《Bioresource Technology Reports》：Integrated valorization of domestic wastewater for phycoremediation and polyhydroxybutyrate (PHB) production by
Synechocystis salina M8
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本研究以蓝藻Synechocystis salina M8为对象，系统优化了C/N/P比例（70:7:1）、pH（7）、光照强度（13,500 lx）等关键参数对生物量（3.4 g/L）和PHB含量（50.2% DCW）的影响，并验证其在30 L光生物反应器中的实际应用效果。实验表明该菌株对COD（99.6%）、BOD（99.6%）、总氮（90.3%）和总磷（95.9%）的去除效率显著，且PHB分子量高达856.9 kg/mol，结构功能与同类产品等效。
多蒂·卡姆·范（Do Thi Cam Van）|阮氏芳邓（Nguyen Thi Phuong Dung）|布伊·蒂·图恩（Bui Thi Thu Uyen）|陈丹顺（Tran Dang Thuan）|黎长江（Le Truong Giang）
河内工业大学（HaUI）研究生院，越南河内泰图区Cau Dien路298号，邮编11900
摘要
本研究评估了海洋蓝细菌Synechocystis salina M8在综合废水处理和聚羟基丁酸酯（PHB）生物塑料生产方面的潜力。在光养和混合营养条件下，系统地优化了关键物理化学参数（包括C/N/P比例、pH值、光照强度和废水灭菌）的影响。最佳生长条件为C/N/P比例为70:7:1，pH值为7，光照强度为13,500 lx，此时生物量浓度达到3.4 g L?1，PHB含量占干重（DCW）的50.2%。在户外培养的30 L规模光生物反应器中，该菌株对COD的去除效率为99.6%，BOD为99.6%，总氮为90.3%，总磷为95.9%，显示出较强的生态修复能力。通过FT-IR、1H NMR和13C NMR对纯化的PHB进行结构分析，确认其功能与其他蓝细菌来源的PHB相当；凝胶渗透色谱法显示其分子量（Mw = 856.9 kg mol?1）较高，且多分散指数（Mw/Mn = 4.34）较大。与先前报道的Synechocystis菌株相比，S. salina M8在实际废水中的PHB产量显著更高（0.14 g L?1 d?1）。这些结果证明了S. salina M8在循环生物经济框架下具有环境和生物技术的双重潜力，可用于可持续的生物塑料生产和养分回收。
引言
由于城市化、工业化和人口快速增长，越南的家庭废水管理已成为一个重要的环境和公共卫生问题（Bui等人，2021；Le等人，2025；Nguyen，2022）。大多数越南城市产生大量家庭和工业废水，但只有大约15-20%的废水在排放前得到妥善收集和处理。大部分未经处理或部分处理的废水直接排入河流、运河和沿海地区，导致严重的水污染、富营养化和水生生态系统退化。越南的家庭废水通常含有高水平的有机物（COD、BOD）、营养物质（氮和磷）和病原微生物，超过了国家排放标准（QCVN 14:2008/BTNMT）。河内、胡志明市和岘港等主要城市面临着现有排水和处理系统的日益严峻压力，这些系统往往过时、超负荷或维护不善（Le等人，2025）。气候变化、频繁的洪水和混合的雨水-污水流动进一步加剧了废水管理的挑战（Oanh Doan等人，2025）。
另一方面，由石油基塑料造成的环境负担（Thi Yen等人，2021；Yen和Anh Tuyet，2020）以及化石资源的枯竭加速了可持续替代品的探索（Zhao等人，2021）。在可生物降解聚合物中，聚羟基丁酸酯（PHB）因其完全可生物降解性、生物相容性和与聚丙烯相当的热塑性而受到广泛关注（European Bioplastics，2023）。然而，由于生产成本高（主要与昂贵的有机碳源和能耗高的发酵过程有关），大规模生产PHB仍受到限制（Carpine等人，2020；Ansari和Fatma，2016；Sirohi等人，2020；Troschl等人，2018）。
因此，将PHB生产与废水处理相结合是一种双重受益的策略，既能解决环境问题，又能生产生物塑料。开发和优化此类系统可以实现低成本、大规模和碳中性的PHB生产，同时最大限度地减少环境污染。因此，利用废水通过微藻和/或蓝细菌合成PHB是实现可持续生物塑料生产、资源回收和绿色生物工业未来的关键步骤（Assemany等人，2025；Sharma等人，2024）。蓝细菌因其光自养代谢、固定CO2的能力以及对各种废水环境的耐受性而成为生产聚羟基丁酸酯（PHB）的有希望的微生物（Ansari和Fatma，2016；Sirohi等人，2020；Troschl等人，2018）。与异养细菌不同，蓝细菌可以直接利用无机碳和阳光合成PHB，同时将废水中的氮和磷作为营养物质。这种双重功能使得在一个过程中同时实现废水生物修复和生物塑料生产成为可能。蓝细菌中的PHB积累通常在营养受限条件下（特别是氮或磷缺乏时）发生，此时多余的碳会被转化为聚合物。一些物种，如Synechocystis、Synechococcus和Spirulina，其PHB含量占干重的10%至60%（Carpine等人，2020；Kamravamanesh等人，2018；Panda等人，2006；Rueda等人，2020；Troschl等人，2018）。
蓝细菌的生长和PHB积累受到环境因素和营养因素的强烈影响，如C/N/P比例、pH值、光照强度和废水条件（Rueda等人，2024）。接近Redfield值（106:16:1）的平衡C/N/P比例有利于快速生长，而富碳和氮受限的条件则促进PHB合成，因为多余的碳会被转化为聚合物。pH值影响营养物质的溶解度和酶活性，大多数蓝细菌在中性到微碱性条件下生长最佳（pH 7–9）。光照强度和光照周期调节光合作用效率；适中的光照强度和高光照促进生物量形成和PHB积累，而过强的光照可能会引起氧化应激。此外，废水的灭菌状态显著影响培养结果：灭菌后的废水由于没有竞争性微生物，因此支持更高的生物量和PHB含量；而非灭菌的废水虽然反映了实际环境条件，但由于微生物竞争可能会降低生产效率。优化这些参数对于最大化PHB产量和实现可持续的蓝细菌生物塑料生产至关重要。
蓝细菌在营养受限条件下（尤其是氮或磷缺乏时）表现出多样的生物量生长和PHB积累能力，通常生物量浓度可达1–3 g L?1，PHB含量占干重的10–40%（Yashavanth等人，2021）。如Synechocystis sp. PCC 6803（Elghazy等人，2024）和Synechocystis sp. CCALA192（Troschl等人，2018）等菌株已被广泛研究，但它们的PHB产量仍不足以满足大规模应用的需求。提高产量需要探索具有更高碳固定效率、更快生长速率和更强PHB储存能力的新型蓝细菌菌株。因此，优化能够积累超过50% PHB DCW的新菌株并实现更高生物量密度对于推进经济高效、可持续的生物塑料生产至关重要。
因此，本研究的目标是：（i）优化C/N/P比例、pH值、光照强度和废水条件对新分离的蓝细菌Synechocystis salina M8的生长和PHB积累的影响；（ii）在户外条件下，使用30 L规模光生物反应器研究Synechocystis salina M8的生物量、PHB生产和营养物质去除情况；（iii）表征从Synechocystis salina M8生物质中提取和纯化的PHB。
部分内容摘录
化学品
氯仿、次氯酸钠、甲醇和分析级聚羟基丁酸酯（PHB）从Merck KGaA（德国达姆施塔特）购买。本研究中使用的所有其他试剂和化学品均为分析级，并直接从商业供应商处获得，无需进一步纯化。蓝细菌来源和种子培养准备
蓝细菌菌株Synechocystis salina M8（S. salina M8，登录号PV368867）来自先进材料实验室的藻类收藏库。家庭废水特性
表1总结了S. salina M8培养前家庭废水的物理化学特性。用于S. salina M8培养的预处理家庭废水呈现接近中性的条件（pH 7.3 ± 0.2）和适中的温度（25.7 ± 0.2 °C），这些条件均在藻类生长（通常pH 6.5–8.5；20–30 °C）和微藻培养研究的最佳范围内（Burton等人，2013；Vaz等人，2023）。结论
本研究表明，S. salina M8可以有效利用家庭废水实现生物量生长、营养物质去除和聚羟基丁酸酯（PHB）的生产。在光照适中且氮受限的条件下，该菌株的最大生物量浓度为3.4 g L?1，PHB含量占干重的50.2%。C/N/P比例为180:16:1的废水提供了富碳环境，促进了PHB的积累（0.14 g PHB L?1 d?1），同时保持了高水平的营养物质去除。
CRediT作者贡献声明
多蒂·卡姆·范（Do Thi Cam Van）：撰写初稿、研究设计、资金申请、数据管理、概念构思。阮氏芳邓（Nguyen Thi Phuong Dung）：验证、软件使用、资源协调、方法论制定、数据分析。布伊·蒂·图恩（Bui Thi Thu Uyen）：数据可视化、验证、软件使用、资源协调、研究实施、数据分析。陈丹顺（Tran Dang Thuan）：撰写修订稿、监督、项目管理。黎长江（Le Truong Giang）：数据可视化、验证、方法论制定、概念构思、撰写修订稿。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了Kurita Water and Research Foundation（KWEF）的资助，资助编号为24Pvn028。
