酸热干燥过程中酸化处理对固体消化物氮素形态转化的调控机制及其环境效应

为解决聚羟基脂肪酸酯(PHAs)生产成本高、产量不稳定等问题，研究人员系统研究了廉价碳源使用过程中渗透压(盐度)和有机负荷率(OLR)对PHAs合成的影响机制，揭示了氧化还原应激调控PHAs合成/动员的双向作用，提出了针对不同环境压力的外源调控策略，为生物可降解塑料的工业化生产提供了重要理论依据。

　　

随着"白色污染"问题日益严峻，寻找石油基塑料的环保替代品成为当务之急。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)作为完全可生物降解的绿色生物材料，在自然环境中能被微生物完全分解，被誉为"未来的塑料"。然而其生产成本高达传统塑料的3-12倍，其中碳源成本占比可达50%，严重制约了商业化应用。更棘手的是，当尝试采用廉价碳源（如污泥发酵液、粗甘油等）降低生产成本时，这些原料中残留的盐分、单宁等抑制物又会引发渗透压和有机负荷压力，导致PHAs产量波动甚至系统崩溃。如何平衡"低成本"与"稳产量"的矛盾，成为推动PHAs规模化应用的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员开展了一项开创性研究。通过系统分析渗透压（盐度）和有机负荷率(OLR)对PHAs合成的影响规律，首次揭示了氧化还原应激在PHAs合成与动员过程中的"双向开关"作用。研究发现：当盐度≤1 wt%时，适度渗透压可促进PHAs积累至68 wt%(g PHA/g VSS)，但超过此阈值会导致产量锐减至48 wt%；类似地，OLR在2.05-4.56 g COD L^-1 d^-1范围内存在最佳值，超出后产量从51 wt%暴跌至18 wt%。更深层的机制研究表明，这些压力通过调控活性氧(ROS)水平影响细胞代谢——适度压力增强抗氧化能力促进PHAs合成，而过量ROS则触发PHAs动员。基于这些发现，团队开发了钾盐添加、分段投料等外源调控策略，并阐明了生产菌的应激适应机制。

该研究主要采用混合培养技术构建生产系统，通过控制碳源投加建立"饱饥交替"(Feast-Famine)选择压力，结合氧化还原电位监测和ROS定量分析，解析了压力-代谢响应关系。在污泥发酵液等实际废料验证中，采用响应面法优化了盐度与OLR的协同调控参数。

【渗透压对PHAs生产的影响】章节揭示：粗甘油等廉价碳源含盐量可达8.76 wt%，通过添加K⁺竞争Na⁺吸收位点，可使PHAs产量提升35%。但盐度超过1.2 wt%会引发ROS爆发，导致24小时内PHAs降解率达29%。

【OLR对PHAs生产的影响】部分发现：含0.67 wt%单宁的葡萄渣作为碳源时，采用梯度提升OLR策略（从2.05逐步增至4.56 g COD L^-1 d^-1）比直接高负荷运行产量提高2.8倍，证明压力适应期对维持系统稳定性至关重要。

【氧化还原压力效应】机制研究显示：在饱食期添加0.1 mM抗坏血酸可降低ROS水平40%，使PHAs合成速率提升22%；而在饥饿期适度提高ROS则加速PHAs降解，实现碳源高效再利用。

研究结论指出，通过精准调控压力强度与作用时序，可将廉价碳源的"抑制劣势"转化为"增产优势"。提出的"压力驯化-抗氧化强化"双轨调控模式，为建立低成本、高稳定的PHAs生产工艺提供了全新思路。这项发表于《Bioresource Technology》的成果，不仅为生物塑料产业化扫清了关键技术障碍，更为废弃物资源化利用开辟了新途径——未来或可实现"用垃圾生产塑料，塑料降解回归自然"的完美闭环，对推动循环经济发展具有重大意义。