Загрязнение пластиком и утилизация пищевых отходов вызывают растущую экологическую озабоченность, подчеркивая необходимость инновационных подходов, которые решают обе проблемы за счет устойчивого управления отходами и разработки материалов1. Обычные пластмассы на нефтяной основе являются основными источниками загрязнения окружающей среды и микропластика, сохраняясь на свалках и в водных экосистемах на протяжении веков2. Полигидроксиалканоаты (PHA), класс микробных биопластиков, представляют собой полностью биоразлагаемую альтернативу с механическими свойствами, сравнимыми с обычными пластиками, обеспечивая при этом полное разложение в естественной среде3. Тем не менее, высокие производственные затраты на PHA остаются серьезным препятствием для широкого коммерческого внедрения4. Одним из перспективных подходов к преодолению этого ограничения является использование органических отходов в качестве экономически эффективного источника углерода для микробного биосинтеза PHA, поскольку на сырье приходится примерно 50% общих производственных затрат в текущих промышленных процессах, которые зависят от чистых источников углерода, таких как кукурузный крахмал или глюкоза-5. Повышая ценность отходов, этот подход не только отводит органические материалы от свалок, но и превращает их в устойчивую альтернативу пластику на нефтяной основе, одновременно решая проблемы накопления отходов и загрязнения пластиком.
H. mediterranei, галофильный микроорганизм, демонстрирует большой потенциал использования сырья, полученного из отходов, для производства PHA благодаря своей способности процветать в условиях высокой солености (2-5 M NaCl), что естественным образом предотвращает загрязнение, подавляя рост негалофильных микробов6. Такая среда с высокой соленостью устраняет необходимость в строгой стерилизации при промышленной ферментации, снижая эксплуатационные расходы. В отличие от традиционных бактериальных продуцентов PHA, H. mediterranei эффективно метаболизирует широкий спектр источников углерода, полученных из отходов, и, как сообщается, накапливает PHA до 70% своей сухой клеточной массы (DCW) в качестве механизма реагирования на стресс 7,8. Кроме того, его среда с высокой соленостью обеспечивает простую последующую обработку, поскольку осмотический шок, вызванный погружением в воду, эффективно разрушает клетки, обеспечивая высвобождение PHA без необходимости ферментативной илихимической обработки. Эти преимущества делают H. mediterranei идеальным кандидатом для масштабируемого производства биопластика на основе отходов.
В существующих исследованиях изучались различные отходы, включая сырную сыворотку, сточные воды оливковых заводов и агропромышленные отходы, для ферментации PHA H. mediterranei 6,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Высокая изменчивость состава отходов представляет собой серьезную проблему, требующую различных стратегий предварительной обработки, таких как ферментативный гидролиз, кислотный гидролиз или термическая обработка, перед ассимиляцией микроорганизмов 11,17,19,20. В данном случае остановленное анаэробное сбраживание (aAD) обеспечивает масштабируемое решение путем преобразования разнообразных пищевых отходов в однородный дигестат, богатый летучими жирными кислотами (VFA), служащий прямым предшественником для синтеза PHA H. mediterranei21,22. Этот процесс повышает консистенцию исходного сырья и снижает изменчивость субстрата, одновременно повышая эффективность микробной ферментации.
Несмотря на его потенциал, лишь в нескольких исследованиях был успешно продемонстрирован этот двухступенчатый процесс, объединяющий ферментацию aAD и микробной PHA для общего преобразования пищевых отходов в биопластик с помощью H. mediterranei 23,24,25. В этом исследовании представлен подробный пошаговый протокол, охватывающий предварительную обработку пищевых отходов, производство РЖК методом полунепрерывного aAD и ферментацию чистой культуры H. mediterranei для производства PHA. Кроме того, в то время как предыдущие исследования подтвердили экстракцию PHA на водной основе из H. mediterranei, ни в одном из них не была количественно оценена эффективность и чистота извлечения PHA с использованием этого метода11,18. Данное исследование устраняет этот пробел путем демонстрации метода восстановления PHA без использования химических веществ с использованием осмотического лизиса водой и количественной оценки его эффективности по сравнению с традиционными методами извлечения PHA на основе гипохлорита натрия (NaClO)26. Кроме того, в этом исследовании оценивается чистота восстановленной в воде PHA, обеспечивая всестороннюю оценку ее эффективности для масштабируемого производства биопластика.
Чтобы преодолеть разрыв между осуществимостью в лабораторных масштабах и промышленным внедрением, этот протокол разработан для масштабируемости в промышленных приложениях, включая экспериментальную ферментацию aAD и PHA, а также дисковое центрифугирование для разделения клеток, широко используемый метод в биопроцессах и крупномасштабной микробной ферментации. Оптимизируя преобразование пищевых отходов в биопластик, этот метод поддерживает индустриализацию крупномасштабной валоризации отходов, продвигая инициативы по биоэкономике замкнутого цикла. Интеграция сырья, полученного из отходов, галофильная ферментация и экологически безопасная стратегия восстановления PHA позволяют эффективно перерабатывать отходы в биополимеры, снижая зависимость от пластика на основе ископаемого топлива и способствуя устойчивому производству биопластика.