菌群領(lǐng)域的微生物細胞等）中攝取胞外電子的親電微生物（electroautotrophic microorganisms）是MES的核心微生物，親電微生物的電子攝取能力和代謝特性直接影響MES產(chǎn)生MCFAs的能量轉(zhuǎn)換效率［41］，而功能菌的富集能夠提高反應器性能［42］。表1中MES產(chǎn)生MCFAs涉及的微生物是否為親電微生物，或者與親電微生物的互作關(guān)系還有待研究。因此，在MES中優(yōu)化親電微生物與碳鏈延長微生物的種群結(jié)構(gòu)和空間分布，有望實現(xiàn)MES高效產(chǎn)生MCFAs。

注：-：未報道數(shù)據(jù)；a：依據(jù)MCFAs的電子產(chǎn)生與底物以及電極的電子消耗計算； b：液體產(chǎn)品中MCFAs的電子回收率Note: -: Not available.a: Calculated based on the electron recovery in MCFAs and the electron consumption donated from substrate andelectrode.b: Calculated basedonelectronrecovery in MCFAs andall identified liquid chemicals.

2 電極材料及反應器結(jié)構(gòu)

在MES產(chǎn)生MCFAs的過程中，電極材料以及反應器構(gòu)型設(shè)計對于提高產(chǎn)物生成效率至關(guān)重要。構(gòu)建新型MES反應器以連續(xù)運行，增強傳質(zhì)和電子傳遞，有利于進一步評估MES產(chǎn)生MCFAs的性能。

MES中微生物以CO2為底物從陰極獲取電子產(chǎn)生化學品，不同陰極材料下的產(chǎn)物產(chǎn)生效率不同［48］。例如，中空纖維膜陰極是極具潛力的陰極材料，有利于促進氣體傳質(zhì)和觸發(fā)界面電化學反應［49］。復合陰極材料能夠增強生物電化學還原CO2性能（圖3-A），并且提高乙酸產(chǎn)生濃度［50］。以上陰極材料均已成功應用于MES以提高乙酸產(chǎn)生效率，但是微生物合成MCFAs的步驟更為復雜，以上陰極材料能否促進MES產(chǎn)生MCFAs還有待研究。如表1所示，反應器在不同電極材料下產(chǎn)生MCFAs的性能不同。反應器構(gòu)型優(yōu)化有望促進電子傳遞以及增加產(chǎn)物產(chǎn)生速率，加速產(chǎn)物分離以及產(chǎn)品回收。如圖3-B所示［51］，連續(xù)攪拌反應器能夠促進傳質(zhì)以及出水循環(huán)，升流式反應器有利于微生物保持懸浮狀態(tài)，反應器三室結(jié)構(gòu)方便產(chǎn)物提取與分離等。因此，使用新型陰極材料以及反應器構(gòu)型進行有效的生物反應器設(shè)計，提高產(chǎn)物產(chǎn)生效率的同時促進產(chǎn)物選擇性分離，有望促進MES高效產(chǎn)生MCFAs。

圖3 不同（A）電極材料［50］，（B）反應器構(gòu)型［51］用于MESFig.3 Electrode materials［50］and reactor configurations［51］used in MES

3 關(guān)鍵運行參數(shù)

關(guān)鍵運行參數(shù)（電子供體和電子受體負荷、電極電勢、pH和氣體分壓等）影響微生物催化劑的組成及活性，進而對MES產(chǎn)生MCFAs帶來影響。如何綜合調(diào)控MES的關(guān)鍵運行參數(shù)，實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)化CO2合成MCFAs，尚需深入研究。

3.1 電子供體和電子受體

電子供體和電子受體直接影響MES產(chǎn)生MCFAs。在MES碳鏈延長過程中，僅以CO2為電子受體，以電極為電子供體時，MCFAs的延滯期較長，且產(chǎn)物產(chǎn)生速率較低［18，43］（表1）。與效率低的H2或電極相比，乙醇被認為是最適合碳鏈延長的電子供體之一［23］。在MES轉(zhuǎn)化CO2的過程中，加入乙醇電子供體，明顯增加MCFAs選擇性以及最大MCFAs產(chǎn)量，最終MCFAs濃度達到7.66 g/L［45］（表1）。研究表明，乙醇和氫氣的電子供體組合比單獨使用乙醇產(chǎn)生MCFAs的濃度更高［52］。當CO作為電子供體時，加入乙酸或丁酸電子受體能夠提高MCFAs產(chǎn)量［53］。

在設(shè)定的乙醇和乙酸比例中，乙醇與乙酸比例越高越有利于產(chǎn)生辛酸鹽［54］。當初始乙醇濃度為 28.8 g COD/L（0.3 mol/L，13.82 g/L）時， 抑 制MCFAs產(chǎn)生；而且乙醇/乙酸底物比例越高，微生物碳鏈延長產(chǎn)生辛酸/己酸的比例越高［55］。CO2/CO比例［19］以及 CO2/H2比例［23］能夠影響 MCFAs的產(chǎn)物選擇性。因此，通過調(diào)控多種電子供體（電極、H2、CO和乙醇等）和電子受體（CO2、甲酸和乙酸等）的組合及比例，有利于促進MES產(chǎn)生目標MCFAs。

3.2 電極電勢

電極作為MES中的固體電子供體，陰極的電極電勢對微生物代謝具有較大影響［56］。成少安教授［4］發(fā)現(xiàn)陰極電位低于-0.700 V（本文出現(xiàn)的電極電勢均相對于Ag/AgCl參比電極）時，微生物能夠還原CO2為甲烷。李大平課題組以CO2為底物，MES的陰極電位在-0.850 V到-0.950 V之間時，只產(chǎn)生CH4和H2；而當陰極電位低于-0.950 V時，主要產(chǎn)物為CH4和乙酸［7］。有研究在-1.0 V電位下進行MES，微生物轉(zhuǎn)化CO2主要產(chǎn)生乙酸［57］。在-1.047 V的陰極電位下，MES使用生物膜以連續(xù)流模式運行能夠轉(zhuǎn)化CO2產(chǎn)生 MCFAs［43］；增加 CO2加載速率以及水力停留時間能夠增強丁酸和己酸的產(chǎn)物選擇性［44］。

MES中，電極電勢會影響多種反應參數(shù)，如氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）環(huán)境和析氫速率等，并對氣體分壓以及陰極液pH帶來顯著影響。電極電勢能夠影響微生物和電極的電子交換能力［46］。電極電勢對MES產(chǎn)生MCFAs的具體影響及調(diào)控機制還有待研究。

3.3 氣體分壓

不同氣體分壓對MES合成MCFAs過程均有一定影響。CO2分壓影響自養(yǎng)微生物的固碳速率和異養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化短鏈脂肪酸的效率［58］，H2分壓影響自養(yǎng)微生物與電極間的電子傳遞過程和異養(yǎng)微生物的乙醇氧化副反應［59］，CO分壓影響CO對不同種類微生物的毒性［60］。

CO2/CO比例主要通過不同氣體底物供應速率或者使用不同電化學特性的陰極材料進行調(diào)節(jié)。研究表明高CO2負載率與長水力停留時間相結(jié)合，能夠刺激碳鏈延長產(chǎn)生丁酸和己酸［44］。CO具有毒性，當CO分壓高于0.11 atm時，對產(chǎn)甲烷抑制作用明顯高于對產(chǎn)酸或者產(chǎn)醇的抑制作用［60］。在產(chǎn)生乙酸過程中，增加CO氣體組分，混菌微生物群落比純菌靈敏性低，但是在長期運行過程中主要產(chǎn)物從乙酸轉(zhuǎn)為乙醇［61］，而乙醇與乙酸的比例會影響產(chǎn)生的辛酸鹽和己酸鹽的比例［56］。CO占比從8%增加到30%，促進乙醇發(fā)酵產(chǎn)生己酸［60］；研究表明CO2/CO比例為1∶1時，己酸選擇性最高［19］。

在MES中，H2的原位產(chǎn)生和迅速消耗是實現(xiàn)陰極和微生物之間電子轉(zhuǎn)移的重要途徑［22］，所以H2分壓在實驗過程中通常比較低。因此，在MES中，有望通過調(diào)節(jié)氣體分壓來調(diào)控乙酸和乙醇等中間產(chǎn)物的比例，進而增加目標MCFAs的產(chǎn)量。

3.4 pH

在生物活性范圍內(nèi)，pH＞6時有利于產(chǎn)生乙酸，pH＜5時有利于產(chǎn)生乙醇［62-63］，pH在4.8左右時，有利于產(chǎn)生高級醇［25］。pH為5.0-5.5時，乙酸和乙醇同時存在，微生物能夠通過逆β氧化途徑進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs［55］。有研究發(fā)現(xiàn)pH為5.5和7時，均能夠產(chǎn)生己酸；而辛酸只在pH為7時產(chǎn)生［52］。構(gòu)建雙生物陰極的MES，以離子交換膜分割設(shè)置不同pH區(qū)域，可實現(xiàn)同時產(chǎn)酸、產(chǎn)醇（pH約4.9）以及碳鏈延長產(chǎn)生 MCFAs（pH 約 6.9）［39］（圖4）。

圖4 配備雙生物陰極的MES實現(xiàn)不同pH區(qū)域劃分［39］Fig.4 MES equipped with dual biocathodes working at different pH zones［39］

當溶液pH在羧酸的解離常數(shù)pKa（4.8-4.9）附近時，溶液中的MCFAs幾乎均為未解離MCFAs；當溶液pH為中性時，未解離MCFAs低于1%［64］。酸性pH下存在未解離MCFAs，而產(chǎn)甲烷菌比碳鏈延長功能菌對未解離MCFAs毒性更敏感［59］，所以酸性pH能夠抑制并減少與碳鏈延長微生物競爭底物的產(chǎn)甲烷菌［65］。已有兩種方法維持低濃度未解離MCFAs：一是在6.5-7.0的中性pH下直接產(chǎn)生MCFAs［66］；二是在5.0-5.5的酸性pH下運行反應器并進行產(chǎn)物提取［37］。

pH直接影響微生物電化學還原CO2以及碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs，而且這兩個過程均可能導致陰極液酸化［18］。與此相反，析氫反應可能致使陰極液堿化，當混菌不能消耗原位產(chǎn)生的H2時會出現(xiàn)陰極液過堿化［67］，進而導致MES產(chǎn)生MCFAs的性能下降。pH能夠通過改變脂肪酸和CO2的解離平衡，影響MES產(chǎn)生產(chǎn)品的分離選擇性。因此，可以通過pH調(diào)節(jié)來調(diào)控MES產(chǎn)生目標MCFAs。

4 MES中復雜底物影響MCFAs生產(chǎn)

研究表明MES能夠利用不同底物進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs，如表1所示。在MES中，底物選取及其比例對MCFAs產(chǎn)生起著重要作用，有望通過底物選擇以及比例調(diào)控促進特異性產(chǎn)生MCFAs。

4.1 C1廢氣

4.1.1 CO2氣體 MES能夠利用CO2為底物直接產(chǎn)生MCFAs（表1）。陰極電勢固定在-0.997 V時，陰極溶解的CO2以及產(chǎn)生的羧酸能夠抵消陰極產(chǎn)生氫氣帶來的陰極液堿化，在長期運行過程中陰極pH能夠保持穩(wěn)定以利于產(chǎn)生MCFAs，己酸濃度最大達到1.2 g/L［18］。使用廉價的碳氈陰極，在低CO2供應速率（0.09 L/d）以及短水力停留時間（4 d）下產(chǎn)生己酸的濃度最高達到1.5 g/L［43］；而在高CO2加載速率（173 L/d）以及長水力停留時間（14 d）下，己酸濃度最高為3.1 g/L［44］。盡管MES利用CO2產(chǎn)生MCFAs具有環(huán)境效益，但是CO2的高氧化電位以及熱力學穩(wěn)定性，使其以MCFAs作為目標產(chǎn)物時仍表現(xiàn)出低產(chǎn)物選擇性。

4.1.2 合成氣 工業(yè)過程（如鋼鐵產(chǎn)業(yè)、有機廢物氣化等）中通常產(chǎn)生大量C1廢氣，其組分顯著不同，如在煉鋼過程［68］、生物質(zhì)氣化過程［69］等產(chǎn)生的合成氣中CO占比為5%-70%。不同CO2/CO比例［19］及CO2/H2比例［23］均會影響MCFAs的產(chǎn)物生成以及產(chǎn)生速率。CO對微生物具有毒性，當CO分壓高于0.11 atm時，明顯抑制產(chǎn)甲烷［60］。CO在生物轉(zhuǎn)化中能夠同時作為碳源和電子供體［53］。CO/CO2的氧化還原電位（E0′= -520 mV）低，有利于微生物還原其產(chǎn)生醇或丙酮酸衍生物等化學品［70］。合成氣組分以及比例影響MES中MCFAs的產(chǎn)生速率以及選擇性，當CO2/CO合成氣比例為1∶1時，產(chǎn)生MCFAs的選擇性最高［19］。因此，探究MES利用合成氣產(chǎn)生MCFAs，有利于C1廢氣的回收利用，以實現(xiàn)MES利用不同來源的C1廢氣特異性產(chǎn)生MCFAs。

4.2 有機廢棄物

4.2.1 人工合成廢棄物 已有研究表明，在MES中微生物能夠?qū)⒍替溨舅嵫娱L為MCFAs。例如，MES利用乙酸為底物產(chǎn)生己酸（0.739 g/L）和辛酸（0.036 g/L）［40］。有機酸種類和濃度影響MCFAs的生產(chǎn)。乙酸和丁酸對于正己酸產(chǎn)生至關(guān)重要，而異丁酸和乙醇促進異己酸產(chǎn)生［71］。辛酸鹽濃度隨乙醇與乙酸比例增加而升高，己酸鹽產(chǎn)生則相反［54］。使用乙酸和乙醇為底物進行電發(fā)酵，新鮮碳氈陰極電發(fā)酵比不加電組己酸選擇性增加28%，而富集陰極電發(fā)酵的底物濃度與己酸選擇性呈現(xiàn)非線性關(guān)系［46］。因此，調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸與醇的種類和比例進行碳鏈延長，有利于選擇性產(chǎn)生目標MCFAs。

4.2.2 實際廢棄物 MES利用有機廢棄物為底物進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs，需要同時進行水解、初次發(fā)酵、碳鏈延長等多重步驟。在MES中，以甘油為底物，對混菌供電時戊酸積累量增加［8］。利用甘油為底物進行電發(fā)酵時，不同陰極電位下混菌產(chǎn)生丙酸和丁酸的比例不同［47］。使用不銹鋼網(wǎng)陰極利用釀酒廢水發(fā)酵，主要產(chǎn)物從丙酸轉(zhuǎn)變?yōu)槲焖?，表明存在碳鏈延長過程［72］。在MES中，置入電極會影響微生物群落的分布和結(jié)構(gòu)。通過有毒產(chǎn)物提取等方法增強微生物和電極的協(xié)同作用有利于碳鏈延長。例如，構(gòu)建膜液液萃取系統(tǒng)，將生物反應器（pH5.5）產(chǎn)生的MCFAs泵入堿性提取液（pH9），再將堿性提取液通入膜電解池的陰極室（pH約9），使陰極液中解離MCFAs通過陰離子交換膜轉(zhuǎn)移到酸性陽極液（pH約1.5），進而實現(xiàn)液相分離并高效提取MCFAs［73］。盡管目前沒有相關(guān)報道，上述研究揭示MES可望提供一種利用有機廢棄物進行碳鏈延長以實現(xiàn)實際廢棄物資源化的新方法。

5 展望

MES是利用C1廢氣以及有機廢棄物產(chǎn)生MCFAs的較有潛力的技術(shù)，然而，MES產(chǎn)生MCFAs尚存在一些技術(shù)瓶頸。尚需通過菌群優(yōu)化、調(diào)節(jié)關(guān)鍵運行參數(shù)以及使用新型陰極材料等提高其性能。

（1）合成生物學手段以及混菌群落調(diào)控可提高生化反應性能。合成生物學使用基因組設(shè)計和有效的分子工具，可以廣泛高效地改造功能菌，有望從調(diào)控細胞電子傳遞路徑、胞內(nèi)還原力水平和胞內(nèi)信號分子的表達等3個方面［74］改造功能菌以實現(xiàn)高效產(chǎn)生MCFAs。對細胞進行材料修飾有望提高MCFAs產(chǎn)率，如使用半導體納米顆粒修飾CO2固定菌［75］，促進陰極CO2還原產(chǎn)生其他高附加值產(chǎn)品?；炀郝湔{(diào)控優(yōu)化功能菌，有望增強菌群相互作用，以提高MES產(chǎn)生MCFAs的性能。電極生物膜的形成可為不同菌群提供最優(yōu)微環(huán)境，增加生物量以及提高體積產(chǎn)率。

（2）尚須綜合優(yōu)化MES產(chǎn)生MCFAs的關(guān)鍵運行參數(shù)。綜合調(diào)控電子供體和電子受體負荷、電極電勢、氣體分壓和pH等運行參數(shù)，控制以C1廢氣或有機廢棄物為底物產(chǎn)生乙酸和乙醇等中間產(chǎn)物的比例，增強微生物和電極的協(xié)同作用，能夠促進短鏈脂肪酸和乙醇特異性產(chǎn)生目標MCFAs。

（3）有必要對MES產(chǎn)生MCFAs的長期運行性能進行評估。連續(xù)運行MES反應器，促進底物和產(chǎn)物傳質(zhì)以及胞外電子傳遞；使用同位素標記方法［76］和定量PCR技術(shù)對碳鏈延長過程進行研究；建立動力學模型分析碳鏈延長過程中不同路徑的具體貢獻；均有望進一步促進MES高效產(chǎn)生MCFAs。

6 結(jié)論

MES利用C1廢氣以及有機廢棄物為底物產(chǎn)生MCFAs，能夠在減少碳排放、處理有機廢棄物的同時將其資源化并轉(zhuǎn)化為具有較高價值的化合物，具有很高的環(huán)境和社會效益。本文總結(jié)MES催化轉(zhuǎn)化C1廢氣并耦合二次發(fā)酵過程進行碳鏈延長產(chǎn)生MCFAs的研究現(xiàn)狀，具體如下。

（1）MES研究中多為產(chǎn)乙酸菌與碳鏈延長菌協(xié)同作用產(chǎn)生MCFAs：通過WLP產(chǎn)生乙酸和乙醇，并通過R-Box過程產(chǎn)生MCFAs。（2）探索新型陰極材料以及綜合調(diào)控MES的關(guān)鍵運行參數(shù)，有望實現(xiàn)MES高速合成目標MCFAs。（3）探究不同底物的組合及其比例，有望為MES轉(zhuǎn)化實際廢棄物并特異性產(chǎn)生MCFAs提供指導。