活性污泥合成PHAs的饥饿丰盛模式耦合磁场作用机理

论文摘要

聚羟基脂肪酸酯（Polyhydrocylkanotes，PHAs）不但与化学塑料性质相似，而且具有生物相容性、可完全生物降解，因而作为一种非常有前景的合成塑料替代品而日益受到关注。但较高的生产成本使生物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯的大规模使用受到限制。在所有利用微生物合成PHAs方法中，好氧瞬时供料法由于高的PHAs合成能力及可利用混合菌群（如活性污泥）和有机废弃物合成PHAs等特点，成为目前最具应用前景的技术。利用磁场的生物效应，耦合好氧瞬时供料工艺（饥饿-丰盛模式），将市政污泥污水处理厂的剩余活性污泥培养成具有高PHAs存储能力的微生物，同时，选用酸化常见产物乙酸、丙酸、丁酸为底物，进行磁场耦合饥饿-丰盛模式条件下的PHAs合成实验，分别考察了磁场强度、底物组成、C：N等因子的影响，并对各因子进行优化实验；采用现代化分析技术，阐述磁场与饥饿丰盛模式耦合作用的机理。研究结果发现，初始负荷及饥饿-丰盛期比例是驯化高PHAs存储能力微生物的关键因素。初始底物浓度为360mgCOD/1，逐渐增加浓度到6480mgCOD/1，饥饿-丰盛期比例为3：1时，微生物体内PHAs含量从8．74％增加到50．24％，且系统稳定运行。低初始浓度，有利于高存储能力微生物形成优势菌种。磁场耦合饥饿丰盛模式可以进一步提高微生物体内PHAs的含量，可达66．2％。微生物体内PHAs及HB、HV单体分别在不同磁场强度达到峰值，PHA含量在磁场强度为11mT时最高，在磁场强度为42mT时最低；而HB含量在磁场强度为7mT时达到最高，在磁场强度为42mT时最低；HV含量在磁场强度为21mT时达到最高，在磁场强度为42mT时最低。微生物中PHAs合成率随C：N的升高而上升，在C：N为100：1左右，达到峰值，而活性微生物产率随C：N比的上升呈下降趋势；磁场存在时，微生物中的PHAs合成率随C：N变化趋势没有改变，但合成率均有所提高。根据正交实验结果直观分析，各因素对实验结果的重要性依次为磁场强度、C：N、pH。最优化实验组合为磁场强度取12mT，NH3-N浓度3．5mg/L（C：N为160：1）、初始pH值7．0。底物类型及组成比例对微生物中PHAs的合成率、单体HV/HB的比例具有显著的影响。以单一乙酸、丙酸、丁酸为底物时，乙酸和丁酸合成的是HB单体、丙酸合成的是HV单体。用乙酸作底物时，大部分的底物（约55％）是用来进行存储能量，而用于维持微生物生命活动的底物占20％左右，其余用来供应微生物的生长，即合成细胞质，而用丙酸和丁酸做底物时，约有25％左右的底物用来储存，一半左右的底物是用来供应细胞生长，其余用来维持微生物的生命活动。三种酸中，乙酸是最易合成PHAs的底物。磁场使微生物吸收底物后的能量分配比例发生了变化，磁场强度为7mT，以乙酸或丁酸为底物，微生物PHAs产量YPHA在磁场强度为7mT时达到峰值，分别为0．70（mgCOD/mgCOD）、0．28（mgCOD/mgCOD）；丙酸为底物，PHA产量YPHA在磁场强度21mT时达到峰值，为0．31（mgCOD/mgCOD）。磁场对微生物吸收乙酸后的能量分配比例变化影响最大。底物中乙酸/丙酸与聚合物中HV/HB存在一定的对应关系，经拟合可知两者基本呈线性相关，磁场的存在使各直线的斜率发生变化。磁场为优化PHAs中HV、HB比例，从而为优化PHAs的性能，提供一条新路径。采用分子生态学技术（PCR-DGGE及16S rDNA鉴定）观察污泥中微生物群落特征的变化，结果表明，磁场强度使微生物群落特征发生了变化，在0mT磁场强度作用下，微生物群落以Leadbetterella byssophila属（屈挠杆菌属）占主导地位；在7mT磁场强度作用下，微生物群落以Unidentified bacterium，（AY34413）占主导地位；在21mT磁场强度作用下，微生物群落以Clostridium属、Alkaliphilus属（梭菌属）占主导地位；在42mT磁场强度作用下，微生物群落以Flavobacterium属（黄杆菌属）占主导地位。通过代谢通量分析可知，磁场影响PHAs合成的根本原因是它增加了碳源（乙酸）在代谢过程中向HB合成路径转化的量，在7mT时乙酰辅酶A进入合成HB途径的通量是进入TCA循环途径的2．7倍；而在42mT时乙酰辅酶A进入合成HB途径的通量是进入TCA循环途径的0．9倍；在0mT时乙酰辅酶A进入合成HB途径的通量是进入TCA循环途径的1．4倍。磁场为提高活性污泥中PHAs的合成率提供了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 课题背景
• 2 文献综述
• 2.1 前言
• 2.2 PHAs结构、性质及应用
• 2.2.1 PHAs的结构
• 2.2.2 PHAs的性质
• 2.2.3 PHAs的应用
• 2.3 微生物生产PHAs的近期发展
• 2.3.1 纯菌种合成法
• 2.3.2 混合菌种合成法
• 2.4 磁场的生物效应
• 2.4.1 磁场对酶的影响
• 2.4.2 磁场对酶活性的影响
• 2.4.3 磁场对酶构象的影响
• 2.4.4 磁场对酶促反应动力学的影响
• 2.4.5 磁场对遗传物质的影响
• 2.4.6 磁场对生物膜的影响
• 2.4.7 磁场对细胞微结构的影响
• 2.4.8 磁场对细胞增殖的影响
• 2.4.9 磁场效应在水处理中的应用
• 2.5 本论文的研究目的及工作设想
• 参考文献
• 3 实验装置与测试方法
• 3.1 仪器与试剂
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 实验试剂
• 3.2 实验装置
• 3.3 检测及分析方法
• 参考文献
• 4 高PHAs储存能力污泥的驯化
• 4.1 实验过程
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 驯化模式的确定
• 4.2.2 恒稳磁场的影响
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 5 磁场作用下PHAs合成影响因素探讨
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 运行周期的变化情况
• 5.2.2 不同磁场强度下PHB、PHV和PHAs的合成情况
• 5.2.3 不同碳氮比对PHA合成的影响
• 5.2.4 正交实验优化PHAs的合成工艺
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 6 磁场作用下底物与PHAs合成的关系
• 6.1 实验过程
• 6.2 计算过程
• 6.3 结果讨论与分析
• 6.3.1 不同单一底物对合成PHAs的影响
• 6.3.2 混合底物对PHAs合成的影响
• 6.3.3 磁场作用下底物组成与HB/HV之间的关系
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 7 磁场耦合饥饿-丰盛模式作用机理探讨
• 7.1 实验过程
• 7.2 分析及计算方法
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 形态特征的变化
• 7.3.2 不同磁场强度下污泥中微生物群落特征的分析
• 7.3.3 磁场耦合饥饿丰盛模式下微生物代谢通量的分析
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 8 结论和建议
• 8.1 结论
• 8.2 论文主要创新点
• 8.3 建议和展望
• 附录 微生物中PHB提取条件的优化
• 致谢
• 作者简介