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单阶段混合微生物培养系统耦合动态排泥策略实现发酵食品废水稳定回收PHA，OLR提升至6.0 g COD/L/d时PHA含量达0.64 g/g VSS，通过选择性压力富集Gemmobacter和Microbacterium。长期运行中EPS分泌引发非丝状污泥膨胀，但PHA含量保持稳定。系统成功实现从短链VFA向中链丙酸代谢的重组，Millisia和Rhodobacter丰度增加，验证单阶段策略的可持续性。
张翔|张吉|王高军|王可欣|马彦芳|李倩|李宇友|陈荣
环境工程重点实验室（陕西省），西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安市雁塔路13号，710055
摘要
本研究开发了一种基于好氧动态排放策略的一阶段混合微生物培养（MMC）系统，该系统结合了聚羟基烷酸酯（PHA）积累微生物的增殖和PHA的生产，用于从发酵食品废水中回收PHA。在有机负荷率（OLR）为4.5 g COD/L/d的情况下，系统实现了快速启动。当OLR增加到6.0 g COD/L/d时，PHA含量达到了0.64 g PHA/g VSS，其中20.4%的有机物质被用于PHA合成。密度选择性和底物限制压力共同作用，不断淘汰了非PHA积累微生物，并富集了PHA积累微生物，如Gemmobacter（24.3%）和Microbacterium（16.9%）。长期在此OLR下运行并未降低污泥中的PHA含量。然而，这种运行方式刺激了PHA积累微生物分泌胞外聚合物，导致污泥膨胀和流失。当底物组成从短链挥发性脂肪酸转变为中链己酸时，系统首先出现了代谢滞后阶段。滞后期过后，编码长链酰基辅酶A合成酶和烯酰辅酶A水合酶的功能基因得到富集，使PHA合成途径从PHBV转变为PHH生产。这种代谢转变伴随着Millisia和Rhodobacter的富集。在稳定阶段回收的PHA聚合物表现出良好的理化性质，突显了其作为生物塑料材料的潜力。这些结果为一阶段MMC系统在不同运行条件下的PHA持续生产提供了新的见解。
引言
塑料污染对地球健康构成了紧迫威胁。聚羟基烷酸酯（PHA）是一种由微生物合成的聚合物（Valentino等人，2017年），由于其可生物降解性和生物相容性（Zhou等人，2023c年），成为石油基塑料的有希望的替代品。在某些环境压力下，许多微生物会将其代谢转向PHA积累而非正常增殖。尽管纯培养系统可以实现高PHA产量，但它们对无菌环境和特定碳源的需求限制了实际应用（Ahuja等人，2024年）。相比之下，混合微生物培养（MMC）因能够将生物废物转化为细胞内PHA而受到越来越多的关注。特别是来自生物废物厌氧发酵的富含挥发性脂肪酸（VFA）的流料是很有前景的原料（Zhang等人，2022年）。研究表明，在长期连续运行系统中，MMC可以使用生物废物来源的VFA流料积累0.40–0.70 g PHA/g VSS（Chandrika等人，2020年）。Bengtsson等人（2017年）报道了一个中试规模的MMC系统，其PHA含量稳定在0.49 g PHA/g VSS。最近，Yu等人（2024年）提出了一种快速增殖策略，以维持高PHA含量的长期稳定性。目前，MMC系统通常采用两阶段运行策略，包括一个生物质富集阶段和一个PHA积累阶段。然而，这种策略存在局限性，如操作复杂性和高能耗（Estévez-Alonso等人，2021年）。此外，部分有机物和氧气不可避免地会流向微生物富集阶段而非PHA积累阶段（Moretto等人，2020a，2020b）。原则上，PHA积累生物质的选择性富集和PHA积累都是由“丰饶-饥荒”选择压力驱动的。这表明这两个阶段不一定需要物理分离（Valentino等人，2017年）。因此，引入并测试了一种“一阶段”运行策略，即在单个反应器中整合生物质富集和PHA积累。例如，Hao等人（2017年）在一阶段序贯生物反应器（SBR）的丰饶期结束时实现了最大PHA含量0.42 g PHA/g VSS。Lorini等人（2020年）提出了一种碳-氮解耦的喂养策略，有效提高了PHA产量。与两阶段策略相比，一阶段运行在丰饶期结束时收集富含PHA的污泥，实现了更高的体积PHA生产率，并提供了更大的操作灵活性（Cruz等人，2022年）。然而，这些研究都是在使用合成废水的短期或批次条件下进行的。很少有研究探讨了一阶段系统在长期运行下的持续PHA产量，尤其是使用真实富含VFA的废料作为原料的情况。
关于PHA积累生物质的富集，好氧动态排放（ADD）过程是从好氧动态喂养（ADF）策略发展而来的，通过在丰饶期结束时加入一个短暂的沉淀和排放步骤（Chen等人，2015年）。这种方法结合了物理选择和“丰饶-饥荒”代谢选择，加速了PHA积累生物质的富集（Chen等人，2016年）。先前的研究表明，使用ADD可以在2天内高效富集PHA储存生物质（Inoue等人，2021年）。然而，传统的ADD依赖于双重填充-排放模式，并且通常需要在饥荒阶段开始时补充营养物质。这种对外部无机输入的依赖限制了ADD的实际应用。相比之下，真实的富含VFA的废水中不仅含有可用的铵和磷酸盐，还含有额外的有机和颗粒氮及磷成分。这些成分会缓慢释放，并可以在饥荒阶段用于支持微生物生长。这种内在的营养供应使ADD过程无需外部补充即可运行。尽管先前的研究报道了一阶段MMC系统或好氧动态排放策略用于PHA生产，但大多数研究都是在短期运行下进行的，或者依赖于合成底物。使用真实富含VFA的废料流料时，一阶段MMC运行的长期稳定性和持续PHA回收性能仍不清楚。
为了填补这些研究空白，本研究建立了一种一阶段ADD（OS-ADD）策略，用于从发酵食品废水中持续回收PHA。系统评估了在OS-ADD策略下的长期运行可行性。具体来说，该研究旨在评估一阶段MMC系统在长时间运行中的持续PHA回收情况。研究了有机负荷率（OLR）和喂养组成变化对系统整体性能的影响，涵盖了130天的运行周期。通过综合分析PHA生产、污泥特性、微生物代谢物和群落演替，进一步探讨了微生物对不同运行条件的响应。此外，还对回收PHA的理化性质进行了表征，以评估其作为发酵食品废水生物塑料材料的潜力。
章节摘录
种子污泥和底物制备
种子污泥取自中国西安某市政污水处理厂的二次沉淀池。其基本性质见表S1。收集污泥后，使用50目筛去除大颗粒，然后将污泥稀释至约7 g/L MLSS。之后，污泥进行过夜预曝气，以消耗剩余有机物并建立初始代谢平衡（Morgan-Sagastume等人，2019年）。
厌氧膜
用于PHA生产的一阶段MMC系统的启动
在MMC系统启动期间，从第1天到第13天，COD去除效率始终保持在95.5%以上（图1a）。这表明由于预曝气处理，污泥的代谢适应迅速。尽管富含VFA的进水呈酸性（pH 5.2–5.8），但由于其缓冲能力，污泥的pH值保持在7.6至8.5之间，确保了VFA消耗效率超过97.0%（图S2）（Chothong等人，2025年）。然而，污泥的VSS含量从3.2 g/L下降到1.8 g/L
结论
本研究建立并验证了一种用于从富含VFA的流料中持续生产PHA的一阶段MMC系统。OS-ADD策略对PHA积累微生物施加了双重选择压力，实现了系统的快速启动和长期运行中的稳定PHA回收。虽然高OLR并未降低污泥中的细胞内PHA含量，但它刺激了PHA积累微生物分泌富含多糖的EPS，导致污泥膨胀。随着底物的变化
CRediT作者贡献声明
张翔：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，软件应用，实验研究。张吉：写作——初稿，方法学设计。王高军：写作——审稿与编辑，监督，概念构思。王可欣：方法学设计。马彦芳：实验研究。李倩：数据验证与整理。李宇友：概念构思。陈荣：资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金（编号：52325002）的支持。
