（环境工程专业论文）活性污泥合成聚羟基烷酯的条件优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 由于传统塑料的大量使用给环境造成了严重的“白色污染 ，人们研究利用 一种可生物降解的材料聚羟基烷酯( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ，p h a ) 来取代传统 塑料的使用，但是较高的价格限制了p h a 的大规模使用。为了降低p h a 的生产价 格，近年来对利用混合菌种和多种有机底物合成p h a 的活性污泥法进行了许多实 验，研究发现活性污泥在一定条件下也可以利用有机废水合成p h a ，大大降低了 p h a 的生产成本。但是与纯菌种比较，p h a 在污泥中的含量较低，使得p h a 的提 取较为困难。 利用活性污泥合成p h a 时，合成情况会受到运行工艺、操作条件等因素的 影响。为了提高活性污泥对底物的利用率，以及污泥中p h a 的含量，本文利用 好氧瞬时供料工艺，对活性污泥合成p h a 的过程及工艺条件进行优化。主要研 究包括以下三个方面： ( 1 ) 通过外加不同强度的磁场，改变加入反应器中碳氮比例，研究不同磁场 作用以及碳氮比的变化对活性污泥合成p h a 的影响。寻求有利于p h a 合成的最 佳磁场强度和碳氮比例，对活性污泥合成p h a 的运行条件进行优化。 ( 2 ) 利用表面响应法0 王s m ) ，对活性污泥合成p h a 的操作条件和营养条件进 行优化，来提高污泥中p h a 的产量。选择磁场强度、碳氮比例和初始p h 进行 过程优化，寻求这三者之间的相互作用关系，确定合成效果最好时三个因素的最 优点。 ( 3 ) 通过在不同磁场强度下，改变底物中乙酸与丙酸的组成比例，观察合成 的共聚物中f i b 与h v 比例与底物中乙酸与丙酸比例的关系，并对磁场作用的影 响进行探讨，寻求对p h a 组分结构优化的途径。 主要研究结果如下： ( 1 ) 反应器外加0 m t ，3 m t ，7 r o t ，1l m t ，1 6 m t ，2 1 m t ，2 5 m t ，3 0 m t 的 恒稳磁场时，磁场强度为7 m t ，底物对l i b 的转化率最高；磁场强度为2 1 m t ， 底物对h v 的转化率最高；底物对细胞质的转化率随着磁场强度的增加不断减 少，磁场的引入抑制了微生物的生长。 ( 2 ) 改变加入碳氮比时，由于加入的氨氮量减少，微生物的生长量减少，有 浙江欠擘顼士学往蹙戈 机酸用于p h a 合成的量增加，使得细胞内p h a 含量增大。0 m t 反应器在碳氮比 为2 0 0 ：l 时，p h a 含量最高为4 3 0 9 ，7 m t 反应器在不加氮时p h a 含量最高 为4 3 9 0 ，2 1 m t 反应器在碳氮比为1 0 0 ：1 时p h a 含量最高为4 4 4 7 。 ( 3 ) 利用r s m 得到的等高线图描绘了磁场强度，碳氮比例，初始p h 三个自 变量之闻的狸互作用，以及对p h a 合成的影响。降低磁场强度和增加p h 能够 增加污泥中p h a 的含量，并且当碳氮比例为1 0 0 时最适合p h a 的合成。优化得 到的最佳p h a 合成条件为：磁场强度l l m t ，碳氮比为1 0 0 ：l ，初始p s9 0 ，最 高p h a 为3 9 。8 。经过实验 | 譬刭优化条件下p h a 含量为3 9 6 ，与预测值一致。 ( 4 ) 底物中乙酸与丙酸c o d 含量比例为6 0 ：4 0 时，底物的消耗速率达到最 大值，外加磁场强度对底物消耗有促进作用不同的磁场强度对p h a 的合成会产 生不同的影响，与不加磁场时楣l ：g ，7 m t 的磁场强度时有更多的底物转化为h b ， 2 1 m t 的磁场强度时有更多的底物转化为h v ，l l m t 的磁场强度时的底物转化情 况则介于7 m t 的磁场强度与2 1 m t 的磁场强度之间。 关键词：聚羟基烷醣( p m q ；活性污泥；表面响应法( r s m ) ；磁场 濒江大擎瑗圭学位谂文 a b s t r a c t an e wk i n do fb i o d e g r a d a b l ep o l y m e r _ - - p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ( p h a ) i s r e s e a r c h e d 弱ap o t e n t i a ls o l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mo fp l a s t i c sp o l l u t i o n , b u t t h ee x p e n s i v ep r i c er e s t r i c tt h e l a r g e s c a l e c o m m e r c i a l e x p l o i t a t i o n f o r d e c r e a s i n gt h ec o s t , m a n yr e s e a r c h e r su s et h ei n e x p e n s i v em i x e dc u l t u r eb i o m a s s ， s u c ha sa c t i v a t e ds l u d g e ，t or e p l a c et h ep u r ec u l t u r e t h es t u d ys h o w e dt h a ta c t i v a t e d s l u d g ec o u l ds y n t h e s i z ep h af r o mo r g a n i cw a s t e w a t e r , b u tt h ec o n t e n to fp h a i n b i o m a s si sl o w e rt h a np u r ec u l t u r e ，w h i c hi n c r e a s et h ec o s to fe x t r a c t i o n t h es y n t h e s i so fp h ab ya c t i v a t e ds l u d g ew a si n f l u e n c e db yt h ef a c t o r ss u c ha s o p e r a t i o n a lp r o c e s s ，e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n f o ri m p r o v i n gt h eu t i l i z er a t eo f s u b s t r a t ea n dt h ec o n t e n to fp h ai nb i o m a s s ，t h i ss t u d yo p t i m i z e dt h eo p e r a t i o n a l p r o c e s sa n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no f t h ep h as y n t h e s i z e db ya c t i v a t e ds l u d g e + ( 1 ) s t u d yt h ed i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n dc ：nr a t i ob yc h a n g i n gt h e i n t e n s i t yo fm a g n e t i ca n dt h er a t i oo fc ：n o p t i m i z e dt h eo p e r a t i o n a lp r o c e s sa n d e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no ft h ep h as y n t h e s i z e da n dd e c i d e dt h ef a v o r e dm a g n e t i c f i e l di n t e n s i t ya n dc ：nr a t i o ( 2 ) u t i l i z e dt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) t oo p t i m i z et h eo p e r a t i o n a l p r o c e s sa n d f i n do u tt h ei n t e r a c t i v ee f f e c t so ff o u rv a r i a b l e s ，i e 。s m i l em a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y , c o n c e n t r a t i o no fn h 3 - na n di n i t i a lp no np h ap r o d u c t i o nb ya c t i v a t e d s l u d g e ( 3 ) c h a n g e dt h ec o m p o s i t i o n a lr a t i oo fa c e t a t ea n dp r o p i o n a t ei ns u b s t r a t eu n d e r d i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y t h e7 r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o n a lr a t i oo f a c e t a t ea n dp r o p i o n a t ea n dt h er a t i oo fh y d r o x y b u t y r a t e ( h b ) a n dh y d r o x y v a l e r a t e f i n ) i nc o p o l y m e rh a sb e e ns t u d i e df o re x p l o r e r i n ga n e w a p p r o a c h e st oo p t i m i z et h e c o m p o s i t i o no f c o p o l y m e r t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h es y n t h e s i sw e r eo p e r a t e db yt h em a g n e t i cf i e l dw i 也0 m t ，3 m t ， 7 m t ，ll m t ，1 6 m t ，2 1 m t ，2 5 m t ，3 0 m t w ef o u n dt h a th bc o n t e n ti nb i o m a s s 澎：滚大擎矮士拿住论文 r e a c h e dt h em a x i m u ma t7 m t ；h vc o n t e n ti nb i o m a s sr e a c h e dt h em a x i m u ma t2 1 m t ； m a g n e t i cf i e l dr e s t r i c t e dt h eb i o m a s sg r o w t h 。 ( 2 ) w h e nw ec h a n g e dt h ec ：nr a t i o ，t h eb i o m a s sg r o w t hw a sd e c r e a s e db yt h e i n c r e a s e dc ：nr a t i o ，a n dt h ep h ac o n t e n ti n c r e a s e df o rt h em o r es u b s t r a t ec o n v e r t i n g t op h a s y n t h e s i s 。a to m t p h ac o n t e n ti nb i o m a s sr e a c h e dt h em a x i m u mo f4 3 。 u n d e rt h ec ：nr a t i oo f2 0 0 ：1 ；a t 办n tp h ac o n t e n ti nb i o m a s sr e a c h e dt h em a x i m u m o f4 3 9 0 w i mn on i t r o g e na d d e d ；a t2 1m tp h ac o n t e n ti nb i o m a s sr e a c h e dt h e m a x i m u mo f 甜。4 7 u n d e rt h ec ：nr a t i oo fl ：董。 ( 3 ) t h ec o n t o u rp l o t si nr e s p o n s ed e p i c t e dt h ev a r i a t i o ni np h ay i e l d ，a sa f u n c t i o no fi n t e r a c t i o no fv a r i a b l e s i ti sc o n c l u d e dt h a td e c r e a s i n gm a g n e t i cf i e l da n d n h 3 - na n di n c r e a s i n gp hr e s l l l t e di n t or i s ei np h ac o n t e n t 强eo p t i m u mc o n d i t i o n s f o rm a x i m u mp h ay i e l da sf o l l o w s ：m a g n e t i cf i e l dll m t , c ：nr a t i oo f1 0 0 ：1 。i n i t i a l p h 9 0a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp h a y i e l do f3 9 8 ( d e w ) t h ee x p e r i m e n t a lv a l u eo f 3 9 6 ( d c w ) i sw e l li na g e e m e n t 娥攮t h a to ft h ep r e d i c t e do n e ( 4 ) t h es u b s t r a t eu p t a k er a t er e a c h e dt h em a x i m u mu n d e rt h ea c e t a t e ：p r o p i o n a t e o f6 0 ：4 0 ( c o d ：c o d ) m a g n e t i cf i e l dw o u l da c c e l e r a t et h eu p t a k er a t eo fs u b s t r a t e a n di n f l u e n c e dt h ep h as y n t h e s i s c o m p a r e d 蛾氇0 m t , a t7 m tm o r es u b s t r a t e c o n v e r t e dt oh b ；a t2 1 m tm o r es u b s t r a t ec o n v e r t e dt oh v ；也ee f f e c to f1 1 m to n p h a s y n t h e s i sb e t w e e nt h e7 m ta n d2 1m t k e y w o r d s ：p o l y h y d r o x y a l k a n o a t c ( p h a ) ；a c t i v a t e ds l u d g e ；r s m ；m a g n e t i cf i e l d 鬻藩太攀矮圭擎| 鹱稔交 课题背景 塑料制品以其威轻、强度高、耐腐蚀等优良特性以及价格低廉迅速的进入到 太类生活及至豪监生产枣，并舞裂了广泛熬震震，攘旗了大类憋进步耱工农监越 发震，襁是同辩渣暴露了搂= 理、焚烧囊辩荛圾带寒瓣释种弊端，给自然环境黼来 了严重的魑害，据统计每年进入环辘的不可降解塑料制品戡2 5 0 0 万吨的遴度增 长p l 。为了簿决是惫污染闺题，草萑1 9 8 7 年就有学者嚣始研究藉尾可降解塑料 来誊最不霹簿舞瓣羹糕瓣。牙发懑兼熬西垒秘辫解燮瓣主要镪括竞生物酶蘸黉 料、淀粉基可生物降解塑料、微生物发酵合成的可嫩物降解塑料以及天然黼分予 合残鲢爵生褥降解辇糕蒂 蔷种w 生耪簿解的聚合材瓣串，鬻羟鏊烷酯樽o l 鸡煳y 揪黼戤。，戮差a ) 是一 类由原援微生物在碳、氮蒋养失衡的情况下，捧为骥源和髓源靛存焉合成的一类 热望性累臻。譬篱邑经发现秘浚茎少有1 2 5 耪不嚣酶单体结掏，并且还在不鬻 遣发撼蠢薪煞单钵弼。搬据单蒜绻籀藏含量翡苓懑，p h a 煮较宽翡性能谱，霹量 现从坚硬捌柔软到弹性的一系列燮化。p h a 不仅熙有与化学合成高分子材料相 蘩匏毪震，褥萎逐骞一般鬻擎合成蓠势子耪鞲没霄匏靠震，燕生辫霹辩解毪、耋 物相容憾、笨电谯、光学活性等特殊性质。所以，p h a 被认为能够代替传统 的不可降勰塑料，宥效缓解资源紧弧和环境危槐熟现状焉受剿世界各匿的鬟襁。 嚣蓠，虽然溪黔跫泰登霹封思缝蘧耱叟产筌了娄。羟基丁酸帮3 。羟基戎酸瓣 共聚耨数3 薹毽c o 3 h v ) 弼，僵是p h a 盼大燕模工激纯生产逐柬能实现，簌鬻在 于生物含成p h a 的生产成本比化学法合成传统的离分子材料嚣高得多。为了降 糕p h a 懿生产成本，餐繇囊采罱灞性污混我骜缝蓠静，囊黑备彝鏖弃骞撬豢漂 及其水解产物为底物来合成p h a 8 ，在降低p h a 生产成本的阊时解决了浮水处 理厂剩余污泥资源纯剥用闯题。掰黻利用活性溥混及廉价基攒合成p h a 其有缀 好翁藏麓麓景。 研究表明，活性污混合成p h a 受到运行王毽、碳源箍溅、氮氮浓度、污混 停留时间、p h 值、磁场强度等因豢的影响。因此蠢必要对活性污泥合成p h a 盼 爱盎条箨进孬筏纯，激摄褰活慈污滋孛p h a 煞禽燮麟。髭羚，不舔戆p h a 单落 具有不湖的物理性戚。例如聚3 羰蒸丁酸酯( p h b ) 联j 单聚物糕常温下既硬叉脆， 濒江失学磺士学拄论文 在熔融状态下极不稳定，易于分解，加工范围窄，使应用受到很大限制。而在 p h b 中加入h v 生成的共聚物p h b v ，其性质剐性降低，韧性、冲击性和热稳定 性提高。h b 与h v 的合成又与底物成分相关，所以对活性污泥合成p h a 条件下， 有必要对底物组成与合成p h a 组份之间的关系进行探索【1 0 1 。 灏蕊大学磺士学往论文 1 文献综述 1 1 生物合成p h a 的研究现状 当今世界，塑料已与钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料，其产量与日 俱增，但是其废品难于降解，严重威胁着人类的生存空间，已引起社会极大关注。 聚羟基脂肪酸酯( p 队) 是原核微生物在碳、氮营养失衡的情况下，作为碳源和能 源贮存丽合成的一类热塑性聚酯。它具有完全的生物降解性、生物相容性、压 电性和光学活性等优良特性，还具有类似于化学合成塑料的理化性质，能拉丝、 压膜、注塑等，且无毒无害，最重要的是微生物塑料以生物资源为原料，取代了 不可再生的石化资源。 p h a 的生物合成是一个受多种酶催化、由不同的代谢途径控制的复杂过程。 p h a 由予具有低溶勰性和高分子质量，可以在细菌胞内大量储存丽不影响胞蠹 和胞外的渗透压，所以是一种理想的储存材料【1 3 】。本文综述了合成p h a 的生物 种类和主要基质，并展望了p h a 的应用前景。 l 。重。l 合成p h a 的微生物 ( 1 ) 利用纯菌种合成p h a 能合成p h a 的微生物分布极广，包括光能和化能、自养和异养菌共计6 5 个 属中的许多种，如产碱杆菌藩( a l c a l i g e n e s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、甲基 营养菌( m e t h y l o t r o p h s ) 、固氮菌属( a z o t o b a c t e r ) 和红螺菌属( r h o d o s p i r i l l u m ) 等，它 们分别利用不同的碳源合成p h a t l 4 1 。 真养产碱杆菌a 1 e u t r o p h a 在众多的细菌中被研究褥最多，因为它在一定条件 下积累的p h b 可达细胞干重的8 0 以上【1 5 】。英国i c i 公司2 0 世纪8 0 年代采用葡萄 糖和丙酸为碳源，| 抛e u t h r u p h u s 发酵得到的p ( r m c o - 2 h v ) ( 商品名) 白b i o p 0 1 ) 是 最早面市的p h a 产品。嗜水性气单胞菌a h y d r o p h i l a 能合成组织工程支架材料3 羟基丁酸和3 羟基己酸的共聚物( p h b h h x ) ，其合成的p h b h h x 占细胞干重最高 可达5 2 ，其中3 羟基己酸的最高含量可达董7 3 蟠嘲。藻青菌s y n e c h o c y s t i ss p 。 p c c 6 8 0 3 是具有光合作用的微生物，只能合成p h b 。在它的野生菌种中，积聚 浙江失攀项圭擎往论文 的p 髓占细胞干重 l o ( w t ) e ”】。总之，能合成p h a 的菌株是非常多的。不同的菌 属对底物的要求、所合成p h a 的结构、产率甚至合成机制均有很大差别。 ( 2 ) 利用工程菌合成p h a 克隆技术的发展使得基因在不同生物体中表达成为可能，许多和p h a 生物合 成相关的基因已经通过这种方法被鉴定和表征。为了提高p h a 的产率，有许多研 究利用基因工程技术获取重组菌株。 r a m a c h a n d e r 等【1 8 】克隆了金霉索链霉菌& a u r e o f a c i e n s n r r l 2 2 0 9 中的一个 s a u 3a i d n a 片段，并将这一片段在霞c o l i 中表达，研究该重组菌株产p h a 的 情况。研究发现，该重组菌株聚积的p h b 是分子量为2 8 5 1 0 5 的全同立构均 聚物，具有高结晶度，其最大热降解温度在2 5 0 3 4 0 之间：当以1 丙三醇 为唯一碳源对，p h b 的产率可高达6 0 6 6 ，是该菌野生菌种p h b 产量的 2 5 - 2 8 倍。c h e r t 等【1 9 】将酰基辅酶a 脱氢酶基因( y a 俄) 与来自彳a v i a e 的p h a 合 成酶p h a c a 。和( r ) 2 烯酰辅酶a 水合酶p h a j a c 在晟c o l i 中共同表达。研究发现， y a f f i 在最c o l i 中的表达可提高p h a 前体的供给。g a n g 等囝将a i e u t r o p h a 的p h a 合成酶基因在藻青菌s y n e c h o c y s t i ss p p c c 6 8 0 3 中表达，发现与野生的菌株相 比，重组菌株中聚积的p h a 量有略微增加。 ( 3 ) 剩雳混合蓥会成p h a 有研究将携带生产p ( 3 h b ) 基因的工程菌和携带如羟基丁酸辅酶a 转移酶和 p h a 合成酶基因的工程菌以葡萄糖为唯一碳源进行共培养，生产出含有3 h b 和 4 h b 的聚合物，使最终生产的p h a 的韧性和强度加强，p h a 的积累量占总生物量 的4 4 4 ，高于两种工程菌单独培养时p h a 的积累量。认为是在共培养时，葡萄 糖的代谢途径上产生了3 h b 和4 h b 单体，而后又被两种工程菌合成共聚物【2 0 l 。 研究发现p h a 也是污永生物处理过程的代谢产物后，相比纯种微生物生产 p h a , 活性污泥合成p h a 不需要灭菌，并且控制简单，因此利用活性污泥合成 p h a 成为研究热点。在一般的厌氧一好氧活性污泥工艺中贮存的p h a 量，可达 微生物细胞于重的2 0 。采用微氧一好氧活性污混工艺生产p h a ，可使p h a 含 量增加至6 2 ：s e r a f i m 等【2 1 】采用好氧动态进料工艺( a e r o b i cd y n a m i cf e e d i n g ， a d f ) ，得到最大聚羟基丁酸( p r m ) 含量达细胞干重的7 8 。5 。 澎黧太肇疆参挚螽史 1 1 2 合成p h a 的基质 幂瓣鹣镦堂爨褒舍逶黪条释下罐将不嚣蕊发簿魔耪转纯y 馨p a a ，莓搀舞藤耪 瓣碳源包括有杭酸教黢、丙酸、丁酸、戊酸、乳黢等) 、糖粪( 葡萄糖、蔗糖、 本糖) 、醚类( 甲醇、悉醇、戊酵等以及二氧忧硪帮氢气的溅合气体。 圭以畜瓿酸舞簇深 有机黻是合成p h a 最常用的碳源。有报道真养产碱杆菌能利用狻期乳酸生 长并积累p h a ，a i e u t r o p h a 利用小分子有机酸合成的戳玖主要是聚羟基t 黢 ( p h b ) 、羟薹丁酸耧羟蒸凌蘩熬蒸聚耪( p h b v ) 未耱。舞支e u t r o p h a 虢嚣酸港族 源时合成p h b v ，戳己酸、乳酸、丁黻为碳源时合成p h b 2 2 - 2 4 。众大勇等以磊 酸、丙酸、乳酸帮丁酸为碳源，采崩一疹发酵黎溅步发酵法，瓣艇e u t r o p h a 含成 疆浚进静篦较爨究臻缮巢表翡，a le u t r o p h a 激丁羧舞曩毽壤源，步发酵法裳 产默谴科然1 0 2 9 l ，嚣细胞于重的6 ：! ；。9 。刘赦滋镰【2 6 1 对嗜承气单纲胞菌w q 合 成p h b b h h x 靛研究袭蠼，胃挂酸鞠法酸是积累p h b b h h x 跳最合适碳源， p i - i b b t - i h x i 祷含量麓运搿5 麓。 ( 2 ) 以糖类为碳源 可以耀予含成p 圣淤豹糖类碳澡霄葡萄蕤、蔗糖、糖蜜秽涎糍等。在1 9 8 1 年， i c i 公霉就虢饕蔫蕤鬼羰源，采震a le u t r o p h a 突交拣为生产蕊，臻努撬发酵法耋 产p l 璐矧黔薹璐v 。在黻制磷元素焉冀他裁过量的煞绺下，鞭黼v 的产量可达麓体 干重的7 0 一8 0 1 2 强。有研究表赛，繁龄p s y l l 锚震歉瓣重组丈麟桴蓠麓剩黑蔗壤 含瘦班璐。p a g e 等箨餐利题甜菜耱蜜谗禳源，雳擦趣鬣氮蓥撩合藏羚琢，若热入发 酸盐，则能够合成p h b v 。贺文楠等利用从土壤中筛选的菌种d g l 7 以黼黼糖 隽骧源通道徽生耪发酵法合成了具寄不露结构单元的p 王酞。甘智雄p 磁糕矮需钠蘧 蓥( v i b r i on a t r i e g e n s ) 会成7 p r m ，发现v i b r i on a t r i e g e n s 辩- j 戳糕焉葡萄耱、暴瓣 以及糖蜜为碳源合成p h b 单聚物。擞娃糖蜜为碳渊时，累积的瓣璐可达细胞干 重熬2 8 l 霹鲻。 搀) 黻醇类荛羰源 甲酵魁合成p h a 墩便宜的基质之一。m 等使用嗜有机半撼杆菌( k o r g a n o p h i l u m ) 褒分撬毒 糕壤葵系统孛，黻镡萘待下大蠹生产p h b ，攀醇囊量浓度维 持在2 - - 3 9 纯时不抑制缡臆的生长，壤养7 德缩胞葳i t 浓度高达2 5 0 9 l ，p 壬璐磁爨 澎江夭擎疆壹擎弦谂文 浓度荛1 3 0 m 牡，p h b 占缎胞于耋的5 2 。b o u r q u e 等( 3 1 】鞋译酵巍碳源，在嚣最 焦条件下，惩譬基糕菌震褥到囊量分数楚3 懿p h b 。y a m a n e 簿麓2 1 剩爆p a r a c - u c i u sd e n i t r i f i c a n s 以醇为底物合成p 薹璐，以戊醇为底物合成p h v 。当以两醇为 底物时发酵2 4 h ，得到雌狐占细胞干重的2 0 。 鳓戳气体魏碳源 真养产碱菌等一些爆鸣气细菌裁利用二氧讫碳、氢气、氧气合成p h b ，以 氢气律药熊源，以二氧纯碳律势碳渊。i s h i z a k i 等貉3 l 穰用氢气和= 氧能碳为飚物 壤蓁a le u t r o p , i l i aa t c c l 7 6 9 6 7 ，发酵4 0 h ，p h a 震量浓度6 1 9 l ，缨您于霆8 5 辨。 t a n a k a 等研究了a i e u t r o p h a 利用= 氧化碳、氢气、氧气鲍巍密度培养食藏p h b 的情况，发现在限氧条件下发酵4 0 h 厝，细胞质量浓度达到9 1 9 l ，p h b 质量浓 度为6 1 m g l 。 通过同化三氧化该生产生物降解塑料可以同时解决两个严重的环境污染问 题：温室效赢及废弃的稚降解塑料瓣生态环境的危害。西前以寞氧产碱菌利用气 体会成p h b 畜嚣个主要黧难 ；譬簧辩决：一是魏嚣襞| 嚣气体霭嚣系统增燕哥裂耀蕊 气体；二是混合气体孛氧气浓度控制在爆炸极限以下酶安全游题。 重。2 活性污泥合成p h a 的影响因素 1 2 1 反应器运行王蓖对p h a 合成的影响 暴戆懑性污滋爨俄含量穰少，茹矮经过戮纯震才戆袋荚塞戮媛贮存巍力熬徽 生物莹群。离p 薹弧贮存能力活性污淀按驯化过程和梳理麴不弱可分必以下三辩正 艺类型。 l 厌氧好氧王艺 本工艺始于上世纪7 0 年代，被称为强化生物除磷工艺( e n h a n c e db i o l o g i c a l p h o s p h a t er e m o v a lp r o c e s s ，e b p r ) ，主要用于磷的去除。e b p r 系统孛废水从厌 氧区避入，微生耪在好氧区翥旋氧区之澜循环。在厌氧条件下，聚磷微生韵( p a o s ) 东解体肉贮存的多聚磷酸盐以获取能爨，放褥吸羧缀链翼鹭肪酸等肖机底物贮存于 缨胞体内作为漆部碳澡p 薹酞。在好氧条件下，p a o s 分解_ 贮存的有规碳源p h a ， 透过氧纯磷羧纯获褥能量，进行微生物童身麴增长并过量地摄取磷。可见，p h a 就是微生物在厌氧条件下吸收有机底物后贮存于细胞内的碳源物质。 新蒋大学硬士掌o , i 6 a s a l e h i z a d e h l 3 4 j 等报导在厌氧条件下，活性污泥会或婚鞭酸可以达到细施干重的 2 0 。 弦微好氧一好氧工艺 u e n 0 1 3 通过研究发现在好氧条件下p h b 的富集量可以达到细胞干重的3 6 ， 焉在魇氧条徉下只有1 7 ，这主要是由于厌氧和好氧条箨下可利用的能量的不 同，在厌氧条件下当聚磷酸盐和糖元等储靛消耗尽了以后，没有能量鳟供应微生 物吸收底物，阻碍了底物懿进一步暖浚和存储。s a i t d 3 6 等人研究也发现微生物 在好氧条件下台成的p 薹j 嗽要多于在厌氧条髂下合成的，引入微好氧一好氧王艺。 这种工艺是厌氧好氧工芑的改进，在沃氧过程串通入一定的氧气可以有利子微 生物通过氧化部分有机质获得能量来进一步吸收存储有机质。 ( 3 ) 好氧瞬时供料工艺 微好氧一好氧工艺p h a 的合成效果虽然比厌氧好氧工艺有所提高，但仍明 显低予纯菌种合成法，丽细惑内p 量弧含量低，则提取效率会降低，提取成本会大 大增加。好氧瞬时供料工芑濑于冀较高豹p 薹淞合成效果及较低酶成本耨威灸最有 王韭发展前景的王艺。s e r a f i m 馨1 ：噪用好氧瞬时供料工艺，以乙酸巍底物，褥捌 p h b 的会成量达细胞干重的7 8 ，5 ，接近予纯菌种的合成量，也是目前有报导的 用混合菌种合成法合成p h a 的最离含量。 p h a 的合成量研究表明，通过控制反应器中的底物浓度，使微生物处于时 而底物丰富时两底物匮乏的状态( f e a s ta n df a m i n es t a t e ) ，能使微生物处于非稳 态生长状态。在这样的动态环境下，当底物丰富时，p h a 在微生物体内豹贮存 和徽生物的增长同时遴孬，当熹物匮乏时，p h a 则被分解以获取能量和碳源【翊。 所以，在微生物生长没有受到限制黪条件下，p h a 也可以直在生物体内合成， 且相对微生物的生长，p h a 合成是主导的( 约占7 0 ) 。这样，具有内在存储 能力的微生物就会在这样一个丰盛匮乏交替的体系中更有竞争力面成为优 势菌种。据此，通过动态瞬时供应养料，使反应器中底物时而丰富、时而匮芝， 以抑制微生物的生长，驯化出具有强大p h a 贮存能力的菌群。 1 2 2 底物组成对p h a 合成的影响 选择合适鹪底耪黠优化p h a 会戒是非鬻重要熊。底物的性质不仅决定了合 成的p h a 的含量，还决定了聚含物的组成并进丽决定了聚合物的性质。1 6 q 1 1 0 s 浙江大学磺士学位论文 等【鹑研究发现被聚磷慧( p a o s ) 吸牧嚣乙酸主要黑来合成h b 帮i - w 的共聚辏， 其中h b 占了主导。而丙酸主要用来合成h v 单体。同时还发现，以乙酸、丙酸、 丁酸隽碳源对，聚合物会成的产量铁乙酸到丙酸褥到丁酸递减。d a v i d 等【3 9 1 发现 分别以乙酸、丙酸、乳酸为单一碳源时，采用好氧瞬时供料工艺合成p h a 时， 生成的聚合物均为单一单体构成( 乙酸、乳酸合成p h b ，藤丙酸合成p h v ) 。 共聚物p f r m h v ) 只在丙酸与另两稀酸其中的一种或两种一起存在时才合成。 此舞，碳源基了p h a 全都的生产价格熙4 0 - 5 0 。懿栗采用廉价的底物，如 农业有机废弃物及食燕王业疲弃物，p h a 的生产成本将大丈降低。剩用废弃物 生产p h a 一般趣括三个步骤：是废弃物的厌氧酸化，使之转纯隽乙酸、丙酸、 丁酸、乳酸等易合成p h a 的混酸，二是对活性污泥采用好氧瞬时供料法进行驯 化，三是批式实验合成p h a 。 1 2 。3 p h 对p h a 合成的影响 s e r a f i m 等f 2 1 】通过研究发现在好氧瞬时供料条件下，不控制p h 值时比将p h 始终控制为7 0 或8 3 时p i - i b 的合成量更离，因为在不控制p h 值时，仅有约1 2 的底物用来供微生物生命活动所需能量，丽大部分的底物用来提供给微生物生长 瘸存镱；磊当控裁掇值在7 0 对，荑纛约有勰熬底物震来供微生物生食活动耩 需能量，只有约5 6 f f 来提供给微生物生长和存储。 c h u a 等 4 0 l 发现站l 值在7 - - 8 内，驯化阶段嚣涎合成p h a 能力誉受避芰值 影响，这也说明活性污泥可以稳定合成p h a 。但序批式实验发现，在p h 值为6 和7 时，p h a 几乎可以忽略，少予污泥于重的5 ；两在p h 僮为8 和9 时，p h a 合成显著提高，p h a 可达污泥干冀的2 5 - - - - 3 2 。p h 值对p h a 合成的影响可解 释湾：在羝p h 值条肄下，为维持平麓，乙酸大部分梵不离解状态，来离解的乙 酸很快扩散进入微生物缨胞，然藤离解产生质子熊蓊，使胞内环境p h 值降低， 扶蒸不利于p h a 生产。毽究竟是不控制蝉僮使褥整个工艺费餍最低，还是遥遗 提高p h 值从而提高p h a 产量，使得工艺成本费用更低，需要进一步的比较研 究。 1 2 4 氨氮浓度对p h a 合成的影响 限制氨可以谜细胞生长率减少，丽聚台物产量和产率提离。s e r a f i m 等1 2 i 研 究了不同氨氮浓度下p h b 的合成情况，在氨氮浓度为0 7 n m m o l l 时，p h b 含 浙江大学磺士擎位论文 量3 8 。6 ，褥在氨氮耨浓度2 8 n m m o l l 时，p h b 含量舞2 5 4 。氨氮浓度导致 碳源的弹性分配：氨氮浓度越低，用于贮存p h b 的碳源比例越高，且c ：n 越离， p t t b 含量越高。d i o n i s i 等瑟1 l 的研究结果，他韵逶过在限氮条件下和氮过量条件 下进行好氧瞬时供料合成实验，发现在限氮条件下p h a 的合成量显著提高。但 是碳氮比太高的话，会影响微生物的滔性，最终导致产量的下降。w a n g 等 4 2 1 实 验表明c ：n 为1 0 0 时，p h a 的产攀最高。由此可知，活性污泥生产p h b 工艺中， 氨氮浓度是重要参数，限制氮氮可以谜缨脆生长率减少，两聚合物产量穆产率提 高。 1 3 磁场的微生物效应 磁场的微生物效应靼磁场对微生生物体的影响，譬前国漆外对磁场微生物效 应的研究已经积累了大量成果。缀多研究表明磁场对微生物的生长代谢有积极的 促进作用。 l3 。王磁场对酶的影响 很多报道表明酶在磁场的作用下会发生构象的变化，也肖研究证明磁场会对 酶促动力学产生影响。酶参加并催化生物体内各静代谢过程，磁甥对酶构像和酶 促反应的影响导致酶的催化活性发生变化，从而引起生物体内一系列生理生化性 质产生宏麓改变。 ( 1 ) 磁场对酶构象躲影响 贺华君等箨3 谰荧光光谱法研究了馕磁场对乳酸脱氢酶、蔻琵酸激酶、尿酶和超 氧化物岐化酶构蒙的影响。在荧光光谱中荧光强度、发射峰位置和形状发生变化， 证明酶构象发生了变纯。实验表暖磁场强度、温度、夯质和磁化时闯的变化，均 会影响几种酶的构象。一般认为磁场影响酶构象的机理在于：1 一些酶中含有 c o 、f e 、c u 、m n 、m o 等来填满电子壳层的过渡金属离子，表现顺磁性，又谴 予酶滔中心，磁场对过渡金属离予黔 乍翔会导致整个酶分子的构象发生交形或掇 蓝，将酶活中心外露或内包2 。维系酶三级结构的次级键作用力较弱，易受磁场影 响，磁场作用于次级键使酶构象改变。3 与酶结合的水分子对于维系酶构象具有 重要作用，磁场使水溶液的黏度、表面张力降低，放而改变水中氢键的长度和强 度，从丽使酶构象改变。 渐瓣欠学硕士擘链论文 按) 磁场对酶促爱应动力学的影媳 有学者脚谰o 1 2 5 t 强度的磁场处理纤维素酶，结果表明酶促反应的米氏常 数献1 3 1 0 - 3 提嵩到2 6 1 0 - 3 。范歉领澎】掇遴磁场并没有改交米氏常数，但是v m a x 不同程度增加。所以说磁场对酶促动力学的影响目前还没有统一认识。 在酶促反应过程中，磁场的存在能够削弱溶液中不同分予极性基因之间的相 互作用，减小分子的扩散阻力，使解离出的酶分子能以更快的速度重新与地物接 近、复合，觚而提高酶键反应速度。这可熊是磁场影响酶键反应动力学的搋理。 ( 3 ) 磁场对酶活性的影响 磁场对酶活性_ ；裙酶诞反应静影瞧表现爨酶活性的变讫。范秋领 4 5 t 等研究了磁 场对手枯革杆菌蛋白酶催他活性的影响，o 1 3 t 的磁场处理酶液1 0 0 m i n ，酶的催 化活性提高1 1 2 。张军等【聪l 报道，在2 5 下，经0 2 3 0 6 1 t 稳恒磁场作用l 小时，离体牛肝c a t 的活性增加。夏丽华【叫报道以稳恒磁场对羊草进行处理， 发现羊萆中p o d 的活性增加，并且诱发出了新的同工酶谱带。钟科军f 霹8 j 以不同 强度磁场作用予s o d 溶液，当用2 0 0 r o t 磁场处理溶液2 小时，其活性增长1 7 。 麻海珍等f 4 9 】在磁场对光合细菌脱氢酶影响的研究中发现磁场有累计效应，在最佳 磁场条件下，随着磁场传阕时阎的增长，脱氢酶活力增加。 l 。3 2 磁场对活性污混的影响 j t m g 5 0 报道0 4 5 t 约嘉摄磁场使溪性污漉对苯酚的降解率提高3 3 ，北极磁 场则抑制这种降解。h a t t o r i 【5 1 】报道，永磁场处理三种不同种类的活性污泥，发现 活性污泥的浞降性得到提离，污泥霾酶尺寸增大，同时活性污泥去除e o d 的能 力得到提高。a g n i e s i k a 【掀】报道，磁场条件下活性污泥的硝化作用的反应速率明 显提高，同酎摄氧率提高了2 倍。y a v u z l 5 3 1 研究发现磁场可戮增加微生物的活性， 且这种作用效果对混合菌种( 活性污混) 沈对纯菌种更显著。该研究用一系列不 同强度磁场处理活性污泥，结果袭骠磁场强度隽1 7 。8 m t 时，底耪( 葡篱糖) 酶 最大去除率提高到锚逶常先3 溉) ，但当磁场强度为4 6 6 r o t 时活性污泥的 底物去除率降低。h u 5 4 报道疲水在强度兔1 0 t 的磁场中曝露3 0 m i n ，酸性红熊 降解常数和最大反应速度分别提高l 。7 和1 s 倍。另外，经磁场作用詹到达最大 降解速度所溺的时闯缩短到原来的彰5 。 磁场对微生物的酶系统会产生重大影响，对微生物的细胞分裂等也会产生重 浙溉大学项士学位论文 大影响，从而最终可以影响生物体处理废水的能力。在磁场存在的情况下，无机盐 在水中溶解度增加2 0 7 0 ，同时水的渗透压和菌体膜的通透性增强，有利于微 生物吸收营养。另外磁场还可以提高水中氧的溶解度，可以直接促进一些小分子 有机物直接降解为c 、n 等营养元素，为微生物的生长提供养料。 1 3 3 磁场对微生物代谢的影响 磁场对微生物细胞内生物代谢的调节也是不可忽视的因素。 t u s z y n s k i t 等【5 5 】报道了4 5 0 奥斯特的磁场作用于酵母发酵中2 4 小时，使酵母 细脆量增加2 1 2 ，酒精产量提高了8 5 - 3 0 。1 9 9 6 年l o n i m 等【嗣报道，经过磁化 作用的培养基对黑曲霉的柠檬酸合成的促进作用。另一成果是高磁场对噬菌体作 用的研究【5 7 1 。以大肠杆菌为宿主的噬慧体感染，以“溶菌化和“溶原化 状态 双