Halomonas boliviensis利用垃圾渗滤液合成PHA的影响因素及其产量强化

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聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是一种在营养不均衡的条件下由微生物在细胞内合成的脂类物质,是一种天然的高分子生物材料。这一材料不仅与传统塑料有着相似的物理化学性质,还同时具有良好的生物可降解性、生物相容性以及塑料的热加工性能。因此,PHA被认为是有望代替传统塑料的新型环境友好型材料。相比于淡水混合菌,嗜盐纯菌的PHA合成能力更强,并且产物组分多样,能够扩大其应用范围。目前的PHA生产大多为单一底物发酵的方式,这大大增加了PHA的生产成本。以嗜盐纯菌发酵有机废水的方式成为降低PHA生产成本的发展趋势。在这一过程中,如何减少有机废水中抑制因素对纯菌生长及PHA合成的干扰,同时寻求能够进一步提高PHA合成量的工艺条件,从而实现有机废水的高效利用是本研究的重点。研究围绕中度嗜盐菌Halomonas boliviensis(玻利维亚盐单胞菌属,简称H.b)利用垃圾渗滤液的PHA合成,探究了其可行性及其影响H.b合成PHA的抑制因素,最后确定提高H.b以垃圾渗滤液为底物合成PHA产量的工艺条件。  在以实际垃圾渗滤液作为H.b合成PHA发酵底物的研究中,发现H.b可以实现PHA积累,但由于受到垃圾渗滤液中多种因素的限制,其积累量并不高,仅为细胞干重的15.25%,仍需进一步探究其影响因素。回收利用垃圾渗滤液中的有效成分代替单一碳源,以此作为H.b的发酵底物,节约了PHA生产成本,提高了PHA工业化生产的经济可能性。  通过研究垃圾渗滤液中挥发性有机酸(VFA)浓度、盐度、重金属浓度、无机氮以及有机氮浓度等条件对PHA积累的影响,发现垃圾渗滤液中碳源不足,氨氮浓度过大是导致响H.b合成PHA能力较低的主要因素。当VFA浓度提高到3000mg/l时,PHA积累量可达细胞干重的62.9%。此外,垃圾渗滤液中重金属锌和镍的含量过高,也对PHA的合成有明显的抑制作用。当锌浓度为4mg/l时,PHA合成能力明显受到限制,积累量仅为细胞干重的9.9%。从氮源利用角度来说,当以有机氮为氮源时,虽然对PHA积累效果并没有起到明显的积极作用,但PHA产物组分中的PHV含量有所提高,这对改善PHA的物化性质有很大优势,有利于PHA产品的应用。  在分别以乙酸、丙酸、丁酸和戊酸为底物发酵积累PHA的研究中,发现不同VFA对PHA积累结果有明显差异。相比于丙酸、丁酸和戊酸,当以乙酸为发酵碳源时更易达到高PHA积累量,可达细胞干重的65%,这一结果在PHA染色中得到进一步证实。此外,从PHA产物组分来看,当以戊酸为碳源时,产物中的PHV含量明显增加,占PHA总量的65%以上,成为主要的PHA成分类型。最后,提取各系统泥样中的DNA,进行了PHA合成基因鉴定分析,发现戊酸系统是唯一存在ClassⅣ型PHA合成酶的系统,这可能是该系统中PHV含量明显高于其他系统的主要原因。  通过控制溶解氧(DO)和pH改变碳源投加方式,从而探究PHA积累效果,发现两种方式均可刺激H.b的PHA积累能力,PHA积累量可提高10%-40%。尤其采用控制pH投加碳源时,PHA合成量显著上升,达到细胞干重的67.9%。从产物组分来看,两种投加方式PHV含量均随着反应时间而逐渐增加,但PHB仍是整个过程中的主要PHA组分。
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