（微生物学专业论文）剩余活性污泥驯化发酵合成聚羟基脂肪酸酯pha的研究.pdf

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s y n t h e s i s - b a c t e r i aa ti n i t i a ls t a g e so fd o m e s t i c a t i o n a10 0 0ls c a l ed o m e s t i c a t i o na n df e r m e n t a t i o ne q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d w i t hi tt h ep h ap r o d u c t i o nf r o m a c t i v a t e ds l u d g ew a si n v e s t i g a t e di n5 0 0l s c a l e d a t as h o w e dt h a tt h ec h a n g eo fn u m b e r so fm i c r o o r g a n i s m sw a ss i m i l a rt ot h e3 ls c a l el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t c o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e nh a dm a i ne f f e c tt ot h e p r o d u c t i o no fp h a i nt h ee x p e r i m e n tt h eh i g h e s tr a t e so fp h a a c c u m u l a t i o na t15h r e a c h e d17 5 6 a b s t r a c t k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ，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 ) ，d o m e s t i c a t i o n ， f e r m e n t a t i o n !i!ii!一 目录 第一章前言1 1 1 剩余活性污泥l 1 2 聚羟基脂肪酸酯( p o l y - h ) , d r o x y a l k a n o a t e s ，p h a s ) 。3 1 3 微生物发酵合成p h a 6 1 4 利用活性污泥合成p h a 1o 1 5 活性污泥合成p h a 的研究进展”1 2 1 6 本研究选题依据及主要内容1 3 第二章发酵培养基碳氮比对活性污泥合成p h a 的影响1 5 2 1 前言”15 2 2 试验装置”15 2 3 试验材料16 2 3 1 活性污泥”1 6 2 3 2 培养基及溶液配置1 6 2 3 3 主要试剂”17 2 3 4 实验设备和仪器1 8 2 4 实验方法19 2 4 1 活性污泥驯化装置设计1 9 2 4 2 活性污泥的驯化及p h a 合成1 9 2 5 分析方法2 0 2 5 1 总菌数计数方法”2 0 2 5 2p h a 合成菌数计数方法2 0 2 5 3 葡萄糖消耗率的测定”2 1 2 5 4 总悬浮固体量( m l s s ) 和挥发性悬浮固体量( v s s ) 的测定2 1 2 5 5 湿污泥含水率的测定2 l 2 5 6p h a 的提取2 1 2 6 结果和讨论”2 2 2 6 1 不同发酵培养基碳氮比对活性污泥合成p h a 的影响一2 2 2 6 2 氧与碳氮比对p h a 合成能力影响程度的比较“2 5 1 v 目录 2 7 本章小结2 6 第三章好氧一沉淀驯化及土著p h a 合成菌回注对污泥合成p h a 能 力的影响2 8 3 1 前言2 8 3 2 实验装置2 9 3 3 试验材料2 9 3 3 1 活性污泥2 9 3 3 2 培养基及溶液配制2 9 3 3 3 主要试剂、实验设备和仪器3 0 3 4 实验方法3 0 3 4 1 活性污泥驯化装置3 0 3 4 2 不同富营养饥饿时间比对活性污泥合成p h a 能力的影响- 3 0 3 4 3 葡萄糖和乙酸钠分别作为碳源物质效果的比较3 0 3 4 4 最佳驯化时间的选择3 1 3 4 5 好氧一沉淀驯化方式的土著p h a 合成菌回注法试验3 2 3 5 分析方法3 4 3 6 结果与讨论”3 4 3 6 1 不同富营养饥饿时间比对活性污泥合成p h a 能力的影响“3 4 3 6 2 乙酸钠和葡萄糖分别作为驯化及发酵碳源效果的比较3 6 3 6 3 最佳驯化时间的选择”3 8 3 6 4 好氧沉淀驯化方式的土著p h a 合成菌回注试验”4 0 3 7 本章小结”4 3 第四章5 0 0l 规模的活性污泥驯化及发酵生产p h a 试验“4 5 4 1 前言4 5 4 2 试验装置4 5 4 3 实验材料4 5 4 4 实验方法4 6 4 5 分析方法”4 7 4 6 结果与讨论4 7 4 7 本章小结5 1 第五章结论及展望5 2 v 参考文献5 5 附录一：专用名词缩写一览表6 1 附录二：硕士期间发表的论文及申请的专利6 2 致谢6 3 个人简历6 4 v i 第一章前言 第一章前言 在人们的生产和生活中，主要产生几大类型的污泥：污水污泥、给水污泥、 水体( 主要是城市湖泊与河流) 清淤淤泥和给排水管网污泥。其中，给排水污 泥通常较为清洁，绝大多数情况下对环境没有危害，简单处理后可以直接排放 处置或利用；而污水处理剩余活性污泥产量最大，危害程度最高，处理难度也 最大【1 1 。 1 1 剩余活性污泥 随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，城市生活污水的 量也迅速增加，污水处理过程中产生的污泥量也随之增加。水是人类赖以生存 的必要条件，是自然界中最宝贵的资源。人类在生活及生产活动中从自然界获 得洁净的水，并把使用过的生活污水和生产废水排回到自然水体中，由于这些 污水中含有大量的污染物质，它们的排入污染了天然水体，降低了水体的使用 价值，也影响着人类对水体的再利用，减少了可供人类利用的水资源数量，使 全球性的缺水问题进一步加剧。因此，为了保护水资源，防止水体污染，污水 ( 包括生活污水和工业污水) 必须经过处理，将其中的污染物质的浓度降低到 一定的排放标准以下，才能排入自然环境中去。 污水处理方法主要分为物理处理法、生物处理法和化学处理法三类，按处理 程度又可分为一级处理、二级处理和三级处理。物理处理法是通过物理作用分 离、回收废水中不溶解的悬浮污染物的方法，可分为离心分离法、重力分离法 和筛滤截留法，一级处理多采用物理处理法。生物处理法是利用活性污泥中微 生物的代谢作用，使废水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害 物质的方法，可分为好氧生物氧化法和厌氧生物还原法。二级处理多采用生物 处理法，其中活性污泥法是应用最广泛的一种生物处理法，污水经二级处理后 大多能达到排放标准。化学处理法是利用化学反应的作用，分离回收污水中各 种形态的污染物质( 包括悬浮物、溶解物、胶体物等) 的方法。涉及中和、混 凝、氧化还原、气提、萃取、吸附和离子交换等反应方法。三级处理多采用化 学处理法或生物处理法来处理二级处理后未能去除的污染物，如氮、磷掣2 ，3 1 。 图1 1 是城镇废水处理典型流程【4 1 。 目f j i 我国7 0 的污水处理厂都采用生物法处理污水，活性污泥法是生物处 格棚沉砂池 污水一田专口 废水流程 污泥流程 初次沉淀池 剩余活 二次沉淀池 稍毒单元 口专笺盎 图1 - 1 城镇废水处理典型流程0 4 i f i g 1 1t h em o d e lp r o c e s so fw a s t e w a t e rp l a n t 污泥后 续处理 理法中最常用的一种【5 1 。在污水处理池中向生活污水注入空气进行曝气，并持续 一段时间后，污水中即生成一种絮凝体，这种絮凝体主要是由大量繁殖的微生 物群体所构成，它易于沉淀分离，并能使污水得到澄清，这种絮凝体就是“活性 污泥 【6 】。 活性污泥法是以活性污泥为主体的生物处理方法，在活性污泥处理废水过程 中，有机物在有氧条件下通过好氧微生物的代谢作用被氧化分解，最终生成二 氧化碳和水。活性污泥通过生物絮凝、吸附和氧化作用净化污水。在活性污泥 中，具有荚膜和黏液层的细菌相互粘连形成菌胶团，菌胶团之间的粘连形成了 体积更大的污泥絮凝体，它可以沉淀悬浮并吸附胶体颗粒的有机物。活性污泥 中微生物的表面一般带有负电荷，能吸附带正电荷的有机物颗粒而使其去除； 吸附在微生物表面的小分子有机物质能透过细胞膜进入细胞内，在一系列酶作 用下，有机物通过生物氧化和转化被去除【7 】。在污水处理过程中，活性污泥中微 生物在净化污水的同时自身也生长繁殖，不断增加，使生物反应器中活性污泥 浓度过高，导致污水中缺乏氧气，影响污水处理的效果。因此，必须定期排掉 2 分 染 泥被分离出来，可以说，污泥就是被浓缩的污染物质，其中含有大量人工合成 难生物降解的有机物、重金属、病原微生物等。这些污泥如不妥善处理，势必 会对环境造成二次污染，形成新的公害。 前些年大多数国家采用填埋、焚烧、投海、土地利用等实用性方法瞵j 。在许 多国家( 欧美国家、中国等) ，投海已明令禁止【9 】。填埋所需成本最低，但是它 要占用大量的土地资源，而且对填埋场周围的环境也会产生影响，还有渗滤液 和异味气体的产生问题，此外还有气体爆炸的危险。在许多国家和地区，新建 填埋场遭到人们的坚决反对。而污泥简单脱水以后固含量低，流动性大，可压 缩性差，给填埋场增加了渗滤液，并影响污泥的填埋压实，还可能堵塞集气井 和排水管，从而极大地干扰了填埋场的正常运行。焚烧处理虽然减量程度很高， 但投资运行费用很高，难以处理量大面广的城市污水处理厂的污泥，而且产生 有毒有害气体，存在烟气污染问题。事实上，土地利用可以将污泥变废为宝， 但是我国污泥中多数含有重金属离子、难降解有机物等有害物质，难以达到土 地利用标准。 相反，将污泥看成是一种资源，其中含有丰富的n 、p 、k 、有机物及热量。 通过改善污泥的成分与性质，回收能源和资源，以减少污泥污染，降低处理成 本，这才是最符合可持续发展的污泥处理方向【。 1 2 聚羟基脂肪酸酯( 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 ) 石油化工合成的普通塑料以其比强度高、重量轻、耐磨、成型加工方便、电 绝缘性能优异以及价格低廉等特点，在人们的生产生活中得到了广泛的应用， 每年全世界的普通塑料产量数以亿吨计，其中美国、欧洲和日本是全球最大的 塑料生产基地，产量占总量的一半以上。随着塑料制品的广泛使用，塑料废弃 物也大量产生。目前，处理塑料废弃物有三种主要的方法：焚烧法、回收再利 用法和填埋法。焚烧法的缺点是塑料在焚烧过程中会产生二嗯英等有害气体， 造成二次污染；回收再利用法成本高，对技术要求高：填埋法是将塑料废弃物 掩埋在地下，但有实验证明，聚乙烯塑料在土壤中掩埋3 2 年后仍然没有被降解 的迹象 10 1 ，且填埋法需占用大量的土地资源，易于造成土壤污染。数量如此巨 大的不可降解塑料对生态和环境产生了严重的影响，研究和开发生物降解塑料 已迫在眉睫 1 1 h 】，聚羟基脂肪酸酯( p o l y h y d r o x y a l k o a t e s ，p h a ) 就是其中的一 个研究热点。 p h a 是许多微生物在特定环境条件下，如氮、磷等缺乏时，合成的胞内碳 源或能源储存物质，在自然环境中能被完全降解为二氧化碳和制1 5 7 1 。p h a 具 有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累不会引起渗透压的增加，因此，是一 类理想的胞内储存物，比糖原、多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。 同时，p h a 是以离散的嗜苏丹黑的颗粒形式储存在细菌中，可以在电镜下观察 到，如图1 2 所示【l 引。 p h a 结构通式见图1 3 。其中r 基可为不同的取代基团，如烷基、支链烷基 或不饱和烷基。当r 为甲基时，聚合物为聚羟基丁酸酯( p h b ) ；r 为乙基时， 图1 - 2 菌体内的p h a 颗粒 f i g 1 - 2t h ee l e c t r o n i cm i c r o s c o p e p h o t o g r a p ho fp h a r o i 斗。一c h c l i l c 十 l 。 j - r = n - a n 3 dp e n d a n tg r o u po fv a r i a b l ec h i nl e n g t u l i b 。昼一h y d r o x y b u t y r a t ew h e r er = m e t h y l h v 6 - h y d r o x ，v a l e r a t ew h e 他r = e t h y l h c ，母h y d r o x y c 印r o a t e w h e r cr = l i p r o p 妒 h | i 6 一h y d r o x y h e p t a n o a t ew h e r er = w b u t y l h o ，口一h y d r o x y o c t a n o a t ew h e r er = n - p e n t y t h n ，母一h y d r o x y n o n a n o a t ew h e r er = n - h e x x y l h i ) ，口- h y d r o x y d e c a n o a t ew h e r er = n - h e p t y l m ，占一h y d r o x y u n d e c a n o u t ew h e r er = n - o c t y t e d d ，8 一h 3 f 打o x 弘o d e c 锄。砒ew h e r er = n - n o n y l 图1 - 3p h a s 结构通式 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r eo fp h a s 聚合物为聚羟基戊酸酯( p h v ) ，其它依次类推。迄今为止，在微生物胞内已经 分离得到含有1 0 0 多种单体的p h a ，其中单体组成在3 - - 5 个碳原子的p h a 称 为短链p h a ( s h o r t c h a i n - l e n g t hp h a ，p h a s c l ) ，聚合物伊羟基丁酸( p h b ) 和 3 h b 和3 h v 组成的共聚物p ( 3 h b c o 3 h v ) ，即p h b v ，为短链p h a 的典型代 表。而单体组成在6 18 个碳原子的p h a 为中长链p h a ( m e d i u m c h a i n 1 e n g t h p h a ，p h a m c l ) ，中长链p h a 中可含有多种功能基团，如烯、卤素、酚等，一般 4 第一章前言 为两种以上的单体的随机共聚物，其性质多表现为弹性体。由于中长链p h a 中 含有各种功能基团，比较容易进行化学修饰，因此，其理化性能和机械加工性 能多样，应用的范围和领域也较广泛【1 3 ，1 4 ，1 6 1 。 p h a 作为一种有光学活性的聚酯，除具有高分子化合物的基本特征，如质 轻、弹性、可塑性、耐磨性、抗紫外线等外，更重要的是其还具有生物降解性 和生物相容性。已有研究表明，用p h a 制作的香波瓶，在自然环境中9 个月后， 可基本上被完全降解，而用合成塑料制作的同样物品，完全降解的时间约需1 0 0 年 19 1 。 在p h a 家族中，p h b 和p h b v 是研究最广泛的两种高聚物。p h a 是1 0 0 立体专一性的，所有的不对称碳原子都是d ( 一) 构型，因而p h a 是高度结 晶的聚合物，结晶度范围在5 5 - - 8 0 ，其在物理性质甚至分子结构上与聚丙 稀( p p ) 很相似，例如熔点、玻璃态转变温度、结晶度、抗张强度等，而比重 大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性和压电性等则是p h b 的优点( 表1 1 ) 0 9 】。 表1 - 1p h b 与p p 的性质比较 t a b l e 1 - 1t h ec o m p a r eo fp h ba n dp p 性质pp p h b 玻璃态温度瓦 - 1 55 1 0 结晶度 6 5 一- 7 06 5 一- 8 0 密度g c m 。0 9 0 5 1 2 4 相对分子质量肘0 1 0 5 2 2 - - 71 8 相对分子质量分布5 1 2 2 2 3 弯曲模量g p a 1 73 5 - - 4 抗张强度m p a 3 94 0 断裂伸长， 4 0 06 - - 8 抗紫外线照射差好 抗溶剂好差 透气率，c m 3 m - z a t m q d d 17 0 04 5 生物降解性不可降解可降解 p h b 的一个缺点是熔融稳定性差，分解温度约为2 0 0 ，与其熔点相近( 约 为1 7 5 ) ，这可以通过合成时加入3 h v 前体合成p h b v 共聚物来解决。p h b v 的硬度随着h v 组分的增加而下降，弹性变好，加工性能明显优于p h b e 2 0 1 。目 第一章前言 前，聚羟基丁酸酯c o 羟基己酸酯( p h b h h x ) 是人们发现的力学性能最好的细 菌合成降解材料【z 。 p h a 在众多领域( 如生物降解包装材料、缓释材料、医学组织工程材料以 及电学材料等) 中都显示出巨大的应用潜力。在包装材料领域，p h a 是石油合 成的不可降解塑料的理想替代品，可减少塑料废弃物对环境的危害，缓解“白色 污染”，具有可持续发展意义。在医学领域，p h a 作为生物相容性材料，可加工 成血管、外科缝合线、手术试纸、绷带等，同时，还可制作成新型医学材料如 骨骼、骨钉、骨板等。在药物领域，p h a 可作为长效药物的缓释载体。此外， p h a 还可用来作纸和膜上的涂层材料、农药的生物降解载体、妇女卫生用品、 一次性纸杯、领带和高保温的衣服等物品【2 1 2 2 。 1 3 微生物发酵合成p h a p h b 最初由l e m o i g n e 在19 2 6 年首先发现【2 3 1 ，他从巨大芽孢杆菌( b a c i l l u s m e g a t e r i u m ) 中分离并鉴定了该物质，并阐明了该菌形成孢子时产生p h b 。2 0 世纪5 0 年代末研究了生长条件对p h b 代谢的影响，发现p h b 生长的量随着生 长培养基中糖铵比的增加而增加，即p h b 的积累是在某种营养物受限制的不平 衡生长条件下发生的，这对发酵合成p h b 的研究产生了重要的影响。1 9 7 4 年 w a l l e n 等报道了从活性污泥的氯仿萃取液中测定到含3 h b 和其它3 一羟酰基单 体的杂聚物的存在，使研究领域由p h b 扩展到系列化p h a 。之后越来越多具有 新型结构及特殊性质的由细菌合成的p h a 被不断发现，目前已经发现了至少有 1 2 5 种不同的单体结构，并且还在不断地发掘出新的单体。 能合成p h a 的微生物分布极广，包括光能和化能、自养及异养菌共计6 5 个属中的3 0 0 多种微生物，甚至在蓝细菌和古细菌中都检测到p h a 的积累。合 成p h a 的微生物主要集中在以下几个属中：假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱 杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、红螺菌属( r h o d o s p i r i l l u m ) 、芽孢杆菌属( b a c i l l u s m ) 及固氮菌属( a z o t o b a c t e r ) 等【2 4 】，它们能分别利用不同的碳源产生不同的p h a ， 表1 2 是各种微生物利用不同碳源产生p h a 的发酵水平比较【l9 1 。 微生物种类和生长条件不同，多聚物的相对分子质量也不同，一般在 2 1 0 5 3 1 0 6 之间。细胞种中积累的p h a 以单个粒子的形态存在，在尺 e u t r o p h u s 中，每个细胞含有8 1 0 个颗粒，每个颗粒大小为0 2 - 0 5i t m ，这些 颗粒在活细胞体内以非晶体形式存在。在电子显微镜或相差显微镜中观察到这 6 甲烷摇瓶 1 7 0 1 8 0 r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s17 0 2 3 乙酸摇瓶 3 6 乙酸摇瓶 3 6 淀粉摇瓶 r h o d o c o c c u ss p n c i m b4 0 1 2 6 葡萄糖摇瓶 2 4 p s e u d o m o n a sa c i d o v o r a n s e c o l i 重组菌x l lb l u e 1 , 4 - 丁二酸摇瓶 9 6 戊酸摇瓶7 2 葡萄糖2 5l4 2 辛酸1 2l4 8 a z o t o b a c t e rv i n e l a n d i iu w d 葡萄糖+ 戊酸2 5l3 8 - 4 0 a z o t o b a c t e rv i n e l a n d i iu w d 糖蜜+ 戊酸2 5l3 8 - 4 0 甲醇0 7 5l 1 7 0 r a l s t o n i ae u t r o p h u s 变异株葡萄糖3 5m 3 11 0 1 2 0 t a l s t o n i al a t u s 变异株 e r w i n i as p 重组菌 h y p h o m i c r o b i u mz a v a m i n f f 4 3 1 2 1 4 1 1 6 6 l - 5 4 l 6 87 8 1 9 2 2 2 2 3 1 0 0 2 2 0m 3 蔗糖 1 5m 3 蔗糖 5l3 52 8 甲醇 1 0l 1 8 4 5 6 5 7 6 5 9 - 7 l 6 4 7 0 8 0 7 6 6 8 4 0 5 9 s u b - s p c h e n g d u e n s et l o v 7 j 嵝 那 养 研究发现，微生物中p h a 生物合成途径主要有三种，见图1 - 3 1 2 5 j 。 途径i ：糖酵解途径。碳源( 糖) 通过代谢生成乙酰辅酶a ，p h a a 酶催化 两个分子的乙酰辅酶a 缩合成乙酰乙酰辅酶a ，它在p h a b 酶作用下生成r 3 羟 基丁酰辅酶a ，在p h a c 酶的催化下r 3 羟基丁酰辅酶a 合成p h a ，其它相关 碳源经过体内代谢生成4 ，5 ，6 羟基脂酰辅酶a ，在p h a c 酶作用下4 ，5 ，6 羟基 脂酰辅酶a 转化为p h a 。大多数微生物是通过这种途径合成p h a ，如深红红螺 菌【2 5 1 ，真氧产碱杆刮2 6 】等。 途径i i ：脂肪酸p 氧化途径。碳源( 脂肪酸) 经p 氧化转变为脂酰辅酶a ， 脂酰辅酶a 在相应酶的催化下依次转变为烯脂酰辅酶a 、( s ) 3 羟基脂酰辅酶a 、 3 酮基脂酰辅酶a 、r 3 羟基脂酰辅酶a ，p h a c 酶催化r 3 羟基脂酰辅酶a 合 成p h a 。在豚鼠气单胞菌中发现，烯脂酰辅酶a 在p h a j 作用下直接转化为r 3 羟基脂酰辅酶a ，省略了转化( s ) 3 羟基脂酰辅酶a 和3 酮基脂酰辅酶a 的步骤。 途径i i i ：脂肪酸从头合成途径。碳源在一系列酶作用下，经过乙酰辅酶a 、 丙二酸单酰辅酶a 、丙二酸单酰a c p 、3 酮基脂酰a c p 途径的转化，最终生成 r 3 羟基脂酰辅酶a ，与途径i i 相同，p h a c 酶催化r 3 羟基脂酰辅酶a 合成 p h a 。除了上述三个主要的代谢途径外，还存在其他的从相关碳源和非相关碳 源( 如4 羟基丁酸单体) 合成p h a 的代谢途径。 p h a 合成酶是p h a 合成体系中的关键酶，它决定着p h a 的组成和单体类 型【1 9 1 ，根据p h a 合成酶基因的一级结构和底物专一性可将细菌的p h a 合成酶 分成不同的类别【2 7 - 2 9 。、 p h a 常见的生物合成方法需要从自然界分离筛选或诱变获得高p h a 合成能 力的纯菌种，再利用各种人工合成的培养基进行纯种发酵，其高昂成本是阻碍 p h a 实现大规模工业化生产的主要障碍，目f j 在各种p h a 中，仅p h b 和p h b v 实现了商业化规模的生产。影响p h a 生产成本的主要因素有p h a 的生产规模、 t c a 循环 4 - ，5 ，6 - 羟基脂酰辅酶a ，尹o 、 萁它途径 t 相关碳源 卜a c p a c p 3 酮基脂酰 烯脂酰 丙= 酸单酰a c p 1 l 丙二酰单酰辅酶a +途径i i i 乙酰i 辅酶a 脂肪酸生物合成 t 碳源 【镛) p h a a ：b - 酮硫解酶；p h a b ：n a d p h - 依赖的乙酰乙酰辅酶a 还原酶；p h a c ：p h a 合成酶； p h a g ：3 羟基脂酰酰基载体蛋白辅酶a 转移酶：p h a j ：r 特异的烯脂酰辅酶a 水合酶： f a b d ：丙二酸单酰辅酶a 酰基载体蛋白转酰酶；f a b g ：3 酮基脂酰酰基载体蛋白还原酶 图l - 3 聚羟基脂肪酸酯生物合成途径1 2 5 l f i g 1 - 3t h eb i o s y n t h e s i sa p p r o a c ho fp o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s 9 第一章前言 p h a 含量、底物成本和p h a 提取成本等，其中p h a 的含量是最重要的因素， 它直接影响p h a 的产率和收率【3 0 , 3 1 】。目前，大量文献报道可通过改造宿主质粒 系统和培养策略提高p h a 产量，降低生产成本【3 2 。”】，但与化工合成的普通塑料 相比，p h a 生产成本依然过高。因此，如何利用混合菌种和廉价的培养基合成 p h a ，降低p h a 的生产成本一直是国内外研究者关注的焦点。 通常处理有机废水的活性污泥中含有多种可积累p h a 的天然微生物，而食 品、纺织、造纸、皮革、制糖、酿酒等工业废水、城市污水以及剩余活性污泥 中含有大量的碳水化合物、脂类、蛋白质、纤维素等能够用来合成p h a 的良好 底物，因此，人们开始考虑利用剩余活性污泥和污水来合成p h a ，以降低p h a 的合成成本，同时利用污水及污泥中的微生物和有机物，实现p h a 合成、废水 处理与污泥资源化的三重效果。 1 4 利用活性污泥合成p h a 1 9 7 4 年w a l l e n 等人首次从活性污泥中提取到p h a ，为利用活性污泥合成 p h a 奠定了基础【3 6 】。活性污泥中微生物是由细菌、真菌、原生动物、后生动物 等多种微生物群体组成的一个小生态系统。在活性污泥法处理污水过程中，净 化作用的主要承担者是细菌，活性污泥中许多细菌能够相互吸附形成絮状体 菌胶团，它具有很强的吸附、氧化有机物的功能，具有良好的自身凝集和 沉淀作用，是活性污泥处理污水的基础。活性污泥中主要细菌菌属包括：假单 胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、动胶杆菌属( z o o g l o e a ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g a n e s ) 、 黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 球衣菌属( s p h a e r o t i l u s ) 、贝氏硫细菌属( b e g g i a t o a ) 、 发硫细菌属( t h i o f 7 l 廊) 、透明颤菌科( v i t r e o s e i l l a c e a e ) 、亮发菌属( l e u c o t h r i x ) 等【3 7 1 。在这些属的细菌中，很大一部分能够积累p h a ，如假单胞菌属、产碱杆 菌属、动胶杆菌属、黄杆菌属、球衣菌属和贝氏硫细菌属等。另外，还有一些 菌属的细菌也能合成p h a ，如固氮菌属( a z o t o b a c t e r ) 和芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 等【3 引。活性污泥中的细菌是污水处理的主要承担者，其中的一部分又可在一定 条件下合成p h a ，这使利用剩余活性污泥合成p h a 成为可能。 与微生物发酵合成p h a 相比，采用剩余活性污泥合成p h a 具有很多优点： ( 1 ) 微生物发酵合成p h a 需要严格的无菌条件，而采用活性污泥法合成p h a 时不需要灭菌，也不存在被污染的可能性，有效减少了p h a 生产过程中的运行 费用；( 2 ) 实现剩余活性污泥资源化，降低污水处理厂运行成本；( 3 ) 活性 1 0 第一章前言 污泥能有效地转化废水中的含碳物质成为生物降解材料p h a ，降低p h a 生产成 本，缓解“白色污染”，具有经济和社会双重效益【3 3 1 。 活性污泥中含有种类众多的能合成p h a 的细菌，但还有很多非p h a 合成菌， 因此，利用活性污泥合成p h a 之前，需要对污泥中的p h a 合成菌进行选择性富 集，即驯化。目前大多使用营养过剩与饥饿( f e a s t f a m i n e ) 交替进行的驯化方式， 其选择压力来自于微生物对饥饿的耐受程度。由于p h a 合成菌能在胞内积累 p h a 作为碳源和能源储存物，其饥饿耐受能力高于大多数非p h a 合成菌，经过 一定时间的驯化之后，便以活性污泥作为混合发酵菌种进行p h a 的发酵。为了 保证p h a 的积累，除了控制一定的p h ，还要保证高碳低氮的发酵环境，使p h a 合成菌利用外部碳源合成p h a 。发酵结束，进行产物抽提以获得p h a 。p h a 的 抽提方法主要包括两类：有机溶剂直接溶出p h a ，化学药剂溶解菌体非p h a 部 分以得至u p h a 4 4 1 。其中，驯化效果的好坏对活性污泥合成p h a 的能力起关键性 作用。目前，人们主要研究的驯化方式有厌氧一好氧驯化方式、微好氧一好氧 驯化方式和好氧一沉淀驯化方式。 厌氧一好氧驯化方式下，活性污泥中微生物在厌氧阶段完成底物的代谢并 转化成p h a 。关于厌氧底物吸收的生化机制，主要有两类生化模型，