活性污泥合成PHAs的饑餓豐盛模式耦合磁場作用機理.pdf

1、聚羥基脂肪酸酯(Polyhydrocylkanotes，PHAs)不但與化學(xué)塑料性質(zhì)相似，而且具有生物相容性、可完全生物降解，因而作為一種非常有前景的合成塑料替代品而日益受到關(guān)注。但較高的生產(chǎn)成本使生物可降解塑料聚羥基脂肪酸酯的大規(guī)模使用受到限制。 在所有利用微生物合成PHAs方法中，好氧瞬時供料法由于高的PHAs合成能力及可利用混合菌群(如活性污泥)和有機廢棄物合成PHAs等特點，成為目前最具應(yīng)用前景的技術(shù)。利用磁場的生物效應(yīng)

2、，耦合好氧瞬時供料工藝(饑餓-豐盛模式)，將市政污泥污水處理廠的剩余活性污泥培養(yǎng)成具有高PHAs存儲能力的微生物，同時，選用酸化常見產(chǎn)物乙酸、丙酸、丁酸為底物，進(jìn)行磁場耦合饑餓-豐盛模式條件下的PHAs合成實驗，分別考察了磁場強度、底物組成、C:N等因子的影響，并對各因子進(jìn)行優(yōu)化實驗；采用現(xiàn)代化分析技術(shù)，闡述磁場與饑餓豐盛模式耦合作用的機理。 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始負(fù)荷及饑餓-豐盛期比例是馴化高PHAs存儲能力微生物的關(guān)鍵因素。初始

3、底物濃度為360mgCOD/l，逐漸增加濃度到6480mgCOD/l，饑餓-豐盛期比例為3:1時，微生物體內(nèi)PHAs含量從8.74％增加到50.24％，且系統(tǒng)穩(wěn)定運行。低初始濃度，有利于高存儲能力微生物形成優(yōu)勢菌種。磁場耦合饑餓豐盛模式可以進(jìn)一步提高微生物體內(nèi)PHAs的含量，可達(dá)66.2％。 微生物體內(nèi)PHAs及HB、HV單體分別在不同磁場強度達(dá)到峰值，PHA含量在磁場強度為11mT時最高，在磁場強度為42mT時最低；而HB含量

4、在磁場強度為7mT時達(dá)到最高，在磁場強度為42mT時最低；HV含量在磁場強度為21mT時達(dá)到最高，在磁場強度為42mT時最低。微生物中PHAs合成率隨C:N的升高而上升，在C:N為100:1左右，達(dá)到峰值，而活性微生物產(chǎn)率隨C:N比的上升呈下降趨勢；磁場存在時，微生物中的PHAs合成率隨C:N變化趨勢沒有改變，但合成率均有所提高。根據(jù)正交實驗結(jié)果直觀分析，各因素對實驗結(jié)果的重要性依次為磁場強度、C: N、pH。最優(yōu)化實驗組合為磁場強度取

5、12mT，NH3-N濃度3.5mg/L(C:N為160:1)、初始pH值7.0。 底物類型及組成比例對微生物中PHAs的合成率、單體HV/HB的比例具有顯著的影響。以單一乙酸、丙酸、丁酸為底物時，乙酸和丁酸合成的是HB單體、丙酸合成的是HV單體。用乙酸作底物時，大部分的底物(約55％)是用來進(jìn)行存儲能量，而用于維持微生物生命活動的底物占20％左右，其余用來供應(yīng)微生物的生長，即合成細(xì)胞質(zhì)，而用丙酸和丁酸做底物時，約有25％左右的底

6、物用來儲存，一半左右的底物是用來供應(yīng)細(xì)胞生長，其余用來維持微生物的生命活動。三種酸中，乙酸是最易合成PHAs的底物。 磁場使微生物吸收底物后的能量分配比例發(fā)生了變化，磁場強度為7mT，以乙酸或丁酸為底物，微生物PHAs產(chǎn)量YPHA在磁場強度為7mT時達(dá)到峰值，分別為0.70(mgCOD/mgCOD)、0.28(mgCOD/mgCOD)；丙酸為底物，PHA產(chǎn)量YPHA在磁場強度21mT時達(dá)到峰值，為0.31(mgCOD/mgCOD

7、)。磁場對微生物吸收乙酸后的能量分配比例變化影響最大。 底物中乙酸/丙酸與聚合物中HV/HB存在一定的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)擬合可知兩者基本呈線性相關(guān)，磁場的存在使各直線的斜率發(fā)生變化。磁場為優(yōu)化PHAs中HV、HB比例，從而為優(yōu)化PHAs的性能，提供一條新路徑。 采用分子生態(tài)學(xué)技術(shù)(PCR-DGGE及16S rDNA鑒定)觀察污泥中微生物群落特征的變化，結(jié)果表明，磁場強度使微生物群落特征發(fā)生了變化，在0mT磁場強度作用下，微生物

8、群落以Leadbetterella byssophila屬(屈撓桿菌屬)占主導(dǎo)地位；在7mT磁場強度作用下，微生物群落以Unidentified bacterium，(AY34413)占主導(dǎo)地位；在21mT磁場強度作用下，微生物群落以Clostridium屬、Alkaliphilus屬(梭菌屬)占主導(dǎo)地位；在42mT磁場強度作用下，微生物群落以Flavobacterium屬(黃桿菌屬)占主導(dǎo)地位。通過代謝通量分析可知，磁場影響PHAs合