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随着塑料工业的迅猛发展，为减轻塑料垃圾对环境的危害，生物可降解高分子材料及其合成技术成为人们关注的研究热点。聚羟基羧酸酯(PHAs)是完全可生物降解材料的典型代表，因其既具有化学合成塑料的性质，又具有良好的生物可降解性和生物相容性等特殊性能，具有广阔的发展前景。目前，PHAs微生物合成路线的研究一直占据该领域的主导地位，但由于发酵成本高等因素的制约，使PHAs无法与石化合成塑料竞争，难以拓宽应用市场。所以，寻找合适的生物催化剂，建立低成本合成方法，对其工业化生产具有重要意义。
本学位论文采用生物催化方法合成了不同类型的PHAs聚酯。分别建立了甲烷氧化细菌Methylosinus trichosporium IMV3011发酵合成聚β-羟基丁酸酯(PHB)和脂肪酶催化化学单体3-羟基丙酸甲酯缩聚合成聚羟基丙酸酯(PHP)的反应体系，构建了PHAs类聚酯低成本合成的新路径，主要研究内容包括:
1.甲烷氧化细菌Methylosinus trichosporium IMV3011可在非灭菌条件下利用甲醇代替甲烷作为唯一碳源生长并且在细胞内合成PHB，且甲醇能够较大程度地促进菌体生长和PHB的胞内积累。建立以PHB合成为目的的补料分批发酵体系，对补料策略进行优化，通过分批补加低浓度碳源和其他营养物质但不补加氮源的补料方式达到培养体系的高碳氮比，解除高浓度碳源的抑制作用，从而提高IMV3011胞内的PHB积累量。在IMV3011的补料分批发酵培养中，单次发酵菌体干重可达2.91g/L，胞内PHB含量达47.6％。
2.在IMV3011细胞体内，三羧酸循环(TCA)和PHB合成循环是两条互相影响、互相制约的代谢路径。通过向培养体系引入对胞内代谢循环具有特定影响作用的诱导物，如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸及乙酰CoA等，可以合理调节细胞内各种酶的活性水平和NADH浓度，从而影响TCA循环中各类反应的进行，间接对PHB循环起到相应的定向调控作用。其中0.2g/L的苹果酸对PHB循环的促进作用最为明显，菌体干重和胞内PHB含量分别可提高至3.32g/L和58.5％。
3.甲烷单加氧酶(MMO)、β-酮硫解酶、乙酰乙酰CoA还原酶、PHB合成酶及PHB降解酶在PHB合成途径中具有关键的催化作用。甲烷单加氧酶的活性随着胞内PHB积累持续下降，而胞内的高浓度PHB有助于维持其活性。β-酮硫解酶控制着反应体系进入PHB循环的入口，在其和乙酰乙酰CoA还原酶的共同作用下，聚合单体β-羟基丁酰被合成，二者活性在对数生长期达到峰值。PHB合成酶可将胞内的短链片段聚合，形成具有稳定高分子量的长链聚酯，当PHB合成酶活性达到最高值时，胞内PHB浓度也随之达到峰值。同时，随着PHB合成酶活性的升高，PHB降解酶的活性也同时升高，这间接说明了在PHB循环中，PHB的合成和降解实际上是同时发生的。PHB合成酶的活性高低对PHB的分子量有很重要的决定意义，但最终PHB的分子量依靠PHB合成酶和PHB降解酶的联合作用所决定。
4.建立了3-羟基丙酸甲酯的脂肪酶催化聚合反应体系。纯度为95％的化学合成单体能够在浓度为3wt％的脂肪酶Novozym435的催化作用下，于55℃、80kPa的温和条件下发生缩聚反应合成聚羟基丙酸酯(PHP)，30h内即可完成聚合，产率达85.1％。通过降低反应体系压力、选择疏水常数值(logP)大于4.0的有机溶剂体系及合适的表面活性剂，可有效提高聚合物产率和产物的分子量。ε-己内酯和3-羟基丙酸甲酯能够在Novozym435的催化作用下发生共聚反应，合成聚ε-己内酯-羟基丙酸酯。通过以上方式，可实现产物分子量在1800-21000范围内的有效调控。