石油基塑料除因其難降解特性而對生態(tài)環(huán)境造成持久性的危害之外,又以“塑料微�！边@樣一種新的污染形式影響自然界的食物鏈,隨著時間的積累,石油基塑料對地球生物圈的影響會更加嚴(yán)重和深遠(yuǎn),尋找應(yīng)對策略已經(jīng)刻不容緩。聚羥基脂肪酸酯(PHA)是一種由細(xì)菌合成的胞內(nèi)聚酯,具有類似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具備的生物可降解性。目前市場上可見的PHA產(chǎn)品主要來自于純菌株發(fā)酵技術(shù),近20年來基于環(huán)境生物技術(shù)的混合菌群(MC)PHA合成工藝由于其潛在的污染物處理、資源回收及成本低廉等特點(diǎn)而受到較多關(guān)注。但是,目前仍存在著若干重要的因素限制了工藝的規(guī)模化應(yīng)用,課題基于系統(tǒng)穩(wěn)定性缺乏理論支撐、合成效率低下以及工藝整體層面的產(chǎn)物組成調(diào)控策略缺失這些制約因素從微生物生態(tài)學(xué)、代謝機(jī)制以及工藝效能層面開展了針對性的研究。三段式工藝是最成熟的混菌PHA合成工藝形式,作為三段式工藝的核心,產(chǎn)PHA菌的富集機(jī)制不夠清晰,缺乏富集工藝穩(wěn)定性的理論解析。本論文首先在飽食-饑餓(F-F)工藝模式下考察了富集過程中混合菌群功能的變化和群落的演替,分析了兩者的關(guān)聯(lián)性,結(jié)果表明,接種活性污泥后,在使用不同典型底物的三組富集反應(yīng)器中,菌群的功能均表現(xiàn)出PHA合成能力快速攀升及菌群絮體物理性質(zhì)由波動轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的變化趨勢,菌群的演替過程呈現(xiàn)非產(chǎn)PHA優(yōu)勢菌的淘汰和產(chǎn)PHA優(yōu)勢菌的更迭的規(guī)律。對PHA聚合酶基因pha C的定量分析發(fā)現(xiàn),在成熟期雖然群落持續(xù)演替,但PHA合成菌能夠以一種“承接”的方式保持菌群整體PHA合成能力的穩(wěn)定。研究還發(fā)現(xiàn),具有特殊胞外多糖分泌傾向的Thauera屬產(chǎn)PHA菌的增殖導(dǎo)致了菌群絮體沉降性的波動,但也因這樣的代謝特質(zhì),該菌被PHA合成更為專一的Paracoccus屬產(chǎn)PHA菌競爭性淘汰。研究闡明了F-F模式下產(chǎn)PHA菌的富集機(jī)制:基于底物充盈/匱乏的選擇壓力在整個富集期占據(jù)主導(dǎo),驅(qū)動產(chǎn)PHA優(yōu)勢菌占據(jù)生態(tài)系統(tǒng)并在優(yōu)勢菌更迭期間保持了功能基因的穩(wěn)定,噬菌體-細(xì)菌作用機(jī)制極有可能導(dǎo)致了優(yōu)勢菌在成熟期的大幅更替,研究結(jié)果證明F-F模式下富集系統(tǒng)具備理論上的穩(wěn)定性。研究提出了改善富集期菌群絮體穩(wěn)定性的工藝策略,并根據(jù)菌群功能參數(shù)的關(guān)聯(lián)性初步建立了富集系統(tǒng)的評價(jià)體系。針對三段式工藝PHA積累合成段底物p H需預(yù)調(diào)節(jié)以及碳源利用效率低的問題,本論文提出了低負(fù)荷連續(xù)流補(bǔ)料的PHA合成工藝模式,在生物量負(fù)荷(BLR)處于3.5-5.5 Cmol VFA/Cmol X/d(對應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷為3.2-5.3 g COD/g VSS/d)時,底物(p H 5~10)無需任何p H調(diào)節(jié)而直接補(bǔ)加。由于該工藝條件下系統(tǒng)p H值可穩(wěn)定維持在PHA合成的適宜范圍(p H 8~9)內(nèi),這種p H自平衡狀態(tài)不但簡化了操作更獲得占細(xì)胞干重70.36%的最大PHA合成比例(PHAm)。研究發(fā)現(xiàn),PHAm與比PHA合成速率之間并沒有直接的關(guān)聯(lián),因此在低負(fù)荷條件下營造的底物“供小于求”的狀態(tài)可以獲得高效的底物利用效率(0.81 Cmol PHA/Cmol VFA)。傳統(tǒng)三段式工藝產(chǎn)PHA菌富集段穩(wěn)定運(yùn)行的代價(jià)是生物量的低輸出,由此帶來的低PHA產(chǎn)率將會限制混菌工藝的規(guī)模擴(kuò)大。本論文提出了碳源、營養(yǎng)元素分段補(bǔ)加的產(chǎn)PHA混菌擴(kuò)大培養(yǎng)工藝策略來解決這一矛盾,在優(yōu)化條件下,擴(kuò)培試驗(yàn)可以在10天的擴(kuò)培期將生物量擴(kuò)增43倍,同時能夠強(qiáng)化菌群的產(chǎn)PHA能力。將擴(kuò)培工藝段嵌入三段式工藝產(chǎn)PHA菌富集段和PHA積累合成段之間可以大幅提升工藝的產(chǎn)率,理論上工藝整體PHA容積產(chǎn)率可以達(dá)到1.21 kg PHA/m3/d,這意味著為了獲得相同的菌群產(chǎn)量,在相同的有機(jī)負(fù)荷和SRT下,傳統(tǒng)的三段式工藝需要將富集反應(yīng)器的有效工作容積增加53倍。在運(yùn)行穩(wěn)定和效能提升的基礎(chǔ)上,混菌PHA工藝的規(guī)�；瘧�(yīng)用還需要考慮PHA產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)控。PHA中HB和HV單體的相對比例能夠顯著影響PHA的物化特性,且提升HV單體比例可以改善產(chǎn)品的加工性能。選取乙酸型、丙酸型和丁酸型底物富集的混合菌群M-Ac、M-Pr和M-Bu,研究了不同富集菌群在PHA積累合成段底物組分變化時的PHA產(chǎn)物組成和PHAm。結(jié)果表明,雖然PHA產(chǎn)物中HB與HV相對比例對底物組分的變化響應(yīng)敏感,但菌群的PHAm在底物中丙酸比例提升時受到明顯抑制。三種菌群在底物組分變化條件下PHA合成能力的穩(wěn)定性順序?yàn)?M-PrM-AcM-Bu,且在PHA積累合成段以乙酸和丙酸為主的底物組合體系具有最佳的PHA結(jié)構(gòu)調(diào)控效果。結(jié)合菌群結(jié)構(gòu)特性和代謝通量分析,解析了三種富集菌群PHA合成響應(yīng)差異的機(jī)理:菌群M-Pr在丙酰輔酶A脫碳轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A路徑上較高的代謝通量(0.06 Cmol/Cmol X/h)是其耐受高丙酸濃度的根本原因。在優(yōu)化PHA產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的背景下,從工藝整體層面提出了產(chǎn)PHA菌富集段和PHA積累合成段底物組分的優(yōu)化方案。與此方案相對應(yīng),底物準(zhǔn)備段對廢棄生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物組分的調(diào)控成為技術(shù)需求,研究最后提出了基于響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的剩余污泥定向產(chǎn)酸工藝策略,使用半連續(xù)發(fā)酵和PHA合成試驗(yàn)驗(yàn)證了該調(diào)控策略的可靠性和有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X705;X172
【部分圖文】：

1-1 魚類幼體分別暴露在在無（a、b）、中濃度（c、d）以及高濃度（e、f）塑料微粒環(huán)境下對微粒的攝入傾向[8]以及塑料微�？赡茉诤Ｑ笫澄镦溨械臍w趨（g）Fig.1-1 Consumption tendency of fish larvae for micro-plastics in environment with differentconcentration of micro-plastics (blank-a, b; medium-c, d; high-e, f) and possible fate of micro-plastics in the marine food chain海洋塑料污染已成為與氣候變化、臭氧層破損、海洋水體酸化并列的全球環(huán)境題�？紤]到塑料垃圾的種種潛在危害已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)，其帶來的環(huán)境問題甚至比原預(yù)測的更為嚴(yán)重和深遠(yuǎn)，因此已有學(xué)者提出將塑料垃圾劃歸為危險(xiǎn)廢物[9]。1.2.2 應(yīng)對策略傳統(tǒng)石油基塑料垃圾在地球生態(tài)圈中的基數(shù)巨大，一方面消耗著不可再生的石資源，另一方面又造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境威脅，因此尋找針對塑料污染的應(yīng)對略已經(jīng)刻不容緩�？蒲泄ぷ髡邆円苍谒芰现破飞芷诘母鱾�階段針對性地提了一些解決方案。自 2014 年起北京航空航天大學(xué)的楊軍團(tuán)隊(duì)和斯坦福大學(xué)的吳民團(tuán)隊(duì)共同連續(xù)發(fā)表了多篇關(guān)于利用黃粉蟲吞食降解傳統(tǒng)石油基塑料的研究論[10-12]，引起了多方關(guān)注。黃粉蟲能夠攝取聚苯乙烯類塑料制品（塑料泡沫），其

料危害的策略：（a）利用黃粉蟲吞食降解聚苯乙烯塑料[11]；物降解材料[13] solve pollutions of conventional plastics: (a) using mealworm t(b) using biodegradable material as substitute具有石油基塑料降解能力的生物是在塑料生命周期的而研發(fā)與傳統(tǒng)塑料理化性質(zhì)相似又能夠被生態(tài)圈微料則可以從源頭解決塑料危機(jī)（圖 1-2b）�？缮锝�

圖 1-3 PHA 聚合物（均聚物和共聚物）結(jié)構(gòu)通式Fig.1-3 General molecular formula of PHA(including homopolymer and copolymer)于 PHA 單體中碳原子的數(shù)量可以將 PHA 聚合物分為[21]：1）短鏈 PHA（S單體碳原子數(shù)為 3-5 個，如表 1-1 中的均聚物 PHB、PHV 及 P（4HB） PHBV；2）中長鏈 PHA（MCL-PHA），單體碳原子數(shù)為 6-14 個，如表
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本文編號：2879034