29種來自生物精煉工藝水的化合物對G. oxydans生長的影響
《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact of 29 biorefinery process water-derived compounds on
G. oxydans growth
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摘要分析29種工藝水化合物對Gluconobacter oxydans的抑制毒性，發現官能團和疏水性顯著影響毒性，驗證其生物精煉處理潛力。
詹姆斯·L·阿代爾（James L. Adair）|艾米·S·吳（Amy S. Wu）|布茲·巴斯特（Buz Barstow）|吉莉安·L·戈爾德法布（Jillian L. Goldfarb）
康奈爾大學生物與環境工程系，美國紐約州伊薩卡市Wing Drive 111號，郵編14853
摘要
生物質轉化技術，如熱液處理、酸預處理和發酵，會產生含有大量有機化合物的工藝廢水。與厭氧消化相比，好氧消化是一種更快且更有效的工藝水處理方法，這有助于滿足這些生物質轉化技術的規�；枨�。醋酸菌Gluconobacter oxydans因其在不完全檸檬酸循環中氧化醇類生成酸的能力而受到關注。目前，G. oxydans已被應用于具有明確輸入條件的成熟工業生物過程中，相關研究主要基于特定的前體和產物。在含有呋喃和酚類化合物的生物精煉工藝廢水中，關于這些化合物對G. oxydans獨特代謝途徑的毒性機制的研究尚未開展。在本研究中，我們分析了熱液碳化和液化工藝廢水中存在的29種具有不同結構和官能團的化合物，以確定G. oxydans對這些化合物的耐受性。研究發現，呋喃衍生物上的額外官能團會增加毒性；而酚類化合物的脂溶性也可能增加毒性，這可能是由于它們在細胞膜上的積累所致。存在于這些化合物中的環狀結構通常是活性氧的生成源，有機酸由于其較低的pKa值而表現出更大的酸脅迫作用。通過對這些化合物及其濃度的研究，我們可以為生物精煉過程的設計提供依據，從而更好地了解在何種情況下G. oxydans可以作為好氧消化過程的合適選擇。
引言
Gluconobacter oxydans屬于醋酸菌家族。該菌具有不完整的檸檬酸循環，通過依賴吡咯喹啉醌的脫氫酶將醇類氧化為具有工業價值的化合物，例如作為維生素C前體的2-酮-L-古洛糖酸、用于無曬黑產品的二羥基丙酮以及基礎化學品葡萄糖酸。在這些化學合成過程中，G. oxydans能夠將原始培養基轉化為有價值的化學品。然而，G. oxydans也應用于一些要求較低、但壓力較大的場景，例如作為生物采礦中的浸出劑，作為比強酸提取更環保的替代方案。我們團隊的最新研究表明，G. oxydans可以部分處理食物廢物熱液處理后的殘余水相以生產生物燃料。鑒于這些應用的新穎性，關于G. oxydans抑制作用的相關文獻相對較少，而關于其工藝優化研究的文獻較多。
廢水和工藝廢水來源于多種來源，從城市污水到工業廢水，每種水源都含有不同的化學成分。這些廢水中含有多種微生物脅迫因子，而G. oxydans>因其能夠在廣泛的底物上生長并快速氧化目標化合物而受到關注。2022年，一種單培養的G. oxydans微生物燃料電池被用于處理城市廢水，成功降低了32%的化學需氧量，并產生了81 mW/m2的電力。我們的研究還表明，G. oxydans能夠在含有有機酸和呋喃衍生物的生物精煉工藝廢水中存活。當熱液處理溫度為310°C時，G. oxydans>可以耐受高達50%的工藝廢水替代率，且在替代率為25%時生長仍有所改善。不過，工藝廢水的成分會因生物質原料、反應溫度、壓力和反應時間而有所不同。
針對G. oxydans的抑制作用研究通常針對特定工業過程中的單一或少數幾種化合物進行。例如，Stasiak-Ró?ańska等人（2014年）研究了從甘油生產二羥基丙酮的過程，發現50-70 g/L的原料濃度下生長最佳，但在30 g/L的產品濃度下代謝受到抑制，70 g/L時細胞無法分裂。Eyles和Warth（1989年）發現，山梨酸和苯甲酸在pH 3.8時的最低抑制濃度約為1 g/L，這說明G. oxydans>能夠耐受酸脅迫（因此即使有防腐劑存在也能導致食品變質）。Zhou等人（2019年）研究了基于生物質預處理的抑制劑，測試了包括呋喃、醛類和醋酸在內的6種化合物，發現隨著劑量的增加生長速度會不同程度減緩，但葡萄糖酸的產量相對穩定。在另一種醋酸菌Acetobacter aceti中，添加酚類也會產生類似的效果，即生長受到抑制，但在足夠長的時間內總醋酸產量保持不變。這些研究提供了關于某些潛在生物質基抑制劑的作用機制的見解，但由于分析范圍有限，難以進行跨類比較。
鑒于G. oxydans的代謝多樣性和對化學復雜環境的耐受性，它是一種有前景的微生物，可用于處理熱液處理產生的水相副產物。特別是熱液液化（HTL）過程中產生的富碳水相（PW）中含有多種氧合物、含氮化合物和潛在抑制劑，處理這一廢水在技術和經濟上都具有挑戰性。雖然常建議采用厭氧消化方法，但其較慢的轉化速率意味著需要更大的消化池來處理HTL產生的大量廢水。一些技術經濟分析表明，現有的PW處理方法（如厭氧消化、催化熱氣化）會增加運營成本，并使系統集成變得復雜，即使HTL與廢水處理廠或精煉廠共址也是如此。盡管HTL基燃料的最低銷售價格（MFSP）比化石燃料高出10%至150%，但利用PW中的碳資源仍有可能提升其商業化潛力。
雖然我們之前的工作證明了使用食物廢物衍生熱液處理廢水作為G. oxydans培養基替代物的可行性，但要廣泛推廣這一想法，需要了解該菌對各種潛在PW化合物的耐受性。否則，將每種生物質原料的廢水逐一與G. oxydans進行配對測試將是一項繁重的任務。因此，為了進一步發展這種集成熱化學-生物精煉概念，我們測試了29種不同HTL廢水中化合物在廣泛濃度范圍（0.5 – 25,000 ppm）內的抑制作用，以了解不同化學結構和官能團對G. oxydans>生長的影響。這些信息有助于根據已知原料和處理參數預測G. oxydans的生長潛力。
方法與材料
選擇29種化合物進行研究，是因為它們存在于HTL廢水中，并涵蓋了多種官能團（表1）。盡管生物精煉工藝廢水成分復雜，但本次測試每種化合物僅使用一個樣本，以避免實驗矩陣過大。
使用的聚丙烯96孔板（PlateOne）包含8行，每行12個孔，孔外邊緣填充了150微升的超純水以防止水分流失。
結果與討論
生物精煉過程可能產生需要后續處理的含碳廢水。通過測試這些廢水中存在的29種化合物對G. oxydans>的影響，我們評估了利用這種細菌處理廢水的潛力，從而將其碳資源轉化為比其他修復方法更具價值的微生物產品。
結論
本研究評估了29種與生物精煉過程相關的化合物在富酵母蛋白胨甘露醇培養基中不同濃度下對Gluconobacter oxydans>生長的影響�？傮w而言，研究結果揭示了某些化合物類別為何比其他化合物更具抑制性的結構-反應模式，并表明G. oxydans>能夠耐受低水平的木質纖維素降解產物。
作者貢獻聲明
布茲·巴斯特（Buz Barstow）：撰寫、審稿與編輯、監督、資源管理、項目協調、資金籌措。
吉莉安·L·戈爾德法布（Jillian L. Goldfarb）：撰寫、審稿與編輯、監督、資源管理、項目協調、資金籌措、概念構思。
詹姆斯·阿代爾（Adair James）：撰寫初稿、數據可視化、方法設計、實驗研究、數據分析、概念構思。
艾米·吳（Amy Wu）：撰寫初稿、方法設計、實驗研究。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了美國農業部-NIFA Sun Grant（項目編號20-38502-32916，東北地區子項目S006552-USDA）以及康奈爾大學Atkinson Venture Fund的支持。
