甘蔗糖蜜废水制苯乙醇的细胞群体协同作用及调控研究

论文摘要

由于环境保护及可持续发展的需求，废水资源化利用正在成为一个研究热点。鉴于此，本课题开展了甘蔗糖蜜废水资源化利用发酵制2-苯乙醇的研究。首先，通过重复批式培养策略筛选到能耐受6g/L2-苯乙醇的微生物混合培养物。其次，结合过程参数优化，在温度35℃，pH7.0和空气流量0.8vvm的条件下，获得了988mg/L的最大2-苯乙醇生产。随后，在内气升式环流反应器中执行2-苯乙醇连续生产，在水力停留时间为4天时，最高2-苯乙醇产量能达到838mg/L（相对得率8.4mg/g-COD）。最后，利用rDNA PCR-DGGE技术，解析了微生物混合培养物的群落结构演变及功能特征。为阐明微生物混合培养物应对非生物参数改变增强2-苯乙醇生产的协同作用机制，研究采用GC-MS和LC-MS/MS技术，定性定量鉴定了102种胞内代谢物；结合PCA及PLS多变量统计分析，按照VIP得分，指出11种差异代谢物Phe、USFA18、PYR、Tyr、Trp、Glu、Pro、ACE、LAC、Thr和Leu是具有增强2-苯乙醇生产能力的潜在靶调控因子。进一步，通过执行理性补料试验，分批组合补料后2-苯乙醇的产量由补料前的988mg/L增加到1627mg/L，提高了64.7%。连续定期间隔组合补料后，在反应器稳定运行阶段平均2-苯乙醇产量较补料前提高了71.7%，达1437mg/L，相对得率提高了58.3%，平均为13.3mg/g-COD，COD去除率提高了9.3%，平均达83.7%，较补料前明显具有更高浓度的2-苯乙醇生产及有机负荷去除率。经过资源化利用，甘蔗糖蜜废水的COD已经由原始的130g/L明显降低至21g/L，但仍有较高浓度的COD及色度残留，因此，研究进一步对发酵出水进行深度处理。经过UASB一级厌氧处理，COD有效去除率可达83.8%，最高甲烷产量能达367mL/g-COD。经过AF二级厌氧处理，COD去除率为94.3%，最终出水COD为197mg/L，可达国家二级排放标准（GB8978-1996）。经过BAF深度曝气处理，除氨氮外，出水COD、BOD、SS及pH均能达到国家一级排放标准（GB8978-1996）。最后，研究采用UASB+AF+BAF组合装置对发酵出水进行连续处理，经过40d的运行，耦合装置表现出较独立反应器更高的性能，各项出水指标均达到国家一级排放标准（GB8978-1996）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 2-苯乙醇概述
• 1.2.1 2-苯乙醇的理化性质
• 1.2.2 2-苯乙醇的功能用途
• 1.2.3 化学合成法产 2-苯乙醇
• 1.2.4 生物转化法产 2-苯乙醇
• 1.3 甘蔗糖蜜废水及其资源化利用研究进展
• 1.4 微生物混合培养物的应用及分子生态学研究
• 1.4.1 微生物混合培养物的应用
• 1.4.2 微生物混合培养物分子生态学研究
• 1.5 微生物代谢组学研究进展
• 1.5.1 系统生物学研究范畴
• 1.5.2 代谢组学定义
• 1.5.3 代谢组学研究方法
• 1.5.4 代谢组学在微生物混合培养物研究中的应用
• 1.6 微生物代谢调控研究
• 1.6.1 环境因子调控
• 1.6.2 能量调控
• 1.6.3 转运调控
• 1.7 发酵废水生物处理技术
• 1.7.1 废水厌氧生物处理技术
• 1.7.2 废水好氧生物处理技术
• 1.8 本文研究内容
• 第二章 甘蔗糖蜜废水生物制苯乙醇及功能菌群结构分析
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 废水及接种物来源
• 2.1.2 主要试剂
• 2.1.3 培养基配置
• 2.1.4 溶液配置
• 2.1.5 主要仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 2-苯乙醇生产 MMC 的筛选及适应
• 2.2.2 生物反应器
• 2.2.3 过程参数优化
• 2.2.4 反应器连续操作
• 2.2.5 理化指标分析
• 2.2.6 2-苯乙醇及发酵副产物测定
• 2.2.7 微生物混合培养物的基因组提取
• 2.2.8 细菌 16S RDNA 及真菌 18S RDNA 基因可变区的 PCR 扩增
• 2.2.9 DGGE 分析
• 2.2.10 DGGE 凝胶回收与二次扩增纯化
• 2.2.11 大肠杆菌感受态细胞的制备
• 2.2.12 连接反应
• 2.2.13 转化
• 2.2.14 测序及分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 2-苯乙醇生产 MMC 的定向筛选和适应
• 2.3.2 2-苯乙醇生产过程参数优化
• 2.3.3 最优条件下 IALR 连续运行产 2-苯乙醇
• 2.3.4 微生物混合培养物群落结构演变及功能特征解析
• 2.4 本章小结
• 第三章 微生物混合培养物强化 2-苯乙醇生产的协同作用机制研究
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 接种物及发酵底物
• 3.1.2 主要试剂
• 3.1.3 溶液配置
• 3.1.4 主要设备
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 胞内代谢物提取
• 3.2.2 胞内代谢物测定
• 3.2.3 数据处理及多元统计分析
• 3.2.4 胞内差异代谢物热图分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 非生物参数优化前后微生物混合培养物整体代谢性能比较
• 3.3.2 混合菌群发酵产 2-苯乙醇过程中胞内代谢物的分析
• 3.3.3 多元统计分析混合菌群胞内代谢差异
• 3.3.4 潜在可调控的关键代谢物和关键路径的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于比较代谢组学研究的微生物混合培养物整体代谢调控增强 2-苯乙醇生产
• 4.1 实验材料
• 4.1.1 接种物来源及废水底物
• 4.1.2 主要试剂及设备
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 关键因子理性补料实验
• 4.2.2 反应器连续运行实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 中心碳代谢路径调控
• 4.3.2 莽草酸代谢路径调控
• 4.3.3 氨基酸代谢路径调控
• 4.3.4 膜脂组分调控
• 4.3.5 基于理性补料策略提高微生物混合培养物 2-苯乙醇生产
• 4.3.6 定期间隔组合补料后反应器连续运行表现
• 4.4 本章小结
• 第五章 发酵废水深度处理达标排放
• 5.1 实验材料
• 5.1.1 接种物来源
• 5.1.2 主要试剂及仪器设备
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 一级厌氧处理装置及操作方法
• 5.2.2 二级厌氧处理装置及操作方法
• 5.2.3 好氧深度处理装置及操作方法
• 5.2.4 耦合系统处理装置及操作方法
• 5.2.5 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 一级厌氧处理
• 5.3.2 二级厌氧处理
• 5.3.3 好氧深度处理
• 5.3.4 耦合系统长期运行性能考察
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 建议和展望
• 参考文献
• 发表论文及参加科研情况说明
• 缩略词
• 附录
• 致谢