活性污泥微生物合成PHA的研究

论文摘要

聚-β-羟基烷酸（PHA）是一类由微生物在生长受限的条件下合成的储藏性物质。它既具有与传统塑料相似的热塑性,又具有可降解性,是理想的石化塑料替代品。目前PHA已通过纯菌发酵方式实现商业化生产,但由于纯菌利用的底物价格昂贵,发酵设备又需灭菌处理,因此提高PHA的生产成本为石化塑料的4-9倍,较高的生产成本阻碍了其进一步推广应用。研究发现用于污水处理的活性污泥微生物能够合成PHA,且活性污泥可利用的底物种类丰富、来源广泛,培养设备不需灭菌,因此利用活性污泥生产PHA越来越多地受到人们的关注,并成为研究的热点。本课题主要针对活性污泥驯化培养和PHA生产两个阶段进行研究。首先在活性污泥的驯化阶段,比较了两种不同培养方式的驯化效果,确定较优方式,并在较优方式的培养下考察了碳源组成对驯化效果的影响。然后在PHA生产阶段,分别对比了利用三种碳源组成配水培养时不同氮、磷供给方式对PHA生产的影响,确定了较优方式,并进一步在较优供给方式培养下考察了碳源组成对PHA生产的影响。在对群落结构的研究中,采用16Sr DNA文库与T-RFLP技术对活性污泥中细菌种群结构进行了确定和分析。研究结果表明,针对活性污泥驯化阶段,本研究在单阶段驯化模式的基础上提出了双阶段驯化模式,通过对比驯化效果发现双阶段模式更适于培养高PHA合成能力的活性污泥。双阶段模式下乙酸的利用速率比单阶段模式提高了210%,污泥浓度增加了125%,PHA含量能在更短的时间内达到峰值。进水碳源组成不同导致驯化效果不同:进水乙酸钠浓度为20mM/L、丙酸钠浓度为10mM/L时,活性污泥合成PHA能力最强,PHA合成量为0.48g PHA/g碳源。针对PHA生产阶段,对直接降低氮、磷供给的方式进行改进,提出了逐渐降低氮、磷供给的方式;对比两种方式促进PHA积累的效果发现,逐渐降低方式的效果更显著,PHA含量提高到污泥干重的38.00%,而直接降低方式下最高PHA含量仅为12.02%。只利用乙酸钠为碳源生产的PHA中HV单体含量可达45.51%,这一结果较之前的报道有很大程度的提高;HV单体含量随进水中丙酸钠浓度的升高而增加,只利用丙酸钠为碳源时PHA中HV单体含量最高,占多聚物总量的81.50%。通过微生物群落结构分析发现,合成PHA活性污泥中的细菌大部分属于α-变形细菌纲,主要包括Alpha proteobacterium,Meganema perideroedes,Paracoccus sp.和Rhodobacteraceae bacterium等。随进水丙酸钠浓度的提高,前三种微生物的丰度逐渐增大,而Rhodobacteraceae bacterium的丰度逐渐减小。不同碳源培养体系中,微生物种群丰富度越小,PHA产量越高;培养活性污泥的配水碳源组成越接近,微生物群落结构越相似。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 PHA概述
• 1.2.1 PHA简介
• 1.2.2 PHA的合成
• 1.2.3 PHA的应用
• 1.3 活性污泥微生物合成PHA的研究现状
• 1.3.1 合成机理
• 1.3.2 合成工艺
• 1.3.3 碳源对PHA合成的影响
• 1.3.4 氮和磷对PHA合成的影响
• 1.3.5 其他工艺条件影响及优化
• 1.4 微生物群落结构研究现状
• 1.4.1 分子生物学技术在群落结构研究中的应用
• 1.4.2 合成PHA的微生物群落结构研究现状
• 1.5 课题的目的意义及主要研究内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 接种污泥及培养条件
• 2.1.1 污泥来源及培养设备
• 2.1.2 人工配水组成
• 2.1.3 驯化阶段培养方式
• 2.1.4 PHA生产阶段的反应器运行
• 2.2 检测方法
• 2.2.1 常规指标检测方法
• 2.2.2 PHA含量检测
• 2.2.3 活性污泥微生物菌种辨析
• 2.2.4 微生物群落结构分析
• 第3章 用于合成PHA的活性污泥驯化培养研究
• 3.1 培养方式对活性污泥驯化的影响
• 3.1.1 对底物代谢的影响
• 3.1.2 对活性污泥性质的影响
• 3.1.3 对PHA合成的影响
• 3.2 碳源组成对活性污泥驯化的影响
• 3.2.1 活性污泥微生物对底物的代谢
• 3.2.2 PHA的合成
• 3.3 本章小结
• 第4章 活性污泥微生物合成PHA影响因素研究
• 4.1 氮、磷供给方式的影响
• 4.1.1 直接降低氮、磷供给方式的培养效果
• 4.1.2 逐渐降低氮、磷供给方式的培养效果
• 4.1.3 不同方式对PHA合成的影响与分析
• 4.2 碳源组成对PHA合成的影响
• 4.2.1 活性污泥微生物对碳源的利用
• 4.2.2 pH值的变化
• 4.2.3 对PHA含量及组成的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 微生物群落结构分析
• 5.1 合成PHA活性污泥微生物群落组成分析
• 5.2 活性污泥中细菌群落结构演替分析
• 5.2.1 合成PHA的活性污泥细菌群落动态演替分析
• 5.2.2 碳源组成对微生物群落结构的影响
• 5.2.3 碳源组成对微生物群落多样性的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢