網(wǎng)絡(luò)首發(fā)||郭婉茜教授：有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化制備高附加值中鏈脂肪酸研究進(jìn)展
創(chuàng)新點(diǎn)
通訊作者簡(jiǎn)介
郭婉茜，教授（長(zhǎng)聘），博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)高層次人才計(jì)劃入選者。曾入選國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃、首批“國(guó)家環(huán)境保護(hù)專業(yè)技術(shù)青年拔尖人才”等，獲批哈爾濱工業(yè)大學(xué)青年科學(xué)家工作室，國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）會(huì)員等。主要從事污水處理資源化與能源化、固體廢棄物處理處置與資源化、高風(fēng)險(xiǎn)有機(jī)物控制理論與技術(shù)、數(shù)字生態(tài)環(huán)境等方面研究；在多元固廢資源化、工業(yè)廢水預(yù)處理與深度處理、數(shù)字市政環(huán)境建設(shè)等工程應(yīng)用技術(shù)等方面開(kāi)展工作。主持省部級(jí)以上項(xiàng)目10項(xiàng)，其中包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目課題1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金4項(xiàng)等；曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，黑龍江省自然科學(xué)獎(jiǎng)3項(xiàng)。公開(kāi)發(fā)表研究論文160余篇：其中SCI收錄140余篇（累計(jì)3篇ESI熱點(diǎn)論文；13篇ESI高被引論文），EI收錄18篇；SCI論文他引7300余次，h-index 50；編著圖書(shū)教材2部；獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)。
有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化制備高附加值中鏈脂肪酸研究進(jìn)展
作者
單位
哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院
基金項(xiàng)目
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52000132）
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摘要
鑒于有機(jī)固廢產(chǎn)量隨工業(yè)化和城市化推進(jìn)而逐年增長(zhǎng)，有機(jī)固廢資源化成為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，利用微生物碳鏈延長(zhǎng)技術(shù)將有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為高附加值的中鏈脂肪酸( Medium-Chain Fatty Acids，MCFAs)備受關(guān)注。該技術(shù)既能解決當(dāng)前緊迫的環(huán)境污染問(wèn)題，又能提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，兼具環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性雙重優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)減污降碳和無(wú)廢城市建設(shè)的要求。綜述了有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化制備MCFAs的厭氧發(fā)酵和碳鏈延長(zhǎng)技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理以及關(guān)鍵微生物，分析了影響合成效率的主要因素，包括 pH、溫度、底物類型與濃度、水力停留時(shí)間(HRT)、固體停留時(shí)間(SRT)以及其他影響因素，總結(jié)了有機(jī)固廢生產(chǎn)MCFAs所面臨的底物生物利用難、電子供體缺乏、高效產(chǎn)酸體系構(gòu)建難和產(chǎn)物分離提取難題等挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)解決策略，為今后相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展研究提出了建議。
研究背景
我國(guó)是世界上最大的有機(jī)固廢生產(chǎn)國(guó)，隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，有機(jī)固廢產(chǎn)量(廚余垃圾、市政污泥、農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等)呈逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量為2.45x108t，干污泥產(chǎn)量為1.58x107t，秸稈產(chǎn)量為8.65x108t。有機(jī)廢棄物若不能得到有效處理，則會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。在氣候變化和資源短缺的背景下，有機(jī)固廢處理儼然成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)的新熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)家陸續(xù)提出無(wú)廢城市、垃圾分類和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等系列行動(dòng)計(jì)劃，并對(duì)有機(jī)固廢資源化提出了明確的要求。有機(jī)固廢是“放錯(cuò)位置的資源”，對(duì)其進(jìn)行資源化利用，將其“變廢為寶”，既可解決資源短缺問(wèn)題，又能減少碳排放，緩解全球變暖。
鏈延長(zhǎng)技術(shù)是厭氧發(fā)酵的一個(gè)重要分支，利用乙醇、乙酸和乳酸等易獲取底物合成已酸、庚酸和辛酸等中鏈脂肪酸( Medium-Chain Fatty Acids，MCFAS)，從而實(shí)現(xiàn)廢棄物的處理和資源回收。目前，MCFAs可被用作食品添加劑、抗菌劑、生物柴油和香料等的前驅(qū)體，由于原料有限、提取工藝復(fù)雜，當(dāng)其主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)中的植物油時(shí)，已酸生產(chǎn)價(jià)格高達(dá)20000~27000元/t。因此，基于微生物合成的碳鏈延長(zhǎng)(Chain Elongation，CE)生產(chǎn)MCFAs具有很大的發(fā)展前景。有機(jī)固廢種類繁多，其中農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、餐廚垃圾和剩余污泥等是典型的有機(jī)廢棄物，有機(jī)質(zhì)含量高，可通過(guò)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)短鏈脂肪酸(Short-Chain Fatty Acids，SCFAs)，其中包含乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，再通過(guò)CE技術(shù)生產(chǎn)MCFAS。目前，已有諸多研究實(shí)現(xiàn)從有機(jī)固廢中生產(chǎn) MCFAs，其中，剩余污泥、餐廚垃圾為底物的碳鏈延長(zhǎng)技術(shù)已被廣泛研究。近年來(lái)，部分學(xué)者驗(yàn)證了畜禽糞便、纖維素類廢棄物生產(chǎn)MCFAs的可行性。例如，ZHANG等通過(guò)兩階段發(fā)酵工藝將豬糞和玉米秸稈轉(zhuǎn)化為MCFAS，MCFAs最大產(chǎn)量為890mg COD/(L·d)；YIN等采用剩余污泥與木質(zhì)纖維素廢棄物共發(fā)酵生產(chǎn)MCFAs，獲得了 89.5mmol C/L的已酸產(chǎn)量。利用有機(jī)固廢作為碳鏈延長(zhǎng)的發(fā)酵底物得到越來(lái)越多的關(guān)注。
本文圍繞微生物利用有機(jī)固廢進(jìn)行鏈延長(zhǎng)生產(chǎn)MCFAs，梳理有機(jī)固廢作為微生物碳鏈延長(zhǎng)底物的技術(shù)機(jī)理和主要影響因素，總結(jié)有機(jī)固廢生產(chǎn)MCFAs的限制難題與解決方法，以期為有機(jī)質(zhì)固廢資源化和微生物碳鏈延長(zhǎng)技術(shù)研究提供參考。
部分圖片
圖1 有機(jī)固廢生產(chǎn)MCFAs的合成途徑
