（环境工程专业论文）活性污泥合成phas的饥饿丰盛模式耦合磁场作用机理.pdfVIP

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 聚羟基脂肪酸酯( p o l y h y d r o c y l k a n o t e s ，p h a s ) 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 品而同益受到关注。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p h a s 方法中，好氧瞬时供料法由于高的p h a s 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p h a s 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( 饥饿一 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p h a s 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 饥饿一丰盛模式条件下的p h a s 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，初始负荷及饥饿一丰盛期比例是驯化高p h a s 存储能力微生 物的关键因素。初始底物浓度为3 6 0 m g c o d 1 ，逐渐增加浓度到6 4 8 0 m g c o d 1 ， 饥饿一丰盛期比例为3 ：1 时，微生物体内p h a s 含量从8 7 4 增加到5 0 2 4 ，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p h a s 的含量，可达6 6 2 。 微生物体内p h a s 及h b 、h v 单体分别在不同磁场强度达到峰值，p h a 含 量在磁场强度为1 l m t 时最高，在磁场强度为4 2 m t 时最低；而h b 含量在磁场 强度为7 m t 时达到最高，在磁场强度为4 2 m t 时最低；h v 含量在磁场强度为 2 1 m t 时达到最高，在磁场强度为4 2 m t 时最低。微生物中p h a s 合成率随c ：n 的升高而上升，在c ：n 为1 0 0 ：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p h a s 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 、p h 。最优化实验组合为磁场强度取1 2 m t ， n h 3 - n 浓度3 5 m g l ( c - n 为1 6 0 ：1 ) 、初始p h 值7 o 。 浙江大学博上学位论文摘要 底物类型及组成比例对微生物中p h a s 的合成率、单体h v h b 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h b 单 体、丙酸合成的是h v 单体。用乙酸作底物时，大部分的底物( 约5 5 ) 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2 0 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2 5 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p h a s 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7 m t ， 以乙酸或丁酸为底物，微生物p h a s 产量y p h a 在磁场强度为7 m t 时达到峰值，分 别为0 7 0 ( m g c o d m g c o d ) 、0 2 8 ( m g c o d m g c o d ) ；丙酸为底物，p h a 产量y p h a 在磁场强度2 1 m t 时达到峰值，为o 3 1 ( m g c o d m g c o d ) 。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h v h b 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p h a s 中 h v 、h b 比例，从而为优化p h a s 的性能，提供一条新路径。 采用分子生态学技术( p c r d g g e 及1 6 sr d n a 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0 m t 磁 场强度作用下，微生物群落以l e a d b e t t e r e l l ab y s s o p h i l a 属( 屈挠杆菌属) 占主导 地位；在7 m t 磁场强度作用下，微生物群落 u n i d e n t i f i e db a c t e r i u m ，( a y 3 4 4 1 3 ) 占主导地位；在2 1 m t 磁场强度作用下，微生物群落以c l o s t r i d i u m 属、a l k a l i p h i l u s 属( 梭菌属) 占主导地位；在4 2 m t 磁场强度作用下，微生物群落以f l a v o b a c t e r i u m 属( 黄杆菌属) 占主导地位。通过代谢通量分析可知，磁场影响p h a s 合成的根 本原因是它增加了碳源( 乙酸) 在代谢过程中向h b 合成路径转化的量，在7 m t 时乙酰辅酶a 进入合成h b 途径的通量是进入t c a 循环途径的2 7 倍；而在4 2 m t 时乙酰辅酶a 进入合成h b 途径的通量是进入t c a 循环途径的0 9 倍；在0 m t 时乙 酰辅酶a 进入合成h b 途径的通量是进入t c a 循环途径的1 4 倍。磁场为提高活性 污泥中p h a s 的合成率提供了一条新思路。 关键词：聚羟基脂肪酸酯；好氧瞬时供料工艺( 饥饿丰盛模式) ；磁场；有 机酸； i i 浙江大学博士学位论文 摘要 a b s t r a c t p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ( p h a s ) h a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s ta sa na l t e r n a t i v e t o p e t r o l e u m - d e r i v e dp l a s t i c s f o ri t ss i m i l a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st ot h o s eo f p o l y p r o p y l e n e ，m e a n w h i l e ，w i t h t h ea d d i t i o n a la d v a n t a g eo fb e i n gc o m p l e t e l y b i o d e g r a d a b l e ，b i o c o m p a t i b l e ，a n dp r o d u c e df r o mr e n e w a b l er e s o u r c e s b u tt h ec o s t o fp h a sp r o d u c t i o ni st h em a jo ro b s t a c l ef o rl a r g e s c a l ec o m m e r c i a le x p l o i t a t i o n a m o n gt h em e t h o d so fi n d u s t r i a lp h a sp r o d u c t i o n ，t h ea e r o b i cd y n a m i cf e e d i n g ( a d f ，f e a s t ”，f a m i n ec o n d i t i o n ) a p p r o a c hi st h em o s tp r o m i s i n gb e c a u s eo fh i g h p h a sa c c u m u l a t i o n ，m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o dc o u l ds u b s t a n t i a l l yd e c r e a s i n gt h ec o s t o fp h a sa n di n c r e a s i n gt h e i rm a r k e tp o t e n t i a lf o ru s i n ga c t i v a t e ds l u d g ea n d r e n e w a b l es o u r c e so b t a i n e df r o mw a s t eo r g a n i cc a r b o n t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi s t oa c c u m u l a t ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tt ot h e m i c r o o r g a n i s mw i t hh i g hp h a ss t o r a g ea b i l i t yu n d e r t h ec o - e f f e c to fa e r o b i cd y n a m i c f e e d i n g ( a d f ，f e a s t ” f a m i n ec o n d i t i o n ) c o n d i t i o n sa n dm a g n e t i cf i e l d 。a c e t a t e ， b u t y r a t ea n dp r o p i o n a t e ，t h ec o m m o np r o d u c to fa c i d i f i c a t i o n ，a r e u s e da st h e s u b s t r a t e 。t h ei m p a c tf a c t o r ss u c ha sm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ，c o m p o s i t i o no f s u b s t r a t ea n dc ：na r et e s t i f i e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h ep o s s i b l em e c h a n i s mi s e x p l a n e db yt h em o r d e na n a l y t i c a lt e c h n i q u e s t h er e s u l t ss h o wt h es u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o no fs t a r t u pa n d 。f e a s t ”f a m i n e ”r a t i o a r et h ei m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ea c t i v a t e ds l u d g ea c c u m u l a t i o n t h ec o n t e n to fp h a s i nb i o m a s si n c r e a s e df r o m8 7 4 t o5 0 2 4 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d g r a d u a l l yt o6 4 8 9 c o d 1w i t ht h es t a r t u pc o n c e n t r a t i o no f0 3 6 9 c o d ia n dt h e “f a m i n e f e a s t ”r a t i ow a s3 - 1 ，m e a n w h i l e ，t h es y s t e mi ss t a b l e t h el o w e rs u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o nd u r i n gs t a r t u pa r eb e n e f i tt ot h es y s t e mw i t h “s t e a d y - s t a t e ”w h e r et h e s t o r a g em i c r o b i a lc o n s o r t i u mw i l lb et h ed o m i n a t e do n e t h ec o - e f f e c to fm a g n e t i c f i e l da n da d fw i l le n h a n c et h ec o n t e n to fp h a sf a rm o r e t ob e6 6 2 t h es t a t i cm a g n e t i ce x p o s u r ed e f i n i t e l yi n f l u e n c e dt h eb i o s y n t h e s i so fp h a sa n d t h ee f f e c td e p e n d e do nt h ef i e l di n t e n s i t ya sf o l l o w i n g ：u n d e ri n t e n s i t yo f1 lm t ，t h e m a x i m u mp h a ss y n t h e s i so c c u r r e d ；u n d e ri n t e n s i t yo f21m t ，t h em a x i m u mh v s y n t h e s i so c c u r r e d ；u n d e ri n t e n s i t yo f7 m t ，t h em a x i m u mh bs y n t h e s i so c c u r r e d ，a n d u n d e ri n t e n s i t yo f4 2 m t ，t h em i n i m u mh b ：h v ，p h a ss y n t h e s i so c c u r r e d p h a s i i i 浙江大学博士学位论文 摘要 c o n t e n ti n c r e a s ew i t ht h er a t i oo fc ：n ，a n dr e a c ht h em a x i m u ma tt h er a t i oo f10 0 ：1 b u tt h ea c t i v eb i o m a s sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc ：nr a t i o w i t ht h em a g n e t i c e x p o s u r e ，p h a sc o n t e n th a v ea ne n h a n c e m e n tu n d e r d i f i f e rr a t i oo fc ：n a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo r d e ro fe a c hf a c t o ro np h a s p r o d u c t i o ni sm a g n e t i cf i e l d ，c ：n ，i n t i a lp h t h eb e s tc o n d i t i o nf o rp h a ss y n t h e s i si s m a g n e t i ci n t e n s i t y1 2 m t ，n h 3 - nc o n c e n t r a t i o n3 5 m g l ( c ：n ，1 6 0 ：1 ) 、i n i t i a lp h v a l u e7 0 t h ep o l y m e rp r o d u c e df r o me i t h e ra c e t a t eo rb u t y r a t ei st h eh o m o p o l y m e ro fp h b ， w h e r e a st h ec o p o l y m e rp ( h b h v ) i sf o r m e dw h e np r o p i o n a t ei sf e do n l yo ra l o n g w i t he i t h e ra c e t a t eo rb u t y r a t e w h e na c e t a t ei sf e ds o l e l y ，a l m o s t5 5 o fs u b s t r a t ei s f o re n e r g ys t o r a g e ，2 0 o fs u b s t r a t ei sf o ro x i d a t i o nf o re n e r g yp r o d u c t i o na n dt h e o t h e ri sf o rg r o w t h w h e np r o p i o n a t eo rb u t y r a t ei sf e d ，a l m o s t2 5 o fs u b s t r a t ei sf o r e n e r g ys t o r a g e ，5 0 o fs u b s t r a t ei sf o rg r o w t ha n dt h eo t h e ri sf o ro x i d a t i o nf o r e n e r g y p r o d u c t i o n o b v i o u s l y ，a c e t a t er a t h e rt h a nb u t y r a t e a n dp r o p i o n a t ei st h e s u i t a b l es u b s t r a t ef o re n e r g ys t o r a g e t h es t a t i cm a g n e t i ce x p o s u r ea n da d fh a sd e f i n i t e l yi n f u e n c e dt h ee n e r g y d i s t r u b i t i o no fs u b s t r a t ei nm i c r o o r g a n i s m t h ep h a sp r o d u c t i o ny i e l do fa c e t a t eo r b u t y r a t e r e a c ht h em a x i m u mv a l u eo f 0 7 ( m g c o d m g c o d l o ro 2 8 ( m g c o d m g c o d ) u n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t yo f7 m t a n d t h ep h a sp r o d u c t i o ny i e l d o fp r o p i o n a t er e a c ht h em a x i m u mv a l u eo f0 31 ( m g c o d m g c o d 、u n d e rt h e m a g n e t i ci n t e n s i t yo f 21m t t h er a t i oo fa c e t a t e p r o p i o n a t eh a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h er a t i oo fh v h b t h em a g n e t i cf i e l dc h a n g et h es l o p eo fl i n ea n di ts o u n d st h em a g n e t i cf i e l dp r o v i d ea n e w o p t i m i z e dw a y t op h v p h ba n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p h a s b a s e do np c r d g g ea n d16 sr d n aa n a l y s i s ，t h e r eh a v eac h a n g eo fm i c r o b i a l c o m m u n i t yu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d t h em i c r o b i a lc o m m u n i t ya r ed o m i n a t e d b yl e a d b e t t e r e l l ab y s s o p h i l au n d e rn om a g n e t i ci n t e n s i t y , d o m i n a t e db yu n i d e n t i f i e d b a c t e r i u m ，( a y 3 4 413 ) u n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t yo f7 m t , d o m i n a t e db yc l o s t r i d i u m 、 a l k a l i p h i l u su n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t yo f2 1m t , d o m i n a t e db yf l a v o b a c t e r i u mu n d e r m a g n e t i ci n t e n s i t yo f4 2 m t b a s e do nm e t a b o l i c f l u xa n a l y s i s ，w ec o n c l u d et h a tt h e r e a s o no fp h a sc o n t e n ti nb i o m a s si m p r o v e db ym a g n e t i cf i e l di st h a tt h ec a r b o n s o u r c e ( a c e t a t e ) i si nas t a t eo ff l u xd u r i n gt h em e t a b o l i cp r o c e s s t h e r ei s2 7 t i m e so f a c e t y l c o ai n t op h bs y n t h e s i sc o m p a r e dt ot c ac y c l eu n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t yo f i v 浙江大学博十学位论文摘要 7 m t a n d0 9t i m e so fa c e t y l c o ai n t op h b s y n t h e s i sc o m p a r e dt ot c ac y c l eu n d e r m a g n e t i ci n t e n s i t yo f4 2 m t , a n d1 4t i m e so fa c e t y l c o ai n t op h bs y n t h e s i s c o m p a r e dt ot c ac y c l eu n d e rm a g n e t i ci n t e n s i t yo fo m t t h ec o - e f f e c to fs t a t i c m a g n e t i ca n d f a m i n e f e a s t c o n d i t i o np r o v i d eu san e wm e t h o dt oi m p r o v et h e p h a ss y n t h e s i sb ya c t i v a t e ds l u d g e k e yw o r d s ：p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ；a c t i v a t e ds l u d g e ；s t a t i cm a g n e t i cf i e l d ；a e r o b i c d y n a m i cf e e d i n g ；s h o r t c h a i nf a t t ya c i d s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砖一乏 签字隅瑚年 罗月彦同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 融f l 签字吼帅6 年7 月8 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢f 抓鹭 ：, , _ l - j - r 期：湖年驴月参同 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文课题背景 1 课题背景 塑料制品以其质轻、强度高、耐腐蚀以及价格低廉等优良特性迅速地进入到 人类生活及工农业生产中，并且得到了广泛的应用，推动人类的进步和工农业的 发展，但是同时也暴露出了塑料填埋、焚烧的种种弊端，给自然环境带来了严重 的危害。据统计每年进入环境的不可降解塑料制品以2 5 0 0 万吨的速度增长，将 来不可降解的塑料带来的“白色污染问题将更加严重。为了应对这个问题，许 多国家开始研究和开发可生物降解塑料，种种可降解塑料不断地问世，其中主要 有光生物降解塑料、淀粉基可生物降解塑料、微生物发酵合成的可生物降解塑料、 天然高分子合成的可生物降解塑料。 聚羟基烷酸酯( p h a s ) 是一类由微生物合成的热塑性聚酯总称，在碳源过 量和某种营养物质缺乏( 如限氮，限磷) 的条件下，许多微生物的正常代谢途径就 会被破坏，而在其细胞质内积累某种结构的p h a s ，作为碳和能量的储存物质。 当环境中能源缺乏时，微生物可将这些p h a s 储存物再分解代谢，以提供生命 活动所需要的能量。p h a s 的热力学性能与某些热塑材料如聚乙烯、聚丙烯类似， 并且可以完全降解进入自然界的生态循环，因而被认为是一种“环境友好的绿色 材料 ，有可能替代传统的、不可降解的塑料而受到世界各国的重视。这种新型 高分子材料能有效地缓解资源和环境危机，已被许多国家列为重点投资项目。近 几十年来，生物合成p h a s 已成为国内外生物材料领域的一个研究热点。微生物 合成p h a s 的方法可以分为纯菌种和混合菌种合成法两大类，纯菌种合成是目前 工业合成p h a s 所采用的主要工艺，其优点是p h a s 的合成量和合成率高。但高 价的原料及严格要求灭菌的设备造成其成本高而大大阻碍了p h a s 工业生产的 发展。 活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但大量剩余污泥 造成严重的二次污染。在活性污泥丰富的微生物群中，大部分可以积累p h a s ， 如产碱杆菌属，假单胞菌属，螺菌属等。但由于受工艺条件的限制，常规状态下 活性污泥中p h a s 的含量很低。活性污泥受瞬变条件的影响，如间断地供给养料 或电子受体变化，可使活性污泥贮存p h a s 的能力提高。混合菌种( 活性污泥) 合成法可以利用廉价的底物，简单且不要消毒的反应器，更少的过程控制，而且 活性污泥中稳定的菌群和敞口发酵解决了传统工业连续发酵工艺的瓶颈，可以实 质性地降低生产成本，提高了p h a s 的市场竞争力。如能采用合适工艺条件提高 浙江大学博士学位论文 课题背景 活性污泥中p h a s 含量，既可为大规模生产p h a s 提供契机，又可以解决剩余污 泥处置难的问题。因此寻求活性污泥合成p h a s 的最佳工艺条件，探索其作用机 理，可为缓解资源和环境危机提供前瞻性理论依据。 近年来，微生物的磁学研究成为一个热点，由于磁场的作用效果随磁场强度 及暴露在磁场中微生物类型的不同而不同，各种研究结果之间常常有矛盾。尽管 有研究显示磁场对微生物的生长有负作用，大多数的研究显示磁场对微生物生长 有一定的促进作用。 基于以上情况，本论文采用城市污水处理厂的剩余污泥，耦合磁场与瞬时供 料模式( 饥饿丰盛模式) ，寻求获得高p h a s 合成量的工艺条件，应用现化分析 技术，阐述磁场与饥饿丰盛模式耦合作用的机理。旨在为解决p h a s 生产成本高 的瓶颈问题及剩余污泥的多层次利用提供理论依据。 课题来源：本项目由浙江省自然科学基金委资助( y 5 0 4 1 2 0 ) 。 2 浙江大学博士学位论文 文献综述 2 文献综述 2 1 前言 塑料具有良好的延展性、耐久性，且质轻，难降解，已成为现代生活中的重 要一部分，在包装业上几乎取代了玻璃和纸。但是，在具有良好性能的同时，塑 料的广泛应用也带来了一系列的问题。其在环境中的积累和影响已成为一个全球 性的问题。解决塑料污染问题，一般采用减少污染源、焚烧、回收以及生物或光 降解。但这些解决方法都有其局限性。塑料焚烧有一定潜在的危险性且费用较高。 回收利用费时费力，且当前塑料中有较多的颜料、覆盖物及装填物时，限制了其 回收利用。在这种情况下，可生物降解塑料提供了最好的解决环境问题的办法。 可生物降解塑料可分成以下三类： 1 ) 化学合成的聚合物：聚糖酸、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乙烯( 环氧乙烷) 属 于这一类，均易被酶或微生物分解。但另一方面，仍和塑料的性质有一定的差异， 因此不能取代塑料在商业上的所有用途。 2 ) 以淀粉为合成原料的可分解塑料：在这个类型中，在塑料中添加了淀粉( 淀 粉聚乙烯) ，土壤微生物很容易降解淀粉，因此而破坏了聚合物的结构，大大降 低了降解的时间，但这种塑料只是可部分降解，淀粉降解后留下的碎片较难降解， 会在土壤中停留较长时间。 3 ) 聚羟基烷酸酯( p h a s ) ：可完全降解。这是由微生物在碳源充足而氮或 磷等营养物质不足的条件下合成的聚合酯，用束作为微生物活动的能源物质。它 们具有和聚丙烯等热塑性塑料相似的性质，因此可应用于相关领域。在有氧条件 下，p h a s 可被土壤、海水、湖水及污水中的微生物完全降解为二氧化碳和水； 在无氧条件下则降解成甲烷。 p h a s 以一种膜的形式在许多细菌内积累，有些可达细胞干重的8 0 。p h a s 和聚丙烯、聚乙烯等传统塑料具有相似的机械性质，能够被提取、铸造、纺成纤 维制品，可制成薄膜，和其它人工合成的聚合体合成杂聚物。尽管有这些优点， 但由于其过高的生产费用，p h a s 仍不能完全取代传统的塑料。 浙江人学博十学位论文 文献综述 2 2p h a s 结构、性质及应用 2 2 1p h a s 的结构 p h a s 是原核微生物在营养不平衡( 如缺乏氮、磷、镁、氧等) 时细胞内形成的 碳源和能源贮藏物质【m 1 。作为一种高分子聚合物，一般结构式可表达为【4 1 。 卜一h 却卜蚪 式中：r 为侧链，多为不同链长正烷基，也可以是支链，不饱和的或带取代 基的烷基，如： m = li ph 时，单体为3 羟基丙酸( 3 h p ) ； r _ c h 3 时，单体为3 羟基丁酸( 3 h b ) ； r = c 2 h 5 时，单体为3 羟基戊酸( 3 h v ) ； r = c 3 h 7 时，单体为3 羟基己酸( 3 h c ) ； i pc 4 h 9 时，单体为3 羟基庚酸( 3 h h ) ； i pc 5 h 1 1 时，单体为3 一羟基辛酸( 3 h 0 ) ； r = c 6 h 1 3 时，单体为3 羟基壬酸( 3 h n ) ； r = c 7 h 1 5 时，单体为3 羟基硅癸酸( 3 h d ) ； r = c 8 h 1 7 时，单体为3 羟基十一酸( 3 h u d ) ； r = c 9 h 1 9 时，单体为3 羟基十二酸( 3 h d d ) ； m = 2r = h 时，单体为4 羟基丁酸( 4 h b ) ； m = 3r = h 时，单体为5 羟基戊酸( 5 h v ) ； n 为单体数目，一般为1 0 0 3 0 0 0 0 。 p h a s 可以是同一种羟基酸的均聚物，也可以是不同羟基酸的共聚物，其典 型代表是3 h b 矛i 3 h v 组成的共聚物p ( 3 h b c o 3 h v ) 。 自从1 9 2 6 年聚3 羟基丁酸( 简称为p h b ) 被首次发现后，已有约8 0 种不同的 脂肪酸作为p h a s 的单体在约3 0 0 种细菌中发现，包括碳原子数从3 到1 4 的大量饱 和或不饱和键或支链的脂肪族以及芳香族3 羟基脂肪酸。根据单体中碳原子的数 目可以将p h a s 分为短链p h a s ( s c l p h a ，单体为3 5 个碳原子数的羟基脂肪酸) 和 4 浙江大学博士学位论文 文献综述 中链p h a s ( m c l p h a ，单体为6 - 1 4 个碳原子数的羟基脂肪酸) 。在大量的m c l p h a s 中含各种功能基团，如烯、支链烷基、卤素、酚及氰等，而m c l p h a s 大多是两种 以上单体的随机共聚物【5 1 ，p h a s 利用脂肪酸或其它亲脂性碳源合成，其成分取 决于所使用的底物【6 叫m c l p h a s 也可以从糖类合成，但其成分与碳源无关1 0 1 。 2 2 2p h a s 的性质 到目前为止，大多数有关微生物p h a s 的研究都是针对p ( 3 h b ) 、p ( 3 h v ) 及 p ( 3 h b c o 3 h v ) 聚合物进行的。p ( 3 h b ) 为1 0 0 立体专一性，所有不对称碳原子 数都是d ( ) 构型，因而p h b 是高度结晶的晶体，结晶度范围在5 5 8 0 ，晶体相当 脆【5 】。均聚的p h b 在物理性质甚至分子结构方面与聚丙烯很类似，例如熔点、玻 璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比重大，具光学活性，透氧率低以及抗紫外 线照射等则是p h b 的优点，见表1 1 。 p h b 在商业上的应用主要有两个缺点【1 2 】：一是熔点稳定性差，其分解温度 约为2 0 0 ，接近于熔点温度( 1 7 5 。c ) ；二是放置一段时间后易发脆。对第一个缺 点，可通过加入3 h v 合成p h b v 共聚体或将p h b 与其它共聚物混合使用来解决； 而对第二个缺点，则可通过简单的退火处理可以较大程度地解决。 2 2 3p h a s 的应用 1 生物可降解塑料 p h a s 具有热塑性，能纺丝，压膜及注塑，且p h a s 单体组分多样，使得 p h a s 具有不同的弹性，坚韧性，熔点等热学性质，故可根据实际需要加工成各 种理想的工农业材料，如可以作抗真菌剂，杀虫剂或者肥料等的生物降解载体， 也可以作各种包装材料如化妆品的容器，生活日用品的瓶、袋、薄膜【1 3 】。由于其 具有生物可降解性，降解产物为二氧化碳和水，具有无毒性，故由p h a s 制成的 地膜用于农业生产可以消除现用的地膜残留在土壤中对农作物减产的危害，用作 容器可以减少化工合成塑料容器对环境造成的白色污染。 浙江大学博士学位论文文献综述 表2 1p h a s 和聚丙烯( p p ) 性能比较 2 医学上的应用 p h b 制品可以用简单的方法消毒，如1 4 0 蒸汽，y 一射线或紫外消毒，不 含有毒的残留物1 0 】。p h b 分解产生的1 3 一羟基丁酸是人类血液中的正常组分之 一，可作为一种静脉注射或能量补充物质，在临床上比葡萄糖具有更好的效果。 由于p h b 具有生物相容性，且能在人体内缓慢被分解，可作为血管或者其他器 官组织替代品，促进天然组织的再生及再造天然器官，防止移植手术中产生引起 的抗原抗体反应。 p h a s 制成的产品还可以用于外科矫正手术上【1 4 】，因为p h a s 的压电效应与 天然骨骼具相似的性质，用p h a s 制成的钉或平板用于骨骼愈合时，其压电效应 可刺激骨骼生长和愈合，增强骨骼的机械性，而且p h a s 能被机体慢慢吸收，可 免除拆除固定架带来的第二次手术痛苦。 p h b p h v 还适用于制作手术的缝合线。现在手术的缝合线的吸收需要经历 多年，而同样直径的p h a s 吸收要快的多；p h a s 还可以作为药物的载体，控制 药物在体内释放的速率，如药物胶囊，起到长效药物的作用【1 4 】；p h a s 还以制成 肘钉，纱稚等，对伤口的愈合具有极好的作用。在人体组织工程中，p h a s 产品 可以使缺肢体、组织获得再生，对已经损坏的组织器官，用组织工程的方法进行 重塑再造。根据p h a s 和p g a 理化性质的比较，p h a s 作为人体组织工程的材料 6 浙江大学博上学位论文文献综述 更优于p g a ，因此这种设想变为现实是指日可待的。 3 压电制品 p h b 经过8 0 碾压，再经过热处理，可以制成单轴定向的薄膜，在4 5 增 强拉力或剪切力时，便呈现出表面压电特性，在膜的两侧蒸发上银，能增强压电 效应产生电压，所以压电制品具有下列应用的可能性【1 5 】：压力传感器，压力测试 仪，伸长测试仪，加速测试仪，材料试验，脉冲传感器等。 4 其它 p h a s 具有光学活性，可应用于色谱分析手性物质。如一种形式的手性物质 与p h a s 聚合物手性中心的相互作用大于另一种形式，就可以把不同结构的相同 物质分离纯化f 1 6 】。p h a s 的手性构性为d 型，而且自然界的大多数物质也是d 型，故p h a s 在分离自然界物质中具有实际的意义。此外，还可以利用p h a s 水 解的单体h b 合成具有手性的化合物，如蜂激素，甲虫的防治剂，香料等。 总之，塑料制品在国民经济中用途极其广泛，用微生物产物代替化学合成塑 料，将在寻找解决新的材料和防止环境污染等方面做出重要的贡献。 2 3 微生物生产p h a s 的近期发展 能合成p h a s 的微生物分布广泛，包括光能和化能、自养和异养菌共计6 5 个属中的许多种。这些微生物能利用不同的碳源合成p h a s 。价格便宜、成分复 杂的甜菜和甘蔗榨汁废水、植物油及其脂肪酸、糖类、碳氢化合物，甚至二氧化 碳和氢气的混合气体都可作为碳源i 】7 1 。微生物合成p h a s 的方法可以分为纯菌种 合成法和混合菌种合成法两大类，常见的混合菌种合成法主要有厌氧一好氧工艺、 微好氧一好氧工艺及好氧瞬时供料工艺这三种。 2 3 1纯菌种合成法 这是目前工业合成p h a s 所采用的主要工艺方法，如美国m o n s a n t o 公司和英 国i c i 公司均以纯菌种发酵方式生产生物可降解塑料。该生产工艺利用特定微生 物( 如革兰氏阴性菌r a l s t o n i ae u t r o p h a 等) 发酵合成p h a s ，其优点是p h a s 的合 成量和合成率高，据报道合成p h a s 含量可达到细菌干重的8 0 以上，合成率大于 7 浙江大学博士学位论文文献综述 2 9 1 h 【1 8 】。但该工艺成本较高，其生产原料主要是葡萄糖、丙酸等价格昂贵的有 机底物，且在工艺运行过程中，要求灭菌消毒，保证发酵系统无杂菌存在，高价 的原料及严格要求灭菌的设备是造成其成本高的主要原因。据统计，每公斤p h a s 生产成本约为9 欧元，而每公斤石油合成塑料仅为1 欧元，由于这种价格上的差异， 大大阻碍了p h a s 的工业生产的发展。 根据合成p h a s 时所需的条件，可将细菌分成两类。第一类细菌在合成过程 中需要充足的碳源中并其它营养物质如氮、磷、镁或硫等进行限制。包括 a e u t r o p h u s ，p r o t o m o n a s 和p r o t o m o n a so l e o v o r a n s 。第二类细菌包括彳l c a l i g e n e s , a z o t o b a c t e rv i n e l a n d i i 的突变异种，e c o l i 的重组细胞，不需要对营养物质进行限 制，在成长的过程中就可以积累p h a s 。 1 a e u t r o p h u s 生产p h a s a e u t r o p h u s ( 现在又称为r a l s t o n i ae u t r o p h a ) 目前被广泛研究，a e u t r o p h u s 中b 硫解酶可以将两个分子的乙酰c o a 浓缩成乙酰乙酰c o a 辅酶，然后还原生 成3 一羟基丁酰c o a ，最后合成p