《Bioresource Technology Reports》：Sustainable production and characterization of polyhydroxybutyrate (PHB) from the newly isolated bacterial strain
Bacillus thuringiensis RG120 using modified cow-dung medium
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利用印度垃圾填埋场分离的产PHB菌株Bacillus thuringiensis RG120，通过优化培养基pH 7.0、30℃、72小时发酵及酵母提取物-蛋白胨氮源组合，结合改良牛粪基培养基实现34.8%细胞干重产率。PHB材料经FTIR、NMR、EDS、DSC、TGA等分析验证其结构、热稳定性和降解性能，土壤埋藏50天内近完全降解，为可持续生物塑料生产提供新方案。
Deshraj Deepak Kapoor | Ravi Kr. Gupta
环境微生物学系，Babasaheb Bhimrao Ambedkar大学，Vidya Vihar，勒克瑙，226025，印度
摘要
聚羟基丁酸酯（PHB）是一种可生物降解且具有生物相容性的生物聚合物，有潜力替代石油基塑料。在这项研究中，从印度的城市垃圾倾倒场分离出了能够产生PHB的细菌。RG120菌株表现出最高的PHB积累量，并通过形态学、生化和16S rRNA分析被鉴定为Bacillus thuringiensis。PHB颗粒通过Nile Blue A、Nile Red和Sudan Black B染色法得到确认。在最小盐培养基中优化条件下，使用酵母提取物-蛋白胨（1:1）作为氮源时，pH 7.0、30°C和72小时的培养时间可实现最大PHB产量。为了提高经济可行性，开发了一种改良的牛粪基培养基，在1:5稀释比例下可产生相当于细胞干重34.8%的PHB。提取的PHB薄膜经过了FTIR、NMR、元素EDS、DSC和TGA分析，以评估其结构、热性能、元素组成和机械性能。土壤埋藏实验表明，PHB在50天内几乎完全降解，这表明利用农业和动物废弃物生产生物塑料是一种可持续且具有成本效益的方法，有助于支持循环生物经济和环境保护工作。
引言
对传统塑料的日益依赖引发了严重的环境问题，包括土地、水和空气污染（Choudhury等人，2022年）。近年来，传统塑料材料的使用量急剧增加，导致不可生物降解的塑料废物每年累积量达到数百万吨。2019年全球产生的塑料垃圾为3.53亿吨，是2000年的两倍多，其中只有9%被回收，50%被填埋，22%被随意丢弃（Ferronato等人，2024年）。大多数塑料废物的最终命运是堆积或长途运输，在此过程中塑料常被焚烧或填埋，向环境中释放大量污染物。传统塑料源自化石燃料和石油产品，加剧了环境污染，对生态系统造成破坏并危害野生动物。塑料废物的积累导致栖息地破坏、海洋生物多样性丧失以及食物链的化学污染（Kapoor等人，2023年）。海洋塑料污染已成为一个紧迫问题，甚至影响到最偏远的海洋地区。目前估计有超过1.5亿吨塑料废物在海洋中漂浮，某些塑料聚合物能够在环境中持续存在数百年甚至数千年（Kowsari等人，2023年）。令人担忧的是，微塑料已在北极被发现，这凸显了塑料污染通过海洋洋流和大气传输造成的广泛影响（Muir等人，2025年）。此外，这些废物中有46%是废弃的渔具，如渔网和设备，进一步危害了海洋环境（Deng等人，2025年）。
环境威胁的加剧凸显了开发生物聚合物作为石化塑料可持续替代品的紧迫性。塑料废物的积累还带来了社会和经济影响，影响公共健康，并给废物管理系统带来压力，尤其是对脆弱社区而言。塑料对自然降解的抵抗性加剧了这些挑战，导致长期的环境危害。此外，塑料在受热或物理磨损时会释放有毒致癌物质，对人类和动物健康构成风险（Liu和Zheng，2025年）。鉴于这些紧迫问题，迫切需要寻找环保的解决方案来替代传统塑料。生产生物塑料和环保材料对于减少对不可生物降解塑料的依赖至关重要。聚合物科学的最新进展使得减少对石油基塑料的依赖成为可能，后者对生态系统和健康产生负面影响。来自可再生天然产品的生物聚合物是可生物降解且无毒的，为日益严重的塑料污染危机提供了可行的解决方案（Lalonde等人，2025年）。与传统塑料相比，生物聚合物在生态系统中的降解时间较短，因此是更环保的选择（Amir等人，2025年）。由多种微生物、植物和动物在严格生长条件下产生的生物聚合物中，聚羟基烷酸酯（PHAs）是一类典型的例子（Bauer等人，2025年）。这些聚合物可以被多种微生物降解，并在营养限制条件下由细菌合成为能量储存化合物（Yousefi和Wnek，2025年）。由于它们能够分解并适应包装、农业和生物医学应用等用途，PHA成为解决全球塑料污染问题的潜在方案（Thamarai等人，2024年）。在PHA中，聚羟基丁酸酯（PHB）因其热塑性、生物相容性和类似于合成塑料的机械性能而受到广泛关注。然而，PHB的大规模商业化面临挑战，主要是由于细菌发酵所需的高成本碳源（Chouhan和Tiwari，2025年）。
尽管多项研究报道了使用不同微生物菌株和农业工业废弃物生产PHB的方法，但许多方法依赖于精制或预处理的底物、酶水解或化学定义的培养基，这大大增加了工艺成本和复杂性。此外，许多研究集中在已知的PHB生产菌株上，限制了微生物的新颖性和对异质废物的适应性。这些限制阻碍了大规模应用，并削弱了生物塑料生产的可持续性主张。为解决塑料废物问题，本研究探讨了使用牛粪作为经济且可持续的底物来生物合成聚羟基丁酸酯（PHB）。虽然已经探索了基于农业废弃物的底物以降低生产成本，但其实际应用往往受到营养成分不均匀、需要预处理或微生物兼容性差的限制。牛粪是一种丰富的动物废弃物，历史上一直用于沼气生产和天然肥料（Yuana等人，2025年）。尽管其作为生物资源的潜力已被认可，但在PHB生物合成中的应用仍较少，现有报告很少结合聚合物表征和降解行为，因此在材料层面存在关键空白。仍需要一种结合微生物新颖性、最小化底物处理、经济可行性和全面聚合物表征的PHB生产模型，以推进可持续和可扩展的生物塑料发展。通过将牛粪加入细菌培养基中，本研究旨在降低PHB的生产成本，同时促进可持续的废物转化和资源利用。该研究系统地筛选和表征了从印度城市垃圾倾倒场分离出的PHB积累菌株。虽然鉴定出几种能够生产PHB的强效菌株，但B. thuringiensis RG120菌株被认为是最有效的PHB生产菌株。为了提高PHB生产的经济可行性，开发了一种改良的牛粪基培养基，显著提高了PHB产量。我们研究了各种培养条件以最大化PHB产量，包括碳源和氮源、pH值、温度及培养时间的系统测试，以确定PHB积累的最佳条件（Lathwal等人，2015年；Trakunjae等人，2021年）。这些优化为实验室条件下最有效的B. thuringiensis RG120菌株的生理需求奠定了基础。通过优化培养条件，使用牛粪作为主要碳源实现了PHB的有效生物合成。目的是确定廉价且营养丰富的牛粪是否可以作为B. thuringiensis RG120菌株生长的有效替代培养基，并诱导生物聚合物的生物合成。实验使用了不同稀释比例的牛粪培养基（如1:5、1:10和1:20），并与标准MSM培养基进行了对比。提取的PHB进行了全面的物理化学表征，包括对其机械和热性能的分析，以评估其工业适用性。降解实验表明，在自然土壤条件下，PHB薄膜在50天内几乎完全降解，进一步证明了其作为石油基塑料环保替代品的潜力。本研究通过报道B. thuringiensis RG120菌株首次从牛粪中合成PHB的实例，强调了其代谢多样性。我们还开发了一种改良的牛粪培养基，显著提高了PHB产量，稳定了发酵条件，并增强了缓冲能力。此外，本研究提供了该菌株从牛粪中生产的PHB的全面材料级表征，包括元素、热和结构分析，验证了聚合物的纯度和功能性。总体而言，这些发现建立了一种清晰、有条理且经济可行的PHB生产策略，将牛粪定位为有价值的可再生原料，并强调了PHB在减少塑料污染、减轻环境危害和推动循环生物经济方面的作用。
样品收集和细菌菌株的分离
从印度勒克瑙的不同城市垃圾处理地点采集了土壤样本，具体坐标为26.789358、80.939518、26.897343、80.871567、26.879064和80.979107。样本从地表下10-12厘米处采集，以确保微生物种群的代表性。每个土壤样本使用无菌铲子收集约50克，并转移到无菌塑料袋中进一步处理。使用无菌盐水溶液进行系列处理...
产生PHB的细菌菌株的筛选和鉴定
结果显示，在众多被评估的菌株中，有18株表现出强大的PHB合成能力。所有对Sudan Black B和Nile Blue A检测呈阳性的菌株都经过了定量分析的进一步筛选，利用Nile Red染色并在荧光共聚焦显微镜下观察。这一过程鉴定出一种特别有前景的菌株...
讨论
本研究详细介绍了能够积累聚羟基丁酸酯（PHB）的微生物的系统鉴定过程，这是一种在环境解决方案中具有广泛应用前景的可生物降解生物聚合物。研究重点是从印度勒克瑙的城市垃圾倾倒场分离和纯化了一种新型细菌菌株。通过多种染色技术验证了这些菌株的PHB生产能力...
结论
本研究系统地筛选了来自垃圾倾倒场的PHB积累微生物，最终鉴定出Bacillus thuringiensis RG120菌株。该菌株在改良的牛粪基培养基中表现出增强的PHB生产能力，显示出其在经济高效和可持续生物聚合物生产方面的潜力。未来的工作将研究代谢流、纤维素酶活性和营养利用，以更好地理解PHB的积累机制...
CRediT作者贡献声明
Deshraj Deepak Kapoor：撰写——原始草稿、可视化、验证、正式分析、数据管理。Ravi Kr. Gupta：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、正式分析、概念构思。
资助
本研究得到了北方邦科学技术委员会（UP-CST）提供的外部资助，资助编号：3633, CST/D-790。这笔资金对于促进本研究中的各项活动至关重要。
利益冲突声明
作者声明提交本手稿不存在利益冲突。此外，所有作者均已批准该手稿的发表，确保研究符合伦理标准。
致谢
所有作者感谢Babasaheb Bhimrao Ambedkar大学（BBAU）环境微生物学系和大学先进的仪器设施在研究过程中的宝贵支持和仪器支持。
