厌氧混合菌群产己酸近年来受到了广泛关注,主要是因为该技术在实现废弃物的高值转化方面具有良好的应用前景。目前的研究表明,该技术的进一步发展受到多重因素的制约,如己酸生产强度低、电子供体成本高等。这主要是由于目前的研究对于发酵过程的调控不合理,对于混菌发酵产己酸的生产规律不明晰所导致的。因此识别厌氧混合菌群产己酸的优化生产条件及其内在调控机制,成为这项技术进一步发展的关键。本论文首先对混合菌群两相己酸发酵工艺中的优化条件和生产功能微生物进行研究。在此过程中识别并研究混菌体系中产己酸功能微生物的数量变化、己酸生产规律。基于己酸发酵工艺的高醇酸比(E/A)需求,研究废弃物乙醇型转化过程,实现废弃物自生电子供体。基于产己酸相发酵液中无机碳缺乏影响己酸持续生产的问题,研究外源添加无机碳源对己酸发酵性能的影响和混合菌群中的各类功能微生物的调控作用。研究氯仿投加对于混菌中竞争途径微生物的抑制效果。通过联合投加碳酸钙和氯仿,实现混菌体系中产己酸菌群的高效富集和己酸高强度生产。最后采用离子交换树脂选择性吸附发酵产物以强化己酸生产,并进一步解析其己酸生产强化的微生物学机制。在研究过程中,借助高通量测序、荧光定量PCR技术获得不同条件、不同发酵效能的菌群结构和功能微生物变化,结合冗余分析、共现性网络分析等手段对生产过程中的环境因素、关键功能微生物进行分析,运用扫描电镜对混菌体系中微生物形态进行观察。研究结果如下:(1)己酸发酵生产过程的环境因素和产己酸功能微生物识别研究发现:酸化相的接种比(ISR)决定了有机废弃物转化的产物组份;有机废弃物在近中性、最佳ISR 2:1条件下可以有效的实现羧酸转化;产己酸相中E/A和pH是影响己酸生产效能的重要因素:E/A为4:1,pH值为7.5时,己酸产量最高达到15.0 g/L,其己酸产率和选择性分别达到0.62 g-COD/g-COD和88.2%(以COD计)。通过高通量测序技术识别混合菌群中关键微生物发现,己酸生产由克氏梭菌(Clostridium kluyveri)主导;结合荧光定量PCR结果和发酵生产动态发现,己酸大量产生于己酸菌生长中后期。在发酵后期补加乙醇,己酸菌Clostridium kluyveri数量仍然持续下降,且无法进行持续的己酸生产。发酵性能的下降和发酵体系液相中无机碳缺乏密切关联。(2)为实现酸化相自生电子供体工艺以替代外源添加乙醇,研究废弃物乙醇型转化过程发现:废弃物在自然酸化和接种酵母条件下的转化规律相似,可以实现高效的乙醇型转化,最高乙醇产量分别达到27.5 g/L和31.9 g/L,可提供高E/A(E/A分别达到5.7和10.4)的发酵液,为后续己酸生产提供了有利条件;而接种污泥使得整体转化率更高,但是液相产物以羧酸为主,乙醇产量仅为6.9 g/L,E/A为0.24。接种污泥组的纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶和果胶酶活性高于自然酸化组和接种酵母组。自然酸化和接种酵母组的水解酶活相差不大。对各组细菌菌群结构研究发现:自然酸化、接种酵母组的细菌菌群结构较为接近,而和接种污泥组差异明显。自然酸化和接种酵母组中具备水解酸化功能的微生物较多,但是并无大量的产醇功能细菌,厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)共同构成了99%以上的相对丰度;而接种污泥组中存在的放线菌(Actinobacteria)相对丰度达到43.2%。真菌测序结果表明,有效的乙醇生产功能很可能是由酵母主导:自然酸化组和接种酵母组以膜醭毕赤酵母(Pichia membranaefaciens)为主,在真菌菌群中相对丰度分别达到99.9%和95.1%,接种的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在接种组中未占据主导。(3)无机碳源补加对己酸发酵的调控影响研究发现:外源投加无机碳源可以促进己酸菌数量提升,碳酸钙可以在发酵液中维持较稳定的无机碳水平,并能使己酸菌数量在各阶段维持相对稳定,更适宜作为己酸发酵的无机碳投加来源。补加不同剂量的碳酸钙对于己酸生产的效能影响的研究发现,随着碳酸钙投加剂量的增加,乙醇利用速率由1.27提升至2.32 g/(L·d),提高幅度为82.7%;同时丁酸生产速率也大幅提升;但没有实现己酸生产的进一步促进。发酵过程出现了甲烷产生和丁醇积累。利用荧光定量PCR研究碳酸钙投加对于混合菌群中功能微生物调控作用影响发现,产己酸功能微生物Clostridium kluyveri的数量随着无机碳源投加量的提升的出现了明显提高,并且在更高水平维持稳定,为高产己酸提供了必要条件。对混合菌群整体的高通量测序结果表明,产己酸菌Clostridium kluyveri在碳酸钙投加条件下有更高的相对丰度,碳酸钙投加剂量增加到5、15、20、25 g/L时,己酸菌Clostridium kluyveri相对丰度提升为17.7%、18.0%、18.1%和19.3%。结合共现分析发现互营氧化菌、同型产乙酸菌和己酸菌Clostridium kluyveri相对丰度变化呈现正相关性。(4)氯仿对竞争途径抑制调控的研究表明:氯仿作为抑制剂可以在0.5-5‰浓度范围内有效的抑制甲烷菌和同型产乙酸菌,使得甲烷产生和丁醇积累得到有效抑制,而对己酸菌Clostridium kluyveri的影响相对较小。但过高浓度的氯仿(10‰)会对己酸菌数量增长和己酸发酵效能产生严重抑制。通过碳酸钙-氯仿联合投加可在有效抑制竞争途径的基础上,较好的强化己酸生产,己酸产量提升到19.0-21.0 g/L。电镜结果表明联合投加碳酸钙-氯仿和单独投加氯仿组相比,混合菌群中的粗型态更多。混合菌群高通量测序结果表明,联合投加组相较于单独投加氯仿条件下各组,己酸菌Clostridium kluyveri的相对丰度显著提升,由30.9%-35.6%提升到38.9%-49.3%。氯仿使得菌群中互营氧化功能微生物相对丰度大幅度降低。结合共现分析结果发现,混合菌群中可提供生长因子的双歧杆菌Bifidobactrerium pseudocatenulatum和Clostridium kluyveri共现;而可利用乳酸为电子供体产己酸的Caproicproducen和Clostridium kluyveri呈现独立关系。(5)通过离子交换树脂原位吸附发酵产物强化己酸生产的研究发现:在发酵条件下强碱型阴离子交换树脂(SBAERs)整体吸附、解吸附性能强于弱碱型阴离子交换树脂(WBAERs),而IRA-900树脂的吸附量、吸附选择性和洗脱率分别达到62 mg/g,7.50和88.2%,全面优于其他比选树脂。在针对该树脂的洗脱优化条件和可重复使用性研究中发现,树脂的洗脱效能对温度不敏感,维持发酵温度即可获得较好解吸附性能;而洗脱液浓度为1.5 mol/L时,获得最佳解吸附效能93.4%,在连续的吸附解吸附循环中,树脂吸附解吸附性能未出现明显弱化。树脂结合发酵过程可以明显提高己酸生产效能。经过树脂吸附将发酵液中的己酸浓度降低从而使得己酸生产获得有效的恢复,己酸净产量达到16.9 g/L,而对照组产己酸仅为1.6 g/L。此外,吸附己酸后前期积累的副产物丁酸得到有效转化,净消耗量7.7 g/L,消耗率为65.8%。而荧光定量PCR显示通过离子交换树脂吸附使得发酵体系内己酸菌Clostridium kluyveri恢复增长并保持数量是己酸生产的关键。