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为解决废活性污泥（WAS）处理难题及提升聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成效率，研究人员构建生物炭强化 PHA 合成系统。结果显示生物炭使 PHA 产量提高 81.04%，为 WAS 管理提供可持续方案，推动资源高效利用与环境保护。
在当今社会，废水处理是一个至关重要的问题。无论是日常生活产生的污水，还是工业生产排放的废水，都需要经过有效的处理才能达标排放，以保护环境和人类健康。目前，生化技术中的活性污泥处理法是应用最为广泛的水处理手段。然而，随着水处理规模的不断扩大，一个新的难题出现了 —— 大量的废活性污泥（WAS）产生。这些污泥就像水处理过程中 “甩不掉的尾巴”，每年在全球范围内，以干物质计算，约有 80 - 90 百万吨的 WAS 产生，预计到 2030 年这一数字将攀升至 127.5 百万吨。虽然人们尝试了多种方法来处理 WAS，比如堆肥、厌氧消化产甲烷、制氢以及制备生物炭等，但这些方法在转化效率、经济价值和实用性方面都存在一定的局限性。
与此同时，传统塑料带来的污染问题日益严重，聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为一种微生物合成的生物塑料，具有出色的性能和可持续性，有望成为传统塑料的理想替代品。然而，从 WAS 中直接合成 PHA 并不容易，WAS 中产生 PHA 的细菌比例较低，即便添加外部碳源，合成效率依旧不高，产量低于 200mg/g 的挥发性悬浮固体（VSS） 。而且，现有提升合成效率的方法，如添加细菌、采用 “饥饿 - 饱食” 循环以及有氧 - 厌氧交替等，不仅依赖外部碳输入，操作过程也较为复杂，难以在实际中广泛应用。此外，从 WAS 中提取 PHA 后，剩余污泥的再利用问题也一直未得到有效解决。在这样的背景下，开展相关研究迫在眉睫。
为了解决这些棘手的问题，来自中国的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们构建了一个独特的系统，在这个系统中，WAS 先被转化为生物炭，然后生物炭又反馈用于催化 PHA 的生物合成。研究结果令人振奋，经过一系列实验验证，该系统成效显著。生物炭在厌氧消化过程中，显著促进了电子转移，提升幅度高达 61.36%，同时使产生 PHA 的细菌比例增加了 12.33%，最终 PHA 的产量提高了 81.04%，占干污泥重量的 66.14%。多组学分析表明，生物炭显著增强了关键 PHA 合成基因（phaA4.69 倍、phaB10.04 倍和 phaC12.02 倍）的表达。这一研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为 WAS 的管理提供了一种可持续的新途径，在提升资源利用效率的同时，也带来了显著的生态效益。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，他们从石家庄桥西城市污水处理厂采集 WAS 样本，这为研究提供了重要的实验材料。之后，对提取 PHA 后的剩余污泥进行处理，通过离心、干燥等步骤，在管式炉中于氮气氛围下热解制备功能性生物炭。在这个过程中，研究人员利用热重分析（TGA）考察加热速率、热解温度和时间对生物炭组成、结构和表面氧含量的影响。同时，对合成的 PHA 产品特性进行分析，对比其他研究，确定本实验所产 PHA 中 PHV（聚羟基戊酸酯）含量较高，这一特性使 PHA 在弹性相关应用中更具优势。
下面来看具体的研究结果：
- 功能性生物炭的制备：研究人员为制备出含铁量高且含有氧功能基团的生物炭，深入探究了热解条件对生物炭的影响。热重分析（TGA）结果表明，400 - 800°C 之间能实现完全碳化，300°C 时碳化不完全。
- PHA 产品特性：与其他研究相比，本实验产出的 PHA 中 PHV 含量更高。PHV 能够增强材料的柔韧性和延展性，这使得该 PHA 在可降解包装和柔性塑料制品等需要弹性的应用场景中更具优势。
- 生物炭对 PHA 合成的影响：通过实验发现，生物炭显著促进了厌氧消化过程中的电子转移，提升幅度达 61.36%，同时使产 PHA 细菌的比例增加了 12.33%，最终 PHA 产量提高了 81.04%，占干污泥重量的 66.14%。多组学分析显示，生物炭使关键 PHA 合成基因 phaA、phaB 和 phaC 的表达分别提升了 4.69 倍、10.04 倍和 12.02 倍。
综上所述，本研究成功构建了生物炭强化 PHA 生物合成系统，利用从提取 PHA 后的剩余污泥制备的生物炭（BC - 36），大幅提升了 WAS 厌氧消化过程中 PHA 的合成效率，产量实现 1.81 倍的增长。该研究为城市污水处理提供了一种可持续且实用的解决方案，具有潜在的工业废水处理应用前景。这种生物炭策略不仅实现了 WAS 的高效利用，还推动了生物塑料的生产，在环境保护和资源循环利用方面意义重大。它为解决全球面临的废水处理和塑料污染问题提供了新的思路和方法，有望在未来得到更广泛的应用和推广。
