基于CiteSpace的PHA研究進展與熱點分析

楊雪，魏風軍

基于CiteSpace的PHA研究進展與熱點分析

楊雪，魏風軍*

（河南科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河南 洛陽 471023）

直觀把握PHA相關(guān)領(lǐng)域的研究進展和熱點，推動PHA領(lǐng)域的發(fā)展。以CNKI與Web of Science數(shù)據(jù)庫中近10年的相關(guān)文獻為對象，采用文獻計量方法，使用CiteSpace軟件繪制PHA研究知識圖譜。相關(guān)文獻的年度發(fā)文量不斷上升，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對PHA領(lǐng)域的關(guān)注度越來越高，國際PHA領(lǐng)域的跨單位合作比國內(nèi)更廣泛。該領(lǐng)域的研究力量遍布全球，其中清華大學(xué)、葡萄牙里斯本新大學(xué)、馬來西亞理科大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、布爾諾理工大學(xué)等機構(gòu)的貢獻突出、影響較大，陳國強是該領(lǐng)域發(fā)文量最多的學(xué)者。通過分析關(guān)鍵詞可知，目前對PHA的關(guān)注重點主要集中在力學(xué)性能、生物降解、混合菌群、活性污泥、除磷脫氮等方面。在未來的PHA研究中，PHA的增強改性、在活性污泥中提取PHA及生物法合成PHA仍是研究熱點。

聚羥基脂肪酸酯；知識圖譜；文獻計量法；可視化分析

高分子材料具有質(zhì)輕、加工性優(yōu)、阻透性好、成本低等優(yōu)勢，與金屬材料、無機非金屬材料并稱為三大材料。目前，高分子材料已成為人類日常生活、國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)材料[1-2]。21世紀以來，高分子材料的迅速發(fā)展也帶來了許多問題，廢舊塑料、廢舊橡膠輪胎、廢舊纖維制品等帶來的白色污染、黑色污染、彩色污染等問題嚴重危害了人類身體健康和自然生態(tài)環(huán)境[3]。近年來，在全球各國政策的推動下，隨著研發(fā)技術(shù)的持續(xù)突破，生物能源和生物制造產(chǎn)業(yè)已成為全球范圍內(nèi)的熱門發(fā)展領(lǐng)域[4-5]。開發(fā)可再生資源，特別是生物基材料，是未來取代石油等化石資源的主要物質(zhì)生產(chǎn)方式，同時也是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)能減排的關(guān)鍵途徑[6-7]。

聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）是一種廣泛存在于微生物胞內(nèi)且高度聚合的高分子生物聚酯。在碳源、氮源等養(yǎng)分失衡的情況下，微生物會將外在碳源轉(zhuǎn)化合成為PHA，并作為自身所需的碳源和能量儲存起來[8]。由于PHA具有良好的生物可降解性和生物相容性，因此它被公認為是極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色環(huán)保型高分子材料，在包裝[9]、醫(yī)藥[10]、化工[11]、農(nóng)業(yè)[12]、日用[13]等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

文獻計量學(xué)以科學(xué)文獻的內(nèi)容、關(guān)鍵詞、作者，以及所屬機構(gòu)、文獻發(fā)表時間、引用文獻等為研究對象，用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法分析科學(xué)文獻的學(xué)科分類、數(shù)量及變化，以及主要研究內(nèi)容和演變等，是一門起源于信息科學(xué)、定量化特征較強的交叉學(xué)科。近年來，文獻計量學(xué)作為一種利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計和信息挖掘進行科學(xué)分析的重要方法，已在眾多學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用[14]。文中借助CiteSpace可視化分析軟件對PHA領(lǐng)域近10年來國內(nèi)外公開發(fā)表的研究成果進行量化分析，旨在對PHA領(lǐng)域的研究成果進行數(shù)據(jù)挖掘與熱點討論，以期為PHA的研究方向和發(fā)展趨勢提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以中國知網(wǎng)（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）數(shù)據(jù)庫為中文文獻來源，數(shù)據(jù)檢索時間跨度為2013～2022年，檢索格式為：主題＝“PHA”或“聚羥基脂肪酸酯”或“聚羥基烷酸酯”。刪除相關(guān)度較低的文獻，將剩余的389篇文獻作為中文數(shù)據(jù)源。

以Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫為英文文獻來源，數(shù)據(jù)檢索時間跨度為2013～2022年，檢索格式為：Topic="polyhydroxyalkanoates"。刪除相關(guān)度較低的文獻，將剩余的2 971篇作為英文數(shù)據(jù)源。

1.2 研究方法

首先，利用2個數(shù)據(jù)庫的在線分析平臺對PHA領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)文數(shù)量和其他內(nèi)容進行初步分析。隨后，通過Microsoft Excel軟件對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和可視化分析。之后，將篩選出的國內(nèi)外文獻以Refworks格式導(dǎo)出，并以“download”作為文件名后綴保存為txt.格式。最后，利用CiteSpace軟件構(gòu)建了作者、機構(gòu)和關(guān)鍵詞等方面的知識圖譜（Mapping Knowledge Domains, MKD）[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年度發(fā)文量統(tǒng)計

年度發(fā)文量可以反映一定時間內(nèi)某研究領(lǐng)域的整體狀況，客觀地顯現(xiàn)該研究領(lǐng)域的研究過程和發(fā)展規(guī)律[16]。這里利用Microsoft Excel軟件對CNKI數(shù)據(jù)庫和WOS數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出的文獻進行統(tǒng)計分析，用Origin繪制出2013～2022年國內(nèi)外PHA研究領(lǐng)域的年度發(fā)文量圖，如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，WOS數(shù)據(jù)庫的PHA研究年度發(fā)文量總體上呈增長趨勢，說明在2013～2022年間PHA研究在國際上受到廣泛關(guān)注；在CNKI數(shù)據(jù)庫中，2013～2022年的年度發(fā)文量處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，年度發(fā)文量始終保持在30～50篇之間?？傮w而言，國際上有關(guān)PHA的研究仍然是一個熱點，有著很大的上升空間，而國內(nèi)則仍處于穩(wěn)定發(fā)展階段。

圖1 PHA領(lǐng)域年度發(fā)文量統(tǒng)計

2.2 作者與合作網(wǎng)絡(luò)分析

2.2.1 國內(nèi)作者與合作網(wǎng)絡(luò)分析

基于CNKI數(shù)據(jù)庫生成了PHA領(lǐng)域主要研究群體的共現(xiàn)圖譜，如圖2所示，相關(guān)作者的機構(gòu)、中心性和發(fā)文量如表1所示。從圖2和表1可以看出，國內(nèi)PHA研究領(lǐng)域的主要團體有8個。其中，陳國強團隊的發(fā)文量最大，緊隨其后的是于翔、陳志強、劉長莉團隊。

圖2 國內(nèi)主要研究群體共現(xiàn)圖譜

表1 國內(nèi)學(xué)者發(fā)文量、中心性分布

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

在作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜中，中介中心性是衡量節(jié)點在科研合作中的重要性指標。節(jié)點的中介中心性越高，表明該節(jié)點在科研合作中的地位越重要，在連接其他節(jié)點、促進知識交流和學(xué)術(shù)合作方面具有關(guān)鍵作用[17]。從中心性的角度來看，除了陳國強團隊，其他團隊成員的中心性都較低，表明這些團隊在發(fā)表中文論文時其成員間的合作大多局限在本單位內(nèi)，缺乏跨單位的合作。

2.2.2 國際作者與合作網(wǎng)絡(luò)分析

基于WOS數(shù)據(jù)庫生成PHA領(lǐng)域主要研究群體的共現(xiàn)MKD圖，如圖3所示，國際學(xué)者中心性與發(fā)文量分布見表2。在國際上，以Chen Guo-Qiang、Reis Maria A M、Bhatia Shashi Kant、Obruca Stanislav為首的科研團隊在PHA領(lǐng)域內(nèi)做出了重要貢獻。Chen Guo-Qiang教授來自清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，在合成生物學(xué)、微生物代謝工程、生物材料等領(lǐng)域具有較高的國際聲譽[18]。葡萄牙里斯本新大學(xué)的Reis Maria A M教授、澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Bhatia Shashi Kant教授和布爾諾理工大學(xué)的Obruca Stanislav教授等學(xué)者共同構(gòu)建了國際PHA領(lǐng)域的合作網(wǎng)絡(luò)，進而輻射出全球PHA研究的學(xué)術(shù)團隊共同體。

圖3 國際主要研究群體合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

表2 國際學(xué)者發(fā)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 國內(nèi)期刊

統(tǒng)計分析了CNKI數(shù)據(jù)庫的389篇PHA領(lǐng)域相關(guān)論文的發(fā)表期刊，結(jié)果表明，相關(guān)論文所在期刊較分散，絕大部分期刊的載文量僅1篇。其中，《塑料科技》的載文量（18篇）最高，其次為《生物工程學(xué)報》（14篇），緊隨其后的是《水處理技術(shù)》《環(huán)境工程學(xué)報》《中國塑料》等雜志。圖4中未列出的其余期刊的載文量均小于4篇。

圖4 CNKI數(shù)據(jù)庫中發(fā)文量前10位的期刊

2.3.2 國際期刊

基于WOS數(shù)據(jù)庫對PHA相關(guān)論文發(fā)表期刊進行可視化分析，并生成被引圖譜（圖5），發(fā)文/被引量分布見表3。由圖5和表3可知，Bioresource Technology的被引頻次最高，其次是Applied Microbiology and Biotechnology，表明這2本期刊在PHA領(lǐng)域的影響力較大。由表3可知，Bioresource Technology的載文量最高，其次是International Journal of Biological Macromolecules，其余期刊的載文量與二者存在一定差距。可見，Bioresource Technology和International Journal of Biological Macromolecules期刊的主題與PHA研究的契合度較高，是相關(guān)學(xué)者發(fā)表研究成果的主要期刊。

圖5 相關(guān)國際期刊被引節(jié)點圖譜

2.4 研究熱點分析與研究前沿預(yù)測

2.4.1 關(guān)鍵詞聚類分析

為了進一步了解目前國內(nèi)外PHA領(lǐng)域的研究熱點及其分布情況，基于CiteSpace軟件，對源自CNKI數(shù)據(jù)庫的389篇中文文獻和WOS數(shù)據(jù)庫的2 971篇英文文獻生成了關(guān)鍵詞聚類圖譜，如圖6所示。由圖6可知，PHA領(lǐng)域中文文獻的關(guān)鍵詞可分為8類，英文文獻的關(guān)鍵詞可分為5類，主要研究內(nèi)容見表4、表5。

2.4.2 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

相關(guān)研究領(lǐng)域在某一時期內(nèi)突然出現(xiàn)的關(guān)鍵詞及其持續(xù)時間可以揭示該領(lǐng)域的熱點和研究趨勢。突現(xiàn)強度指某一時間段內(nèi)關(guān)鍵詞引用量的變化情況，用于發(fā)現(xiàn)某個主題詞或關(guān)鍵詞的衰落或興起。突現(xiàn)強度越大，表示該關(guān)鍵詞引用量的變化越顯著，該指標可通過CiteSpace軟件的Burst detection功能實現(xiàn)。基于CiteSpace軟件對WOS和CNKI數(shù)據(jù)庫的PHA相關(guān)文獻進行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析，結(jié)果如圖7所示。

表3 相關(guān)國際期刊的載文量與被引頻次

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

圖6 相關(guān)中英文文獻關(guān)鍵詞聚類圖譜

表4 相關(guān)中文文獻關(guān)鍵詞聚類分析

Tab.4 Key word clustering analysis of related Chinese literature

表5 相關(guān)英文文獻關(guān)鍵詞聚類分析

Tab.5 Key word clustering analysis of related English literature

圖7 國內(nèi)外PHA領(lǐng)域關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖

基于CNKI數(shù)據(jù)庫的PHA領(lǐng)域關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖如圖7a所示。其中，“結(jié)晶性能[19]”“力學(xué)性能[20]”“生物塑料[21]”“厭氧釋磷[22]”等關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強度較高，表明PHA的結(jié)晶性能與力學(xué)性能、生物相容性、生物降解性，以及在生物除磷領(lǐng)域的應(yīng)用是當時PHA領(lǐng)域研究的重點。此外，“聚乳酸”“乙酸”等關(guān)鍵詞從2019年開始突現(xiàn)，并持續(xù)至今，表明通過改變菌種、給料、發(fā)酵過程等方式增加PHA組成結(jié)構(gòu)的多樣性和性能多樣化[23]是當前國內(nèi)PHA領(lǐng)域的研究趨勢。

基于WOS數(shù)據(jù)庫的PHA領(lǐng)域關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖如圖7b所示。早期的關(guān)鍵詞主要為“bacterial polyhydroxyalkanoate[24]”（細菌性聚羥基脂肪酸酯）、 “pseudomonas aeruginosa[25]”（綠膿桿菌）、“bacillus”[26]（芽孢桿菌），在此期間PHA研究主要以生物學(xué)領(lǐng)域為主，細菌合成PHA是一個研究熱點。2015年，隨著關(guān)鍵詞“mill waste water”（工業(yè)廢水）的出現(xiàn)，PHA研究逐步向除磷脫氮領(lǐng)域探索[27-28]，說明此期間PHA在生物除磷領(lǐng)域的應(yīng)用是一個研究熱點。此后，“mechanism”（力學(xué)性能）、“diversity”（多樣性）相繼出現(xiàn)，并持續(xù)到2022年，表明改變PHA結(jié)構(gòu)多樣性以提升其力學(xué)性能[29-30]將成為未來一段時間內(nèi)新的研究趨勢。

3 討論

PHA是一種在近20多年來迅速發(fā)展起來的由多種微生物合成的細胞內(nèi)聚酯，在生物體內(nèi)主要作為碳源和能源的儲存物質(zhì)，是一種天然的高分子生物材料[31]。整體來看，2013～2022年間，國外在PHA研究領(lǐng)域的文獻數(shù)量持續(xù)增加，而國內(nèi)則保持相對穩(wěn)定。盡管國內(nèi)該領(lǐng)域的研究文獻數(shù)量相對穩(wěn)定，但自2013年以來，隨著研究的不斷深入，文章的質(zhì)量得到顯著提高，研究重心也逐漸從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`與應(yīng)用。綜合2013～2022年國內(nèi)外已有文獻來看，未來PHA研究的熱點和方向主要有以下4個方面。

1）PHA的改性。PHA具有類似于合成塑料的物理特性，以及獨特的生物降解性、生物相容性、氣體阻隔性等，因此可以在某些方面減少對石油的依賴，對環(huán)境治理具有積極作用。然而，PHA的力學(xué)性能較差，與通用塑料相比，還存在較大差距。為了提高PHA的力學(xué)性能、流變性能、加工性能等，大量學(xué)者采用生物共混、物理共混、化學(xué)共混等方法對其進行增強改性[32-33]，使PHA在可生物降解的包裝材料、組織工程材料、緩釋材料、電學(xué)材料及醫(yī)療材料等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[34]。

2）污泥資源利用。污泥是一種成分復(fù)雜的膠體物質(zhì)，是水質(zhì)凈化過程的副產(chǎn)物。城市污水處理廠中的活性污泥含有多種微生物和大量碳源，這些碳源可用于PHA的合成。利用活性污泥生產(chǎn)PHA，并與污水處理過程相結(jié)合，既可以降解有機污染物，又可以減少污泥產(chǎn)量，同時還可將污染物轉(zhuǎn)化為具有利用價值且環(huán)境友好的生物塑料，對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大的現(xiàn)實意義[35-37]。盡管利用活性污泥合成PHA的生產(chǎn)工藝取得了重大進展，但針對活性污泥中PHA提取的研究相對較少。此外，PHA生產(chǎn)過程的高成本進一步阻礙了生物聚合物的開發(fā)和應(yīng)用，因此未來應(yīng)更關(guān)注如何高效地從活性污泥中提取PHA。

3）生物合成。近年來，生物法合成PHA受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的化學(xué)合成法相比，微生物合成高分子PHA具有反應(yīng)條件溫和，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品對環(huán)境友好等優(yōu)勢[38]。在傳統(tǒng)生物合成工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較廣的微生物有大腸桿菌[39]、真氧產(chǎn)堿桿菌[40]和假單胞菌[41]等，針對這些菌株的基因組信息、基因改造方法、發(fā)酵過程控制等方面的研究較深入，并在國內(nèi)外取得了一系列研究成果。為了保證菌種的無菌生長環(huán)境，需要投入大量能源產(chǎn)生蒸汽進行滅菌，或者采取復(fù)雜的防污染措施，導(dǎo)致生產(chǎn)的能耗成本和過程控制成本居高不下[42]。未來的研究需要開發(fā)更簡便、節(jié)能、經(jīng)濟的生物合成技術(shù)。

4）混合菌群發(fā)酵。目前，大多研究通過適當調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝[43-44]（如培養(yǎng)方式、DO值、pH、C/N比等）和改造細菌基因，或利用廉價[45]、可再生的農(nóng)林廢棄物作為傳統(tǒng)原料的替代品[46]來提高PHA的產(chǎn)量，從而極大地節(jié)約了原料成本。由于PHA的生產(chǎn)成本較高，且產(chǎn)量相對較低，大多數(shù)研究仍停留在實驗室階段，如何實現(xiàn)PHA工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化依然是當今面臨的主要挑戰(zhàn)[47]。自然界中多種革蘭氏陽性菌和陰性菌都具有PHA合成能力[48]，利用自然形成的混合菌群可以在開放環(huán)境中進行發(fā)酵，無需采取嚴格的無菌措施。同時，混合菌群可以利用低品質(zhì)、廉價的富含碳源的原料（纖維素水解液、市政污泥發(fā)酵液、啤酒廢水、粗甘油）[49]合成PHA?？梢娎没旌暇荷a(chǎn)PHA在降低生產(chǎn)成本方面具有明顯優(yōu)勢。

文中選取了2013～2022年間的PHA領(lǐng)域相關(guān)研究數(shù)據(jù)，利用CiteSpace軟件對年度發(fā)文量、學(xué)科分布和關(guān)鍵詞突現(xiàn)等內(nèi)容進行了可視化分析，并繪制了相應(yīng)的知識圖譜。這些結(jié)果不僅揭示了PHA領(lǐng)域的核心作者團隊、主要發(fā)表期刊，以及具有影響力的研究機構(gòu)等關(guān)鍵信息，還預(yù)測了未來PHA領(lǐng)域可能的研究熱點，為后續(xù)的相關(guān)研究提供了一些思路。由于文中僅選擇了2013～2022年間的相關(guān)文獻進行分析，并未涵蓋PHA領(lǐng)域的全部文獻，研究結(jié)果并未完整展現(xiàn)出PHA領(lǐng)域的發(fā)展歷程，因此未來的研究應(yīng)該對所有相關(guān)文獻進行整理和分析，以便更全面地了解PHA領(lǐng)域的整體發(fā)展情況。此外，還可以結(jié)合其他分析方法，從不同角度對PHA領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和未來趨勢進行更深入的研究。

隨著宏觀經(jīng)濟的發(fā)展和人們對可持續(xù)替代能源的關(guān)注日益增加，PHA受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。在國家政策和市場需求的雙重推動下，PHA相關(guān)研究將更加深入，合成方法與應(yīng)用領(lǐng)域也將朝著更精確的方向發(fā)展，因此PHA性能的完善和應(yīng)用，以及合成方法的多樣化開發(fā)，將成為生物材料可持續(xù)發(fā)展的研究熱點。

4 結(jié)論

1）2013～2022年，國際上針對PHA研究的發(fā)文量總體呈增長趨勢，而國內(nèi)的相關(guān)論文數(shù)量始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)。該領(lǐng)域的研究力量遍布全球，其中清華大學(xué)、葡萄牙里斯本新大學(xué)、馬來西亞理科大學(xué)、昆士蘭大學(xué)、布爾諾理工大學(xué)等機構(gòu)貢獻突出、影響較大。清華大學(xué)陳國強是該領(lǐng)域發(fā)文量最多的學(xué)者，以他為首的作者群體在國內(nèi)及國際上的PHA相關(guān)領(lǐng)域均做出了突出貢獻。

2）通過分析文獻關(guān)鍵詞可知，PHA領(lǐng)域的研究熱點主要在力學(xué)性能、生物合成、混合菌群、活性污泥、除磷脫氮等方面。在未來的研究中，以下方向仍是熱點：以增加PHA結(jié)構(gòu)多樣性為基礎(chǔ)，對其增強改性，以拓寬應(yīng)用范圍；在活性污泥中提取PHA，同時實現(xiàn)生物除磷脫氮；利用生物法合成PHA或混合菌群發(fā)酵，降低PHA生產(chǎn)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

國家自然科學(xué)基金（51675162）