活性污泥合成聚羟基烷酸_PHAs_的研究进展_王琴

活性污泥合成聚羟基烷酸(PHAs)的研究进展王琴,陈银广(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要:聚羟基烷酸(PHAs)是微生物合成的作为碳源和能源的贮存物。PHA同时也是一种可完全生物降解的塑料,由于其良好的环境效应及机械性能,受到广泛关注。使用活性污泥及廉价基质合成PHA以降低生产成本有很好的应用前景。文章综述了活性污泥合成PHA的最新研究进展,包括活性污泥合成PHA的工艺、影响因素及提高PHA合成量的策略。关键词:聚羟基烷酸;活性污泥;合成;代谢中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:1003-6504(2007)05-0111-04聚羟基烷酸(PHAs)是微生物在受到某种基本营养成分如:N、P、S、O或Mg的浓度限制,而碳源过量时合成并积累的胞内颗粒聚酯,是微生物细胞的碳源和能源贮存物质。PHA是一种热塑性生物塑料,它的机械性能与聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)相似,还有可完全生物降解性、生物相容性,并由可再生资源(如糖类、脂肪酸)生成等优点。目前,已有四种商业生产的PHA产品,均由纯种微生物合成,它们是由Alcaligeneslatus合成的BiomerTM,Burkholderiasacchari合成的BiocycleTM,重组Escherichiacoli合成的BiopolTM,及重组Wautersiaeutropha合成的NodaxTM[1]。但是,生物塑料与石化塑料相比,生产成本太高。为商业化生产PHA,许多研究者试图通过寻找新的微生物菌种和更有效的发酵、回收工艺来降低生产成本[2]。PHA生产成本主要由原料价格,PHA产量以及从细胞提取聚合物的效率决定。PHA也是污水生物处理过程,特别是生物除磷过程中的代谢产物[3]。因此通过控制一定条件可用活性污泥来合成PHA。当采用间歇进料方式或当电子受体变化时,微生物处于不稳定条件,它们将积累PHA作为碳源和能源的贮存物质。在不稳定条件下,那些具有基质贮存能力,并利用贮存物生长的微生物,更具竞争优势。在一般的厌氧-好氧活性污泥工艺中贮存的PHA量,可达微生物细胞干重的20%。采用微氧-好氧活性污泥工艺生产PHA,可使PHA含量增加至62%;Serafim等[4]采用好氧动态进料工艺(aerobicdynamicfeeding,ADF),得到最大聚羟基丁酸(PHB)含量达细胞干重的78.5%。相比纯种微生物生产PHA,活性污泥合成PHA不需要灭菌,并且控制简单,从而可以降低工艺过程成本。本文综述了以活性污泥作为合成PHA微生物的二种工艺,活性污泥合成PHA的影响因素,以及提高污泥合成PHA的策略。1以活性污泥作为合成PHA的微生物的工艺介绍1.1乙酸、葡萄糖等作为碳源传统的PHA合成工艺常采用乙酸、葡萄糖等作为原料[5],经SBR反应器驯化后得到具有高PHA贮存能力的微生物。将剩余污泥取出,再投加乙酸、葡萄糖等碳源,让微生物贮存高浓度PHA,随后以微生物提取PHA。乙酸盐作为碳源主要生成羟基丁酸(HB)单元,丙酸盐主要生成羟基戊酸(HV)单元,而使用混合酸将得到共聚物。聚磷菌吸收乙酸生成HB与HV的共聚物,其中HB单元占主体的69%～100%,HV占0%～31%。Dionisi等[6]用丙酸得到聚羟基戊酸(PHV),用乙酸和丙酸的混合物得到共聚物(34%HB和66%HV)。使用乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的混合物可得到HB与HV的共聚物(50%∶50%)。其它基质,如乙醇、乳酸盐、以及谷氨酸盐也可由活性污泥转化为PHB[6]。使用乳酸盐,苹果酸盐,琥珀酸盐,丙酮酸盐和天冬氨酸盐作基质时,可得到3H2MB(3-羟基-2-甲基丁酸)、3H2MV(3-羟基-2-甲基戊酸)单体[7]。尽管乙酸是合成PHB最理想的碳源,但是PHB是高度晶状物,并且易碎,因此加入除HB之外的单体进入聚合物链,将得到共聚物,可以改善其机械性能。1.2有机废物等作为碳源采用价格低廉的有机废物作为碳源,如厨余垃圾、农业和食品工业废水、市政污水等,将有效降低PHA生产成本[8]。杨幼慧等[9]对四家食品和生活污水处理厂活性污泥积累和发酵生产PHA的能力进行了研究。结果表明,不同来源活性污泥自然积累PHA的能力有较大基金项目:霍英东教育基金会支助项目(101080)作者简介:王琴(1984-),女,在读硕士,研究方向为环境生物,(手机)13764184606(电子信箱)wangqin1207@163.com。活性污泥合成聚羟基烷酸(PHAs)的研究进展王琴,等111··DOI:10.19672/j.cnki.1003-6504.2007.05.039第30卷第5期2007年5月环境科学与技术差异,不同工厂活性污泥经过驯化、发酵后,均可有效富集PHA积累菌,PHA产量