开放连续培养中操作条件对P(3HB-co-3HV)生产菌群微生物选择的调控机制及优化策略研究

为解决混合培养体系中P(3HB-co-3HV)共聚物生产菌群的选择难题，研究人员通过双碳磷限制条件下的开放连续培养技术，系统探究了碳源类型、磷限制程度与稀释率对微生物竞争及PHA积累的影响。研究发现，丙酸与丁酸组合可优先选择高产能菌属Malikia和Zoogloea，而乙酸易富集低效菌Acinetobacter，为工业级PHA生产提供了关键调控策略。

　　

研究背景与意义
聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为完全可降解的生物塑料，其力学性能受单体组成显著影响。其中3-羟基丁酸与3-羟基戊酸共聚物P(3HB-co
-3HV)因优异的可加工性备受关注，但当前工业化生产仍依赖高成本的纯菌培养。利用活性污泥混合培养虽能降低成本，但菌群选择机制不清，尤其含丙酸(PA)的碳源体系缺乏系统研究。如何通过操作参数定向富集高效PHA生产菌群，成为突破技术瓶颈的关键。

研究设计与方法
中国科学院城市环境研究所团队在《New Biotechnology》发表研究，采用连续搅拌釜反应器(CSTR)模拟开放培养系统，以含PA的乙酸/丙酸(AA/PA)和丁酸/丙酸(BA/PA)混合碳源为底物，在0.16 h^-1
稀释率下设置150-325 Cmol/Pmol梯度磷限制。通过稳态分析、16S rRNA测序和批次积累实验，结合Haldane动力学模型，解析了碳流分配与菌群演替规律。

关键结果

1. 微生物对磷限制增强的响应
   提高C/P比使胞内磷(P_in
   )从2.0%降至1.1%，碳流向PHA存储的比例提升至23.7%（AA/PA）和20.8%（BA/PA），但维持代谢消耗始终占碳流的15%以上。

2. 碳源临时替换实验
   纯PA喂养导致生物量下降而PHA浓度稳定，表明PA可能通过甲基柠檬酸循环中间体产生毒性，需额外能量维持稳态。

3. 碳源特性的影响
   对比葡萄糖/果糖体系发现，还原度更高的丁酸使R_(Xc/P)
   达151 Cmol/Pmol，较乙酸体系提升35%，证实碳源氧化程度决定DNL生长区边界。

4. 操作参数对菌群结构的调控
   高通量测序显示：AA/PA体系在C/P=325时Malikia占比超50%，而BA/PA体系在C/P=150即富集65% Malikia；低稀释率(0.12 h^-1
   )更易选择Zoogloea。

5. 菌株特异性产能差异
   批次实验揭示Malikia的q_PHAmax
   达1.2 Cmol/(Cmol·h)，是Acinetobacter的6倍，但P_in
   <1.8%时所有菌属产能均受抑制，验证了Haldane模型的普适性。

结论与展望
该研究首次阐明丙酸基碳源在连续培养中的菌群选择规律，提出"高稀释率+强磷限制+丁酸组合"的三元调控策略，可规避Acinetobacter的竞争劣势。通过建立q_PHAmax
-P_in
-碳源类型的定量关系，为设计两阶段连续生产工艺提供理论依据。未来需进一步解析Malikia的磷代谢通路，以优化其在工业废水转化中的应用效能。