论文部分内容阅读
聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是一种在营养不均衡条件下由微生物在细胞内合成的脂类物质。PHA具有与聚乙烯等以石油为原料的化学材料相似的物化特性,同时具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能,是有望替代化学材料、解决白色污染的环境友好型塑料。PHA合成的发展趋势是以混合菌替代传统的纯菌,利用廉价的有机物代替纯碳源作为底物来生产PHA,从而降低PHA的生产成本。近年来对利用混合菌合成PHA的合成工艺主要集中于以在Feast-Famine机制下发展起来的两段式和三段式活性污泥法PHA合成工艺。而上述两个工艺的核心都是产PHA菌群的富集。为此,如何高效稳定地获得具有高PHA合成能力的菌群成为混合菌合成PHA研究的重点。 本研究围绕PHA合成工艺中富集阶段的PHA合成菌群富集效果,接种嗜盐活性污泥,通过序批式反应器(SBR)以好氧瞬时进料方式(ADF)利用糖蜜酒精废水为碳源富集筛选具有PHA合成能力的嗜盐活性污泥。在研究中,采用长期实验研究了碳氮比(C/N比)、污泥停留时间(SRT)和进水底物浓度对富集菌群的影响。在关注合成能力,富集菌群组成,合成效率等基础上,本研究同时对实验中各条件下合成的PHA进行了结构和热力学性质分析,确定了产物PHA的组分组成和热力学性能。 在不同C/N比对富集体系的影响研究中,发现实施选择的C/N比越大,周期内F/F(Feast time/Famine time)比越大,嗜盐活性污泥的PHA合成能力越低。在低C/N比条件下,周期内的F/F比低,可以筛选出高底物利用率和高储存能力的PHA合成菌群。本实验中C/N比为20的富集反应器表现出了最佳的富集效果,最大PHA合成量达到细胞干重的59.64%。通过分析不同C/N比富集系统的PHA合成酶基因类型发现,经过不同C/N比的富集选择后,各系统内微生物的PHA合成酶基因类型并没有发生改变,只是数量上发生了不同程度的变化。富集的具有PHA积累能力的嗜盐污泥中PHA合成酶始终属于ClassⅡ和ClassⅣ。进一步研究发现实施的不同C/N比选择压会直接影响富集系统的优势种属。采用高通量测序技术深入研究富集系统的菌群结构发现,C/N=20系统内的PHA合成优势菌为Gammaproteobacteria和Rhodobacteraceae中的菌属。C/N=30系统内PHA合成优势菌为Gammaproteobacteria的菌属和Rhodobacteraceae的菌属。C/N=50系统内PHA合成优势菌为Vibrio菌属和Gammaproteobacteria菌属。 在不同SRT对富集体系的影响研究中,发现实施过长SRT会导致系统积累较多的惰性生物,不利于产PHA混合菌群的富集。过短SRT可能会将一部分PHA合成菌群淘汰出去,导致具有高活性的非PHA合成菌群大量富集成为优势菌群。因此,富集系统中应选择合适的SRT进行PHA合成菌的富集过程。本实验SRT为2d的富集反应器表现出了最佳的富集效果,最大PHA合成量达到细胞干重的56.24%。该实验所得结果一定程度上可以对以嗜盐活性污泥合成PHA工艺的运行提供参考。 在不同进水底物浓度对富集体系的影响研究中,发现进水底物浓度越高富集所得嗜盐活性污泥越倾向于利用底物合成细胞而不是PHA。而低进水底物条件可以筛选出高底物利用率和高储存能力的PHA合成菌群。本实验中进水底物浓度为600mg/L的富集反应器表现出了最佳的富集效果,最大PHA合成量均可达到细胞干重的59.64%。对富集系统中具有的PHA合成酶基因类型进行分析发现,不同进水底物浓度的选择不会影响菌群的PHA合成酶基因类型,PHA生物合成途径为ClassⅡ和ClassⅣ。进一步对富集系统进行高通量测序,结果表明进水底物浓度为600mg/L系统内的PHA合成优势菌为Gammaproteobacteria和Rhodobacteraceae中的菌属。进水底物浓度为900mg/L系统内PHA合成优势菌为Halomonas中的菌属和Paracoccus菌属。进水底物浓度为1500mg/L系统内PHA合成优势菌为Halomonas venusta和Halomonas alimentaria。