从污水中探寻生物塑料宝藏：芽孢杆菌 RSKS-3 生产 PHA 的创新研究

为解决塑料污染问题，研究人员从污水中筛选产 PHA 细菌，发现芽孢杆菌 RSKS-3 可产 PHA，有重要意义。

　　

研究背景：塑料污染困境与生物塑料的曙光

在现代生活中，塑料无处不在，从包装到电子设备，从建筑材料到汽车部件，它以其耐用性、多功能性和低成本，成为全球最常用的材料之一。然而，塑料的泛滥使用带来了严重的环境问题。全球塑料产量在 2023 年飙升至 4138 万吨，相比 1950 年的 150 万吨增长显著。但只有 9% 的塑料垃圾被回收，超过 22% 被不当处理。塑料在环境中难以降解，需要数百年才能自然分解，导致了严重的污染，威胁着野生动物的生存，还会分解成微塑料，污染水源、土壤和空气。

为了应对这一困境，生物聚合物作为传统塑料的有前景替代品应运而生。其中，聚羟基脂肪酸酯（PHA）因其可生物降解、生物相容性好、热稳定性和机械性能优越等特点，备受关注。PHA 能在土壤、海洋和堆肥等多种环境中自然降解，通过微生物代谢最终转化为 CO₂、水和生物质。它还可用于医疗和包装等领域，有望缓解塑料污染问题。但目前 PHA 生产面临一些挑战，如产量低、生产成本高，限制了其大规模应用。因此，寻找高效的 PHA 生产菌株并优化其生产条件成为研究热点。

研究概况：印度研究团队的探索之旅

为了寻找新的 PHA 生产菌株，来自印度可爱专业大学生物工程与生物科学学院等机构的研究人员开展了相关研究。研究成果发表在《BMC Microbiology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法：一是样本采集与菌株筛选，从印度旁遮普邦 Budha Nala 的四个污水样本中筛选 PHA 产生菌，利用尼罗蓝（Nile blue）等培养基和苏丹黑 B（Sudan Black B）、尼罗红（Nile red）染色法进行初步和二次筛选；二是细菌鉴定与分析，对筛选出的菌株进行革兰氏染色、生化试验、基因组测序、基因注释和系统发育分析等，以确定菌株的特征和分类地位；三是 PHA 的生产与表征，通过发酵培养菌株生产 PHA，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外光谱（UV spectroscopy）、核磁共振（NMR）和热重分析（TGA）等技术对提取的 PHA 进行表征，分析其结构和性能。

研究结果：污水中的 PHA 宝藏菌株

1. PHA 产生菌的筛选与鉴定：研究人员从污水样本中总共分离出 59 株菌株，其中 26 株在紫外光下显示白色荧光，初步表明它们可能产生 PHA。经过苏丹黑 B 染色和尼罗红染色进一步筛选，这 26 株菌株均呈现阳性结果，确认能够产生 PHA。通过革兰氏染色和生化试验，发现许多菌株为革兰氏阳性菌，且具有不同的生化特征，部分菌株能代谢多种碳水化合物。经分子鉴定和系统发育分析，确定这些菌株大多属于芽孢杆菌属，其中芽孢杆菌 RSKS-3（Bacillus paranthracis RSKS-3）是重点研究对象。

2. 芽孢杆菌 RSKS-3 的基因组分析：对芽孢杆菌 RSKS-3 进行全基因组测序和分析，发现其基因组长度为 5,130,571 碱基对，共有 5401 个基因，GC 含量为 35.38%。功能基因组注释显示，该菌株在多种代谢途径和细胞过程中具有丰富的基因资源，涉及氨基酸代谢、碳水化合物代谢、遗传信息处理、辅酶和维生素代谢等多个方面。在氨基酸代谢方面有大约 319 个基因参与，碳水化合物代谢则有 266 个基因发挥作用。

3. PHA 基因的鉴定与分析：设计并合成引物，通过 PCR 扩增和琼脂糖凝胶电泳，成功鉴定出芽孢杆菌 RSKS-3 中的 phaR、phaB 和 phaC 基因。利用 SnapGene 软件进行的指纹分析和模拟 PCR，进一步验证了基因扩增的准确性。这表明该菌株具备完整的 PHA 合成基因，为其生产 PHA 提供了遗传基础。

4. PHA 的生产与特性分析：对 26 株微生物菌株进行 PHA 生产研究，发现不同菌株的 PHA 产量差异显著，范围从 0.001 g/L 到 0.068 g/L。其中，菌株 P-3（即芽孢杆菌 RSKS-3）表现最佳，产量达到 0.068 g/L，其他如 P-21 和 P-25 等菌株也有一定的生产潜力。通过多种技术对提取的 PHA 进行表征，FTIR 分析显示出与 PHA 结构相关的特征峰，如 2923 cm^-1处的脂肪族 - CH 基团拉伸振动峰、1571 cm^-1和 1155 cm^-1处的羰基（C=O）拉伸振动峰等；XRD 分析表明 PHA 具有半结晶性质，在 27.289°、31.639° 和 45.354° 处有特征峰；SEM 观察到 PHA 呈现不同的形态，标准 PHA 为不规则颗粒，芽孢杆菌 RSKS-3 产生的 PHA 呈直线状且聚集在一起；UV 光谱在 235 nm 处的特征峰证实了 PHA 的存在；NMR 分析确定了 PHA 的单体结构；TGA 显示该 PHA 在 388.01°C 以下稳定，436.97°C 时达到最大失重。

研究结论与意义：开启生物塑料新征程

本研究从污水中成功分离并鉴定出 26 株能够产生 PHA 的细菌，其中芽孢杆菌 RSKS-3 展现出较高的 PHA 生产潜力。虽然其初始产量与其他一些报道的细菌相比还有提升空间，但该研究为 PHA 生产微生物资源库增添了新成员，丰富了生物聚合物生产微生物的多样性。

未来，研究人员计划利用 Design Expert 12.0 软件进一步优化芽孢杆菌 RSKS-3 的发酵条件，提高 PHA 产量。同时，探索使用农业废弃物作为可持续且低成本的底物，这不仅有助于降低生产成本，还能实现废弃物的资源化利用。尽管在提高 PHA 产量的过程中面临着保持细菌稳定性、优化发酵参数和保证聚合物质量一致性等挑战，但该研究为大规模生物塑料生产提供了新的方向，有望推动生物塑料产业的发展，为解决塑料污染问题带来新的希望。随着后续研究的深入，芽孢杆菌 RSKS-3 可能在生物塑料领域发挥重要作用，为可持续发展做出贡献。