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为解决 mcl-PHA 生产中底物成本高、成分波动影响产物一致性等问题，研究人员以混合微生物培养体系（MMCs）为对象，探究不同中链脂肪酸（MCFA）比例对 mcl-PHA 合成的影响。发现 C6/C7 富集底物可提升 PHA 产量及 mcl-PHA 占比，为利用废弃 MCFA 可持续生产生物基聚合物提供新路径。
塑料污染是全球面临的严峻环境挑战，传统石油基塑料难以降解，对生态系统造成长期威胁。生物基可降解材料聚羟基脂肪酸酯（PHAs）因其类似塑料的性能和环境友好特性，被视为理想替代物。PHAs 按单体碳链长度分为短链（scl-PHA）、中链（mcl-PHA，6-14 个碳原子）和长链（lcl-PHA），其中 mcl-PHA 因低结晶度、高断裂伸长率等特性，在食品包装、生物医药等领域应用潜力显著。然而，其生产面临底物成本高（纯中链脂肪酸（MCFA）价格昂贵）、废弃物中 MCFA 成分不稳定导致产物一致性差等问题。此外，多数研究聚焦纯培养体系，混合微生物培养体系（MMCs）在 mcl-PHA 合成中的应用潜力尚未充分挖掘。
为突破上述瓶颈，湖南某研究团队开展了靶向底物组成优化 mcl-PHA 合成的研究。该研究以活性污泥来源的 MMCs 为对象，通过序批式反应器（SBR）驯化微生物，在分批补料反应器中探究己酸（C6）、庚酸（C7）、辛酸（C8）不同比例混合底物对 mcl-PHA 产量及单体组成的影响，并结合宏基因组学解析微生物群落与代谢通路变化。研究成果发表于《Bioresource Technology》，为利用废弃 MCFA 高效生产 mcl-PHA 提供了关键科学依据。
研究主要采用以下技术方法：
- 微生物驯化与培养：以中国湖南某污水处理厂的废弃活性污泥为起始样本，通过 2L SBR 系统进行约 180 个周期的驯化，筛选富集 PHA 合成菌群。
- 分批补料实验：设置富 C6、富 C7、富 C8 及对照（混合脂肪酸）组，监测不同底物比例下 PHA 积累量与单体组成。
- 宏基因组分析：解析微生物群落结构变化，检测 β- 氧化相关基因（FadD、FadE、FadA）和 PHA 合酶基因（PhaC）的差异表达。
底物组成对 PHA 合成的影响
研究发现，提高 MCFA 浓度可显著提升总 PHA 积累量。富 C6 底物（5:1 比例）实现最高 PHA 产量（63 wt%），其中 mcl-PHA 占比 26%；富 C7 底物（5:1 比例）总 PHA 产量 58 wt%，mcl-PHA 占比达 29%。相比之下，富 C8 底物的 mcl-PHA 比例仅 20%，推测与 β- 氧化导致前体消耗增加有关。实验数据表明，MCFA 碳链长度与 mcl-PHA 单体组成密切相关，C6/C7 更利于目标产物合成。
MCFA 驱动的 PHA 合成机制
宏基因组分析显示，底物组成显著影响微生物群落结构。富 C6/C7 组中，与 β- 氧化和 PHA 合成相关的基因表达上调，而富 C8 组中 β- 氧化基因过度表达可能加速脂肪酸降解，减少 PHA 合成前体。这一结果揭示了 MCFA 通过调控代谢通路关键基因表达，影响 PHA 合成效率与单体组成的机制。
研究结论与意义
本研究证实，靶向优化 MCFA 比例可协同提升 MMCs 体系中总 PHA 产量与 mcl-PHA 单体占比。富 C6/C7 底物通过促进 β- 氧化与 PHA 合酶活性，实现高效生物合成，为利用食品加工废水、油脂废弃物等含 MCFA 的可再生资源生产 mcl-PHA 提供了可行路径。该策略不仅降低对纯 MCFA 的依赖，还通过 MMCs 的适应性简化工艺，契合循环经济与可持续发展需求。未来研究可进一步拓展至复杂废弃物体系，优化微生物群落与代谢通路，推动 mcl-PHA 工业化生产。
研究首次系统阐明了混合底物中 MCFA 比例对 MMCs 合成 mcl-PHA 的调控机制，为生物基聚合物领域提供了从底物设计到微生物代谢工程的全链条优化思路，对缓解塑料污染、促进绿色化学工业发展具有重要战略意义。
