金属离子强化光合细菌利用餐厨垃圾消化液生产生物塑料（PHB）的性能与机制研究

本研究首次系统探究Fe3+和Mn2+对光合细菌（PSB）利用餐厨垃圾消化液合成聚羟基丁酸酯（PHB）的强化机制。通过优化金属离子浓度（Fe3+ 10 mg/L、Mn2+ 2 mg/L），使PHB含量提升至46%（DCW），同时实现SCOD去除率>90%。研究揭示金属离子通过调控微生物群落（Rhodopseudomonas占比93.4%）、激活功能基因（PhaC表达量提升2.6倍）及优化代谢通路（TCA循环、丙酮酸代谢）的多重作用机制，为生物塑料低成本生产提供新策略。

　　

金属离子强化光合细菌生产生物塑料的机制解析

背景与创新点

传统石油基塑料的环境污染问题日益严峻，聚羟基丁酸酯（PHB）作为可降解生物塑料备受关注。然而，微生物法生产PHB面临底物成本高、效率低的瓶颈。餐厨垃圾消化液富含有机酸等营养物质，是PSB合成PHB的理想底物。研究首次系统探究Fe³⁺和Mn²⁺对PSB转化有机废弃物的强化效应，突破PHB生产效率限制。

实验设计与方法

采用500 mL避光发酵体系，以SCOD 2.5 g/L的餐厨垃圾消化液为底物，接种20%混合PSB（Rhodopseudomonas sp.为主）。设置Fe³⁺（10-40 mg/L）和Mn²⁺（1-4 mg/L）梯度浓度，在26-30°C、4000 lx光照下进行15天发酵。通过ICP-MS测定胞内离子浓度，GC分析PHB含量，16S rRNA测序解析微生物群落，KEGG数据库注释代谢功能。

关键性能指标突破

Fe³⁺组：10 mg/L浓度下PSB生物量达2366.3 mg/L（较对照提升21.8%），PHB含量46.0%（提升14.4%），PHB产率0.47 g/g-COD。

Mn²⁺组：2 mg/L浓度下PHB含量43.8%，SCOD去除率90.1%。

底物转化效率：最优组乳酸去除率87.8%，氨氮去除率73.6%，证实金属离子显著提升底物转化率。

微生物群落调控机制

• 群落结构：10 mg/L Fe³⁺使Proteobacteria门占比达90.2%，Rhodopseudomonas属相对丰度提升至93.4%

• 功能基因：PhaC合成酶基因表达量提升3.3倍，乙酰辅酶A还原酶活性增强

• 代谢通路：TCA循环通量增加2.1倍，丙酮酸脱氢酶和L-乳酸脱氢酶活性显著提高

作用机制模型

1. 能量代谢：Fe³⁺作为细胞色素组分，促进光系统电子传递链效率

2. 酶活调控：Mn²⁺激活丙酮酸羧化酶，补充草酰乙酸以维持TCA循环

3. 抗氧化防御：金属离子降低ROS水平，抑制PHB解聚酶活性

4. 碳流导向：上调的PhaB/PhaC基因驱动乙酰辅酶A向PHB合成

应用前景与局限

研究为餐厨垃圾高值化利用提供可行方案，但规模化应用中需解决：

1）金属离子回收与循环利用问题

2）PHB单体组成对材料性能的影响

3）多组学技术（如代谢组学）的机制深化需求

结论性发现

1. 金属离子通过"微生物群落-代谢功能-基因表达"三级调控网络强化PHB生产

2. 胞内Fe³⁺/Mn²⁺阈值分别为5.5 mg/L和0.5 mg/L，过量导致菌群多样性异常

3. 功能代谢分析显示碳固定途径通量提升37%，为PHB合成提供前体保障