Optimization of Polyhyroxyalkanoates production by mixed microbilal culture under saline conditions

Nowadays, many industries generate large volumes of highly saline waste streams containing complex chemical compositions and hard-to-degrade pollutants. Despite the global increase of saline wastewater streams, conventional treatment methods remain costly and multi-step. The exploration of bioconversion for saline resources into value-added products, such as biodegradable polyhydroxyalkanoates (PHAs) remains limited. This study investigates the second and third stages of PHA production using mixed microbial culture (MMC) under saline conditions. The culture-selection stage was assessed at 30 gNaCl/L under feast and famine strategy with uncoupled carbon and nitrogen supplementation to provide the selective pressure to enrich the culture of PHA-accumulating organisms. The optimized operational conditions resulted in an enriched PHA-accumulating culture dominated by the Pseudohongiella family (70.2 %) using a synthetic mixture as carbon source (composed of acetic, butyric, propionic and valeric acids, 25 % Cmmol basis each). Notably, this culture exhibited a preference for butyric acid consumption (0.12 ± 0.01 CmmolHBut/(CmmolX.h)) and the 3HB monomer polymerization (0.14 ± 0.00 CmmolHB/(CmmolX.h)) was higher as well. The third stage, PHA accumulation, was carried out in fed-batch mode at three different salinity levels, aiming to 0, 30 and 60 gNaCl/L. The best performance was achieved in the assay without salt with a volumetric PHA productivity of 0.218 gPHA/(L.h), a specific PHA productivity of 0.125 gPHA/gX.h and a maximum PHA content of 62.90 % wt. (VS basis). Supplementary batch accumulation tests under varied salinity conditions (0, 5, 15, 30, 45 and 60 gNaCl/L) further elucidated the impact of osmotic stress on enhancing PHA productivity. Overall, these findings highlight the significant potential for bio-converting saline resources into value-added PHA products. More precisely, showed the feasibility of producing PHA under these challenging conditions and emphasized the central role of osmotic stress in the PHA production process.

Globalmente numerose industrie generano volumi consistenti di flussi di rifiuti altamente salini contenenti composizioni chimiche complesse e inquinanti difficili da degradare. Nonostante l'aumento globale dei flussi di acque reflue salate, i metodi di trattamento convenzionali rimangono costosi e complessi. La ricerca riguardo la bioconversione delle risorse saline in prodotti ad alto valore aggiunto, come i Poliidrossialcanoati (PHA) biodegradabili, rimane incompleta. Questo studio approfondisce le prime due fasi della produzione di PHA utilizzando una cultura microbica mista (MMC). La fase di selezione della cultura è stata valutata a 30 gNaCl/L con strategia Feast and Famine insieme alla alimentazione disaccoppiata di carbonio e azoto per fornire una adeguata pressione selettiva. Le condizioni operative ottimizzate hanno arricchito una cultura PHA-accumulante dominata dalla famiglia Pseudohongiella (70,2%), utilizzando una fonte carbonica sintetica mista (composta da acido acetico, butirrico, propionico e valerico, ciascuno al 25% in Cmmol). In particolare, questa cultura ha mostrato una preferenza per il consumo di acido butirrico (0,12 ± 0,01 CmmolHBut/(CmmolX.h)) e una maggiore polimerizzazione del monomero 3-HB (0,14 ± 0,00 CmmolHB/(CmmolX.h)). La terza fase, l'accumulo di PHA, è stata eseguita in fed-batch test a tre diversi livelli di salinità (0, 30 e 60 gNaCl/L). Le migliori prestazioni sono state ottenute dall'accumulo senza sale con una produttività volumetrica di PHA di 0,218 gPHA/(L.h), una produttività specifica di PHA di 0,125 gPHA/gX.h e un massimo contenuto di PHA del 62,90% in peso (su base VS). Test batch supplementari di accumulo in condizioni di salinità variabile (0, 5, 15, 30, 45 e 60 gNaCl/L) hanno ulteriormente chiarito l'impatto dello stress osmotico sull'aumento della produttività di PHA. In generale, questi risultati sottolineano il notevole potenziale della bioconversione delle risorse saline in prodotti ad alto valore aggiunto, come il PHA, e sottolineano il ruolo centrale dello stress osmotico nel processo di produzione di PHA.