利用Caldibacillus thermoamylovorans PHA005菌种，通过集成热ophilic单菌株转化技术，将椰子粕废弃物中的纤维素高效转化为PHB（聚羟基丁酸酯）

《Bioresource Technology Reports》：Integrated thermophilic single-strain conversion of cellulose from coconut meal waste to PHB by Caldibacillus thermoamylovorans PHA005

本研究评估高温菌Caldibacillus thermoamylovoransPHA005作为单一菌株平台，将椰子 meal 纤维素直接转化为聚羟基丁酸酯（PHB），无需外部酶。通过响应面法优化 pH 7.4、45℃及160rpm条件，PHB 浓度提升至0.16 g/L，含量达细胞干重26.4%，并经 FTIR 和 DSC 验证其化学结构与热性能。实验室规模测试显示生产成本降低25%，成功整合糖化与 PHB 合成，简化流程并减少冷却需求，为椰子残渣规模化生物塑料生产提供新策略。

　　

Aophat Choonut | Narisa Binhayeeding | Nisa Paichid | Benjamas Cheirsilp | Atipan Saimmai | Kanokphorn Sangkharak

泰国孔敬大学技术学院，孔敬市，40002

摘要

本研究通过概念验证实验，评估了嗜热细菌Caldibacillus thermoamylovorans PHA005作为单一菌株平台，能够在不使用外加水解酶的情况下，将椰奶生产过程中的主要副产品——椰糠纤维素连续转化为聚羟基丁酸酯（PHB）。该菌株表现出显著的内切葡聚糖酶活性，在45°C条件下，96小时内CMCase活性达到峰值36 U/mL，并释放出最多0.814 g/L的还原糖。采用响应面法（RSM）进行统计优化，以原位生成的水解产物作为唯一碳源，48小时后PHB浓度从0.12 g/L提高至0.16 g/L，同时PHB含量占细胞干重的比例从17%增加到26.4%。动力学分析显示，在优化条件下（pH 7.4、45°C、160 rpm），特定生长率（μ）从0.0289提高至0.051 h^?1，特定PHB产率（q?）从0.00385提高至0.00575 h^?1。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）分析证实了所提取聚合物的化学性质和热性能，与商业PHB一致。初步的实验室规模评估表明，单位生产成本可降低约25%。通过将生物质糖化与PHB生物合成整合到同一嗜热菌株中，该方法简化了工艺流程，无需外加酶制剂。PHA005的耐热性还有助于降低冷却需求和污染风险，为基于椰壳残渣的生物塑料生产策略提供了支持。

引言

塑料因其轻质和优异的机械性能而被广泛使用，预计到2025年全球产量将达到7.6亿吨（Gross和Enck，2021年）。传统的焚烧或填埋处理方式会对生态环境造成长期损害，因此人们对可生物降解的替代品越来越感兴趣。

聚羟基丁酸酯（PHB）属于聚羟基烷酸酯（PHA）家族，是一种可通过微生物合成的储存聚合物，可轻易降解为水和二氧化碳，为石化塑料提供了可持续的替代品（De Donno Novelli等，2021年）。然而，PHB的高生产成本仍是其工业化应用的主要障碍。这一成本主要由使用精制碳源、复杂原料的化学或酶预处理、高能耗的灭菌和温度控制以及下游回收过程所驱动（Pérez等，2020年）。因此，利用富含多糖的廉价农业和农业工业废弃物已成为提高PHA生产经济可行性的关键策略。

Caldibacillus属微生物常见于嗜热和中温堆肥环境中，在纤维素和木质素降解过程中起着重要作用。Caldibacillus thermoamylovorans是一种嗜热、能形成孢子的细菌，能够在有氧和厌氧条件下降解多种有机底物（Flint等，2017年；Wushke等，2015年），某些菌株也被报道能够产生PHA（参考文献已保密）。然而，大多数已报道的纤维素降解或嗜热PHA生产系统仍依赖于木质纤维素底物的化学或酶水解，随后再进行发酵步骤（Hassan等，2025年；Rehakova等，2023年）。在这些系统中，通常需要使用商业纤维素酶混合物来生成可发酵糖，显著增加了工艺成本和复杂性。因此，真正将生物质解聚和PHA生物合成整合到同一嗜热菌株中的系统仍然很少。

在这项概念验证研究中，新分离出的C. thermoamylovorans PHA005菌株（参考文献已保密）被评估为一种统一的嗜热生物催化剂，能够通过单一菌株、连续工艺直接将椰糠纤维素转化为PHB。尽管该菌株此前已被鉴定，但其能否在同一嗜热过程中同时实现木质纤维素底物的原位酶糖化和细胞内PHA积累尚未得到证实。因此，本研究的创新之处在于将C. thermoamylovorans PHA005确立为一个无需添加商业酶或多阶段处理的集成嗜热平台。

尽管集成嗜热系统在降低工艺复杂性和成本方面具有优势，但生产效率仍受温度、pH值和通气等环境参数的显著影响（Bolla等，2025年）。统计优化工具，特别是响应面法（RSM），已被广泛用于通过确定最佳培养条件来提高PHA产量并减少实验次数（Khamkong等，2022年；Kumar Sachan等，2024年）。然而，此类系统优化尚未应用于整合生物质解聚和PHA生物合成的嗜热单菌株系统。因此，将RSM引入本研究为在嗜热条件下最大化PHA积累提供了合理的方法。此外，还对所产生聚合物的物理化学性质进行了表征，以确认其身份和热行为，包括使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）进行分析。

本研究系统评估了纤维素酶的产生、椰糠的原位糖化以释放可发酵糖，以及随后的细胞内PHA积累。值得注意的是，PHA005具有双重功能：它能够依次水解木质纤维素底物，并利用同一菌株将释放的糖转化为PHB。通过使用椰糠——这种在亚洲和泰国地区广泛存在的椰奶加工副产物和主要农业工业废弃物，本研究展示了将椰壳残渣可持续转化为高附加值生物聚合物的潜力。这项工作为可持续的嗜热生物加工提供了初步框架，支持负责任的生产和消费（可持续发展目标12）、气候缓解（可持续发展目标13）以及可持续的陆地生态系统（可持续发展目标15）。

部分内容摘要

细菌菌株

本研究中使用的C. thermoamylovorans PHA005菌株来自之前的研究，该研究从棕榈油厂废水中分离出了耐热PHA生产菌（参考文献已保密）。根据原始报告，PHA005在45°C条件下生长最佳，并且在60°C条件下仍能存活，因此被归类为耐热菌。在本研究中，重新评估了该菌株在较高温度（45°C）下的生物加工能力。

水解能力和纤维素酶产生

在CMC上评估了C. thermoamylovorans PHA005的纤维素降解能力，其水解能力（HC）为5.71 ± 0.23 U/mL。总纤维素酶活性（FPase）最初达到0.565 ± 0.020 U/mL，随后在96小时内逐渐下降至0.314 ± 0.006 U/mL。而指示内切型纤维素酶活性的CMCase活性在0小时时为0.771 ± 0.009 U/mL，36小时时达到峰值1.530 ± 0.066 U/mL，96小时后下降至0.753 ± 0.028 U/mL。

结论

本研究表明，C. thermoamylovorans PHA005能够在单一嗜热系统中直接水解椰糠纤维素并将其释放的糖转化为PHB，展现出双重功能。内源性纤维素酶的产生促进了有效的生物质糖化，而生成的糖分支持了细菌生长和细胞内PHA的积累，证实了将酶水解和生物聚合物生物合成整合在一起的可行性。

CRediT作者贡献声明

Aophat Choonut：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学、实验研究、数据分析。 Narisa Binhayeeding：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法学、实验研究、数据分析。 Nisa Paichid：方法学、实验研究、数据分析。 Benjamas Cheirsilp：监督、项目管理、资金筹集。 Atipan Saimmai：方法学、实验研究、数据分析。 Kanokphorn Sangkharak：撰写 – 审稿与编辑、撰写 –