超声辅助混合污水污泥产聚羟基脂肪酸酯：探索饥饱调控策略与微生物适应性机制

为解决传统塑料污染问题，研究人员通过超声辅助混合微生物培养(MMC)技术，利用市政污泥发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，获得41.5%-48.2%的积累效率，为低成本生物塑料生产提供新路径。

　　

塑料已成为现代文明的双刃剑。全球每年产生超4.6亿吨塑料垃圾，其中仅3.4%被回收利用，其余成为"白色污染"的主要来源。更严峻的是，传统塑料依赖石油炼制，其全生命周期贡献了全球3.4%的温室气体排放。面对这一环境危机，生物可降解塑料尤其是聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHAs)因其完全生物基特性备受关注。这种由微生物合成的聚酯不仅具有与传统聚乙烯相似的力学性能，还能在自然环境中完全降解。但当前PHAs生产成本高达4.5-7美元/千克，是石油基塑料的3-5倍，其中40%成本来自原料。如何突破这一经济瓶颈？来自沙特阿拉伯吉达大学的研究团队将目光投向了城市污水处理厂的副产品——市政污泥。

该研究创新性地采用三级技术路线：首先通过超声能量(2500-20000 kJ/kg)裂解污泥细胞壁，显著提升溶解性化学需氧量(SCOD)达104.3%；随后利用序批式反应器(SBR)驯化混合微生物群落(MMC)，在乙酸(4.5 g/L)为碳源的饥饱(feast-famine)模式下富集PHAs合成菌；最终从超声发酵液中提取出含41.5-48.2% PHAs的生物聚合物。关键技术包括超声空化预处理、厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFAs)、动态饥饱培养策略，以及扫描电镜(SEM)-能谱(EDS)-红外光谱(FTIR)联用表征体系。

超声预处理对混合污泥组成的影响
能量输入与污泥溶解效率呈正相关，20,000 kJ/kg处理组SCOD提升至7.91 g/L，VFAs总量达13.26 gCOD/L，其中乙酸(114 mM)、丙酸(39.04 mM)、丁酸(10.11 mM)构成主要碳源。

饥饱制度与微生物适应性
动态碳源供应促使微生物将38.7%细胞干重转化为PHAs，主要成分为3-羟基丁酸酯(3HB)和3-羟基戊酸酯(3HV)共聚物，熔点特性符合中短链PHAs特征。

经济与环境效益分析
相比纯碳源，污泥原料使生产成本降低60%。每吨干污泥可产PHAs 82-95 kg，同时减少37%的污泥处置碳排放。

这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究证实，超声辅助的污泥转化技术可使PHAs生产成本降至1.8-2.1美元/千克，接近石油基塑料价格区间。特别值得注意的是，饥饱培养策略塑造的微生物群落展现出对复杂基质的强适应性，这对工业级废水转化具有普适价值。研究团队指出，未来需优化超声能耗与PHAs产率的平衡点，并开发更高效的菌种富集工艺。该技术路线不仅为"变废为宝"提供范例，更推动循环经济模式下的新材料革命，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的负责任消费与生产具有示范意义。