基于CiteSpace的PHA研究进展与热点分析

杨雪，魏风军

基于CiteSpace的PHA研究进展与热点分析

杨雪，魏风军*

（河南科技大学 艺术与设计学院，河南 洛阳 471023）

直观把握PHA相关领域的研究进展和热点，推动PHA领域的发展。以CNKI与Web of Science数据库中近10年的相关文献为对象，采用文献计量方法，使用CiteSpace软件绘制PHA研究知识图谱。相关文献的年度发文量不断上升，国内外学术界对PHA领域的关注度越来越高，国际PHA领域的跨单位合作比国内更广泛。该领域的研究力量遍布全球，其中清华大学、葡萄牙里斯本新大学、马来西亚理科大学、昆士兰大学、布尔诺理工大学等机构的贡献突出、影响较大，陈国强是该领域发文量最多的学者。通过分析关键词可知，目前对PHA的关注重点主要集中在力学性能、生物降解、混合菌群、活性污泥、除磷脱氮等方面。在未来的PHA研究中，PHA的增强改性、在活性污泥中提取PHA及生物法合成PHA仍是研究热点。

聚羟基脂肪酸酯；知识图谱；文献计量法；可视化分析

高分子材料具有质轻、加工性优、阻透性好、成本低等优势，与金属材料、无机非金属材料并称为三大材料。目前，高分子材料已成为人类日常生活、国民经济发展和国防建设不可或缺的基础材料[1-2]。21世纪以来，高分子材料的迅速发展也带来了许多问题，废旧塑料、废旧橡胶轮胎、废旧纤维制品等带来的白色污染、黑色污染、彩色污染等问题严重危害了人类身体健康和自然生态环境[3]。近年来，在全球各国政策的推动下，随着研发技术的持续突破，生物能源和生物制造产业已成为全球范围内的热门发展领域[4-5]。开发可再生资源，特别是生物基材料，是未来取代石油等化石资源的主要物质生产方式，同时也是实现循环经济和节能减排的关键途径[6-7]。

聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）是一种广泛存在于微生物胞内且高度聚合的高分子生物聚酯。在碳源、氮源等养分失衡的情况下，微生物会将外在碳源转化合成为PHA，并作为自身所需的碳源和能量储存起来[8]。由于PHA具有良好的生物可降解性和生物相容性，因此它被公认为是极具发展潜力的绿色环保型高分子材料，在包装[9]、医药[10]、化工[11]、农业[12]、日用[13]等方面具有广泛的应用前景。

文献计量学以科学文献的内容、关键词、作者，以及所属机构、文献发表时间、引用文献等为研究对象，用数学和统计学方法分析科学文献的学科分类、数量及变化，以及主要研究内容和演变等，是一门起源于信息科学、定量化特征较强的交叉学科。近年来，文献计量学作为一种利用数学统计和信息挖掘进行科学分析的重要方法，已在众多学科中得到广泛应用[14]。文中借助CiteSpace可视化分析软件对PHA领域近10年来国内外公开发表的研究成果进行量化分析，旨在对PHA领域的研究成果进行数据挖掘与热点讨论，以期为PHA的研究方向和发展趋势提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以中国知网（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）数据库为中文文献来源，数据检索时间跨度为2013～2022年，检索格式为：主题＝“PHA”或“聚羟基脂肪酸酯”或“聚羟基烷酸酯”。删除相关度较低的文献，将剩余的389篇文献作为中文数据源。

以Web of Science（WOS）数据库为英文文献来源，数据检索时间跨度为2013～2022年，检索格式为：Topic="polyhydroxyalkanoates"。删除相关度较低的文献，将剩余的2 971篇作为英文数据源。

1.2 研究方法

首先，利用2个数据库的在线分析平台对PHA领域内的发文数量和其他内容进行初步分析。随后，通过Microsoft Excel软件对这些数据进行统计和可视化分析。之后，将筛选出的国内外文献以Refworks格式导出，并以“download”作为文件名后缀保存为txt.格式。最后，利用CiteSpace软件构建了作者、机构和关键词等方面的知识图谱（Mapping Knowledge Domains, MKD）[15]。

2 结果与分析

2.1 年度发文量统计

年度发文量可以反映一定时间内某研究领域的整体状况，客观地显现该研究领域的研究过程和发展规律[16]。这里利用Microsoft Excel软件对CNKI数据库和WOS数据库中导出的文献进行统计分析，用Origin绘制出2013～2022年国内外PHA研究领域的年度发文量图，如图1所示。从图1中可以发现，WOS数据库的PHA研究年度发文量总体上呈增长趋势，说明在2013～2022年间PHA研究在国际上受到广泛关注；在CNKI数据库中，2013～2022年的年度发文量处于一个动态平衡状态，年度发文量始终保持在30～50篇之间。总体而言，国际上有关PHA的研究仍然是一个热点，有着很大的上升空间，而国内则仍处于稳定发展阶段。

图1 PHA领域年度发文量统计

2.2 作者与合作网络分析

2.2.1 国内作者与合作网络分析

基于CNKI数据库生成了PHA领域主要研究群体的共现图谱，如图2所示，相关作者的机构、中心性和发文量如表1所示。从图2和表1可以看出，国内PHA研究领域的主要团体有8个。其中，陈国强团队的发文量最大，紧随其后的是于翔、陈志强、刘长莉团队。

图2 国内主要研究群体共现图谱

表1 国内学者发文量、中心性分布

Tab.1 Distribution of the number of publications and centrality of Chinese scholars

在作者合作网络图谱中，中介中心性是衡量节点在科研合作中的重要性指标。节点的中介中心性越高，表明该节点在科研合作中的地位越重要，在连接其他节点、促进知识交流和学术合作方面具有关键作用[17]。从中心性的角度来看，除了陈国强团队，其他团队成员的中心性都较低，表明这些团队在发表中文论文时其成员间的合作大多局限在本单位内，缺乏跨单位的合作。

2.2.2 国际作者与合作网络分析

基于WOS数据库生成PHA领域主要研究群体的共现MKD图，如图3所示，国际学者中心性与发文量分布见表2。在国际上，以Chen Guo-Qiang、Reis Maria A M、Bhatia Shashi Kant、Obruca Stanislav为首的科研团队在PHA领域内做出了重要贡献。Chen Guo-Qiang教授来自清华大学生命科学学院，在合成生物学、微生物代谢工程、生物材料等领域具有较高的国际声誉[18]。葡萄牙里斯本新大学的Reis Maria A M教授、澳大利亚昆士兰大学的Bhatia Shashi Kant教授和布尔诺理工大学的Obruca Stanislav教授等学者共同构建了国际PHA领域的合作网络，进而辐射出全球PHA研究的学术团队共同体。

图3 国际主要研究群体合作网络图谱

表2 国际学者发文量、中心性分布

Tab.2 Distribution of the number of publications and centrality of international scholars

2.3 期刊分析

2.3.1 国内期刊

统计分析了CNKI数据库的389篇PHA领域相关论文的发表期刊，结果表明，相关论文所在期刊较分散，绝大部分期刊的载文量仅1篇。其中，《塑料科技》的载文量（18篇）最高，其次为《生物工程学报》（14篇），紧随其后的是《水处理技术》《环境工程学报》《中国塑料》等杂志。图4中未列出的其余期刊的载文量均小于4篇。

图4 CNKI数据库中发文量前10位的期刊

2.3.2 国际期刊

基于WOS数据库对PHA相关论文发表期刊进行可视化分析，并生成被引图谱（图5），发文/被引量分布见表3。由图5和表3可知，Bioresource Technology的被引频次最高，其次是Applied Microbiology and Biotechnology，表明这2本期刊在PHA领域的影响力较大。由表3可知，Bioresource Technology的载文量最高，其次是International Journal of Biological Macromolecules，其余期刊的载文量与二者存在一定差距。可见，Bioresource Technology和International Journal of Biological Macromolecules期刊的主题与PHA研究的契合度较高，是相关学者发表研究成果的主要期刊。

图5 相关国际期刊被引节点图谱

2.4 研究热点分析与研究前沿预测

2.4.1 关键词聚类分析

为了进一步了解目前国内外PHA领域的研究热点及其分布情况，基于CiteSpace软件，对源自CNKI数据库的389篇中文文献和WOS数据库的2 971篇英文文献生成了关键词聚类图谱，如图6所示。由图6可知，PHA领域中文文献的关键词可分为8类，英文文献的关键词可分为5类，主要研究内容见表4、表5。

2.4.2 关键词突现分析

相关研究领域在某一时期内突然出现的关键词及其持续时间可以揭示该领域的热点和研究趋势。突现强度指某一时间段内关键词引用量的变化情况，用于发现某个主题词或关键词的衰落或兴起。突现强度越大，表示该关键词引用量的变化越显著，该指标可通过CiteSpace软件的Burst detection功能实现。基于CiteSpace软件对WOS和CNKI数据库的PHA相关文献进行关键词突现分析，结果如图7所示。

表3 相关国际期刊的载文量与被引频次

Tab.3 Number of publications and citations of related international journals

图6 相关中英文文献关键词聚类图谱

表4 相关中文文献关键词聚类分析

Tab.4 Key word clustering analysis of related Chinese literature

表5 相关英文文献关键词聚类分析

Tab.5 Key word clustering analysis of related English literature

图7 国内外PHA领域关键词突现图

基于CNKI数据库的PHA领域关键词突现图如图7a所示。其中，“结晶性能[19]”“力学性能[20]”“生物塑料[21]”“厌氧释磷[22]”等关键词的突现强度较高，表明PHA的结晶性能与力学性能、生物相容性、生物降解性，以及在生物除磷领域的应用是当时PHA领域研究的重点。此外，“聚乳酸”“乙酸”等关键词从2019年开始突现，并持续至今，表明通过改变菌种、给料、发酵过程等方式增加PHA组成结构的多样性和性能多样化[23]是当前国内PHA领域的研究趋势。

基于WOS数据库的PHA领域关键词突现图如图7b所示。早期的关键词主要为“bacterial polyhydroxyalkanoate[24]”（细菌性聚羟基脂肪酸酯）、 “pseudomonas aeruginosa[25]”（绿脓杆菌）、“bacillus”[26]（芽孢杆菌），在此期间PHA研究主要以生物学领域为主，细菌合成PHA是一个研究热点。2015年，随着关键词“mill waste water”（工业废水）的出现，PHA研究逐步向除磷脱氮领域探索[27-28]，说明此期间PHA在生物除磷领域的应用是一个研究热点。此后，“mechanism”（力学性能）、“diversity”（多样性）相继出现，并持续到2022年，表明改变PHA结构多样性以提升其力学性能[29-30]将成为未来一段时间内新的研究趋势。

3 讨论

PHA是一种在近20多年来迅速发展起来的由多种微生物合成的细胞内聚酯，在生物体内主要作为碳源和能源的储存物质，是一种天然的高分子生物材料[31]。整体来看，2013～2022年间，国外在PHA研究领域的文献数量持续增加，而国内则保持相对稳定。尽管国内该领域的研究文献数量相对稳定，但自2013年以来，随着研究的不断深入，文章的质量得到显著提高，研究重心也逐渐从理论转向实践与应用。综合2013～2022年国内外已有文献来看，未来PHA研究的热点和方向主要有以下4个方面。

1）PHA的改性。PHA具有类似于合成塑料的物理特性，以及独特的生物降解性、生物相容性、气体阻隔性等，因此可以在某些方面减少对石油的依赖，对环境治理具有积极作用。然而，PHA的力学性能较差，与通用塑料相比，还存在较大差距。为了提高PHA的力学性能、流变性能、加工性能等，大量学者采用生物共混、物理共混、化学共混等方法对其进行增强改性[32-33]，使PHA在可生物降解的包装材料、组织工程材料、缓释材料、电学材料及医疗材料等方面展现出广阔的应用前景[34]。

2）污泥资源利用。污泥是一种成分复杂的胶体物质，是水质净化过程的副产物。城市污水处理厂中的活性污泥含有多种微生物和大量碳源，这些碳源可用于PHA的合成。利用活性污泥生产PHA，并与污水处理过程相结合，既可以降解有机污染物，又可以减少污泥产量，同时还可将污染物转化为具有利用价值且环境友好的生物塑料，对可持续发展战略具有重大的现实意义[35-37]。尽管利用活性污泥合成PHA的生产工艺取得了重大进展，但针对活性污泥中PHA提取的研究相对较少。此外，PHA生产过程的高成本进一步阻碍了生物聚合物的开发和应用，因此未来应更关注如何高效地从活性污泥中提取PHA。

3）生物合成。近年来，生物法合成PHA受到了广泛关注。与传统的化学合成法相比，微生物合成高分子PHA具有反应条件温和，生产过程和产品对环境友好等优势[38]。在传统生物合成工业生产中，应用较广的微生物有大肠杆菌[39]、真氧产碱杆菌[40]和假单胞菌[41]等，针对这些菌株的基因组信息、基因改造方法、发酵过程控制等方面的研究较深入，并在国内外取得了一系列研究成果。为了保证菌种的无菌生长环境，需要投入大量能源产生蒸汽进行灭菌，或者采取复杂的防污染措施，导致生产的能耗成本和过程控制成本居高不下[42]。未来的研究需要开发更简便、节能、经济的生物合成技术。

4）混合菌群发酵。目前，大多研究通过适当调节生产工艺[43-44]（如培养方式、DO值、pH、C/N比等）和改造细菌基因，或利用廉价[45]、可再生的农林废弃物作为传统原料的替代品[46]来提高PHA的产量，从而极大地节约了原料成本。由于PHA的生产成本较高，且产量相对较低，大多数研究仍停留在实验室阶段，如何实现PHA工业化生产的转化依然是当今面临的主要挑战[47]。自然界中多种革兰氏阳性菌和阴性菌都具有PHA合成能力[48]，利用自然形成的混合菌群可以在开放环境中进行发酵，无需采取严格的无菌措施。同时，混合菌群可以利用低品质、廉价的富含碳源的原料（纤维素水解液、市政污泥发酵液、啤酒废水、粗甘油）[49]合成PHA。可见利用混合菌群生产PHA在降低生产成本方面具有明显优势。

文中选取了2013～2022年间的PHA领域相关研究数据，利用CiteSpace软件对年度发文量、学科分布和关键词突现等内容进行了可视化分析，并绘制了相应的知识图谱。这些结果不仅揭示了PHA领域的核心作者团队、主要发表期刊，以及具有影响力的研究机构等关键信息，还预测了未来PHA领域可能的研究热点，为后续的相关研究提供了一些思路。由于文中仅选择了2013～2022年间的相关文献进行分析，并未涵盖PHA领域的全部文献，研究结果并未完整展现出PHA领域的发展历程，因此未来的研究应该对所有相关文献进行整理和分析，以便更全面地了解PHA领域的整体发展情况。此外，还可以结合其他分析方法，从不同角度对PHA领域的研究现状和未来趋势进行更深入的研究。

随着宏观经济的发展和人们对可持续替代能源的关注日益增加，PHA受到了越来越多学者的关注。在国家政策和市场需求的双重推动下，PHA相关研究将更加深入，合成方法与应用领域也将朝着更精确的方向发展，因此PHA性能的完善和应用，以及合成方法的多样化开发，将成为生物材料可持续发展的研究热点。

4 结论

1）2013～2022年，国际上针对PHA研究的发文量总体呈增长趋势，而国内的相关论文数量始终处于动态平衡状态。该领域的研究力量遍布全球，其中清华大学、葡萄牙里斯本新大学、马来西亚理科大学、昆士兰大学、布尔诺理工大学等机构贡献突出、影响较大。清华大学陈国强是该领域发文量最多的学者，以他为首的作者群体在国内及国际上的PHA相关领域均做出了突出贡献。

2）通过分析文献关键词可知，PHA领域的研究热点主要在力学性能、生物合成、混合菌群、活性污泥、除磷脱氮等方面。在未来的研究中，以下方向仍是热点：以增加PHA结构多样性为基础，对其增强改性，以拓宽应用范围；在活性污泥中提取PHA，同时实现生物除磷脱氮；利用生物法合成PHA或混合菌群发酵，降低PHA生产成本。

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CiteSpace-based PHA Research Progress and Hot Spot Analysis

YANG Xue, WEI Fengjun*

(School of Art and Design, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China)

The work aims to intuitively master the research progress and hot spots in PHA-related fields and promote the development of PHA field. With the related literature in CNKI and Web of Science in the past ten years as the objects, the knowledge map of PHA research was drawn by the CiteSpace software with the bibliometric method. The annual number of publications of related literature increases continuously, the academic communities in China and abroad are paying more and more attention to the PHA field, and the cross-unit cooperation in the international PHA field is more extensive than that in China. The research power in this field is spread all over the world, among which Tsinghua University, NOVA Univ Lisbon, University of Science Malaysia, University of Queensland, and Brno University of Technology are prominent in their contribution and influence. CHEN Guoqiang is the scholar with the largest number of publications in this field. Key word analysis shows that the current focus of attention on PHA is mainly concentrated on mechanical properties, biodegradation, mixed flora, activated sludge, phosphorus and nitrogen removal. In the future research, enhanced modification of PHA based on increasing its structural diversity, extraction of PHA in activated sludge and biological phosphorus removal and nitrogen removal, biosynthesis of PHA, and mixed bacterial colony fermentation will be the future research trends in the field of PHA.

polyhydroxyalkanoate; knowledge map; bibliometric method; visual analysis

TB324；G353.1

A

1001-3563(2024)01-0081-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.010

2023-10-30

国家自然科学基金（51675162）