功能性營養物質對藍藻厭氧發酵產酸的強化作用

王敏， 廖家林， 黃振興， 阮文權＊，3

（1.中國市政工程華北設計研究總院 中國 天津 300074；2.江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122；3.江南大學工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

功能性營養物質對藍藻厭氧發酵產酸的強化作用

王敏1， 廖家林2， 黃振興2， 阮文權＊2，3

（1.中國市政工程華北設計研究總院 中國 天津 300074；2.江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122；3.江南大學工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

為提高藍藻發酵的產酸量，向發酵體系中分別添加Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏4種營養物質來強化產氫產酸效果。結果表明：與對照相比，各種營養物質的添加均可不同程度地提高有機酸產量。其中，添加0.50 g／L的Fe、0.10 g／L的Fe2＋、0.20 mg／L的 Ni2＋可使丁酸和總有機酸產量分別提高109%～148%和84%～102%。酵母浸膏的促進效果最佳，在其質量濃度為0.25 g／L時，丁酸和總有機酸產量均為最高，分別可達到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比空白組提高164%和105%。

藍藻；發酵；丁酸；酵母浸膏

從20世紀70年代至今，全國湖泊富營養化面積增長了約60倍，藍藻等藻類爆發引起的水華等一系列水環境問題，已經成為部分流域的重要環境生態乃至經濟、社會問題［1］。比如2007年5～6月，太湖大面積的藍藻爆發就引起了無錫市數十萬居民的飲水危機。

在藍藻爆發的情況下，直接打撈藍藻是減緩爆發程度、保護水體生態環境最為直接、安全、有效的應急治理方法，也是目前治理湖泊藍藻最常用的手段［2－3］。但如何妥善處理處置打撈上來的藍藻又是一重要難題。鑒于藍藻中含有豐富的營養成分，因此對其進行資源化利用對解決藍藻引起的環境問題具有十分重要的現實 意義。其中，將藍藻作為生物質原料進行厭氧發酵產氫產甲烷以及丁酸等小分子有機酸是目前認為最可行的資源化方式之一［4－7］。

藍藻厭氧發酵產酸具有很高的研究價值和應用前景，產生的揮發性脂肪酸是重要的化工原料，可用于生產高附加值的產品。因此，如何提高產酸量是藍藻厭氧發酵產酸工業化應用所面臨的關鍵問題之一。研究表明，某些營養物質對厭氧發酵過程有著重要的作用，比如鐵是酶活性中心的組成部分，鎳在維持生物大分子和細胞結構的穩定性等方面有重要作用，而一些有機營養物則含有多種微生物生長所需的營養因子［8－13］。因此，在藍藻厭氧產酸過程中添加這些功能性營養物質，必定會影響發酵過程中一些酶的活性和代謝途徑的變化，從而有可能對藍藻厭氧發酵產酸產生強化作用。

作者通過添加功能營養物質（Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏），對藍藻發酵產有機酸進行研究，以期提高藍藻發酵的產酸量。試驗中對產物中的丁酸（主要產物）、丙酸、乙酸進行了測定與分析。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用藍藻取自太湖渤公島藍藻打撈處，厭氧顆粒污泥取自宜興某檸檬酸廠，見表1。顆粒污泥在接種前要先進行加熱預處理及活化處理［14－15］：加熱預處理（121 ℃，15 min）是將顆粒污泥中的產甲烷菌殺滅；活化是將熱處理后的污泥在COD為5 000 mg／L的葡萄糖溶液中培養一周，使污泥的活性恢復并加強，以達到較好的發酵效果。

1.2 試驗設計

本試驗采用分批發酵的方式，以抽濾瓶作為反應容器，并置于恒溫水浴振蕩器中。測定發酵前原料的含固率，控制反應容器中干物質（TS）總量為15 g，將顆粒污泥與藍藻按物料比1∶5（TS）混合后全量轉移至抽濾瓶中并用蒸餾水定容至650 m L，再向發酵體系中分別添加 Fe粉、Fe2＋（FeSO4）至0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、1.50 g／L，添加 Ni2＋（NiCl2）至 0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg／L，添 加 酵 母 浸 膏 至 0.10、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00 g／L，混 合 均 勻 后 在 35±1 ℃ 和100 r／min下恒溫發酵96 h。

1.3 方法

1.3.1 有機酸的測定采用液相色譜儀（Agilent 1100，美國），柱子為ZORBAX SB－Aq柱，柱長150 mm×4.6 mm，5μm，流動相：0.5% 乙腈、99.5%0.02 mol／L KH2PO4、調p H 至2.0（用磷酸調節）；流動相流速：0.5 m L／min；進樣量：10μL；柱溫：30℃；檢測器：紫外檢測器（210 nm）。

1.3.2 TS和VS的測定采用質量法，見參考文獻［16］。

1.3.3 發酵液p H值的測定Delta 320型p H計（Mettler－Toledo，德國）。

2 結果與分析

2.1 單質Fe和Fe2＋對藍藻厭氧發酵產酸的影響

Fe作為細菌代謝過程中鐵氧還蛋白的主要成分，參與細菌的產酸產氫代謝過程中相關酶系的作用過程，發酵環境中Fe的缺乏會導致系統中部分酶活的下降，使得系統的發酵產酸受到影響。另外單質Fe可使發酵環境中的氧化還原電位進一步下降，利于厭氧細菌的生長，提高細菌代謝活性。

圖1（a）和（b）分別為添加不同質量濃度的單質Fe對藍藻厭氧發酵過程中丁酸及有機酸產量的影響。由圖1可知，在初始添加的單質Fe質量濃度為0.05～0.5 g／L時，丁酸及有機酸產量隨初始單質Fe質量濃度的增加而增加；在單質Fe質量濃度為0.5～1.5 g／L時，丁酸及有機酸產量隨初始單質Fe質量濃度的增加而降低；并且初始添加質量濃度在0.05～1.5 g／L時均對有機酸產量具有促進作用。在單質Fe質量濃度為0.5 g／L時，丁酸和有機酸產量最高，可分別達到5 387 mg／L和8 281 mg／L，比空白組提高109%和84%。

圖1 單質Fe質量濃度對藍藻厭氧發酵產酸的影響Fig.1 Effects of Fe concentration on acid production from blue－green algae fermentation

圖2（a）和（b）分別為添加不同質量濃度的Fe2＋對藍藻厭氧發酵過程中丁酸及有機酸產量的影響。由圖2可知，在初始添加質量濃度為0.1～1.5 g／L時，丁酸產量及有機酸產量基本隨初始Fe2＋質量濃度的增加而降低；并且初始添加質量濃度在0.05～1.0 mg／L時均對有機酸產量具有促進作用。在Fe2＋濃度為0.1 g／L時，丁酸和有機酸產量均為最高，分別可達到6 394 mg／L和9 104 mg／L，比空白組提高148%和102%。

在藍藻厭氧發酵的反應體系中添加適量的單質Fe和Fe2＋均對丁酸和有機酸產量具有一定的提高作用。在單質Fe與Fe2＋同時作為限制性影響因子的作用下，細菌受到Fe2＋的優先作用，這與細菌自身生理調節機制中的電子傳遞與自由能變化過程有關。

圖2 Fe2＋質量濃度對藍藻厭氧發酵產酸的影響Fig.2 Effects of Fe2＋ concentration on acid production from blue－green algae fermentation

綜上所述，單質Fe的最佳促進質量濃度為0.5 g／L，Fe2＋的最佳促進質量濃度為0.1 g／L。

2.2 Ni 2＋對藍藻厭氧發酵產酸的影響

根據氫化酶活性中心所含金屬的不同，可以分為鎳鐵（Fe－Ni）氫化酶，鐵鐵（Fe－Fe）氫化酶等，其中，鎳鐵（Fe－Ni）氫化酶廣泛存在于大部分細菌中，而鐵鐵（Fe－Fe）氫化酶只存在于一小部分細菌中；此外，與鐵鐵（Fe－Fe）氫化酶相比，鎳鐵（Fe－Ni）氫化酶具有更高的底物親和性。鎳鐵（Fe－Ni）氫化酶基本上由兩部分構成，即1個鎳原子和12個鐵原子。雖然較高的Ni2＋質量濃度會抑制厭氧發酵，但添加痕量的Ni2＋質量濃度卻可提高酶活，有助于厭氧發酵的產氫和產酸。

圖3（a）和（b）分別為添加不同質量濃度的Ni2＋對藍藻厭氧發酵過程中丁酸及有機酸產量的影響。由圖3可知，在初始添加的Ni2＋質量濃度為0.05～0.2 mg／L時，丁酸及有機酸產量隨初始Ni2＋質量濃度的增加而增加；在Ni2＋質量濃度為0.2～1.0 mg／L時，丁酸及有機酸產量隨初始Ni2＋質量濃度的增加而降低；并且初始添加質量濃度在0.1～0.5 mg／L時均對有機酸產量具有促進作用。在Ni2＋質量濃度為0.2 mg／L時，丁酸和有機酸產量均為最高，分別可達到5 963 mg／L和8 473 mg／L，比空白組提高131%和88%。據此Ni2＋的最佳促進質量濃度為0.2 mg／L。

圖3 Ni 2＋質量濃度對藍藻厭氧發酵產酸的影響Fig.3 Effects of Ni 2＋ concentration on acid production from blue－green algae fermentation

2.3 酵母浸膏對藍藻厭氧發酵產酸的影響

酵母浸膏屬于有機營養物，它富含必需氨基酸、肽類、核苷酸、B族維生素、微量元素等，是最為理想的生物培養基原料。其主要作用是補充氮源和提供微生物生長的各種維生素、氨基酸及生長因子，可以有效促進微生物的活性，提高整個系統的活力，進而促進厭氧產酸。

圖4 酵母浸膏濃度對藍藻厭氧發酵產酸的影響Fig.4 Effects of yeast extract concentration on acid production from blue－green algae fermentation

圖4（a）和（b）分別為添加不同質量濃度的酵母浸膏對藍藻厭氧發酵過程中丁酸及有機酸產量的影響。由圖4可知，在初始添加的酵母浸膏質量濃度為0.25～2.0 g／L時，丁酸及有機酸產量隨初始酵母浸膏質量濃度的增加而降低；并且初始添加質量濃度為0.25～1.0 g／L時均對有機酸產量具有較好促進作用。在酵母浸膏質量濃度為0.25 g／L時，丁酸和有機酸產量均為最高，分別可達到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比 空 白 組 提 高 164% 和105%。因而綜上所述，酵母浸膏的最佳促進質量濃度為0.25 g／L。

3 結語

1）4種營養物（單質Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏）均可促進有機酸的產量，其最佳促進質量濃度分別為0.5 g／L、0.1 g／L、0.2 mg／L、0.25 g／L。

2）在各自最佳促進質量濃度下，丁酸和有機酸產量均為最高。其中，在單質Fe質量濃度為0.5 g／L時，分別達到5 387 mg／L和8 281 mg／L，比空白組提高了109%和84%；在Fe2＋質量濃度為0.1 g／L時，分別達到6 394 mg／L和9 104 mg／L，比空白組提高了148%和102%；在Ni2＋質量濃度為0.2 mg／L時，分別達到5 963 mg／L和8 473 mg／L，比空白組提高了131%和88%；在酵母浸膏質量濃度為0.25 g／L時，分別達到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比空白組提高了164%和105%。

3）4種營養物中，酵母浸膏的促進效果最佳。其原因可能是相對于無機營養物而言，有機營養物含有多種維生素、氨基酸和生長因子等，營養物較均衡全面，因此具有更佳的促進效果。

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Effects of Functional Nutrition Additions on Organic Acids Production from Blue－Green Algae Fermentation

WANG Min1，LIAO Jia－lin2，HUANG Zhen－xing2，RUAN Wen－quan＊2，3
（1.North China Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300074，China；2.School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；3.Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to improve the yield of acid from blue－green algae，four kinds of nutrients（Fe，Fe2＋，Ni2＋and yeast extract）with different concentrations were added to the fermentation froth，respectively.It was demonstrated that the addition of nutrients can increase the acid production in different degrees when compared with that of the control.With the different addition dosages，the yield of butyrate and organic acids were both improved，which were 109%and 84%increasements for 0.50 g／L of Fe，148%and 102%for 0.10 g／L of Fe2＋and 131%and 88%for 0.20 mg／L of Ni2＋.Among them，yeast extract demonstrated that the best effect，when 0.25 g／L yeast extract was added，the yield of butyrate and total organic acidsachieved at 6803 mg／L and 9269 mg／L，respectively，which were 90%and 64%higher than that of the control.

blue algae，fermentation，organic acids，yeast extract

＊通信作者：阮文權（1966－），男，上海人，工學博士，教授，主要從事環境工程專業研究。E－mail：wqruan＠jiangnan.edu.cn

TQ 920.1

A

1673－1689（2012）04－0379－06

2011－05－04

國家自然科學基金項目（20976069）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（JUSRP111A12）；無錫市科技支撐項目（CSE01002）；國家科技支撐計劃項目（2009BAC52B03）。

王敏（1960－），女，天津人，高級工程師，主要從事環境工程方面的研究。E－mail：wangmin83＠cemi.com.cn