利用活性污泥合成PHB的實驗研究

丁多霖

摘 要：活性污泥是微生物群體及它們所依附的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)的總稱，其中的許多細(xì)菌都能累積聚-β羥丁酸酯（PHB），PHB是相容性較好的生物材料，不僅具有高分子材料的熱塑性，還能以可再生生物資源為基本生產(chǎn)原料，制成易降解的且無毒的醫(yī)用塑料器皿和外科用的手術(shù)針和縫線，具有重要的使用價值。因而如何合理利用活性污泥合成PHB具有重要的現(xiàn)實意義，本文以實驗室微生物合成PHB的原理為著眼點，進(jìn)一步來進(jìn)行活性污泥合成PHB的實驗研究，以尋找資源化利用活性污泥的有效途徑。

關(guān)鍵詞：活性污泥 合成 PHB 實驗

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0120-01

聚-β羥丁酸酯（PHB）是一種存在于許多細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)屬于類脂性質(zhì)的碳源類貯藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼羅藍(lán)或蘇丹黑染色，具有貯藏能量，碳源和降低細(xì)胞內(nèi)滲透壓等作用，并且PHB是相容性較好的生物材料，可制成易降解的且無毒的醫(yī)用塑料器皿和外科用的手術(shù)針和縫線，具有極高的實用價值。活性污泥中含有大量的微生物群體及它們所依附的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)，這些微生物群體主要包括細(xì)菌，原生動物和藻類等，其中，細(xì)菌和原生動物是主要的二大類，且細(xì)菌一直作為活性污泥的功能中心而存在，活性污泥利用活性污泥合成PHB的實驗研究的實質(zhì)正是研究如何利用細(xì)菌來合成PHB。

研究表明，許多細(xì)菌，當(dāng)利用不平衡營養(yǎng)供應(yīng)物生長時，會積累大量聚羥基烷酸聚合物粒子。細(xì)菌生長利用培養(yǎng)基中所提供的營養(yǎng)物而形成同聚酯、共聚酯或其二者。另有大量的生物學(xué)實驗研究表明，合成PHB的生化途徑從乙酰輔酶A代謝中心途徑開始分支，先后經(jīng)過三步反應(yīng)將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變成PHB。這些反應(yīng)分別由3-酮硫解酶、NADPH依賴的乙酰乙酰輔酶A還原酶和PHB聚合酶催化。當(dāng)生長培養(yǎng)基中的碳源耗盡時，聚合物被胞內(nèi)PHB解聚酶降解，形成D-（-）羥基丁酸，并能確信此解聚酶是一種外切型水解酶。然后D-（-）羥基丁酸經(jīng)NAD專一脫氫酶氧化成乙酰乙酸，乙酰乙酸經(jīng)乙酰乙酸輔酶A合成酶轉(zhuǎn)化為乙酰乙酰輔酶A。因此，乙酰乙酰輔酶A是生物合成和生物降解PHB的共同中間體。值得注意的是，在從丁酸合成PHB反應(yīng)過程中，脂肪酸β氧化途徑的（S）-3-羥基酰基輔酶A中間體反轉(zhuǎn)形成聚-3羥基丁酸（R）-3-羥基乙酰輔酶A前體。基于上述PHB的合成原理，本文筆者在實驗研究過程中采用乙酸鈉為碳源，來進(jìn)行利活性污泥合成PHB的實驗。PHB合成實驗主要包括三個部分：（1）合成PHB的微生物菌種：通過對活性污泥進(jìn)行好氧菌馴化來提供菌種，通過好氧動態(tài)供料法在序批式反應(yīng)器（sequencing batch reactor，SBR）中對已經(jīng)過良好培養(yǎng)的活性污泥進(jìn)行為期三個月的活性污泥馴化，以富集PHB積累菌；（2）合成PHB的碳源：本實驗碳源由乙酸鈉提供；（3）PHB的發(fā)酵培養(yǎng)條件：如溶解氧濃度、PH、溫度、F/M（碳源濃度）、氮濃度等。

實驗開始前，分別測定活性污泥和乙酸鈉的初始質(zhì)量濃度，通過在實驗過程中典型周期內(nèi)對活性污泥合成PHB的觀察，來研究活性污泥吸收乙酸鈉、累積PHB以及活性污泥的生長情況，并找出馴化后活性污泥非平衡生長和PHB積累的關(guān)系。實驗研究的結(jié)果表明，若瞬時投加高濃度碳源，PHB的最終合成含量較低：即在大量碳源存在（925.7 mgC/L）的情況下，活性污泥合成大分子聚合物PHB的生長形式，表現(xiàn)為非平衡生長，其生長主要是由于活性污泥細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)儲藏PHB引起的。為了進(jìn)一步地提高活性污泥中PHB的合成含量，在實驗過程中，筆者通過對包括溶解氧濃度、PH、溫度、F/M（碳源濃度）、氮濃度等在內(nèi)的多種生長環(huán)境因素進(jìn)行不同程度的調(diào)節(jié)，來觀察各因素對活性污泥合成PHB的影響，以幫助確定利用活性污泥合成PHB的最佳生長條件。研究發(fā)現(xiàn)各因素對活性污泥合成PHB的過程均有影響，但成都各不相同，具體而言表現(xiàn)為：（1）隨著碳源濃度升高，利用活性污泥合成PHB的量也隨之逐漸增加；其中當(dāng)碳源濃度為700 mgC/L時，活性污泥中PHB的合成量于9 h達(dá)到最高值970 mg/L，而當(dāng)碳源濃度高于700 mgC/L時，活性污泥中PHB的合成反應(yīng)超過9 h后，PHB的濃度便不再升高；（2）小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)活性污泥的PH值時，發(fā)現(xiàn)對PHB的合成影響不大，這也說明了PHB合成過程中的代謝產(chǎn)物具有一定的PH酸堿度緩沖協(xié)調(diào)性；（3）當(dāng)以缺氮為活性污泥中PHB合成過程的限制因子時，測量活性污泥生物量，發(fā)現(xiàn)活性污泥生物量的增加主要是由于PHB的新合成引起，且其他殘余生物量不增加，并且在缺氮條件下，活性污泥合成PHB的量最高可占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的60%以上；（4）在實驗中通過設(shè)置不同的溫度梯度發(fā)現(xiàn)，相同條件下溫度為20 ℃時，PHB的合成量可達(dá)到最大，故初步確定本實驗條件下活性污泥合成PHB的適宜溫度為20 ℃；（5）在實驗過程中，提高溶解氧濃度則明顯加速了底物的吸收和PHB的儲存，但是實驗過程中欲繼續(xù)加大溶解氧濃度時發(fā)現(xiàn)，過高的通氣量很不利于PHB的積累，相反，若適當(dāng)限制空氣流量則更有利于PHB的合成，且實驗表明，當(dāng)將空氣流量控制為78 L/h時，乙酸鈉的PHB轉(zhuǎn)化率可達(dá)到最大。

上述PHB合成實驗最終得出好氧動態(tài)供料法馴化后的活性污泥具有較強(qiáng)的PHB合成能力，且活性污泥生長緩慢：其乙酸鈉消耗91.4%，其中53.4%的乙酸鈉被轉(zhuǎn)化為PHB，僅

3.1%乙酸鈉用于合成污泥活性生物量，供污泥生長。可見，經(jīng)好氧菌馴化后的活性污泥在一定條件下有著很好的PHB合成能力，這不失為資源化利用活性污泥的一種有效途徑。

總之，PHB作為一種生物可降解塑料，在實際生活中有著重要的應(yīng)用價值，這也使得進(jìn)行活性污泥合成PHB的實驗研究具有重要的現(xiàn)實意義，同時這一研究也為以后進(jìn)一步探究資源化利用活性污泥的有效途徑打下了良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]司紅巖，向天成.聚羥基脂肪酸酯的生物合成研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（10）.

[2]陳泉.重組大腸桿菌生產(chǎn)短鏈聚羥基脂肪酸酯PHB及PHBV的途徑構(gòu)建與代謝改造[D].山東大學(xué)，2011.

[3]謝爽，利用污水污泥和高濃度二氧化碳培養(yǎng)海洋微藻技術(shù)研究[D].中國海洋大學(xué)，2010.

[4]李金娟，趙林，譚欣，等.缺氧條件下活性污泥中PHB的生物合成[J].天津大學(xué)學(xué)報，2010（1）.

[5]錢永雨，趙敏，潘俊波，等.新型可降解塑料聚-β-羥基丁酸（PHB）的研究進(jìn)展[J].黑龍江醫(yī)藥，2010（6）.