活性污泥合成生物可降解塑料的研究进展

活性污泥合成生物可降解塑料的研究进展林东恩1,张逸伟1,沈家瑞2(1.华南理工大学应用化学系;2.华南理工大学材料学院,广州510641)摘要:PHAs(polyhydroxyalkanoates,聚羟基脂肪酸酯)是许多原核微生物在不平衡生长条件下合成的细胞内能量和碳源储藏性物质,作为完全可生物降解的热塑性聚酯而倍受关注。介绍了利用生物处理污水中活性污泥的混合碳源及微生物群体发酵合成PHAs的有关研究成果,包括微生物的种类、碳源及合成途径等,重点分析厌氧2好氧法活性污泥积累PHAs的量化关系,指出合理的工艺及适当的营养条件可以提高污泥中PHAs的积累量。此工作为污水处理资源化及污泥减量化、实现清洁生产提供了非常有潜力的研究方向。关键词:聚羟基脂肪酸酯;活性污泥;生物降解塑料中图分类号:X78文献标识码:A文章编号:100326504(2004)0220101203聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,以下简称PHAs)是许多原核微生物在不平衡生长条件(如缺乏氮、氧等)下合成的胞内能量和碳源储藏性聚合物。PHAs具有生物可降解性、生物相容性、压电性和光学活性等优良特性,还具有类似于化学合成塑料的理化性质,无毒无害,是一种很有应用前景的新型材料[1-3]。目前PHAs已经可以通过真养产碱杆菌(Al2caligeneseutrophus)进行工业化生产,但成本太高[4],因此PHAs的价格昂贵,主要应用于人体医药学、药物缓释体系等方面[5]。在降低生产成本到一定程度后,可代替合成塑料广泛应用于农业、日用化工等行业,解决各方面引起的白色污染问题。而另一方面,PHAs与废水生物处理特别是生物除磷有着密切的联系。细菌是以糖原、PHAs等作为其含碳有机物的贮藏物质(植物以淀粉、人以脂肪作为含碳的贮藏物),因此,PHAs在有机废水处理特别是厌氧-好氧生物除磷过程中起着能量转换器的作用。如果通过工艺理论研究把除磷与生产PHAs作为共同的目标实现废水处理的无害化与资源化的有机结合,这将具有非常重要的科学意义和研究价值。1PHAs的生物合成1.1合成PHAs的微生物和碳源能合成PHAs的微生物分布极为广泛,包括光能和化能、自养和异养菌共计65个属中的许多种,如产碱杆菌属(Alcaligenes)、假单胞菌属(Pseudomonas)、甲基营养菌(Methylotrophs)、固氮菌属(Azotobacter)和红螺菌属(Rhodospirillum)等,它们分别利用不同基金项目:国家自然科学基金项目(50278036)以及华南理工大学自然科学基金项目.作者简介:林东恩(1968-),女,讲师,博士,研究可生物降解塑料的研制与开发。的碳源产生不同的聚羟基脂肪酸酯[3]。糖类、脂肪醇、脂肪酸、碳氢化合物甚至二氧化碳和氢气的混合气体都可作为碳源。在众多能积累PHB的微生物中,Al.eutrophus最受关注,因为它在一定条件下积累PHB可达细胞干重的90%以上,由此对它的研究最多、最深入。英国ICI公司(现名为Zeneca)20世纪80年代采用葡萄糖和丙酸为碳源,以Al.euthruphus发酵得到的P(HB2co2HV)(商品名为Biopol)是唯一面市的PHAs产品。1.2PHAs的发酵培养方式PHAs是细胞内一种内源性物质,当环境中营养失调时,PHAs作为营养和能量的来源,象淀粉和糖源一样。已经有大量的实验证实:PHAs是在碳源和能源过量或氮源、磷源缺乏时形成的。但是在氮源缺乏时微生物的生长发育不好,影响PHAs的产率。因此目前常使用双底物两段培养法克服一般培养方法菌体生长条件同PHAs积累条件不一致的矛盾。第一阶段提供适合菌体生长的条件,进行好氧培养;第二阶段则提供使菌体积累PHAs的条件,补加乙酸钠或其他有机酸进行厌氧或限氧培养[6-7]。目前,PHAs的发酵及其动力学的研究方兴未艾,如果能针对不同的菌种进行发酵工艺及动力学的研究,建立发酵过程的数学模型,就可以实现发酵过程的优化和自动控制,降低PHAs的生产成本。2活性污泥合成PHAs2.1厌氧2好氧活性污泥中细菌、有机物与PHAs的关系厌氧2好氧的生物除磷过程中厌氧区里聚磷菌(吸收并贮藏磷的微生物)分解释放出磷酸根同时吸收有机物,被吸收的有机物以PHAs的形式蓄积在细胞内,而释放出来的磷酸根在好氧阶段又被污泥吸收以聚磷酸的形式再次被蓄积,磷从污泥中被排出实现了生物除磷过程;此即为聚磷菌的好氧吸磷现象[8]。而好氧·101·活性污泥合成生物可降解塑料的研究进展林东恩,等过程中的代谢反应即呼吸作用将一部分PHAs分解成CO2并获得能量,此能量应用于聚磷酸合成、污泥内碳水化合物合成及微生物的增殖。这时,污泥中的非聚磷的好氧性异氧细菌虽也能利用废水中残存的有机物进行氧化分解,释