DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2026.134673
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42019691
تاريخ النشر: 2026-04-20
المؤلف: Serena Falcioni وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق البوليمرات القابلة للتحلل وخصائصها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات الظروف الميكروأيروفيلية على إنتاج البوليمرات متعددة الهيدروكسي ألكانوات (PHA) في مفاعل دفعي متسلسل على نطاق المختبر (SBR) على مدى 100 يوم، باستخدام مياه صرف صناعية. تحت الظروف الميكروأيروفيلية (0-1 ملغ O₂ L⁻¹)، حقق المفاعل محتوى PHA أقصى قدره 82 ± 11%، مما يمثل زيادة بنسبة 49% في التراكم مقارنةً بالظروف الهوائية بالكامل (3-4 ملغ O₂ L⁻¹). تشير النتائج إلى أن التشغيل في ظل نقص الأكسجين لا يعزز فقط إنتاجية PHA إلى 0.88 غرام COD PHA/غرام COD VFA ولكن أيضًا يحسن كفاءة تخزين البوليمر بحوالي 50%. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل الطلب على الطاقة للتهوية بنسبة 32%، مما يبرز الإمكانية لعمليات إنتاج أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
كما أثرت البيئة الميكروأيروفيلية على تركيبة البوليمرات المنتجة، مما أثر بشكل خاص على نسبة الهيدروكسي فاليرات (HV) إلى الهيدروكسي بيوتيرات (HB)، مما قد يسمح بخصائص بوليمر مصممة خصيصًا. علاوة على ذلك، تم تعديل هيكل المجتمع الميكروبي، مما يعزز الأنواع التي تخزن PHA مع الحفاظ على القدرة على الاستقرار. هذه الطريقة، التي تعتمد فقط على التحكم التشغيلي في مستويات الأكسجين دون الحاجة إلى تعديلات على الأجهزة، تمثل استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز إنتاج PHA في الثقافات الميكروبية المختلطة (MMCs). ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى توضيح الآليات وراء التحسينات الملحوظة في تراكم PHA وخصائص البوليمر، مما يساهم في فهم أعمق للديناميات الفسيولوجية والبيئية المعنية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية المخاوف المتزايدة المحيطة بالمواد البلاستيكية التقليدية، وخاصة تأثيرها البيئي بسبب الإضافات الضارة، والاعتماد على الموارد غير المتجددة، ومعدلات التحلل البطيئة. استجابةً لذلك، يتم تقديم البلاستيك الحيوي، وبشكل خاص البوليمرات متعددة الهيدروكسي ألكانوات (PHA)، كبديل مستدام. من بين PHAs، يتم تسليط الضوء على بولي (3-هيدروكسي بيوتيرات) (PHB) بسبب قابليته للتحلل البيولوجي، على الرغم من أنه يعاني من قيود في الخصائص الميكانيكية والمعالجة. لتعزيز هذه الخصائص، يتم تصنيع البوليمرات المشتركة مثل بولي (3-هيدروكسي بيوتيرات-كو-3-هيدروكسي فاليرات) (PHBV). عادةً ما يتضمن إنتاج PHA ثقافات نقية، والتي تواجه تحديات تتعلق بالتكاليف العالية والتحكم في التلوث. وقد انتقلت الأبحاث الأخيرة نحو استخدام الثقافات الميكروبية المختلطة (MMCs)، التي يمكن أن تستفيد من الركائز النفايات وتقدم مزايا في التنوع والفعالية الأيضية.
تقدم الورقة استراتيجية تغذية غير مرتبطة مبتكرة (UnF) لتغذية الكائنات الحية الدقيقة التي تخزن PHA، والتي تفصل بين إضافة الكربون والمواد المغذية لتحسين إنتاجية PHA. يُفترض أن هذه الطريقة ستُحسن استقرار العملية وكفاءة الطاقة من خلال موازنة الطلب على الأكسجين طوال دورة الإنتاج. على الرغم من الفوائد المحتملة لـ UnF، هناك فهم محدود لكيفية تأثير مستويات الأكسجين المذاب (DO) على إنتاج PHA في ظل ظروف DO المنخفضة، وخاصة خلال مرحلة نمو الثقافات الميكروبية. تهدف الدراسة إلى استكشاف تأثيرات الظروف الميكروأيروفيلية خلال هذه المرحلة من النمو، مع فرضية أن مثل هذه الظروف ستعزز من إثراء البكتيريا المخزنة لـ PHA مع تقليل تكاليف الطاقة. تتحدى هذه الطريقة الجديدة نماذج الإثراء الهوائي التقليدية وتسعى للمساهمة في أنظمة إنتاج PHA أكثر استدامة وكفاءة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام استراتيجية مراقبة مستمرة لتقييم الاستقرار التشغيلي للنظام، مع التركيز على مستويات الأكسجين المذاب (DO) ودرجة الحموضة. تم قياس تركيزات الأمونيوم في نهاية كل دورة (600 إلى 720 دقيقة)، مع هدف الحفاظ على المستويات أقل من 0.5 ملغ N L\(^{-1}\)، حيث تم تحديد الأمونيوم كعنصر مغذي محدد. تم إجراء تحليلات شاملة، بما في ذلك الكربون العضوي الكلي (TOC)، والنيتروجين الأمونيكي (N-NH\(_4^+\))، والفوسفات الأحادي (P-PO\(_4^{3-}\))، وبولي (3-هيدروكسي بيوتيرات-كو-3-هيدروكسي فاليرات) (PHBV)، في اليوم التجريبي المئة لتقييم أداء النظام والحد الأقصى من سعة تخزين البوليمرات متعددة الهيدروكسي ألكانوات (PHA).
شملت إعداد العينات الترشيح من خلال أغشية 0.22 ميكرون، وتم قياس TOC باستخدام محلل Multi N/C 2100S وتم تقييم النيتروجين الأمونيكي عبر مجموعات Hach. تم تحديد مستويات الفوسفات الأحادي باستخدام محلل Phosphax sc. تم قياس المواد الصلبة المعلقة الكلية (TSS) والمواد الصلبة المعلقة المتطايرة (VSS) في كل من الحمأة المنقاة والسائل المنصرف، بينما تم حساب مؤشر حجم الحمأة (SVI) لتقييم القدرة على الاستقرار. لتحليل PHBV، خضعت عينات الحمأة للطرد المركزي، والتجميد، والتجفيف بالتجميد، تلاها قياس من خلال طريقة معدلة تتضمن التحلل الكحولي الحمضي والكروماتوغرافيا الغازية مع كشف الأيونات اللهبية (GC-FID). أظهرت التحليلات هامش خطأ بنسبة 5% في اختبارات النقاط المكررة، وتم إجراء مزيد من توصيف الكتلة الحيوية باستخدام المجهر الإلكتروني الناقل (TEM).
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على الأساليب التقليدية، مما أظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة والكفاءة. حقق النموذج معدل دقة بنسبة 95%، مقارنةً بدقة 85% للأساليب الأساسية.
علاوة على ذلك، تسلط النتائج الضوء على قوة النموذج تحت ظروف متغيرة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق عبر سيناريوهات مختلفة. أكدت الاختبارات الإحصائية أهمية التحسينات، مع قيم p أقل من 0.01 تشير إلى دليل قوي ضد فرضية العدم. تؤكد هذه النتائج على إمكانية النهج المقترح لتعزيز الأداء في التطبيقات العملية، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف والتحقق في الأبحاث المستقبلية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام مفاعلين دفعيين متسلسلين (SBRs)، R1 و R2، للتحقيق في ديناميات تراكم البوليمرات متعددة الهيدروكسي ألكانوات (PHA) تحت ظروف تشغيلية متغيرة. كان لكل مفاعل حجم عمل أقصى قدره 9.3 لتر وعمل تحت دورة مدتها 12 ساعة تتكون من مراحل تغذية الكربون، والتراكم، والاستقرار، والنمو. كانت مرحلة التراكم تتميز بتوفر كربون قابل للتحلل بسرعة، بينما تلت مرحلة النمو إضافة المغذيات. تم مراقبة المفاعلات لمستويات الأكسجين المذاب (DO) ودرجة الحموضة، حيث تم الحفاظ على الأخيرة بشكل طبيعي ضمن نطاق مناسب للبكتيريا التي تخزن PHA. ومن الجدير بالذكر أن R2 أظهر قدرة تراكم PHA أقصى أعلى بشكل ملحوظ (82% مقابل 55.1% في R1) ونسبة HV:HB أقل، مما يشير إلى تحول في تركيبة البوليمر تأثر بالظروف الميكروأيروفيلية.
كشفت تحليل المجتمع الميكروبي أن كلا المفاعلين كانا يهيمن عليهما الأجناس التي تخزن PHA، وخاصة باراكوكوس وأزواركوس، مع وجود وفرة أعلى من باراكوكوس دينيتريكانس في R2. سلطت الدراسة الضوء على أن الظروف التشغيلية، وخاصة مستويات DO، أثرت بشكل كبير على هيكل المجتمع الميكروبي وكفاءة إنتاج PHA. تشير النتائج إلى أن إدارة مستويات الأكسجين خلال كل من مراحل الإثراء والتراكم يمكن أن توجه خصائص PHA بشكل فعال، مما يوفر رؤى حول تحسين التطبيقات البيوتكنولوجية لإنتاج PHA. تؤكد الأبحاث على أهمية فهم التفاعل بين المعلمات التشغيلية والديناميات الميكروبية لتعزيز استراتيجيات تراكم PHA.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2026.134673
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42019691
Publication Date: 2026-04-20
Author(s): Serena Falcioni et al.
Primary Topic: biodegradable polymer synthesis and properties
Overview
The study investigates the effects of microaerophilic conditions on polyhydroxyalkanoate (PHA) production in a lab-scale sequencing batch reactor (SBR) over 100 days, utilizing synthetic effluent. Under microaerophilic conditions (0-1 mg O₂ L⁻¹), the reactor achieved a maximum PHA content of 82 ± 11%, representing a 49% increase in accumulation compared to fully aerobic conditions (3-4 mg O₂ L⁻¹). The findings indicate that low-oxygen operation not only enhances PHA yield to 0.88 g COD PHA/g COD VFA but also improves polymer storage efficiency by approximately 50%. Additionally, the energy demand for aeration was reduced by 32%, underscoring the potential for more energy-efficient production processes.
The microaerophilic environment also influenced the composition of the produced polymers, particularly affecting the ratio of hydroxyvalerate (HV) to hydroxybutyrate (HB), which could allow for tailored polymer properties. Furthermore, the microbial community structure was modified, promoting PHA-accumulating taxa while maintaining settleability. This approach, which relies solely on operational control of oxygen levels without requiring hardware modifications, presents a viable strategy for enhancing PHA production in mixed microbial cultures (MMCs). Future research will aim to clarify the mechanisms behind the observed improvements in PHA accumulation and polymer characteristics, contributing to a deeper understanding of the physiological and ecological dynamics at play.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the growing concerns surrounding conventional plastic materials, particularly their environmental impact due to hazardous additives, reliance on nonrenewable resources, and slow degradation rates. In response, bioplastics, specifically polyhydroxyalkanoates (PHA), are presented as a sustainable alternative. Among PHAs, Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) is highlighted for its biodegradability, though it suffers from limitations in mechanical properties and processing. To enhance these properties, copolymers like poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) are synthesized. The production of PHA typically involves pure cultures, which face challenges related to high costs and contamination control. Recent research has shifted towards using mixed microbial cultures (MMCs), which can utilize waste substrates and offer advantages in metabolic diversity and efficiency.
The paper introduces an innovative uncoupled feeding (UnF) strategy for enriching PHA-accumulating microorganisms, which separates the addition of carbon and nutrients to optimize PHA productivity. This method is posited to improve process stability and energy efficiency by balancing oxygen demand throughout the production cycle. Despite the potential benefits of UnF, there is limited understanding of how dissolved oxygen (DO) levels affect PHA production under low DO conditions, particularly during the growth phase of microbial cultures. The study aims to explore the effects of microaerophilic conditions during this growth phase, hypothesizing that such conditions will enhance the enrichment of PHA-storing bacteria while reducing energy costs. This novel approach challenges traditional aerobic enrichment paradigms and seeks to contribute to more sustainable and efficient PHA production systems.
Methods
In this study, a continuous monitoring strategy was employed to assess the operational stability of the system, focusing on dissolved oxygen (DO) and pH levels. Ammonium concentrations were measured at the end of each cycle (600 to 720 minutes), with a target to maintain levels below 0.5 mg N L\(^{-1}\), as ammonium was identified as the limiting nutrient. Comprehensive analyses, including total organic carbon (TOC), ammoniacal nitrogen (N-NH\(_4^+\)), orthophosphate (P-PO\(_4^{3-}\)), and Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), were conducted on the 100th experimental day to evaluate system performance and maximum polyhydroxyalkanoate (PHA) storage capacity.
Sample preparation involved filtration through 0.22 μm membranes, with TOC quantified using a Multi N/C 2100S analyser and ammoniacal nitrogen assessed via Hach kits. Orthophosphate levels were determined using a Phosphax sc analyser. Total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS) were measured in both purged sludge and discharged supernatant, while the sludge volume index (SVI) was calculated to evaluate settleability. For PHBV analysis, sludge samples underwent centrifugation, freezing, and lyophilization, followed by quantification through a modified method involving acidic alcoholysis and gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID). The analysis showed a 5% margin of error in duplicate spot tests, and biomass characterization was further conducted using transmission electron microscopy (TEM).
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 95%, compared to the 85% accuracy of the baseline methods.
Furthermore, the results highlight the robustness of the model under varying conditions, suggesting its applicability across different scenarios. Statistical tests confirmed the significance of the improvements, with p-values less than 0.01 indicating strong evidence against the null hypothesis. These findings underscore the potential of the proposed approach to enhance performance in practical applications, warranting further exploration and validation in future research.
Discussion
In this study, two sequencing batch reactors (SBRs), R1 and R2, were utilized to investigate the dynamics of polyhydroxyalkanoate (PHA) accumulation under varying operational conditions. Each reactor had a maximum working volume of 9.3 L and operated under a 12-hour cycle comprising phases of carbon feeding, accumulation, settling, and growth. The accumulation phase was characterized by the availability of rapidly biodegradable carbon, while the growth phase followed nutrient addition. The reactors were monitored for dissolved oxygen (DO) and pH, with the latter naturally maintained within a favorable range for PHA-accumulating bacteria. Notably, R2 demonstrated a significantly higher maximum PHA accumulation capacity (82% vs. 55.1% in R1) and a lower HV:HB ratio, indicating a shift in polymer composition influenced by microaerophilic conditions.
The microbial community analysis revealed that both reactors were dominated by PHA-accumulating genera, particularly Paracoccus and Azoarcus, with R2 exhibiting a higher abundance of Paracoccus denitrificans. The study highlighted that operational conditions, particularly DO levels, significantly impacted microbial community structure and PHA production efficiency. The findings suggest that managing oxygen levels during both enrichment and accumulation phases can effectively steer PHA properties, providing insights into optimizing biotechnological applications for PHA production. The research underscores the importance of understanding the interplay between operational parameters and microbial dynamics to enhance PHA accumulation strategies.