木薯酒糟是一种酸性强、成分复杂的高浓度有机废水,其中含有大量悬浮纤维素,如果不经过处理直接排放会造成严重的环境污染。利用厌氧发酵技术将废水中的有机物高选择性转化为乳酸和正丁酸,再进一步碳链延长生成高附加值的中链脂肪酸是最佳的处理方式,不仅能减少环境污染,还能“变废为宝”创造可观的经济效益,降低企业的生产成本。本论文致力于构建以木薯酒糟为基质,两相厌氧发酵高效、高选择性的产乳酸和正丁酸,以及产中链脂肪酸系统。首先,通过初始pH调控,在保证木薯酒糟高效稳定产酸过程中定向转化为乳酸和正丁酸,并从产物回收、选择性,水解酸化率,菌群结构特征等角度阐明了初始pH促进厌氧发酵产酸的影响。与此同时,研究了木薯酒糟发酵产酸出水中主要成分乳酸和正丁酸碳链延长产中链脂肪酸的能力,通过对pH和乳酸与正丁酸之比研究,构建了高效碳链延长产中链脂肪酸系统,揭示了不同pH调控下,碳链延长过程中乳酸转化途径改变机理。然后,综合木薯酒糟高温厌氧发酵产乳酸与正丁酸,以及乳酸与正丁酸碳链延长产中链脂肪酸结果,构建了一个高效利用木薯酒糟制取中链脂肪酸的两相反应体系。最后从微生物的角度出发,以提高碳链延长产中链脂肪酸,并抑制丙酸生成为目标,阐明了 pH对微生物群落以及功能基因的影响,揭示了碳链延长过程中产中链脂肪酸和丙酸的关键微生物,构建了碳链延长乳酸代谢的三条KEGG通路,并通过代谢所需关键酶基因,证明了代谢通路的可行性。为木薯酒糟资源化处理提供了一种新型高效节能资源化技术。本文主要结论如下:(1)考察了初始pH对于木薯酒糟酸产量和选择性的影响。实验结果表明:在酸性和碱性初始pH条件下,有机质水解效果较好;在偏中性初始pH条件下,溶液性有机质酸化效果较好。初始pH 5.0、pH 6.0和pH 7.0时乳酸和正丁酸产量之和最高,分别为11.3±0.30 g COD/L、11.1±0.32 g COD/L和11.0±0.28 g COD/L,且乳酸/正丁酸之比(COD/COD)分别为4.1、1.8和1.0。微生物群落中主要的优势菌种是嗜热厌氧菌属:g_Thermoanaerobacterium、g_Ruminiclostridium、g_Caloribacterium和 g_Caldanaerobius。(2)考察了 pH和乳酸与正丁酸之比对乳酸和正丁酸碳链延长产中链脂肪酸的影响。结果表明:pH和乳酸与正丁酸之比对于碳链延长过程有重要影响,低pH可以促进碳链延长中链脂肪酸产量,同时抑制乳酸转化为丙酸;低乳酸和正丁酸之比可以减少乳酸转化为丙酸。在pH 6.0、乳酸与正丁酸之比为1.2时,碳链延长产中链脂肪酸效果最好(32.9 ± 1.00 g COD/L)。综合木薯酒糟产酸和乳酸与正丁酸碳链延长结果,发现第一相产酸系统控制初始pH 6.0,且第二相碳链延长系统也控制在pH 6.0时,比较适合木薯酒糟制取中链脂肪酸。(3)用16S rRNA高通量测序对碳链延长微生物群落组成进行了分析,揭示了乳酸转化为中链脂肪酸的关键微生物是g_Caproiciproducens和g_Bacteroide。其中,g_Caproiciproducens可以直接利用乳酸作为电子供体进行碳链延长产酸中链脂肪酸;但是当g_Bacteroides缺失时,g_Caproiciproducens碳链延长产中链脂肪酸的效率大幅度下降。通过COG和KRGG功能基因预测分析发现pH可以影响COG功能中碳水化合物运输与代谢、辅酶运输和代。乳酸在发酵过程中存在三条代谢途径:丙烯酸途径、逆β氧化途径(RBO)和脂肪酸生物合成途径(FAB),从关键酶基因丰度分析,FAB途径碳链延长产中链脂肪酸潜力远远大于RBO途径。