阳极电位与投喂策略对电活性微生物生物膜内聚羟基脂肪酸酯(PHA)胞内储存的影响机制研究

为解决传统聚羟基脂肪酸酯(PHA)生产过程中需持续供氧导致的高成本问题，研究人员创新性地利用生物电化学系统(BES)，探究不同阳极电位(0.0 V、+0.2 V、+0.4 V vs SHE)和耦合/非耦合投喂策略对电活性生物膜(EABf)内PHA储存的影响。结果表明，0.0 V电位下耦合投喂策略可实现15%的碳转化率，证实低电位通过限制电子通量促进PHA合成，为废弃物资源化提供新路径。

　　

研究背景：塑料危机与绿色突围

全球每年生产4.6亿吨塑料中仅0.5%为生物基材料，传统石油基塑料的不可降解性导致微塑料污染和资源枯竭。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为完全可降解的聚酯家族，虽具有与石油塑料相当的机械性能，但其工业化生产面临两大瓶颈：纯菌发酵需无菌环境推高成本，而混合微生物培养(MMC)依赖持续供氧的"盛宴-饥荒"(Feast-Famine)策略能耗巨大。更棘手的是，当前PHA生产成本仍无法与石油塑料竞争。

技术破局：当电化学遇见生物合成

澳大利亚研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，首次系统评估阳极电位与营养投喂策略对电活性生物膜(EABf)合成PHA的影响。研究采用单室BES反应器，以乙酸钠为模型底物，通过控制三组阳极电位(+0.4 V、+0.2 V、0.0 V vs SHE)和两种投喂模式（耦合：同时投加碳氮源；非耦合：延迟7小时投氮），结合电子平衡计算、尼罗蓝染色和16S rRNA测序技术，解析电活性微生物的代谢调控机制。

关键发现：

1. PHB储存与投喂策略的博弈
通过实时监测电流和底物消耗发现，0.0 V电位下耦合投喂策略的PHA转化率达15%，显著高于非耦合策略的9%。电子平衡计算显示，低电位条件下电子更多流向PHA合成而非阳极呼吸，这与传统Aerobic Dynamic Feeding (ADF)策略中氧限制促进储存的现象相呼应。

2. 电位调控的代谢开关效应
极化实验揭示+0.4 V高电位促进生物膜生长（电子36%用于生长），而0.0 V低电位则激活储存途径（15%电子用于PHB合成）。尼罗蓝染色在0.0 V组观察到明显红色荧光颗粒，证实PHB存在，且24小时后完全降解，符合"储能-耗能"动态平衡假设。

3. Geobacter的意外才能
16S rRNA测序显示阳极生物膜中Geobacter相对丰度超90%，其特有的氧化还原峰（E_f=-0.195 V）与非 turnover CV检测结果吻合。尽管Geobacter并非传统PHA生产菌，但研究首次证实其在低电位下具有显著的碳储存能力。

范式转变：从线性耗氧到电子驱动

该研究突破性地证明：通过精准调控阳极电位可替代传统供氧策略，实现厌氧条件下PHA高效合成。0.0 V的"温和胁迫"既能抑制电子过度流向电极，又维持足够驱动力激活NAD⁺/NADH循环，为开发第三代PHA生产技术奠定基础。将有机废弃物转化为可降解塑料的"电发酵"策略，不仅降低90%曝气能耗，更推动"废水-能源-材料"闭环体系的构建，对实现碳中和目标具有双重意义。未来研究可进一步探索复杂底物体系与连续流工艺的适配性，加速该技术从实验室走向产业化。