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物質和無機物質的總稱，其中的許多細菌都能累積聚-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原料，制成易降解的且無毒的醫用塑料器皿和外科用的手術針和縫線，具有重要的使用價值。因而如何合理利用活性污泥合成PHB具有重要的現實意義，本文以實驗室微生物合成PHB的原理為著眼點，進一步來進行活性污泥合成PHB的實驗研究，以尋找資源化利用活性污泥的有效途徑。

關鍵詞：活性污泥 合成 PHB 實驗

中圖分類號：X703 文獻標識碼：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菌細胞質內屬于類脂性質的碳源類貯藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼羅藍或蘇丹黑染色，具有貯藏能量，碳源和降低細胞內滲透壓等作用，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用塑料器皿和外科用的手術針和縫線，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物質和無機物質，這些微生物群體主要包括細菌，原生動物和藻類等，其中，細菌和原生動物是主要的二大類，且細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的實驗研究的實質正是研究如何利用細菌來合成PHB。

研究表明，許多細菌，當利用不平衡營養供應物生長時，會積累大量聚羥基烷酸聚合物粒子。細菌生長利用培養基中所提供的營養物而形成同聚酯、共聚酯或其二者。另有大量的生物學實驗研究表明，合成PHB的生化途徑從乙酰輔酶A代謝中心途徑開始分支，先后經過三步反應將乙酰輔酶A轉變成PHB。這些反應分別由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。當生長培養基中的碳源耗盡時，聚合物被胞內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NAD專一脫氫酶氧化成乙酰乙酸，乙酰乙酸經乙酰乙酸輔酶A合成酶轉化為乙酰乙酰輔酶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：通過對活性污泥進行好氧菌馴化來提供菌種，通過好氧動態供料法在序批式反應器（sequencing batch reactor，SBR）中對已經過良好培養的活性污泥進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的發酵培養條件：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量濃度，通過在實驗過程中典型周期內對活性污泥合成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積累的關系。實驗研究的結果表明，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，表現為非平衡生長，其生長主要是由于活性污泥細菌細胞內儲藏PHB引起的。為了進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）、氮濃度等在內的多種生長環境因素進行不同程度的調節，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。研究發現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；其中當碳源濃度為700 mgC/L時，活性污泥中PHB的合成量于9 h達到最高值970 mg/L，而當碳源濃度高于700 mgC/L時，活性污泥中PHB的合成反應超過9 h后，PHB的濃度便不再升高；（2）小范圍內調節活性污泥的PH值時，發現對PHB的合成影響不大，這也說明了PHB合成過程中的代謝產物具有一定的PH酸堿度緩沖協調性；（3）當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，發現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的量最高可占質量分數的60%以上；（4）在實驗中通過設置不同的溫度梯度發現，相同條件下溫度為20 ℃時，PHB的合成量可達到最大，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加大溶解氧濃度時發現，過高的通氣量很不利于PHB的積累，相反，若適當限制空氣流量則更有利于PHB的合成，且實驗表明，當將空氣流量控制為78 L/h時，乙酸鈉的PHB轉化率可達到最大。

上述PHB合成實驗最終得出好氧動態供料法馴化后的活性污泥具有較強的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用價值，這也使得進行活性污泥合成PHB的實驗研究具有重要的現實意義，同時這一研究也為以后進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。

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