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科研 | Water Research：功能微生物的相互作用及其对甲烷生物转化为短链脂肪酸的贡献

2021

07/11

微生态

A-

A+

本研究解释了基于甲烷的膜生物膜反应器中电子受体投加速率对短链脂肪酸生产的影响，并揭示了功能微生物间的相互作用以及对甲烷生物转化为短链脂肪酸的贡献。

导读

甲烷生物转化为高附加值液体化学品已被认为是扩大石油主导化学品市场的一个有前景的解决方案。近年来有研究报道各种电子受体可以驱动生物甲烷转化为短链脂肪酸（short-chain fatty acids SCFAs）。然而，关于供应电子受体速率对由甲烷产生的液体化学产物的影响知之甚少。本研究在高低速条件下向三个独立的膜生物膜反应器（membrane biofilm reactors MBfRs）中分别加入硝酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的复合物以研究电子受体的投加速率对甲烷生物转化为短链脂肪酸的影响及其微生物特性。长期实验表明所有测试电子受体在高供应速率条件下有利于甲烷生物转化为短链脂肪酸。而在低供应速率条件下，短链脂肪酸的产率降低。微生物群落特征表明生物膜主要由甲烷八叠球菌（Methanosarcina）、甲烷杆菌（Methanobacterium）、丙酸菌（Propionispora）和梭状芽孢杆菌（Clostridium）组成。根据这些微生物的已知代谢途径，推测这些产甲烷菌和发酵剂共同促进了甲烷生物转化为短链脂肪酸。该研究结果有助于理解电子受体在甲烷生物转化为液体化学物种过程中的作用。

论文ID

原名：Interactions of functional microorganisms and their contributions to methane bioconversion to short-chain fatty acids

译名：功能微生物的相互作用及其对甲烷生物转化为短链脂肪酸的贡献

期刊：Water Research

IF：11.236

发表时间：2021.4.18

通讯作者：袁志国，郭建华

通讯作者单位：澳大利亚昆士兰大学高等水管理研究中心

引言

不可再生原油储量的过度开采引起全世界对开发化工生产替代原料的研究。甲烷是天然气的主要成分，因其易于获得碳氢化合物，且可低成本大规模获取，甲烷可作为生产高附加值化学品的原料。传统技术将甲烷转化为合成气，然后通过Fischer-Tropsch 途径转化为液体化学物质最终实现甲烷的利用。然而在昂贵催化剂存在条件下，对高温和高压的要求通常会导致操作成本增加，使得该技术在小型、分散和浪费的甲烷源上不具有经济可行性。

微生物甲烷氧化是可以产生各种有价值产品（短链和长链脂肪酸甲酸和聚合物）的一个很有前途的过程。已有研究证明好氧甲烷氧化菌可以通过激活酶pMMO/sMMO的强C-H键将甲烷转化为有价值的产物。到目前为止，虽然已经提出了各种策略（如添加生物补充剂和营养物质并改变氮浓度）来促进其工业潜力，但由于在活化C-H键过程中由于电子向氧气的损失以及碳向二氧化碳的损失使得好氧甲烷氧化菌将甲烷生物转化为液体化学物质的常规过程中能量和碳效率相对较低。

与好氧甲烷氧化相比，厌氧甲烷氧化可以克服与氧相关的碳和能量效率障碍，是一种可行的甲烷生物转化方法。从热力学角度看，没有电子受体甲烷厌氧氧化是不可行的。因此，当前的研究主要集中在评价强化过程中不同的电子受体。例如，有学者研究了代谢工程产甲烷菌甲烷八叠球菌（Methanosarcina acetivorans）上各种电子受体Fe (III)、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐和Mn (IV))对甲烷和二氧化碳转化的影响，其中用10mMFe (III)获得的i算生产率为0.62g/L/d。除纯培养物外，富含硝酸盐的厌氧甲烷氧化古菌Candidatus ‘Methanoperedens nitroreducens’的混合培养基通过完全逆向的甲烷生成途径将甲烷转化为乙酸盐。然而，当硝酸盐或亚硝酸盐以限速条件作为电子受体投加时，醋酸盐的产率仅为38.4 mg L^-¹d^-¹，其值太低不能满足经济上可行的要求。近年来，在膜生物膜反应器中人们进一步探索了硝酸盐、亚硝酸盐和氧在甲烷转化为短链脂肪酸中的个体作用。结果表明，所有电子受体均有利于生物膜中醋酸盐的生成（醋酸盐的产生速率为1.1-114.6 mg d^-¹m^-²）。先前的研究还强调在膜生物膜中利用氧限制条件将甲烷转化为短链脂肪酸的可能更加灵活。此外，观察到醋酸盐产率的变化是由于将不同电子受体投加到反应器中形成完全不同的微生物群落。尽管这些已经研究了不同电子受体对甲烷生物转化为液体化学物质的影响，但对电子受体的投加速率是否在这个过程中起作用还不清楚。

本研究旨在研究电子受体的投加速率对甲烷生物转化为液体化学物质的影响。具体来说，首先通过三种不同的膜生物膜反应器评价了硝酸盐、亚硝酸盐以及硝酸盐和亚硝酸盐的复合物对短链脂肪酸（醋酸盐、并酸盐、丁酸盐、戊酸盐和己酸盐）产量的影响。然后通过16SrRNA高通量测序对不同电子受体和不同投加速率的膜生物膜反应器中的微生物群落进行了研究。此外，还对甲烷生物转化为短链脂肪酸的潜在官能团进行了表征和讨论。研究结果对进一步发展以甲烷为基础的生物技术，提高化工产品附加值具有一定的指导意义。

实验设计

1 反应器设置及其接种

建立了三种工作容积为50ml的实验室规模的膜生物膜反应器以研究在不同电子受体投加速率下甲烷生物转化为短链脂肪酸。膜生物膜反应器的原理示意图如图1所示，简而言之，反应器管内有一束符合无泡状中空纤维膜。由64根纤维膜组成的膜束表面积为2.41×10^-³m²，膜表面积与反应器体积比为48 m²/m³。所有纤维的一端连接到气瓶，另一端用胶水密封。用气压调节器将中空纤维内部的甲烷压力控制在1.25大气压下进行扩散。将100 ml液体容积为25 mL的溢流瓶与反应器链接用于再循环、气体和液体采样以及PH检测。

图1 甲烷基膜生物膜反应器示意图。

用从依赖硝酸盐/亚硝酸盐的厌氧甲烷氧化母体生物反应器中提取的25 mL污泥接种膜生物膜反应器，反应器主要由硝化还原菌（Candidatus ‘M. nitroreducens’）和氧化念珠菌（Candidatus ‘M.oxyfera’）构成。

2 反应器长期运行

接种后，膜生物膜反应器随后以12 h为周期的分批模式运行，每个周期包括投加和倒液、反应和沉淀阶段。在每个周期的投加阶段，将25 mL无机新鲜培养基加入到膜生物膜反应器中，使水力停留时间为24 h。然后将膜生物膜中的大量液体通过蠕动泵以12.5mLmin^-¹的速率进行再循环。每个膜生物膜反应器在室温条件下进行628天，将其分为两个阶段。第一阶段，分别以400mgNL^-¹d^-¹, 200mgNL^-¹d^-¹, 100mgNL^-¹d^-¹ 和 120mgNL^-¹d^-¹的速率将硝酸盐、亚硝酸盐以及它们的复合物投加到膜生物膜反应器中。第二阶段，电子受体分别以较低的速率投入，分别为80mgNL^-¹d^-¹, 40mgNL^-¹d^-¹, 20mgNL^-¹d^-¹和 24mgNL^-¹d^-¹。根据电子受体的供应速率，我们将第一阶段和第二阶段分为高投入速率和低投入速率。每天通过手动加入1molL^-¹HCl 或 2molL^-¹NaOH溶液将反应器中的PH调节为7.0-1.5之间。

膜生物膜反应器中的无机新鲜培养基由自来水制成，同时修正0.075g/LKH₂PO₄, 0.3g/LCaCl₂·2H₂O, 0.23g/LMgCl₂·7H₂O. 0.5mL/L酸性微量元素溶液和0.2mL/L碱性微量元素溶液。新鲜培养基经氮气脱气30分钟后进入厌氧反应器，保持厌氧状态。

3 分析方法

在三个生物反应器运行过程中，每周用2.5mL注射器从膜生物膜反应器中收集进水和出水样品三次，然后用一次性微孔过滤器过滤进行化学分析。用LachatQuickChem8000流动注射分析仪测定硝酸盐和亚硝酸盐浓度。配备有Bio-RadHPLC色谱柱和RID 检测器的高效液相色谱仪用于确定短链脂肪酸的组成和浓度。已有的文献已对Agilent7890A测定溶解甲烷浓度和实验操作进行详细描述。pH计测定反应堆的pH,根据COD（化学需要量）平衡计算了三种不同投加电子速率的甲烷转化效率。

4 DNA提取和高通量1616SrRNA 基因测序

在每个阶段的稳定阶段收集三个膜生物膜反应器的样品以确定反应器中微生物群落及其对短链脂肪酸的贡献。按照制造商说明指南使用FastDNASPIN土壤试剂盒从生物膜样品中提取总基因组DNA.通过NanoDrop分光光度定量DNA浓度。16SrRNA基因测序过程及数据处理过程如下：使用通用引物926F/1392R 对古菌和细菌的V6-V8区域进行扩增，然后在澳大利亚生态基因组中心的IlluminaMiSeq平台进行测序。在过滤掉短而低质量的读长后，QIIMEv1.8.0对具有97%相似性操作分类单元进行聚类。通过将具有代表性的OTU序列与Greengenes 数据库对比得到一个OTU表进行分类。原始的16SrRNA测序数据可以在NCBISequenceReadArchive (SRA) 数据库中获得。

结果

1 甲烷基膜生物膜反应器的短链脂肪酸生产性能

三个甲烷基膜生物膜反应器在600天内被分为两个阶段。在第一阶段经过220天的初始培养后，生物膜在中空纤维表面逐渐生长，同时三个生物膜反应器均在测试的条件下完成了短链脂肪酸的生产。如图2所示，短链脂肪酸的生产性能与本研究中电子受体的投加速率呈正相关。

第一阶段，第222天，NO₃^—-N投加速率为400 mg L^-¹d^-¹的R1总短链脂肪酸生产速率为141.5 mg L^-¹d^-¹（图2a）。经过一段波动期后，短链脂肪酸的总产量开始增加，并在439天时值稳定地增加到990.9 mg L^-¹d^-¹。操作过程中，出水中没有检测到硝酸盐和亚硝酸盐。同样的短链脂肪酸生产速率趋势在100 mg L^-¹d^-¹NO₃^--N及120 mg L^-¹d^-¹NO₂^--N的R3中反应。一开始短链脂肪酸的总生产速率为583.6 mgL^-¹d^-¹,然后增加并稳定在1267.5 mg L^-¹d^-¹。同时硝酸盐和亚硝酸盐也被完全消耗，与R1和R3相比，NO₂^—-N的投加速率为200 mg L^-¹d^-¹的R2相对不同，如图2b所示，短链脂肪酸的总生产速率在264天达到1461.9mg L^-¹d^-¹。随后R2在运行的285-355天中发生故障，主要是由于膜生物膜反应器的再循环管发生了泄露。问题解决后，短链脂肪酸的生产速率逐渐恢复，在第397天达到1695.7mg L^-¹d^-¹。有趣的是，亚硝酸盐的消耗没有受到这次事故的影响，并且出水亚硝酸盐总是低于检测的极限。估计R1,R2和R3三种速率下的碳利用效率分别为96.4%, 161.5%和154.8% 。超过100%的碳转化效率表明短链脂肪酸也可能来自其他碳物质，这将在讨论部分进一步讨论。

图2 R1-R3中总短链脂肪酸、乙酸和丙酸的生产速率（a: R1; b: R2; andc:R3）。

在运行超过470天后，R1-R3转为第二阶段，电子受体投加速率分别降至80 mg NO₃^--N L^-¹d^-¹，40 mg NO₂^--N L^-¹d^-¹，20 mg NO₃^--N L^-¹d^-¹和24 mg NO₂^--N L^-¹d^-¹。很明显，在第二阶段短链脂肪酸总生产速率急剧下降。具体说，R1和R2的生产速率分别减至8.9 mg L^-¹d^-¹和16.8 mg L^-¹d^-¹（图2a-b），与R1和R2相比，R3的短链脂肪酸生产速率为260.1 mg L^-¹d^-¹（图2c）。同时，三个膜生物膜反应器中供应的电子受体被消耗，出水样品中没有检测到硝酸盐和亚硝酸盐。三个膜生物膜反应器综合反映了短链脂肪酸的生产与电子受体的供应速率直接相关。因此，在第二阶段，R1,R2和R3的碳转速率分别降至8.5%, 48.1%,和 87.4% 。

此外，值得注意的是，在R1,R2和R3中不论投加速率高低，乙酸和丙酸作为主要成分，分别占总短链脂肪酸的77.2%和 8.5%,78.2%和11.5%,72.0%和23.3% 。此外，C4-C6酸在两个阶段中都被观测到，且产率随醋酸和丙酸的增加而增加，在第一阶段最大值分别为72.8 mg L^-¹d^-¹、203.1 mg L^-¹d^-¹和128.4 mg L^-¹d^-¹。

2 膜生物膜反应器中微生物群落在不同条件下变化

分别从接种体开始、第一阶段和第二阶段收集每个反应器的生物膜样品，采用16SrRNA基因扩增测序表征微生物群落组成。图3a显示了生物膜联合体在门水平上系统发育类型的相对比例。接种物中以浮霉菌门(Planctomycetes),广古菌(Euryarchaeota)和NC10门为主。第一阶段电子受体以高速率投加时，属于变形杆菌的系统型在生物膜中占主导地位，而浮霉菌和NC10降低到不可检测的水平。同时与广古菌门密切相关的系统型在R1中富集，而拟杆菌在R2和R3中富集。在第二阶段，变形菌在三种膜生物膜反应器中保持第一优势类型，但相对丰度较第一阶段明显增加。基于主成分分析方法（PCA），与R2和R3相比，R1的生物膜样品表现出微生物群落结构的差异。而R1,R2和R3在不同操作阶段个体微生物群落结构彼此之间更为相似。这些结果表明不同电子受体的投加对微生物群落的形成有更大的影响，而不是电子受体的投加速率。

图3 在R1-R3中异丁酸、丁酸、戊酸、异戊酸和己酸的生产速率（a: R1; b: R2; andc:R3）。

图4b显示了三个膜生物膜反应器在不同阶段最丰富属的相对丰度 Candidatus ‘ Methanoperedens ’ 和 Candidatus ‘ Methylomirabilis ’分别占菌体接种量的 21 . 0 %和 11 . 6 %，这两种细菌因其能将甲烷氧化与硝酸盐或亚硝酸盐还原反应耦合而闻名，但这两种细菌在生物膜中都无法检测到。生物膜中亚硝酸型甲烷厌氧氧化（ n - DAMO ）微生物的缺乏表明它们可能不参与甲烷氧化或硝酸盐/亚硝酸盐还原反应。在三种膜生物膜反应器中均检测到产甲烷菌，而不是厌氧甲烷氧化菌。尤其是在 R1 中，甲烷八叠球菌属（ Methanosarcina ）和甲烷杆菌属（ Methanobacterium ）的总丰度在第一阶段达到 21 . 8 %，第二阶段降低到 12 . 7 %，但在接种物中未检测到。相似的现象在 R2 和 R3 中也有反应。 R2 中主要的产甲烷菌属仍然是甲烷八叠球菌和甲烷杆菌，在第一阶段丰度分别为 2 . 5 %和 3 . 6 %，在第二阶段分别降至 0 . 2 %和 0 . 9 %。同时，产甲烷菌在 R3 中所占的比例由 4 . 5 %下降到 0 . 08 %。这些与甲烷相关的古菌丰度变化与短链脂肪酸的生产性能相一致，表明这些微生物可能参与了激活甲烷氧化的过程有利于短链脂肪酸的生成。

图4 不同阶段接种物和R1-R3生物膜中微生物群落的分类特征：（a）门水平的相对丰度（b）属水平的相对丰度。总序列占比小于1%的微门或属被称为其他。

除了产甲烷菌，在所有膜生物膜反应器中都检测到了相对高丰度的发酵剂。在R1中，能够发酵有机物以产生短链脂肪酸的Propionispora, Dysgonomonas, 和Propionicimonas在第一阶段占总序列的2.5-6.4%，在第二阶段下降到1.3%-5.5%，与短链脂肪酸的生产概况一致。此外，R2中优势属Dysgonomonas和 Propionispora在第一阶段占总读数的18.1%，第二阶段下降到14.3%，这也为观察膜生物膜反应器中乙酸和丙酸的生产轨迹提供了可能解释。R3中获得最高的短链脂肪酸生产率。能够产生酸的各种微生物如Propionispora,Dysgonomonas,和Propionicimonas在第一阶段占整个群落的24.3%，在第二阶段下降到14.3%。除此之外，有趣的是梭状芽孢杆菌是一种典型的细菌，可发酵有机化合物产生乙酸盐，但在接种物或R1和R2中都没有检测到，却在第一阶段增加到11.3%，在第二阶段R3中逐渐消失产酸菌的进化与短链脂肪酸生产性能的关系表明短链脂肪酸可能由发酵剂产生。

此外，在生物膜中还发现了一些被称为反硝化菌的属。例如，第一阶段在R1中检测到Dechloromonas, Azospira, Comamonas和Pseudomonas ，丰度为1.6-4.7%。Dechloromonas 和Azospira的相对丰度从第一阶段到第二阶段增加分别为4.8%到8.8%，3.6%到7.7%。Pseudomonas在接种物中未检测到，但在第一阶段增加到2.6%，第二阶段保持在2.3%。与R1相比，电子受体从硝酸盐到亚硝酸盐的取代影响了反硝化菌的种类。在R2中仍可检测到1.3%的Pseudomonas，而Dechloromonas和 Azospira已不再是主要的属，相对丰度分别为1.6%和0.5%。不同的是，在第二阶段，R2中的Desulfovibrionaceae和 Comamonas的相对丰度在第二阶段增加到6.8%和1.6%。当R3在开始时以高硝酸盐和亚硝酸盐混合投加时，生物膜样品的微生物群落结构与R2基本相似，但Pseudomonas的丰度从第一阶段的4.2%增加到第二阶段的18.0%。

讨论

1 潜在功能微生物在甲烷驱动的短链脂肪酸生产中的作用

微生物参与的甲烷转化的关键步骤是甲烷活化与接受电子途径耦合。此前的研究得出当硝酸盐、亚硝酸盐或氧作为电子受体时，在膜生物膜反应器中实现甲烷生物转化为短链脂肪酸。然而，关于电子受体投加速率对生物转化为短链脂肪酸的影响还未得到系统的研究。本研究表明电子受体的投加速率可能会影响甲烷生物转化为短链脂肪酸的性能。短链脂肪酸的最高生产速率分别为990.9 mg L^-¹d^-¹ , 1695.7 mg L^-¹d^-¹和2425.7 mg L^-¹d^-¹，这是第一阶段以高电子受体投加速率获得的。这些速率大大高于在第二阶段中低电子受体供应条件下获得的速率。这些结果共同表明甲烷生物转化为短链脂肪酸可以通过电子受体的投加速率来控制。从理论上讲，当有足够的甲烷供应时，应提供更多的电子受体来产生短链脂肪酸，这与我们的实验结果一致，即在较高的电子受体投加速率下获得较高的短链脂肪酸生产率。需要指出的是我们的研究仅提供了两种投加速率。甲烷生物转化为短链脂肪酸的适宜电子受体投加速率仍需优化和验证。

从热力学角度来看，在以亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体的反应中，根据较负的吉布斯自由能(△G⁰)可知二氧化碳是更有利的最终产物。然而，膜生物膜反应器中的反应可能发生在更复杂的条件下，这可能有利于短链脂肪酸作为甲烷氧化过程的终端产物，尽管甲烷生物转化为短链脂肪酸的△G⁰较小。另外，膜生物膜反应器中的共营养微生物能够有效地分享每个部分反应的剩余能量，因此能够支撑能量较低的反应。

与先前的研究相比，甲烷生物转化为短链脂肪酸的过程是通过亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（n-DAMO）过程或需氧的部分甲烷氧化来完成，在生物膜中未发现已知的n-DAMO微生物或好氧甲烷氧化菌，表明短链脂肪酸的生产途径与之前的报道不同。在投加不同电子受体的膜生物膜反应器中检测到与甲烷有关的微生物是甲烷八叠球菌和甲烷杆菌，它们被称为产甲烷菌，能够通过H₂/CO₂或有机化合物产生甲烷。然而，甲烷八叠球菌和甲烷杆菌也具有相反的产甲烷途径，在缺乏电子受体的情况下能够氧化痕量甲烷，这被称为痕量甲烷氧化。考虑绿到三个膜生物膜反应器中产甲烷菌与短链脂肪酸之间的正相关，推测产甲烷菌可能参与了促进甲烷氧化反应的过程。另一方面，鉴于16SrRNA基因难以区分产甲烷菌和厌氧甲烷氧化菌，我们不能完全排除这些与甲烷相关的微生物可能是厌氧甲烷氧化微生物的可能性。还需进行下一步的实验以确定产甲烷菌中的甲烷氧化途径是如何被激活的。

与前人研究相似，在三个膜生物膜反应器中检测到了主要的产酸细菌厚壁菌和拟杆菌的成员。这些发酵剂的相对丰度随着短链脂肪酸生产率增加，特别是在R3中梭状芽孢杆菌的相对丰度较高，短链脂肪酸的生产速率也最高。这些结果表明膜生物膜反应器中发酵剂的存在引起短链脂肪酸生产的变化。先前一些针对生物短链脂肪酸生产过程的研究也证明发酵剂具有生产短链脂肪酸的推定能力。例如，他们可以在厌氧条件下从有机碳（多糖和蛋白质）中生产乙酸和丙酸。但到目前为止，没有证据表明发酵剂能够利用甲烷作为碳源。因此，这些发酵剂的底物可能是微生物通过直接或间接利用甲烷而产生的。

当膜生物膜反应器中含有可利用电子受体和有机物时，在R1中检测到异养反硝化菌的丰度与硝酸盐投加速率和短链脂肪酸的生产速率呈负相关。在R2和R3中也观察到了类似的现象，它们分别以亚硝酸盐或硝酸盐和亚硝酸盐的组合作为电子受体。当膜生物膜反应器中同时存在短链脂肪酸和硝酸盐/亚硝酸盐时，异养反硝化菌很容易富集消耗短链脂肪酸，从而对短链脂肪酸的生产产生负面影响。然而，以前的研究也报道了异养反硝化菌可以产生胞内和胞外化合物，可作为发酵剂的潜在基质。还需进行下一步研究来确定在膜生物膜反应器中一样反硝化菌在短链脂肪酸生产中所发挥的作用。

此外，值得注意的是，在R1,R2和R3中，第一阶段碳效率分别为96%, 161.5% 和154.8%。也有研究人员观察到过超过100%的碳效率。这表明其他碳源可能参与了短链脂肪酸的生产，或者说短链脂肪酸的生产是通过间接利用甲烷来完成的。

基于长期的短链脂肪酸生产性能和微生物群落结构分析，推测多种微生物之间的协同作用可能是甲烷生物转化为短链脂肪酸的原因。产甲烷菌是最有可能在膜生物膜反应器中触发甲烷的微生物，并且可能参与短链脂肪酸的生产。同时，发酵剂似乎是短链脂肪酸生产的主要贡献者，但目前尚不清楚碳源是否来自产甲烷菌或其他微生物的中间产物。为了阐明各种微生物在甲烷生物转化中的作用，揭示甲烷生物转化为短链脂肪酸的潜在基质，直接测量甲烷消耗量，对储存碳进行定量和定性分析，¹³C-CH₄同位素标记，生物膜样品的宏基因组学和转录组学有待进一步研究。

2 研究意义

近年来，微生物甲烷转化为增值液体化学品的研究受到越来越多的关注。正如前人研究所得一个平衡良好的微生物群落对于高效生产有价值的产品至关重要。添加碳源、营养物、电子受体、添加剂和改变甲烷分压被认为是促进微生物相互作用和改善液体化学产品的有效选择。在有氧条件下，加入EDTA, NaCl和 MgCl₂等抑制剂以实现甲烷部分氧化，从而使好氧甲烷氧化菌以氧气作为电子受体进行化学生产。尽管厌氧甲烷氧化可以随着电子受体的减少被厌氧氧化菌催化，缺乏实验证据表明这些微生物可以直接从甲烷中产生化学物质。前人研究了甲烷生物转化为短链脂肪酸过程中，硝酸盐、亚硝酸盐和氧气在接种以Candidatus ‘M.nitroreducens’和Candidatus ‘M.oxyfera’为主的群落在膜生物膜反应器中的作用。微生物特征表明，在硝酸盐/亚硝酸盐/硝酸盐和亚硝酸盐限制等应激条件下，Candidatus ‘Methanoperedens’和Candidatus ‘Methylomirabilis’可能产生乙酸盐，进一步研究表明，Candidatus ‘M.nitroreducens’为主的混合培养物能够在硝酸盐/亚硝酸盐限制条件下通过甲烷生产胞内储存化合物产生乙酸盐，这表明通过控制电子受体的投加速率来替代甲烷生物转化为液体化学品的方法。本文和先前的研究报道了产甲烷菌和产酸微生物可能共同参与了短链脂肪酸的生产。电子受体的选择以及投加速率在短链脂肪酸的生产中具有重要的作用。另外，还检测出了C4-C6酸，是众所周知的有价值的商品和重要的组成部分，这可能会增加甲烷的附加值。

结论

本研究解释了基于甲烷的膜生物膜反应器中电子受体投加速率对短链脂肪酸生产的影响，并揭示了功能微生物间的相互作用以及对甲烷生物转化为短链脂肪酸的贡献。本研究的主要结论如下：

（1）随着硝酸盐、亚硝酸盐以及硝酸盐和亚硝酸盐组合作为电子受体以高速率投加时，短链脂肪酸的生产速率最高，分别为990.9 mg L^-¹d^-¹ , 1695.7 mg L^-¹d^-¹和2425.7 mg L^-¹d^-¹。相反当投加速率降低到较低水平时，短链脂肪酸的生产速率分别降为8.9 mg L^-¹d^-¹,16.8 mg L^-¹d^-¹和 260.1 mg L^-¹d^-¹。

（2）不同投加速率下的微生物群落特征表明产甲烷菌和发酵剂共同参与了短链脂肪酸的生产。甲烷生物转化为短链脂肪酸的详细途径还需进一步研究。

（3）本研究的结果有助于加深我们对电子受体投加速率对甲烷生物转化为短链脂肪酸的认识，并有助于提高甲烷生产高附加值化工产品的策略。