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为探究热解污泥中类黑精对 PHA 合成的影响，研究人员开展其对混合微生物培养（MMC）合成 PHA 的作用研究。发现低浓度（≤400 mg/L）类黑精促进 PHA 合成，高浓度（≥800 mg/L）抑制，长期作用促进效果可能消失或逆转，为优化污泥制 PHA 提供思路。
在塑料污染日益严峻的当下，可降解生物塑料聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）作为传统石油基塑料的理想替代品，凭借优良的热性能、生物降解性和生物相容性，吸引了全球科研人员的目光。然而，纯菌培养生产 PHA 面临成本高昂的难题，严格的无菌条件和昂贵的底物使得其工业化应用受限。在此背景下，利用混合微生物培养（mixed microbial culture，MMC）技术，以污水污泥等工业废弃物为原料生产 PHA，成为降低成本、实现资源循环利用的重要方向。
污水污泥富含碳源且具有产酸潜力，经热解预处理（thermal hydrolysis pretreatment，THP）后，其厌氧发酵产生的挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）量可较未处理污泥提升 44%–100%，理论上是理想的 PHA 生产原料。但实际应用中，MMC 利用热解污泥发酵液生产 PHA 的效率却不尽如人意，细胞干重（cell dry weight，CDW）中 PHA 含量最高仅达 25%–34.6%。研究发现，这一现象可能与热解过程中产生的类黑精（melanoidins）密切相关 —— 作为美拉德反应的副产物，类黑精具有高稳定性和潜在毒性，其在发酵液中的浓度可高达 1–5 g/L，且兼具复杂的生物学效应。
为解开类黑精对 PHA 合成的影响机制，来自北京高碑店污水处理厂所在研究团队的科研人员，在《Bioresource Technology》上发表了一项重要研究。他们通过构建实验室规模的序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR），模拟混合微生物培养体系，系统探究了不同浓度类黑精对 PHA 合成的瞬时和长期影响，旨在揭示其浓度依赖的双向调控作用，为优化污泥到 PHA 的转化工艺提供理论依据。
研究主要采用了以下关键技术方法：
- 混合微生物培养体系构建：以北京高碑店污水处理厂的好氧污泥为接种物，在 3L SBR 反应器中富集 PHA 生产菌，通过控制营养限制条件（COD/N/P=100:1.5:0.2）和周期性的 “feast-famine” 循环筛选功能菌群。
- 瞬时效应实验：设置不同类黑精浓度梯度（0–2000 mg/L），监测单个反应周期内 VFAs 和 COD 的利用效率、PHA 合成动力学及微生物代谢活性变化。
- 长期效应验证：通过连续运行反应器，观察低浓度类黑精（200–400 mg/L）在长期作用下对 MMC 的 PHA 生产能力和菌群结构的影响。
- 微生物分析：利用高通量测序技术解析类黑精暴露下菌群组成变化，重点关注耐类黑精菌属（如 Hydrogenophaga、Pannonibacter）的丰度变化与 PHA 生产能力的关联。
瞬时循环实验：类黑精的双向调控效应
在瞬时实验中，研究人员发现类黑精对 PHA 合成呈现显著的浓度依赖性双向效应：
- 低浓度促进作用（≤400 mg/L）：当类黑精浓度为 200 和 400 mg/L 时，能量代谢水平较对照组分别提升 45% 和 15%，电子传递效率增强，促使 PHA 合成显著增加。这种现象被归因于 “hormesis 响应”—— 低剂量有害物质刺激微生物产生应激抗性，通过增强代谢活性应对环境压力，从而促进 PHA 作为能量储存物质的积累。
- 高浓度抑制作用（≥800 mg/L）：当浓度达到 2000 mg/L 时，细胞死亡率是空白组的 4.5 倍，类黑精通过破坏细胞膜完整性、抑制物质传递和引发细胞毒性，显著抑制 PHA 合成。此时，VFAs 虽被完全消耗，但 COD 利用率下降，表明类黑精自身难以被微生物降解，且对代谢通路产生直接干扰。
长期运行实验：促进效应的衰减与逆转
在长期连续培养中，低浓度类黑精的促进作用逐渐减弱甚至转为抑制。研究表明，这可能是由于长期暴露下微生物优先降解已合成的 PHA 以应对持续的类黑精压力，导致积累量下降。同时，菌群结构分析显示，耐类黑精菌属（如 Hydrogenophaga 和 Pannonibacter）的富集改变了 MMC 的组成，虽增强了菌群对类黑精的耐受性，但可能降低了整体 PHA 生产效率，揭示了微生物适应性进化与功能代谢之间的权衡关系。
结论与意义
本研究首次系统阐明了热美拉德反应来源的类黑精对 MMC 合成 PHA 的双向调控机制：低浓度通过诱导 hormesis 响应和增强能量代谢促进合成，高浓度通过细胞毒性抑制代谢活动，而长期作用下微生物的适应性调整会导致效应逆转。这一发现不仅解释了实际应用中 PHA 生产效率受限的关键原因，也为优化热解污泥预处理工艺提供了新视角 —— 通过控制类黑精浓度在促进区间（如 200–400 mg/L），或筛选耐类黑精且高 PHA 产率的功能菌群，有望提升污泥到 PHA 的转化效率。此外，研究提出的浓度阈值和菌群调控策略，为工业废弃物资源化领域中生物塑料的低成本生产提供了重要理论支撑，对推动循环经济和可持续生物技术发展具有深远意义。
