外源磁场强化嗜盐古菌Haloferax mediterranei代谢有机废水生产PHA及其生物磁效应机制

Polyhydroxyalkanoates (PHA) is the biodegradation polymers materials, which is considered as potential substitutes for petrochemical-derived plastics. 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. H. mediterranei is the best PHA producer because of its advantages of the easy PHA recovery, utilizing various wasted and recycled carbon, and special copolymers synthesis. The main obstacle to limit its large-scale application is the low PHA productivity while using the wastewater as the fermentation substrate. Therefore, it is necessary to take actions to enhance the activity and the storage of external carbon into PHA. For this purpose, this research will explore the enhancing approaches to increase PHA productivity by external magnetic field. The magnetic biological effects including of DNA coding and enzyme function will be explored to insight in the mechanism of external magnetic induction. This study is of significance to reduce PHA production cost by utilizing the halophilic achaea.

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类可生物降解的多聚物，被认为是替代塑料的未来材料。为了降低PHA的生产成本，开发新型高产的生物资源并利用有机废水生产PHA是以可持续性方式解决这一问题的有效方法。嗜盐古菌Haloferax mediterranei是一类新型PHA积累微生物，其在代谢途径多样性、特殊PHA共聚物生产和产物回收等方面具有显著的优势。但是，其利用废水合成PHA产率低成为工业应用的瓶颈。本研究探索外源磁场强化H.mediterranei 合成PHA的生物机制与技术方法，以磁强化技术解决PHA产率低的问题。项目结合代谢工程研究磁诱导PHA合成及其磁效应等基础理论问题，建立以磁强化提高H.mediterranei合成PHA产率和增加PHA中长链单体组分含量的技术体系。研究在降低PHA成本及开发利用嗜盐古菌等方面具有重要意义。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）被认为是替代石油基塑料、解决白色垃圾污染的未来材料。为了降低PHA生产成本促进大规模应用，一种可持续的解决方案是利用有机废水生产PHA。本项目研究嗜盐古菌Haloferax mediterranei利用废水合成PHA，探索外源磁场强化合成PHA的生物学机制与技术方法，以磁强化解决废水合成PHA中普遍存在的产率低难题。项目结合代谢工程研究了磁诱导PHA合成及其磁效应等基础理论问题，建立了提高PHA产率的磁强化技术体系。研究发现在110mT磁场下H.mediterranei合成PHA具有磁窗口效应。磁场作用增强细胞膜的通透性，促进了有机底物的吸收和钾离子的胞内迁移；改变了主要碳代谢途径的碳通量，激发更多的碳流向PHA合成；活化了超氧化物歧化酶的金属辅因子从而显著促进其活性，缓解了H.mediterranei在极端环境下细胞的氧化损伤。转录组、蛋白组和代谢组学研究发现丙酮酸代谢路径的pdhA2转录上调，PHA合成路径中的Paaj和AccA转录上调，TCA循环中的gltA转录下调，从而导致丙酮酸脱氢酶、3-酮酰基辅酶A硫解酶以及ABC转运蛋白酶的表达差异，最终提升了与核酸代谢、氨基酸合成和ABC转运途径相关的代谢水平。磁场作用形式影响磁效应，脉冲磁场会对细胞膜造成损伤从而抑制细胞对底物的摄入利用，而恒定磁场对H.mediterranei生产PHA具有稳定的强化作用。磁场强度在关键工艺条件（盐度、pH、温度、C/N）会产生不用的磁效用。基于研究，建立了有机废水磁调控强化PHA生产的策略，并应用于糖蜜废水和甘油废水，提升PHA产率达到7.95%。本研究揭示了H.mediterranei合成PHA对外源磁场的应答机制，并建立了磁诱导H.mediterranei提高PHA产量的技术体系，为PHA工业规模化生产提供了重要的技术方案。