利用废弃大豆油高效合成聚羟基丁酸酯（PHB）：嗜盐戈登氏菌新发现开启绿色生物制造新篇

为解决聚羟基丁酸酯（PHB）生产成本高的问题，研究人员开展了利用废弃大豆油（USO）作为碳源，由戈登氏菌（Gordonia terrae）S-LD 合成 PHB 的研究。结果显示该菌株能在含 3% NaCl 的培养基中合成 2.63±0.6 g/L 的 PHB，为 PHB 生产提供新菌株资源。

　　在当今环保意识日益增强的时代，塑料污染已成为全球关注的重大问题。传统的非降解塑料在环境中难以分解，长期积累对生态系统造成了严重破坏。聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrate，PHB）作为一种可生物降解的塑料，有望成为传统塑料的理想替代品。它能在自然环境中完全降解，不会对环境造成持久污染，在医疗设备、包装材料等领域具有广阔的应用前景。然而，PHB 的大规模应用却面临着重重挑战，其中最突出的问题就是生产成本高昂。

PHB 生产成本高主要源于复杂的发酵过程和较低的产量，尤其是生产所需碳源成本居高不下。目前，大多数能够合成 PHB 的细菌通常以简单糖类（如葡萄糖和果糖）为主要碳源，而工业级葡萄糖的成本约为 35 - 50 美元 / 千克，这使得 PHB 生产的经济可行性大打折扣。此外，可用于 PHB 生产的菌株种类有限，进一步限制了其大规模生产。为了解决这些问题，科研人员一直在寻找更经济、高效的碳源和更优良的生产菌株。

在这样的背景下，中国科学院天津工业生物技术研究所等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于利用废弃大豆油（Used soybean oil，USO）作为碳源，探索由戈登氏菌（Gordonia terrae）S-LD 合成 PHB 的可行性。这项研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上，为 PHB 的生产开辟了新的途径。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是菌株筛选与培养技术，从研究所临时废弃食品储存区的土壤样本中筛选出目标菌株，并在特定的培养基中进行培养。其次，利用多种分析检测技术对菌株生长特性、PHB 合成过程及产物特性进行研究，如通过 SEM（扫描电子显微镜）和 TEM（透射电子显微镜）观察菌株形态和 PHB 积累情况，运用 NMR（核磁共振）、GC - MS（气相色谱 - 质谱联用）分析 PHB 的结构，借助 DSC（差示扫描量热法）测定 PHB 的热性能，采用 GPC（凝胶渗透色谱法）确定 PHB 的分子量。此外，还进行了基因组测序与分析以及实时荧光定量 PCR（Real-time PCR）转录谱分析，以明确 PHB 的合成途径和关键基因的表达情况。

研究结果主要包含以下几个方面：

• 菌株特性：经鉴定，筛选出的 S-LD 菌株为戈登氏菌（Gordonia terrae），与 Gordonia terrae ORE9 的序列相似性达 99%。该菌株具有广泛的生长适应性，能在 25℃ - 40℃的温度范围、pH 4 - 10 的环境以及高达 7% 的 NaCl 浓度下生长，在 30℃、pH 7、NaCl 浓度低于 5% 时生长最佳，展现出良好的嗜盐特性。
• PHB 合成过程：在 PHB 合成过程中，发酵液的 pH 持续下降，细胞密度（OD₆₀₀）在 96 h 达到 9.8。发酵 96 h 时，细胞干重、PHB 浓度和细胞内 PHB 含量达到最高，分别为 3.92 g/L、2.63 g/L 和 66.97%。同时，研究发现发酵前期（24 h 前），废弃大豆油在脂肪酶作用下分解产生的中长链脂肪酸总量增加，水解速率超过 β - 氧化速率；24 - 96 h 期间，β - 氧化持续进行，PHB 开始大量合成，脂肪酸总量下降，96 h 时 PHB 产量达到最大，中长链脂肪酸浓度最小。
• PHB 产物特性：通过¹H NMR、¹³C NMR 和 GC - MS 分析，证实合成的聚合物为 PHB，且为 3 - 羟基丁酸的均聚物。该 PHB 的熔点（T_m）为 176.34℃，结晶温度（T_c）为 56.12℃，与文献报道相符。其重均分子量（M_w）为 5.43×10⁵ g/mol，数均分子量（M_n）为 4.00×10⁵ g/mol，多分散指数（PDI）为 1.36，PDI 在文献报道范围内，M_w相对较高，这使得该 PHB 材料具有更好的强度、硬度和物理化学稳定性。
• 基因组及合成途径：对菌株进行全基因组测序和分析，发现其基因组大小约为 5.58 Mb，GC 含量为 67.96%，共预测出 5034 个基因，其中 98.17% 的基因在不同数据库中得到功能注释。KEGG 数据库分析显示该菌株具有完整的脂质降解和 PHB 合成途径。进一步研究发现，PHB 的合成大致可分为油降解模块、β - 氧化模块和合成模块三个模块。RT - qPCR 分析表明，PHB 在 48 - 96 h 大量合成，推测该菌株通过 β - 氧化降解废弃大豆油中的中长链脂肪酸（C18 和 C16），并以中间产物合成（R） - 3 - 羟基丁酰 - CoA 作为 PHB 合成酶的底物。

综合研究结论与讨论部分，此次研究具有重要意义。首次报道了戈登氏菌（Gordonia terrae）利用废弃大豆油合成 PHB，为 PHB 生产提供了新的菌株资源。该菌株良好的嗜盐性和广泛的生长条件适应性，使其在利用高盐度废弃油脂生产 PHB 方面具有巨大潜力。同时，该菌株合成的 PHB 具有较高的分子量和较均匀的分子分布，更适合应用于对材料稳定性要求较高的场景。不过，研究人员也指出，后续还需考虑大规模生产过程中的放大工艺、纯化问题以及进行生命周期评估，以进一步提高该技术的经济可行性和可持续性，推动其在工业生产中的广泛应用，为解决塑料污染问题和实现可持续发展提供有力支持。