第一作者：黄诗涵 （湖南大学硕士生）

通讯作者：汤琳教授、袁劼助理教授 （湖南大学）

论文DOI：10.1016/j.biortech.2025.132700

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学环境科学与工程学院汤琳课题组在Bioresource Technology上发表了题为“Enhancing medium-chain-length polyhydroxyalkanoate (mcl-PHA) synthesis in mixed microbial cultures via targeted substrate composition: A meta-omics guided approach”的研究论文（10.1016/j.biortech.2025.132700）。本研究通过调控底物中中链脂肪酸（MCFA）的组成比例，显著提高了混合微生物群落（MMCs）合成中链聚羟基脂肪酸酯（mcl-PHA）的效率和占比比例。实验表明，当富集己酸（C6）与庚酸（C7）底物含量比例提升至1:5时，PHA总含量分别达细胞干重（CDW）的63 wt%和58 wt%，3-羟基己酸（3-Hydroxyhexanoate，3HHx）与3-羟基庚酸（3-Hydroxyheptanoate，3HHp）单体比例较对照组分别增加了90%和162%。宏基因组学表明，虽未显著影响微生物群落整体多样性，但选择性调控了功能菌属（如：Thauera和Rubrivivax），同时β-氧化基因（FadD/FadE/FadA）和PHA合成酶基因（PhaC）的丰度呈现底物特异性差异。该成果为低成本、规模化生产高性能生物可降解塑料提供了新策略。

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本研究通过序批式反应器（SBR）驯化菌群，结合补料分批发酵（Fed-batch）和宏基因组学技术，系统探究了不同MCFA底物比例对混合菌群合成mcl-PHA的影响。实验发现：底物优化显著提升产量：在富集C6或C7的底物比例为1:5的时候，可使PHA总含量分别达63 wt%和58 wt%，远高对照组（44 wt%）。C6和C7底物驱动的菌群更倾向于合成中链单体（如3HHx和3HHp），而辛酸（C8）因β-氧化途径消耗前体物质，导致mcl-PHA比例降低。优势菌属（如Paracoccus和Rubrivivax）丰度随底物变化，且β-氧化基因与PHA合成酶基因丰度的差异性也与底物组分相关。

引言

聚羟基脂肪酸酯（PHAs）因其优异的生物降解性、生物相容性和机械性能，被视为传统塑料的理想替代品。其中，中链聚羟基脂肪酸酯（mcl-PHA）因优异的性能，在不同领域展现出广阔的应用前景。目前，mcl-PHA的生产主要依赖于纯培养微生物和单一碳源，但这种方法对底物纯度和操作条件要求严格，成本高昂。相比之下，混合微生物培养（MMC）技术能够利用复杂的废弃物资源，具有成本低、适应性强等优势。研究表明，中链脂肪酸（MCFA）是合成mcl-PHA的理想底物，因其结构与mcl-PHA单体相似，可通过微生物的β-氧化途径高效转化为目标产物。然而，不同组分MCFA（如己酸C6、庚酸C7和辛酸C8）的比例对mcl-PHA产量和单体组成的影响尚未明确，且废弃物中MCFA的变异性进一步增加了生产控制的难度。因此，本研究通过调控底物中MCFA的比例（C6、C7和C8），探究其对混合微生物培养合成mcl-PHA的影响。结合宏基因组学分析，揭示微生物群落组成及关键功能基因的丰度，以优化mcl-PHA的生产效率。

图文导读

PHA产量已经单体比例

Fig. 1 The PHA content and proportion in:(a) Control (Ac\Pro\But\Val\Cap\Hep\Oct all count 1(based on moles of carbon)); (b) M-cap (Others : Cap = 1:3); (c) M-hep (Others : Hep=1:3); (d) M-oct (others : Oct = 1:3) (vertical bars represent ±1 standard deviation, n=3).

Fig. 2 Different MCFA content in the groups of different fermentation substrates. The ratio of 1:3、1:5 and1:8 mean the dominate MCFAs content count 3、5、8, respectively (vertical bars represent ±1 standard deviation, n=3)

通过增加MCFA成分含量，不仅增加了整体PHAs含量的增加，还增加了mcl-PHA单体比例。在M-cap和M-hep组中，MCFA比例为5的混合底物能够产生更高的PHAs总体含量（分别为63 wt.%和58 wt.%）和mcl-PHA含量（分别为26%和29%）。而M-oct组的PHAs最大含量相对较低（49 wt.%，在MCFA比例为3时实现）。并且高浓度MCFA（1:8）虽提升总产量，但过量可能因代谢负担抑制合成产量。

微生物群落信息

Fig. 3 Relative abundance of the MMCs at the (a) phylum and family; (b) genus level and (c) Heatmap showing the relative abundance of top 50 pathgens at Genus level under different substrates. The yellow fonts indicates that the bacteria can produce scl-PHAs, the red fonts indicates that they can produce msl-PHAs, and the blue fonts indicates that they can produce both scl-PHAs and mcl-PHAs. The genera with abundance less than 1% are classified into others.

不同MCFA底物未显著改变微生物群落整体多样性，但选择性调控了某些功能菌属的丰度。其中，Paracoccus、Rubrivivax、Nannocystis等一些菌群的丰度变化受底物含量影响。在C6和C7富集组中，Paracoccus（34%和28%）等mcl-PHA优势菌显著增殖，而C8组中Rubrivivax丰度升高（9%）。

宏基因组分析

Fig. 4 (a) Proposed pathway for the syntheses of mcl-PHAs from MCFAs. (b) Abundance of β-oxidation related genes;(c) Abundance of de novo fatty acid synthesis related genes; (d)Abundance of PHAs syntheses related genes; Comparative Analysis of (e) Transposase (KEGG Orthology:K07497 ) and (f) TCA Cycle (Level 3 Pathway) about relative abundance Across four Groups; The full names of enzymes are as follows: FadD, long-chain acyl-CoA synthetase; FadE, acyl-CoA dehydrogenase; FadB, PhaJ, 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase; FadA, acetyl-CoA acyltransferase; FabG, 3-oxoacyl-[ACP] reductase; FabB, 3-oxoacyl-[ACP] synthase; FabD, [ACP] S-malonyltransferase; FabA, 3-hydroxyacyl-[ACP] dehydratase; FabH, 2,4-dienoyl-CoA reductase (NADPH2); FabI, enoyl-[ACP] reductase; PhaG, 3-hydroxyacyl-ACP CoA transferase; PhaJ, (R)-specific enoyl-CoA hydratase.

探究β-氧化反应基因以及PhaC合成基因表明，β--氧化基因（FadD/FadE/FadA）在C8组丰度最高，这可能导致前体物质过度消耗，因此为了增加mcl-PHA单体的合成，可以通过抑制氧化反应过程，例如通过添加抑制剂或敲除FadA基因。富含MCFAs的组中，PHA合成相关基因的丰度显著高于control组，但是M-oct组的PHA降解酶（PhaZ）基因丰度远高于其他组，这可能解释了其PHA产量低的原因。

小结

本研究通过宏基因组学分析与MMCs发酵生产PHAs实验结合，阐明了MCFAs组成对mcl-PHA生物合成的调控机制。基于多阶段实验策略，通过底物组成优化与多组学技术结合，阐明了MCFA比例对混合菌群合成mcl-PHA的调控机制，并实现了PHAs产量与mcl-PHA比例提升的双重突破。成果为利用餐厨垃圾、工业废水等可再生资源规模化生产高性能生物降解塑料提供了关键技术支撑，同时填补了混合菌群代谢研究的空白。未来将进一步探索代谢工程策略（如基因编辑）与工艺优化，推动生物基材料的工业化应用。