利用农业废弃物生产可持续的聚羟基丁酸酯：工艺优化、生物降解性以及技术在循环生物经济中的可行性

《Bioresource Technology Reports》：Sustainable polyhydroxybutyrate production from agricultural waste: Process optimization, biodegradation, and techno-economic viability for a circular bioeconomy

　　

塔梅尔·埃尔萨马希（Tamer Elsamahy）、埃斯拉·A·阿卜杜勒卡里姆（Esraa A. Abdelkarim）、李旭瑞（Xurui Li）、瓦利德·里兹克·埃尔-加里卜（Waleed Rizk El-Ghareeb）、马布鲁克·索布希（Mabrouk Sobhy）、拉莎·M·埃尔·巴约米（Rasha M. El Bayomi）、穆罕默德·A·侯赛因（Mohamed A. Hussein）、哈立德·M·A·拉马丹（Khaled M.A. Ramadan）、黄国华（Guo-Hua Huang）、奥萨马·阿卜杜拉·阿卜杜勒沙菲·穆罕默德（Osama Abdalla Abdelshafy Mohamad）

中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室，乌鲁木齐，830011，中国

摘要

聚羟基丁酸酯（PHB）是一种类似于合成热塑性的有前景的生物聚合物。然而，其高昂的生产成本限制了其商业应用。本研究旨在从受农业废弃物污染的场地中分离出能够积累PHB的细菌，研究PHB的生物合成动力学，以确定最佳的生产和收获条件，并评估PHB的技术经济可行性。在筛选出的72个细菌分离株中，一种新的Alcaligenes aquatilis PHB-S54菌株能够合成5.82克/升的PHB（占细胞干重的53.3%）。动力学分析显示，PHB的最大积累量出现在72小时时（占细胞干重的54.3%），最大体积产率为0.23克/升/小时。然而，建议在36-60小时之间进行收获，以防止细胞内降解。使用高粱壳水解物作为低成本木质纤维素底物进行优化后，PHB的产量提高到了6.50克/升（占细胞干重的60.98%），相比基线条件（30°C，pH 7.0，150 rpm）提高了17%。表征分析证实，这种生物合成的PHB具有与商业PHB相似的物理性质，但结晶度略低，热稳定性也稍差。生物合成PHB的热行为显示出熔点为173.9°C，结晶度为46.1%，熔化焓为67.16焦耳/克。此外，热重分析表明，这种细菌生产的PHB的50%重量损失温度（T₅₀%）和最大分解温度（T_max）分别为227°C和208.5°C，而商业Biocycle PHB的这些数值分别为236.3°C和223.0°C。土壤埋葬实验表明，该PHB在28天内可降解84.8%，显示出优秀的环境降解性能。初步的技术经济分析预测，工业规模生产的成本为3.5-5.2美元/千克，远低于基于葡萄糖的生产路线（6-9美元/千克）。这种方法利用农业废弃物高效地生产了适用于食品包装、农业薄膜和生物医学应用的可持续PHB。

章节片段

缩写

Qv

ANOVA	方差分析
CDW	细胞干重
DSC	差示扫描量热仪
FTIR	傅里叶变换红外光谱
HCl	盐酸
MPC	最低生产成本
MSM	矿物盐培养基
NaCl	氯化钠
NaClO	次氯酸钠
NaOH	氢氧化钠
OD	光学密度
PCR	聚合酶链反应
PHB	聚羟基丁酸酯
PHBV	聚羟基丁酸酯-醋酸酯
qPHB	特定PHB积累率
体积PHB生产力
rdecay	衰减率
rRNA	核糖体核糖核酸
RSM	响应面方法
SEM	扫描电子显微镜

化学试剂

营养琼脂（NA）、卢里亚-贝尔塔尼（LB）肉汤和矿物盐培养基（MSM）成分购自HiMedia（印度）。苏丹黑B（Sudan Black B）、尼罗蓝A（Nile blue A）、次氯酸钠（NaClO）、碳酸乙烯酯（Ethylene carbonate）、氯仿（Chloroform）和乙醇（Ethanol）购自Sigma-Aldrich（美国）。盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）和硫酸（H₂SO₄）为分析级，购自Merck（德国）。活性炭和氢氧化钙（Ca(OH)₂）购自当地认证供应商。

从各种受农业废弃物污染的环境中回收了72个细菌分离株，通过苏丹黑B染色方法探索它们合成PHB的潜力。筛选实验确定了8个能够在细胞内积累PHB颗粒的分离株。这些菌株在PHB积累方面表现出明显的差异，因此需要进一步的分子鉴定。

三个分离株（PHB-S24、PHB-S46和PHB-S66）与Bacillus subtilis的高度相似性（>98%）证实了它们属于这一物种，Bacillus subtilis是一种在富有机环境中生长良好的PHB生产菌（Danial等人，2021年）。PHB-S17分离株与Priestia megaterium ANCB-12的基因组相同，后者从Bacillus属重新分类，并以强大的PHB积累能力而闻名（Basak等人，2024年）。

对于Pseudomonas属的分离株，PHB-S28也表现出100%的相似性。

本研究提出了一种利用新型Alcaligenes aquatilis PHB-S54菌株从农业废弃物中生物合成PHB的可扩展生物工艺。使用高粱壳水解物进行优化发酵后，PHB产量达到6.5克/升（占细胞干重的60.98%），通过动力学建模确定了36-60小时的收获窗口，以最大化积累量并最小化降解。与商业标准产品相比，生物合成的PHB在结构、热性能和生物降解性方面表现相似。

塔梅尔·埃尔萨马希（Tamer Elsamahy）：负责撰写初稿、数据可视化、软件使用、方法学设计及概念阐述。埃斯拉·A·阿卜杜勒卡里姆（Esraa A. Abdelkarim）：负责撰写初稿、数据可视化、方法学设计及概念阐述。李旭瑞（Xurui Li）：负责审稿与编辑、验证工作、软件使用及方法学设计。瓦利德·里兹克·埃尔-加里卜（Waleed Rizk El-Ghareeb）：负责审稿与编辑、数据可视化、方法学设计及数据分析。马布鲁克·索布希（Mabrouk Sobhy）：负责撰写初稿、数据可视化、方法学设计及深入分析、概念阐述。

作者衷心感谢以下机构的财政支持：第三次新疆科学考察计划（资助编号：2022xjkk1200）；国家自然科学基金（资助编号：42402306、32050410306、32400004和32000084）；未引用参考文献

Adnan等人，2023年Amabile等人，2024年Peternella等人，2021年

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。