DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26791-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519985
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Isha Bodhe وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق البوليمرات القابلة للتحلل وخصائصها
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة تطوير ثقافات ميكروبية مختلطة مرنة من مصادر محلية متنوعة من أجل الاستفادة الفعالة من CO2. من خلال استخدام تقنيات المعالجة المسبقة والتخصيب الاستراتيجي، نجح الباحثون في تحويل CO2 وبيكربونات الصوديوم إلى أحماض دهنية متطايرة (VFAs) وبولي هيدروكسي بيوتيرات (PHB)، مما أسس منصة بيولوجية مستدامة تهدف إلى تحويل CO2 النفايات إلى منتجات بيولوجية قيمة وبوليمرات قابلة للتحلل، وبالتالي المساهمة في اقتصاد دائري حيوي. في المرحلة الأولى، حققت الثقافات اللاهوائية والهوائية تركيزات VFA تبلغ 2.017، 2.307، 3.243، و3.467 جرام/لتر، وعائد PHB قدره 3.2% (0.082 جرام/لتر). تضمنت المرحلة الثانية إعادة تدوير VFAs لتعزيز إنتاج PHB إلى 6.5±0.24%.
أظهرت الدراسة أن المعالجة المسبقة خفضت فعليًا الرقم الهيدروجيني إلى 3.45±0.22، مما يدل على هيمنة العمليات الأسيتوجينية. حققت الثقافة الميكروبية المختلطة (MMC) تقليص CO2 بنسبة 70±1.78%، مقارنة بـ 45±1.26% في الثقافات الهوائية، مما يسهل إنتاج PHB القابل للتحلل ويعزز الاقتصاد الحيوي الدائري. أكدت تحليلات توازن الكتلة الكربونية والديناميكا الحرارية جدوى عملية التحويل. على الرغم من أن تشكيل PHB غير تلقائي من الناحية الطاقية، إلا أنه يعمل كآلية لتخزين الكربون في ظل ظروف الضغط. حدد التحليل الميتاجينومي، باستخدام تسلسل 16S rRNA (V3-V4)، الأجناس البكتيرية الرئيسية المعنية في تحويل CO2 البيولوجي، مع ارتباط الأجناس اللاهوائية مثل *Pseudomonas* و*Halomonas* بإنتاج VFA، بينما كانت البكتيريا الهوائية مثل *Brevundimonas* هي السائدة في تخليق PHB. كما توقعت تحليل KEGG المسارات الجينية المرتبطة بتثبيت CO2.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة للانتقال من اقتصاد يعتمد على الوقود الأحفوري إلى اقتصاد حيوي من أجل معالجة التحديات العالمية الملحة مثل تدهور البيئة، والأمن الغذائي، وتغير المناخ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بأهداف التنمية المستدامة (SDGs). إن إنتاج البلاستيك المعتمد على الوقود الأحفوري، الذي يولد أكثر من 850 مليون طن من CO2—مما يمثل 2% من الانبعاثات العالمية—يمثل عدم كفاءة الاقتصاد الخطي الذي يتخلص في الغالب من النفايات، حيث ينتهي 79% من البلاستيك التقليدي في مدافن النفايات أو البيئة. بالمقابل، تكتسب البلاستيك الحيوي، القابل للتحلل بالكامل والذي يمكن إعادة تدويره باستخدام طاقة محايدة للكربون، زخمًا بسبب استدامتها وتوافقها مع مبادئ الاقتصاد الدائري (CE).
يهدف الاقتصاد الدائري إلى تمديد دورة حياة المواد من خلال التصميم للإصلاح، وإعادة الاستخدام، وإعادة التدوير، مع تقليل النفايات والقضاء على المواد السامة. يتم تقديم اعتماد اقتصاد حيوي دائري (CBE) كاستراتيجية حيوية لإدارة النفايات المستدامة، مع التركيز على تحويل النفايات البيولوجية إلى منتجات قائمة على البيولوجيا يمكن إعادة استخدامها أو إعادتها بأمان إلى الغلاف الحيوي. تناقش الورقة أيضًا دور النظم البيئية في احتجاز الكربون وإمكانية الثقافات الميكروبية المختلطة (MMCs) على سلالات البكتيريا النقية لتحويل الكربون بكفاءة. من الجدير بالذكر أن تخليق بولي هيدروكسي بيوتيرات (PHB) من مصادر كربونية متنوعة بواسطة بكتيريا منتجة لـ PHB يُقترح كبديل واعد للبلاستيكات البتروكيماوية التقليدية، مما يبرز إمكانيات العمليات الميكروبية في تعزيز المواد المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقسيم المنهجية التجريبية إلى مرحلتين متميزتين. ركزت المرحلة الأولى على تقييم إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) وبولي هيدروكسي بيوتيرات (PHB) باستخدام CO2/بيكربونات الصوديوم كركيزة، جنبًا إلى جنب مع أسيتات الصوديوم كمصدر كربوني إضافي. كان الهدف هو تقييم كفاءة هذه الركائز في إنتاج المنتجات البيولوجية المرغوبة.
تضمنت المرحلة الثانية إعادة تدوير VFAs المنتجة في المرحلة الأولى كركيزة لمزيد من إنتاج PHB. سمحت هذه المرحلة بإجراء تحليل مقارن لكفاءات التحويل من CO2 إلى PHB ومن VFA إلى PHB، مما يوفر رؤى حول المسارات الأيضية واستراتيجيات التحسين المحتملة لزيادة إنتاجية المنتجات البيولوجية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة اتجاهات معينة تتماشى مع الفرضيات الأولية، مما يوضح فعالية المنهجية المقترحة.
علاوة على ذلك، تشمل النتائج تمثيلات رسومية، مثل المخططات أو الرسوم البيانية، التي توضح العلاقات والتغيرات الملحوظة في البيانات. تعزز هذه المساعدات البصرية فهم النتائج، حيث تقدم تصويرًا واضحًا لكيفية تفاعل المتغيرات. بشكل عام، تدعم النتائج أهداف البحث وتساهم برؤى قيمة في مجال الدراسة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على إمكانية استخدام الثقافات الميكروبية المختلطة (MMCs) لإنتاج بولي هيدروكسي بيوتيرات (PHB) والأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs) من خلال تخمير CO₂ وH₂. يُلاحظ أن PHB يتمتع بقابلية للتحلل الحيوي وتوافق حيوي، مما يجعله بديلاً واعدًا للبلاستيكات المعتمدة على النفط. تؤكد الدراسة على التحديات المرتبطة بتخمير الغاز، بما في ذلك انخفاض ذوبانية H₂ وسمية VFA، مما يعيق الإنتاجية. لمعالجة هذه القضايا، يستكشف المؤلفون استخدام MMCs المحلية المستمدة من فضلات الحيوانات، التي تظهر قدرات قوية على امتصاص CO₂ ويمكنها تحويل مصادر الكربون غير العضوية بكفاءة إلى منتجات بيولوجية قيمة.
تبحث الدراسة أيضًا في تأثيرات استراتيجيات المعالجة المسبقة والتخصيب على أداء هذه MMCs. تشير النتائج إلى أن المعالجة المسبقة تعزز إنتاج VFA من خلال تحويل المسارات الأيضية نحو الأسيتيجينيسيس وتقليل المنافسة من الميثانوجينات. كما أن التخصيب بمخاليط غازية محددة (H₂ وCO₂) يحسن بشكل كبير من معدلات استهلاك CO₂ وعوائد VFA، حيث تظهر الثقافات المخصبة كفاءة تقليص CO₂ تصل إلى 49.4%، مقارنة بـ 17.6% في الثقافات غير المخصبة. بالإضافة إلى ذلك، تؤسس الدراسة رابطًا واضحًا بين توازن الكتلة الكربونية ومبادئ الاقتصاد الحيوي الدائري، مما يبرز أهمية تحسين ظروف العمليات البيولوجية لإنتاج البلاستيك الحيوي المستدام. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الاستفادة من MMCs المحلية وتحسين ظروف التخمير يمكن أن يعزز جدوى إنتاج البلاستيك الحيوي المدفوع بـ CO₂، مما يساهم في الاستدامة البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26791-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519985
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Isha Bodhe et al.
Primary Topic: biodegradable polymer synthesis and properties
Overview
This study focuses on the development of resilient mixed microbial cultures from various indigenous sources for the efficient valorization of CO2. By employing strategic pretreatment and enrichment techniques, the researchers successfully converted CO2 and bicarbonate into volatile fatty acids (VFAs) and polyhydroxybutyrate (PHB), establishing a sustainable biotechnological platform aimed at transforming waste CO2 into valuable bioproducts and biodegradable polymers, thereby contributing to a circular bioeconomy. In Phase I, the anaerobic and aerobic cultures achieved VFA concentrations of 2.017, 2.307, 3.243, and 3.467 g/L, and a PHB yield of 3.2% (0.082 g/L). Phase II involved recirculating VFAs to enhance PHB production to 6.5±0.24%.
The study demonstrated that pretreatment effectively lowered the pH to 3.45±0.22, indicating a dominance of acetogenic processes. The mixed microbial culture (MMC) achieved a CO2 reduction of 70±1.78%, compared to 45±1.26% in aerobic cultures, facilitating the production of biodegradable PHB and advancing the circular bioeconomy. Carbon mass balance and thermodynamic analyses confirmed the feasibility of the conversion process. Although the formation of PHB is energetically non-spontaneous, it serves as a carbon storage mechanism under stress conditions. Metagenomic analysis, utilizing 16S rRNA (V3-V4) sequencing, identified key bacterial genera involved in CO2 bioconversion, with anaerobic genera such as *Pseudomonas* and *Halomonas* linked to VFA production, while aerobic bacteria like *Brevundimonas* were predominant in PHB synthesis. KEGG analysis further predicted the genetic pathways associated with CO2 fixation.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need to transition from a fossil fuel-based economy to a bioeconomy in order to address pressing global challenges such as environmental degradation, food security, and climate change, which are intricately linked to the Sustainable Development Goals (SDGs). The production of fossil fuel-based plastics, which generates over 850 million tons of CO2—accounting for 2% of global emissions—exemplifies the inefficiencies of a linear economy that predominantly disposes of waste, with 79% of traditional plastics ending up in landfills or the environment. In contrast, bioplastics, which are fully degradable and can be recycled using carbon-neutral energy, are gaining traction due to their sustainability and alignment with the principles of a circular economy (CE).
The circular economy aims to extend the lifecycle of materials through design for repairability, reuse, and recycling, while minimizing waste and eliminating toxic substances. The adoption of a circular bioeconomy (CBE) is presented as a vital strategy for sustainable waste management, emphasizing the transformation of biological waste into bio-based products that can be reused or safely returned to the biosphere. The paper also discusses the role of ecosystems in carbon sequestration and the potential of mixed microbial cultures (MMCs) over pure bacterial strains for efficient carbon conversion. Notably, the synthesis of polyhydroxybutyrate (PHB) from diverse carbon sources by PHB-producing bacteria is proposed as a promising alternative to conventional petrochemical polymers, underscoring the potential of microbial processes in advancing sustainable materials.
Methods
In this study, the experimental methodology was divided into two distinct phases. Phase I focused on evaluating the production of volatile fatty acids (VFA) and polyhydroxybutyrate (PHB) using CO2/bicarbonate as a substrate, alongside sodium acetate as an additional carbon source. The aim was to assess the efficiency of these substrates in generating the desired bioproducts.
Phase II involved the recirculation of the VFAs produced in Phase I as a substrate for further PHB production. This phase allowed for a comparative analysis of the conversion efficiencies of CO2 to PHB and VFA to PHB, thereby providing insights into the metabolic pathways and potential optimization strategies for enhanced bioproduct yields.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the study identifies specific trends that align with the initial hypotheses, demonstrating the effectiveness of the proposed methodology.
Furthermore, the results include graphical representations, such as plots or charts, which illustrate the relationships and variations observed in the data. These visual aids enhance the understanding of the findings, providing a clear depiction of how the variables interact. Overall, the results substantiate the research objectives and contribute valuable insights to the field of study.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the potential of using mixed microbial cultures (MMCs) for the production of polyhydroxybutyrate (PHB) and volatile fatty acids (VFAs) through the fermentation of CO₂ and H₂. PHB is noted for its biodegradability and biocompatibility, making it a promising alternative to petroleum-based plastics. The study emphasizes the challenges associated with gas fermentation, including low solubility of H₂ and VFA toxicity, which hinder productivity. To address these issues, the authors explore the use of indigenous MMCs derived from animal feces, which exhibit robust CO₂ uptake capabilities and can efficiently convert inorganic carbon sources into valuable bioproducts.
The research further investigates the effects of pretreatment and enrichment strategies on the performance of these MMCs. Results indicate that pretreatment enhances VFA production by shifting metabolic pathways towards acidogenesis and reducing competition from methanogens. Enrichment with specific gas mixtures (H₂ and CO₂) significantly improves CO₂ consumption rates and VFA yields, with enriched cultures demonstrating a CO₂ reduction efficiency of up to 49.4%, compared to 17.6% in unenriched cultures. Additionally, the study establishes a clear link between carbon mass balance and the principles of a circular bioeconomy, underscoring the importance of optimizing bioprocess conditions for sustainable bioplastic production. Overall, the findings suggest that leveraging indigenous MMCs and optimizing fermentation conditions can enhance the feasibility of CO₂-driven bioplastic production, contributing to environmental sustainability.