甲酸盐驱动的厌氧紫色细菌光自养生长与生物聚合物储存机制研究

本研究针对传统聚羟基脂肪酸酯(PHA)生产中碳源成本高、气体传输效率低等问题，创新性地采用甲酸盐(formate)作为CO2替代底物，通过富集紫色光养细菌(PPB)混合培养体系，首次揭示了光自养条件下甲酸盐驱动的PHA合成特性。研究发现光照显著促进甲酸盐消耗速率(14±2 mgCOD L-1h-1)，但PHA积累(2.1-6.5 wt%)与光照无关，为低成本生物塑料生产提供了新思路。

　　

在应对全球塑料污染的挑战中，聚羟基脂肪酸酯(PHA)因其可生物降解特性成为化石基塑料的理想替代品。然而传统PHA生产面临两大瓶颈：一是依赖高成本有机碳源如挥发性脂肪酸(VFAs)，其原料成本占比近50%；二是气态CO₂/H₂作为自养底物时存在传质效率低、安全隐患等问题。更棘手的是，好氧异养途径会导致显著的碳损失，而现有光自养体系在混合培养条件下的PHA合成机制尚不明确。

澳大利亚研究团队创新性地提出以液态甲酸盐(formate)替代气态CO₂的策略。甲酸盐具有完全水溶性、非易燃性等优势，且能通过甲酸脱氢酶(FDH)转化为CO₂进入卡尔文-本森-巴沙姆循环(CBB cycle)。研究团队设计了平行对照实验：一组以甲酸盐为唯一碳源的光自养反应器，另一组以乙酸盐为底物的光异养对照。通过两阶段培养策略——先在营养过剩条件下考察生长特性，再通过"饥饱交替"策略诱导PHA积累，同时调控光照强度(50 W m^-2)和底物负荷率(SLR)。

关键技术包括：(1)采用1.2L厌氧反应器维持PPB富集培养；(2)通过可溶性化学需氧量(SCOD)消耗速率和挥发性悬浮固体(VSS)定量生长性能；(3)利用气相色谱分析PHA组成；(4)16S rRNA测序监测微生物群落演变。

光自养生长依赖光照强度
数据显示甲酸盐反应器的最大VSS浓度(1100±500 mg L^-1)与乙酸盐组相当，但SCOD消耗速率(14±2 mgCOD L^-1h^-1)显著更低，证实CBB循环的能量需求限制了生长效率。值得注意的是，Cereibacter（原Rhodopseudomonas）成为优势菌属，占比达14%。

PHA积累的独特规律
与预期相反，甲酸盐组的PHA产量(0.04±0.03 mgCOD mgCOD^-1)不受光照或SLR影响，且含量(2.1-6.5 wt%)远低于乙酸盐组。代谢分析表明，这可能源于三羧酸循环(TCA cycle)通量不足导致的乙酰辅酶A(acetyl-CoA)供应受限。

结论与意义
该研究首次证实了甲酸盐可直接驱动PPB混合培养体系的光自养生长，但PHA积累效率受限于能量代谢瓶颈。这一发现为开发新型"碳中性"生物塑料生产工艺提供了理论基础：(1)验证了甲酸盐作为安全、高效CO₂替代物的可行性；(2)揭示了PPB在混合培养中对甲酸盐的代谢偏好性；(3)指出需通过代谢工程优化乙酰辅酶A供应以提升PHA产量。尽管当前转化效率较低，该工作为利用工业废气合成甲酸盐并转化为高值生物材料开辟了新路径。