芳香烃生物转化为聚羟基脂肪酸酯：可持续废气处理的新突破

为解决BTEXS（苯、甲苯、乙苯、二甲苯和苯乙烯）等挥发性有机化合物（VOCs）的环境污染问题，研究人员开展了一项关于混合微生物培养体系将BTEXS高效转化为聚羟基脂肪酸酯（PHA）的研究。通过两阶段连续反应器系统，实现了甲苯和乙苯的同步降解（效率>90%）及PHA积累（最高达21.4% gPHA gDCW-1），并解析了微生物群落与代谢通路。该研究为废气资源化提供了可持续解决方案，同时生产高值生物塑料。

　　

随着工业发展和城市化进程，苯、甲苯、乙苯、二甲苯和苯乙烯（BTEXS）等挥发性有机化合物（VOCs）已成为威胁人类健康和生态环境的"隐形杀手"。这些化合物不仅具有致癌、致畸风险，还会加剧光化学烟雾的形成。传统物理化学处理方法虽有效但成本高昂，而生物技术因其环境友好特性成为研究热点。然而，现有生物处理多聚焦于污染物降解，忽视了将其转化为高附加值产品的潜力。在此背景下，一项发表于《Bioresource Technology》的研究开创性地将废气治理与生物制造相结合，探索了BTEXS资源化新路径。

研究人员采用混合微生物培养体系，通过两阶段连续反应器系统实现BTEXS降解与聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成的协同优化。关键技术包括：1）构建以Pseudonocardia和Rhodococcus为主的混合培养体系；2）开发连续搅拌釜反应器（CSTR）与氮限制积累反应器的两阶段工艺；3）结合气相色谱（GC）与质谱（MS）分析PHA组成；4）运用宏基因组学解析微生物网络与代谢通路。

3.1 芳香烃批式降解实验
批式测试显示混合培养对甲苯降解速率达3.9±0.1 g m^-3 d^-1，乙苯为2.2±0.2 g m^-3 d^-1，而苯乙烯显著抑制微生物活性。氮限制条件下甲苯降解持续，但乙苯降解效率下降60%，表明氮素对复杂芳香烃代谢的关键作用。

3.2 第一阶段-连续甲苯转化优化
在6.6分钟空床停留时间（EBRT）下，甲苯去除效率达99.5±0.8%，碳矿化率48.5±12.2%。通过7次氮限制循环（3-9天/次），获得最高PHA含量14.1% g_PHA g_DCW^-1，证实延长氮限制可促进PHA积累。

3.3 第二阶段-甲苯/乙苯共代谢优化
双底物系统中，甲苯和乙苯去除效率分别达96.6±5.1%和91.9±13.6%。14天氮限制周期内PHA含量峰值为20.6%，但后续下降表明需优化营养调控策略。

3.4 第三阶段-两阶段工艺突破
创新性采用生长反应器（R1）与积累反应器（R2）串联系统。直接氮限制启动R2时，PHBV（3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸共聚物）含量动态变化，3HV比例从11%升至22%，证实底物代谢差异影响共聚物组成。

3.5 宏基因组分析
Pseudonocardia（37%）和Rhodococcus（2.5%）为优势菌属，携带甲苯单加氧酶（EC:1.14.13.-）等关键酶基因。代谢网络分析揭示甲苯通过TOL（甲苯单氧化）、TOM（邻位单氧化）等多条途径降解，而乙苯降解基因仅见于Pigmentiphaga等少数菌属，解释其降解效率差异。

该研究首次证明两阶段系统可同步实现BTEXS高效去除（>90%）与PHBV生物合成，最高积累量达21.4%。宏基因组分析揭示了Pseudonocardia在甲苯降解中的核心作用，但其PHA合成能力有限，暗示群落互作的重要性。这一突破不仅为废气治理提供了"变废为宝"的新思路，其生产的PHBV更具备替代石油基塑料的潜力。未来研究可进一步优化菌群结构，提升3HV比例以获得力学性能更优的生物材料，推动该技术从实验室走向工业化应用。