Haloferax mediterranei代谢有机废水合成PHA和EPS的竞争机制及其强化PHA的定向调控

Polyhydroxyalkanoates (PHA) was considered as potential substitutes for petrochemical-derived plastics, which could be applied into biomedical and energy materials. However, the main obstacle to wide application of PHAs is its high production cost. As the possible method, seeking the novel PHA producer with high productivity and utilizing the wastes as carbon for PHA production can reduce the production cost in a sustainable way. Haloferax mediterranei is the best PHA producer because of its advantages of the easy PHA recovery, utilizing various wasted or recycled carbon, and special copolymers synthesis. In addition to PHA synthesis, Haloferax mediterranei can produce another biopolymer, extracellular polymeric substance (EPS), as the storage of external carbon. Therefore, it is necessary to control the storage of external carbon into PHA instead of EPS to enhance PHA production. For this purpose, this research will explore competition mechanism of EPS and PHA storage during utilizing organic matter in wastewater, which was then applied for enhancing PHA production. This study is of significance to reduce PHA production cost by utilizing the halophilic achaea.

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种可以取代塑料的可生物降解材料，在医疗和能源领域具有不可替代的价值。为了降低PHA的生产成本，开发新型高产的生物资源并利用废水生产PHA是可持续地解决这一问题的有效手段。H.mediterranei是一类新型PHA积累微生物，其在廉价底物选择、特殊共聚物生产和产物回收等方面具有显著优势。但是H. mediterrane代谢有机物同时合成PHA和胞外多聚物（EPS）。为此，提高PHA产率必须解决内外源储存的竞争性和可控性问题。本研究探索工艺条件对PHA和EPS竞争性储存的影响机制，建立强化PHA产量的定向调控技术。项目结合代谢工程和基因表达研究工艺条件对PHA和EPS合成的影响规律，竞争模型及其PHA和EPS合成途径中关键基因的差异响应等基础理论问题，建立H. mediterrane生产PHA的技术体系。研究在降低PHA成本及开发嗜盐古菌资源等方面具有重要意义。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是替代石油塑料解决白色污染的重要生物材料。为了降低PHA的生产成本，本项目开发新型高产的生物资源嗜盐古菌Haloferax mediterranei并利用有机废水生产PHA。但是，H. mediterranei在合成PHA同时也合成胞外多聚物（EPS），降低了PHA的产率。为此，本项目拟通过解决内外源储存的竞争性和可控性问题提高H. mediterranei的PHA产率。项目通过大量基础实验探索了H.mediterranei在代谢葡萄糖过程中工艺条件对PHA和EPS竞争性储存的影响，通过数学模型以及转录组和蛋白组解析了内源和外源聚合物合成的影响机理，初步建立了H. mediterranei代谢强化的调控体系。项目研究确定了pH、曝气量、C/N、盐度、渗透压调节剂和底物中丙酸含量等作为重要的控制参数可以差异影响PHA和EPS的合成。在碱性条件下，H. mediterranei具有最大PHA比合成速率而EPS的合成受到限制。过量曝气刺激PHA积累却可以显著抑制EPS的产量。氮素浓度是控制PHA和EPS的合成重要参数。PHA容积产率和生物量都随着氮素浓度的增加而增加，而缺乏氮素会加速EPS的积累。高于最优生长盐度PHA合成被促进而EPS合成受到抑制。添加渗透压调节剂甜菜碱能够有效促进微生物的增殖，控制底物中甜菜碱浓度为20mmol/L时，微生物的细胞干重可达9.92g/L。添加钾离子浓度能够对PHA和EPS具有同向的生物强化作用。底物中丙酸的添加可以提高产物的HV含量。当丙酸/葡萄糖=1:7时，收获的PHAs中的PHV单体含量为38.16%，PHAs细胞含量61.36%，容积产率可达5.37g/L。转录组高通量测序表明trkA、phaC和DPM1三个基因是氮素影响下的PHA与EPS合成的关键响应基因。蛋白组学分析发现β酮乙基还原酶、3-羟烷基辅酶A脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、乌氨酸脱氨酶等的差异表达引起PHA与EPS的差异合成。应用确定的调控体系发酵糖蜜废水定向生产PHA，实现对EPS的抑制，获得46% gPHAs/gCDW含量的PHA合成，PHV组分达33.16%。项目探究了关键发酵条件对H. mediterranei内外源聚合物合成的影响，识别代谢差异响应的关键基因和代谢途径，以可持续性方式解决PHA和EPS竞争合成。