来源：Global Research Trends on Polyhydroxyalkanoate-Producing Microorganisms: A Bibliometric and Scientometric Analysis of Sustainable Bioplastic Biotechnology.（Microorganisms）| 编译：DNA Lab Space
导读
塑料污染危机催生了 biodegradable 替代品的迫切需求，聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为最具潜力的生物塑料之一，其研究正经历爆炸式增长。本研究利用 Scopus 数据库，结合 Bibliometrix 与 VOSviewer 工具，对 2014–2025 年间 PHA 产生微生物领域 100 篇文献进行系统分析，揭示了从基础生理学研究向代谢工程、合成生物学、CRISPR-Cas9 基因编辑乃至量子建模的范式转移，并开发了 Gap_Score 指标量化研究空白。
研究背景
石油基塑料带来的环境危机已达惊人程度：2019 年全球产量达 3.68 亿吨，预计 2025 年已突破 6 亿吨大关。更严峻的问题在于终端处置——截至 2015 年，全球累计塑料垃圾达 63 亿吨，其中仅 9% 被回收，79% 被填埋或遗弃于自然，每年约 1000 万吨合成塑料泄漏入海。
PHA 作为可生物降解替代品应运而生，其市场预计 2024 年达 1 亿美元。然而，产业化最大瓶颈仍在成本——每公斤 PHA 生产成本 2–6 美元，远高于传统塑料的 1–2 美元。科学产出分析显示，该领域自 1999 年起呈指数增长，到 2024 年累计发表 1227 篇论文，研究主题从基础生理学向代谢工程和应用生物技术演化。研究 PHA 产生微生物的意义，在于其缓解合成塑料环境危机的巨大潜力。
研究方法
2.1 研究设计与数据来源
本研究基于全面的文献计量与科学计量分析，旨在绘制 PHA 产生微生物及其在可持续生物包装中应用的全球研究趋势图谱。该方法的选取基于其在系统化整理大量科学文献、识别隐藏合作网络以及检测快速扩展跨学科领域新兴研究生态位方面的成熟有效性。
方法学选择——包括将 Scopus 作为唯一数据源、限定开放获取出版物、选取 2014–2025 时间窗口——均以数据质量、可重复性和可行性为导向。Scopus 因其对同行评审文献的全面覆盖、严格的索引体系及稳健的引文追踪能力而被选中。开放获取过滤确保了对完整元数据的无限制访问，便于分析的可重复性。2014–2025 年时间段则用于捕捉最新科学产出，恰逢 PHA 研究的指数增长阶段。
2.2 检索策略与检索式
文献检索采用结构化查询式，旨在捕捉 PHA 研究的多学科特性，同时确保对微生物系统的高度特异性。在 Scopus 中使用的检索式如下：
(TITLE-ABS-KEY (“polyhydroxyalkanoate” OR “PHA” OR “biopolymer” OR “bioplastic”) AND TITLE-ABS-KEY (“microorganism” OR “bacteria” OR “fungi” OR “yeast”) AND TITLE-ABS-KEY (“sustainable” OR “eco-friendly” OR “renewable” OR “green”) AND TITLE-ABS-KEY (“biotechnology” OR “bioprocess” OR “fermentation” OR “production”) AND TITLE-ABS-KEY (“applications” OR “uses” OR “properties” OR “characteristics”)) AND (EXCLUDE (EXACTKEYWORD, “Nonhuman”) OR EXCLUDE (EXACTKEYWORD, “Article”) OR EXCLUDE (EXACTKEYWORD, “Review”) OR EXCLUDE (EXACTKEYWORD, “Human”))
该检索式通过布尔运算符整合五大概念轴：生物聚合物术语、微生物因子、可持续性标准、生物技术过程及终端应用。随后施加限制性过滤器，将结果限定为英文发表的原创论文和综述、开放获取、且处于限定时间范围内。仅纳入开放获取出版物的决定保证了研究的可重复性和对完整元数据的无限制访问。
图3所示的序贯过滤流程旨在逐步提升文献计量数据集的主题特异性。初始检索有意捕捉涵盖 PHA 的广泛多学科文献。后续筛选移除重复记录、超出选定发表周期的文献及缺少完整元数据的出版物。标题和摘要筛选排除了专注于生物医学应用或无关聚合物研究的文献。全文资格评估进一步剔除未研究微生物 PHA 产生、微生物生产者或与可持续生物塑料应用相关特性的出版物。最终数据集由与该科学计量分析目标直接一致的研究构成，确保了文献计量结果的一致性、可重复性和主题相关性。
2.3 数据管理与预处理
执行检索式并应用五大概念模块后，从 Scopus 共检索到 321 篇文献。移除重复项（n = 7）、自动化工具标记为不合格的记录（n = 11）以及超出 2014–2025 发表周期的文献（n = 35）后，剩余 268 条唯一记录进入标题和摘要筛选。经全文评估，209 篇报告接受合格性审查，最终语料库为 100 篇文献：86 篇原创研究论文（86%）和 14 篇综述论文（14%）。该最终数据集用于全部文献计量和科学计量分析。
【数据】初始检索：321 篇；去重后：268 篇；最终纳入：100 篇（原创论文 86%，综述 14%）
2.4 分析工具与影响指标
定量处理和科学网络可视化采用互补的专业工具组合。VOSviewer（版本 1.6.15）用于构建关键词共现图谱和国家间合著网络，采用关联强度归一化方法对节点间关系进行适当加权。同时，RStudio（2022.12.0+353）中的 Bibliometrix 包（V 5.4.1）用于计算高级指标，如作者和机构的 h 指数、作者生产力的洛特卡定律、期刊分散度的布拉德福德定律。评估了产出指标（文献总数和年增长率）和影响指标（每篇文献平均被引次数及按 Journal Citation Reports 四分位数划分的期刊影响因子）。这种双轨方法不仅量化了印度和英国等国家的科学领导力，还评估了高被引研究的质量和影响力。
【数据】VOSviewer 版本：1.6.15；Bibliometrix 版本：5.4.1；RStudio 版本：2022.12.0+353
2.5 网络可视化与主题演化
方法学的最后阶段是生成图形表示，以促进对该领域结构和动态模式的解读。网络图谱使用 VOSviewer 默认参数构建，其中链接厚度表示共现关系的强度，颜色代表算法识别的主题聚类。此外，应用时间叠加图追踪研究主题在整个研究期间的演化，突出从经典生理学方法向 CRISPR-Cas9 基因编辑等前沿领域以及作为新兴探索方向的类量子代谢建模的转移。
2.6 差距评分计算方法
为系统识别和优先排序 PHA 产生微生物领域的研究空白，开发了定量 Gap_Score 指标并应用于关键词共现和主题演化分析。Gap_Score 采用多组分公式计算，整合研究代表性不足的三个维度：
Gap_Score = (F × 0.4) + (D × 0.3) + (C × 0.3)
其中定义如下：
- F（频率差距）= 关键词/主题在 Scopus 数据集（2014–2025）中的观测频率与其基于该领域平均增长率的期望频率之间的归一化差值。该组分量化某一主题相对于整体科学产出的代表性不足程度。
- D（密度差距）= 主题孤立性的归一化度量，计算为每个关键词共现网络密度的倒数。与其他研究领域连接度低的主题得分更高，表明整合度不足。
- C（引文差距）= 含特定关键词的出版物的平均引文影响与该领域整体每篇平均被引量之间的归一化差值。该组分识别被引量高（高影响）但发表频率低（高差距）的主题。
所有变量（F、D、C）均采用最小–最大缩放归一化至 0–100 范围：归一化值 =（原始值 − 最小值）/（最大值 − 最小值）× 100
最终 Gap_Score 范围为 0–100，分级如下：
- 0–33：低差距（研究充分的热点主题）
- 34–66：中等差距（部分涉及的主题）
- 67–100：高差距（严重研究不足的主题，需紧急关注）
对于特定时段分析（如 2015–2016、2015–2025），Gap_Score 被重新计算（原文未详述具体重算方式）。
【数据】Gap_Score 公式权重：F×0.4 + D×0.3 + C×0.3；分级阈值：0–33 低差距，34–66 中等差距，67–100 高差距
研究结果
3.1 科学产出的指数增长与学科分布
2014–2025 年 PHA 产生微生物全球研究趋势的文献计量分析揭示了动态增长和显著跨学科性的图景。评估科学产出时（图4a），年度和累积产出均呈现统计学上稳健的指数拟合。将这些发现与近期文献对照，可观察到 2021 年起出版物显著增加，反映了新冠疫情后学术界和工业界对可持续性重新燃起的兴趣。这一趋势回应了开发传统石油基塑料生物技术替代品的迫切需求。因此，这一繁荣表明微生物代谢途径优化和农工残留物利用已在全球研究议程中巩固为战略优先事项。
另一方面，按 Scopus 分类的学科领域百分比分布（图4b）显示了该领域的多学科视角。PHA 研究在基础科学中保持强劲锚定，免疫学和微生物学（22.5%）以及生物化学、遗传学和分子生物学（19.5%）明显占主导地位。这一模式合乎逻辑，因为 PHA 合成本质上是一种微生物学现象，作为对营养胁迫的响应而发生，需要深入理解代谢途径和基因调控。然而，环境科学（17.3%）和化学工程（10.1%）的参与日益增长，凸显了该领域的系统化路径——从 PHA 的环境影响和生物降解性评估，到生物反应器中的工业放大和材料下游加工。在这一新阶段，微生物学知识与生物精炼厂优化、生命周期评估和生态提取方法开发相衔接，证实了该领域从关注单一菌株的研究向完整工业过程优化的成熟化转变。综合来看，图中的定量和定性数据表明，PHA 合成不仅是微生物学研究的对象，更是一个成熟且快速扩张的技术平台。
【数据】学科分布：免疫学与微生物学 22.5%；生物化学/遗传学/分子生物学 19.5%；环境科学 17.3%；化学工程 10.1%
3.2 关键词共现网络与主题聚类
图5中观察到的共现模式显示，PHA 研究在一个密集、多学科且高度互联的主题网络中展开。虽然“polyhydroxyalkanoates”一词构成中心节点，但网络拓扑中的一个关键发现是 Pseudomonas putida 作为模式生物的巩固，取代了传统上以 Cupriavidus necator 为中心的历史路径。这一分歧并非文献计量假象，而是基于 P. putida 代谢多样性的真实科学趋势的反映——它能从多种底物合成中链长度 PHA（MCL-PHA），且对氧化胁迫具有高耐受性。近期文献证实，先进合成生物学和代谢工程工具——特别是 CRISPR-Cas9 等基因编辑系统——的采用，使得在该细胞平台上精准重定向碳流成为可能，促进了定制化和工业优化聚合物的生产。
另一方面，“biopolymer”“bioplastic”和“biodegradation”之间的强关联表明，科学兴趣不仅限于材料合成，还涵盖循环经济框架内对其生命周期管理的关键关注。然而，数据揭示 PHA 的真实生物降解性不应被笼统假定，因为它受到结晶度、聚合物分子组成和环境变量的强烈制约。这一挑战推动了网络中检测到的新兴趋势，如与“chitosan”和“microalgae”相关联的杂化生物材料开发，以及利用 FTIR 光谱进行精确结构表征。同样，“biopolymers”与“antimicrobial activity”的关联标志着向获取高附加值功能材料的转变，这些材料在生物医学和智能包装中具有应用前景。
【数据】模式生物转移：Pseudomonas putida 取代 Cupriavidus necator；关键关联词：chitosan、microalgae、antimicrobial activity、FTIR
3.3 知识结构的认知成熟
总体而言，文献计量分析表明 PHA 研究经历了显著的认知成熟，从严格微生物学和描述性方法转向整合性技术平台。当前格局融合了下游过程工程、废物增值和环境影响评估，将 PHA 巩固为现代生物技术的支柱。这一演化表明，该领域的未来取决于精准遗传操作与过程技术经济和生态可行性相结合的能力，弥合基础实验室科学与工业可扩展性之间的鸿沟。
PHA 生物技术生产的知识结构分析揭示了从严格微生物学基础向高附加值先进应用的清晰认知转变（表1）。历史性综述工作，如 Muhammadi 等人（2015）的研究，巩固了该领域的初始概念框架；然而，近期文献证明了关键的范式转移。PHA 不再仅仅被视为石油基传统塑料的替代品，而是具有内在生物活性的功能材料。这一趋势由纳米医学研究引领（Gahlawat 等，2016；Akolpoglu 等，2020），证明 PHA 微生物纳米颗粒对霍乱弧菌等关键病原体具有抗菌活性。由此，该领域的经济可行性不再仅取决于大规模成本竞争，而在于利用这些聚合物在利润率显著更高的生物医学市场中的生物相容性。
就工业可持续性和循环经济而言，降低碳底物成本——占运营总支出高达 50%——仍是战略优先事项。为应对这一限制，当前研究分化为两个互补的生物技术方向。一方面，利用混合微生物联合体（MMCs）对复杂农工副产品（如椰枣糖浆或乳清）进行增值，正成为大规模过程的高效途径，在不需严格无菌条件的情况下将初始加工成本降低 50%。另一方面，要求高纯度的应用倾向于采用系统生物学改造的纯培养物。利用 CRISPR-Cas9 和基因组规模代谢模型等工具对大肠杆菌或 Halomonas bluephagenesis 等细胞平台进行精准工程改造，已在工业生物反应器中最大化碳流向生物聚合物积累的流动，优化了过程的机理效率。
尽管上游发酵阶段取得了上述实质性进展，下游加工（DSP）仍是 PHA 整体商业可行性的最关键瓶颈。作为一种胞内聚合物，其传统提取依赖高能耗方法和剧毒氯化有机溶剂的使用，这与绿色化学原则相悖。面对这一挑战，科学文献呼吁向生态方法学紧急过渡。新兴创新包括嗜盐古菌中的自发渗透裂解、超临界流体的使用、以及硫酸铝（原文此处截断，未完整呈现）。
【数据】碳底物成本占比：高达运营总支出的 50%；MMCs 路线成本降低：50%；模式菌株：E. coli、Halomonas bluephagenesis
编译者解读
该研究以文献计量学方法系统梳理了 PHA 领域 2014–2025 年的发展脉络，其亮点在于 Gap_Score 指标的创新引入——将频率、密度和引文三个维度的归一化差距量化，为识别研究空白提供了可操作的工具。值得注意的是，P. putida 取代 C. necator 成为模式生物、以及量子建模作为探索性方向的浮现，反映了领域从"产什么"向"怎么精准产"的深层转型。局限在于仅纳入开放获取文献可能引入选择偏差，且 100 篇的最终语料规模相对有限。对合成生物学从业者而言，该文揭示的下游加工瓶颈和混合菌群管理挑战，恰恰是未来技术突破的着力点。
参考来源
De La Cruz-Noriega M, Sabogal Vargas AM, Rojas Villacorta W, Salvatierra Espinola W, Quiñones-Cerna C. Global Research Trends on Polyhydroxyalkanoate-Producing Microorganisms: A Bibliometric and Scientometric Analysis of Sustainable Bioplastic Biotechnology. Microorganisms. PMID: 42514055.
PMID: 42514055