嗜盐菌Halomonas hydrothermalis LL1高效转化木质素衍生芳香化合物合成聚羟基脂肪酸酯的研究

《Industrial Crops and Products》：Highly efficient conversion of lignin-derived aromatic compounds into polyhydroxyalkanoate using Halomonas hydrothermalis LL1

本研究针对木质素衍生芳香化合物(LDACs)毒性强、微生物转化效率低的关键难题，分离得到一株耐碱嗜盐木质素降解菌Halomonas hydrothermalis LL1。研究发现该菌株对多种LDACs具有卓越耐受性（最高达15 mM），并能高效将其转化为高附加值产物聚羟基脂肪酸酯(PHA)，其中香草酸转化产量达945.33 mg/L。通过开发非灭菌发酵工艺，PHA产量进一步提升至1044 mg/L。该研究为木质素高值化利用提供了强有力的微生物平台，具有重要的工业应用前景。

　　

在追求绿色可持续发展的今天，木质素作为自然界最丰富的芳香族聚合物，其高效利用却一直是个棘手的难题。每年有大量木质素被直接焚烧，不仅造成资源浪费，还带来环境压力。将木质素转化为高附加值产品是实现其价值提升的关键途径，其中微生物转化技术备受关注。然而，木质素降解产生的芳香化合物(LDACs)对大多数微生物具有强烈毒性，严重限制了转化效率，这成为木质素 valorization（价值化）过程中的主要瓶颈。

面对这一挑战，研究人员将目光投向了具有特殊耐受性的微生物资源。近期发表在《Industrial Crops and Products》上的研究报道了一株从亚硫酸盐制浆黑液中分离得到的耐碱嗜盐菌——Halomonas hydrothermalis LL1，该菌株展现出了卓越的木质素衍生芳香化合物转化能力。

为全面解析LL1菌株的转化机制，研究人员采用了基因组测序技术揭示其遗传基础，通过LDACs降解实验评估菌株代谢能力，利用发酵工艺优化PHA生产条件，并采用非灭菌发酵策略提高生产效率。同时，通过色谱-质谱联用(GC-MS)、热重分析(TGA)和凝胶渗透色谱(GPC)等技术对合成的PHA进行了详细表征。

3.1. 基因组分析

通过纳米孔测序技术获得LL1菌株的完整基因组序列，染色体长度为3764,028 bp，GC含量为68.32%。分析发现了四个推定PHA生物合成途径和一个I类聚(R)-羟基链烷酸合酶(phaC)。在木质素解聚相关基因方面，鉴定出一个推定漆酶基因和过氧化氢酶/过氧化物酶基因，但未发现木质素过氧化物酶(LiP)编码基因。对于芳香环裂解关键途径，基因组中包含了原儿茶酸的3,4-裂解途径和儿茶酚的邻位裂解途径相关基因。此外，菌株还具有完整的耐碱嗜盐机制基因，包括Na⁺/H⁺逆向转运蛋白、渗透压调节物质（ectoine和betaine）合成基因簇等。

3.2. LDACs降解

研究测试了13种不同LDACs的降解情况。菌株在大多数LDACs上生长良好，其中对PBCs和BBCs的耐受性最高。总有机碳(TOC)降低实验表明，LL1对大多数测试LDACs的TOC降低率超过50%，香草酸(VA)、原儿茶酸(PA)、4-羟基苯甲酸(4HBA)和苯甲酸(BA)的降解效率尤为突出，分别达到86.17%、83.63%、83.48%和82.13%。

3.3. PHA生产

不同LDACs产生的PHA滴度差异显著，香草酸作为碳源时产量最高，达945.33 mg/L，PHA含量为64.58%。浓度实验表明，20 mM的丁香酸(SAc)、20 mM的4HBA、15 mM的VA和15 mM的BA分别对应最大PHA产量。PHA表征显示，所有LDACs产生的PHA均包含(S)-3-羟基丁酸酯(S3HB)和(R)-3-羟基丁酸酯(R3HB)单体，其中S3HB为主要成分（86.49-91.71 mol%）。

3.4. 非灭菌PHA生产

在pH 9.0和NaCl 60 g/L的最佳条件下，非灭菌发酵显著提高了PHA产量。LL1菌株在非灭菌体系中占据绝对优势（>90%种群比例），从SAc、VA、BA和4HBA分别积累了49 mg/L、1044 mg/L、871 mg/L和906 mg/L的PHA。

3.5. 漆酶预处理木质素和碱预处理木质素的PHA生产

漆酶预处理木质素(LPL)发酵72小时后，PHA产量达1.95 g/L（含量63.91%），木质素转化效率提高19.48%。碱预处理木质素(APL)发酵60小时后，PHA产量为1.20 g/L（含量55.69%），虽低于LPL转化效率，但仍显著高于以往报道的大多数菌株。

本研究证实Halomonas hydrothermalis LL1对LDACs具有卓越耐受性和高效降解能力，能将其高效转化为PHA。通过非灭菌发酵工艺的优化，进一步提升了PHA生产效率。该菌株对漆酶预处理和碱预处理木质素均展现出良好的转化性能，为木质素高值化利用提供了极具潜力的微生物平台。这些发现不仅深化了对嗜盐菌木质素转化机制的理解，也为开发经济高效的生物塑料生产工艺奠定了坚实基础，对推动木质纤维素生物精炼技术的发展具有重要意义。