创新点
通讯作者简介
郭婉茜，教授（长聘），博士生导师。国家级高层次人才计划入选者。曾入选国家级青年人才计划、首批“国家环境保护专业技术青年拔尖人才”等，获批哈尔滨工业大学青年科学家工作室，国际水协会（IWA）会员等。主要从事污水处理资源化与能源化、固体废弃物处理处置与资源化、高风险有机物控制理论与技术、数字生态环境等方面研究；在多元固废资源化、工业废水预处理与深度处理、数字市政环境建设等工程应用技术等方面开展工作。主持省部级以上项目10项，其中包括国家重点研发项目课题1项、国家自然科学基金4项等；曾获国家科技进步二等奖1项，黑龙江省自然科学奖3项。公开发表研究论文160余篇：其中SCI收录140余篇（累计3篇ESI热点论文；13篇ESI高被引论文），EI收录18篇；SCI论文他引7300余次，h-index 50；编著图书教材2部；获授权国家发明专利6项。
有机固废生物转化制备高附加值中链脂肪酸研究进展
作者
单位
哈尔滨工业大学 环境学院
基金项目
国家自然科学基金资助项目（52000132）
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摘要
鉴于有机固废产量随工业化和城市化推进而逐年增长，有机固废资源化成为当前生态环境保护领域的研究热点。其中，利用微生物碳链延长技术将有机固废转化为高附加值的中链脂肪酸( Medium-Chain Fatty Acids，MCFAs)备受关注。该技术既能解决当前紧迫的环境污染问题，又能提升产品的经济价值，兼具环保和经济性双重优势，符合我国减污降碳和无废城市建设的要求。综述了有机固废生物转化制备MCFAs的厌氧发酵和碳链延长技术的反应机理以及关键微生物，分析了影响合成效率的主要因素，包括 pH、温度、底物类型与浓度、水力停留时间(HRT)、固体停留时间(SRT)以及其他影响因素，总结了有机固废生产MCFAs所面临的底物生物利用难、电子供体缺乏、高效产酸体系构建难和产物分离提取难题等挑战，并提出相应解决策略，为今后相关领域的发展研究提出了建议。
研究背景
我国是世界上最大的有机固废生产国，随着工业化和城市化的推进，有机固废产量(厨余垃圾、市政污泥、农作物秸秆、畜禽粪便等)呈逐年增长的态势。据统计，2022年我国生活垃圾清运量为2.45x108t，干污泥产量为1.58x107t，秸秆产量为8.65x108t。有机废弃物若不能得到有效处理，则会带来环境污染问题。在气候变化和资源短缺的背景下，有机固废处理俨然成为我国生态环境保护产业的新热点。近年来，国家陆续提出无废城市、垃圾分类和循环经济等系列行动计划，并对有机固废资源化提出了明确的要求。有机固废是“放错位置的资源”，对其进行资源化利用，将其“变废为宝”，既可解决资源短缺问题，又能减少碳排放，缓解全球变暖。
链延长技术是厌氧发酵的一个重要分支，利用乙醇、乙酸和乳酸等易获取底物合成已酸、庚酸和辛酸等中链脂肪酸( Medium-Chain Fatty Acids，MCFAS)，从而实现废弃物的处理和资源回收。目前，MCFAs可被用作食品添加剂、抗菌剂、生物柴油和香料等的前驱体，由于原料有限、提取工艺复杂，当其主要来源于工业生产中的植物油时，已酸生产价格高达20000~27000元/t。因此，基于微生物合成的碳链延长(Chain Elongation，CE)生产MCFAs具有很大的发展前景。有机固废种类繁多，其中农作物秸秆、畜禽粪便、餐厨垃圾和剩余污泥等是典型的有机废弃物，有机质含量高，可通过厌氧发酵生产短链脂肪酸(Short-Chain Fatty Acids，SCFAs)，其中包含乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，再通过CE技术生产MCFAS。目前，已有诸多研究实现从有机固废中生产 MCFAs，其中，剩余污泥、餐厨垃圾为底物的碳链延长技术已被广泛研究。近年来，部分学者验证了畜禽粪便、纤维素类废弃物生产MCFAs的可行性。例如，ZHANG等通过两阶段发酵工艺将猪粪和玉米秸秆转化为MCFAS，MCFAs最大产量为890mg COD/(L·d)；YIN等采用剩余污泥与木质纤维素废弃物共发酵生产MCFAs，获得了 89.5mmol C/L的已酸产量。利用有机固废作为碳链延长的发酵底物得到越来越多的关注。
本文围绕微生物利用有机固废进行链延长生产MCFAs，梳理有机固废作为微生物碳链延长底物的技术机理和主要影响因素，总结有机固废生产MCFAs的限制难题与解决方法，以期为有机质固废资源化和微生物碳链延长技术研究提供参考。
部分图片
图1 有机固废生产MCFAs的合成途径
