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可控降解PHB单体合成及其发酵条件优化研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在当今时代，“白色污染”已成为全球生态环境面临的严峻挑战之一。传统塑料以石油为原料，凭借其成本低廉、性能多样等优势，在包装、农业、医疗等诸多领域广泛应用，极大地便利了人们的生活。但塑料的化学结构稳定，在自然环境中极难降解，这导致大量废弃塑料在土壤、水体和海洋中不断堆积。据统计，全球每年产生的塑料垃圾超过3亿吨，其中仅有不到10%能够得到有效回收利用，其余大部分长期留存于环境中，对生态系统造成了严重破坏。在土壤里，塑料垃圾阻碍植物根系生长，影响土壤的透气性和水分涵养能力，导致土地质量下降；在水体中，塑料废弃物不仅影响景观美观，还威胁水生生物的生存，每年有成千上万的海洋生物因误食塑料或被塑料缠绕而死亡；微塑料更是通过食物链进入人体，对人类健康构成潜在威胁。

生物可降解材料聚羟基丁酸酯（PHB）的出现，为解决“白色污染”问题带来了新的希望。PHB作为一种由微生物合成的聚酯类物质，具有诸多优异特性。其生物相容性极佳，能够与生物体组织和谐共处，不会引发免疫反应或毒性作用，这使得它在医疗领域备受青睐，可用于制造手术缝合线、药物缓释载体、组织工程支架等医疗器械，在完成使命后可被生物体自然降解吸收，避免了二次手术取出的痛苦和风险。同时，PHB在自然环境中，如土壤、水和堆肥等条件下，能够被微生物分解为二氧化碳和水，回归自然生态循环，不会留下长期的污染痕迹，对环境友好。

PHB的单体3-羟基丁酸（3-HB）同样具有重要价值。它不仅是合成PHB的基本单元，还可作为一种关键的平台化合物，进一步用于制备多种高附加值的化学品，如丙烯酸、2,3-丁二醇等，这些化学品在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用，为实现资源的高效循环利用提供了可能。

对PHB降解为单体的可控发酵条件进行深入研究，具有重要的现实意义。在学术层面，这有助于深化我们对微生物代谢途径和酶催化机制的理解，为生物工程领域的基础研究提供新的思路和数据支持；在工业生产方面，通过优化发酵条件，可以提高PHB降解为单体的效率和产率，降低生产成本，从而推动PHB及其相关产品的大规模工业化生产和应用，助力解决“白色污染”问题，推动循环经济发展，为实现碳中和目标贡献力量。

（二）国内外研究现状

在聚羟基丁酸酯（PHB）的研究与应用领域，国内外均取得了一定进展，但也面临着诸多挑战。

从国外来看，一些大型企业在PHB工业化生产方面处于领先地位。例如，巴西的Braskem公司、美国的DanimerScientific公司以及德国的BASF公司等，它们凭借雄厚的资金和技术实力，积极开展PHB的研发与生产。通过不断优化微生物发酵技术和扩大产能规模，这些企业逐步降低了PHB的生产成本，使其在市场上更具竞争力。在技术创新方面，国外科研团队在菌种选育、发酵工艺优化以及产物分离提取等环节取得了一系列成果。部分研究通过基因工程手段对微生物进行改造，构建出高产PHB的工程菌株，显著提高了PHB的产量和质量；还有研究致力于开发新型的发酵工艺，如连续发酵、固定化细胞发酵等，以提高发酵效率和稳定性；在产物分离提取方面，采用了超临界流体萃取、膜分离等先进技术，降低了分离成本，提高了产品纯度。

国内的PHB研究与产业发展也呈现出蓬勃态势。国恩股份等企业已启动万吨级PHB项目，积极布局生物可降解材料市场，展现出对PHB产业前景的信心和决心。在学术研究领域，众多科研机构和高校也开展了深入研究。北京化工大学的李正军团队通过代谢工程改造嗜盐菌株Halomonasbluephagenesis，构建了基于CO?-乙醇-PHB的合成路径，成功实现了高效、低碳、非无菌条件下的PHB绿色制造，产量高达64.89g/L，为PHB的可持续生产提供了新的技术方案；江南大学的研究人员在PHB的合成机制、材料改性等方面取得了重要成果，通过对微生物合成PHB的代谢调控机制进行深入研究，为提高PHB的合成效率提供了理论依据，并通过共聚、共混等技术手段对PHB进行改性，改善了其机械性能和加工性能，拓宽了其应用范围。

尽管国内外在PHB领域取得了上述成果，但针对PHB降解为单体的可控发酵条件研究仍相对薄弱，尚处于起步阶段。目前对于降解菌株的筛选和鉴定方法还不够完善，缺乏系统的筛选标准和高效的鉴定技术，导致难以快速准确地获得具有高降解活性的菌株；在发酵条件优化方面，虽然已经对碳源、氮源、温度、pH等因素进行了一些研究，但这些研究往往较为分散，缺乏全面系统的优化策略，难以实现发酵条件的精准调控；对于PHB降解为单体的降解机理研究也不够深入，对降