不同碳源的生物除磷效率及合成PHAs结构分析

水世界-中国城镇水网结构分析*任源**韦朝海（华南理工大学环境科学研究所，广州，510640）摘要由于PHB的加工性能欠佳，目前对PHAs的合成研究多集中在中短链PHAs共聚共混物上。针对食品、发酵厂废水含多种可发酵基质的特征，分别采用乙酸钠、乙醇、葡萄糖、可溶性淀粉和谷氨酸钠为唯一碳源，研究了SBR反应器中生物除磷的能力及合成PHAs的特性。这5种碳源在厌氧阶段的磷释放量分别为10.12、1.63、7.88、2.44和5.00mg/L，在好氧阶段的吸磷量分别为0.64、6.37、8.10、1.21和3.05mg/L，总吸磷效率的次序为乙醇（乙酸）葡萄糖可溶性淀粉谷氨酸钠。反应液碱性不断增加导致乙酸钠吸磷能力受破坏，4h好氧吸磷量仅为0.64mg/L，较多的小分子有机酸生成有利于好氧吸磷能力的提高。用GC-MS解析了这5种碳源合成PHAs的结构，分别由乙酸钠、乙醇和谷氨酸钠为唯一碳源所合成的PHAs主要为PHB，以葡萄糖和可溶性淀粉所合成PHAs主要为PHBV，分析了不同碳源合成PHAs的代谢途径，PHAs产物中琥珀酸的检出证实了三羧酸循环参与了合成代谢。在谷氨酸钠和可溶性淀粉合成产物中检出3-羟基癸酸和3-羟基十二酸，还混有长链烷酸和烯酸如硬脂酸、软脂酸和油酸。关键词：碳源，除磷，PHAs，结构BiologicalphosphorusremovalefficiencyandstructuralanalysisofPHAsbyfivedifferentcarbonsourcesRENYuan*,WEIChaohaiSchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,China,510641(*authorforcorrespondence:email:[e-mail])AbstractActivatedsludgewerecultivatedonfivedifferentsubstratesincludingsodiumacetate,ethanol,glucose,solublestarchandglutamineastheonlycarbonsourcesimulatedtypicalwastewateroffoodandfermentationfactoriestostudytheefficiencyofbiologicalphosphorus*基金项目：国家自然科学基金（50278036）、同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室开放课题。**第一作者：任源（1970－），女，工学硕士，讲师，主要研究方向为水污染控制生物技术，在职博士研究生。Tel:[phone],Fax:[phone],Email:[e-mail]1水世界-中国城镇水网、1.63、7.88、2.44and5.00mg/Lrespectively,whilethephosphorusuptakewas0.64,6.37,8.10,1.21and3.05mg/Linaerobicperiod.Substratesfortotalphosphorusuptakeefficiencywasethanol(sodiumacetate)glucosesolublestarchsodiumglutamine.PHAsweresynthesizedafter6haerobic/12hanaerobiccultivatedbytestedsubstratesandthestructuresdeterminedbyGC-MSindicatedthatPHAssynthesizedbysodiumacetate,ethanolandsodiumglutamineastheonlycarbonsourcewasPHB,andPHAssynthesizedbyglucoseandsolublestarchwasPHBV.TheirmetabolizepathwereanalyzedandsuccinateconfirmedtheTCAcycleparticipatedinthePHAssynthesis.3-hydorxydecanoate,3-hydorxydodecanoateandsomelong-chainalkylandolefinhydrocarbonweredetectedinPHAsmixture.Keywords:carbonsource;phosphorusremoval;PHAs;structure1前言PHAs（poly-hydroxyalkanotes，聚羟基脂肪酸酯）是活性污泥中重要的碳源储存物质，由许多原核微生物在不平衡生长条件下合成，担当生物除磷过程的能量转化作用。它是一种性能良好的高分子聚合物，具有完全可生物降解性，是替代化学合成塑料消除“白色污染”的理想新型塑料，也是医疗植入用的理想可降解性高分子材料。能产生PHAs的微生物种属有产碱杆菌属、假单胞菌属、甲基营养菌、固氮菌属、红螺菌属和重组大肠杆菌等[1]。在真养产碱杆菌及多数微生物中，合成PHB（poly-3-hydroxybutyrate，聚3-羟基丁酸酯）的碳源有糖类、有机酸、乙醇和二氧化碳等多种含碳化合物。PHB是PHAs中最常见且被研究最多的一种，但它的结构单一规整，结晶度高（65－80％），质脆，抗冲击强度低，熔点高（171－182℃），熔融状态下易降解为烯酸，加工温度区间窄，混合菌种或混合碳源生成的PHAs共聚共混物将会明显改善其加工性能。食品、发酵厂废水含有大量可发酵碳源，本研究以此类废水的代表性成分如葡萄糖、乙酸钠、乙醇、可溶性淀粉及谷氨酸钠为唯一碳源，探讨在厌氧/好氧释磷吸磷过程的效率，通过所合成PHAs结构分析，阐明不同碳源合成PHAs的代谢途径，为中长链PHAs的生物合成提供理论依据。2水世界-中国城镇水网实验材料活性污泥：广州市猎德污水处理厂；废水：生活污水、人工配制废水；化学试剂：均为市售分析纯。3-羟基丁酸酯PHB标准样品：购自ICI公司。生活污水及人工配制废水的主要成分分别见表1、表2，5种主要碳源分别按照800mg/L的浓度加入，其组成及含量见表3。表1生活污水的主要成分浓度指标TPNH3-NNO3-NNO2-NCODSS浓度（mg/L）1－1010－200.5－30.1－0.5200≈200表2人工配制废水成分（不含碳源）成分乙酸铵KH2PO4MgSO4·7H2OFeSO4·7H2O浓度（mg/L）5515.35105表35种碳源的含量成分葡萄糖乙酸钠乙醇可溶性淀粉谷氨酸钠浓度（mg/L）75010403846878232.2SRB装置及操作自制SBR有机玻璃反应器，圆柱状部分直径14.5cm，高20cm，锥底部分高10cm，总有效体积3.5L。砂芯曝气头从反应器下部供气，由中控器完成厌氧/好氧、进水/排水/排泥的状态切换，装置图如图1所示。在实验开始时，采用实际生活污水进行驯化，驯化结束后，采用人工配制污水进行实验。污泥驯化方法：加生活污水，通氮气5min，厌氧2h；开始曝气，好氧4h，静置10min后排去上清液，补加生活污水，循环多个周期。3水世界-中国城镇水网－反应器主体2－进水阀3－出水阀4－排泥阀5－空气阀6－氮气阀7－DO仪8－pH计9－水位计10－中控器图1反应装置示意图2.2分析方法总磷（TP）：硝酸-高氯酸法消解，钼锑抗分光光度法；CODCr：重铬酸钾法；SS：重量法。[2]PHAs色谱分析样品制备：取适量污泥冻干，将定量污泥装入螺纹封口管中，加入2ml含3％（v:v）浓硫酸的甲醇及2g/L苯甲酸（作为内标），加入2ml氯仿后，盖紧盖子，100℃水浴，酯化4h冷却。加入2ml超纯水，充分混匀，离心或室温沉降30min以上，分层，取下层有机相作色谱分析[3]。仪器条件：岛津GCMS-QP2010气质联用，色谱柱型号DB-1，30m×0.25mm×0.25μm。升温程序：100℃保持2min后以10℃/min的速度升温至200℃，接着以20℃/min升温至250℃，保持1min。进样温度：260℃，GC-MS接口温度为260℃，MS质量扫描范围：20－550。3结果与讨论3.1不同碳源的释磷吸磷能力经过2个月的驯化，污泥颜色由棕黑色渐变为棕黄色，MLSS（MixedLiquorSuspendedSolid，混合液内悬浮固体）保持在3000－6000mg/L之间。污泥的沉降性能有了显著改善，SV（SludgeVolumn，污泥沉淀率）值由最初的约50％降为17％，SVI（SludgeVolumnIndex，污泥容量指标）＝47.5ml/g。好氧曝气、静置后的上清液SS10mg/L，说明造成污泥膨胀的丝状菌很少，强化的厌氧/好氧过程使得聚磷菌成为优势菌。污泥的主要性能指标见表4。表4驯化前后污泥的主要性能指标污泥种类MLSS总磷污泥含磷率原始污泥5.895g/L107.75mg/L1.83%驯化后污泥5.120g/L347.86mg/L6.79%a)总磷浓度为一天（4个厌氧-好氧周期）的测量值。模拟食品、发酵厂的废水，选择具代表性的乙酸钠、乙醇、葡萄糖、可溶性淀粉和谷氨4水世界-中国城镇水网酸钠（味精）为碳源，按照初始COD约为800mg/L配水，其余成分同表2，将污泥平分为5份分别接入，经过2h厌氧及4h好氧后的TP浓度变化见图2。0.004.008.0012.0016.000123456时间/hTP/mg/L乙酸钠葡萄糖可溶性淀粉味精乙醇图2不同碳源在厌氧/好氧条件下的TP浓度变化曲线将5种碳源在2h厌氧及4h好氧过程的TP浓度变化数值列于表5。对图2表5据进行分析，在厌氧阶段，释磷量由大到小为乙酸钠葡萄糖谷氨酸钠可溶性淀粉乙醇；在好氧阶段，吸磷量由大到小为葡萄糖乙醇谷氨酸钠可溶性淀粉乙酸钠。葡萄糖在厌氧过程释放磷量为7.88mg/L，稍低于乙酸钠的10.12mg/L，但其好氧吸磷量却是最大为8.10mg/L。从全过程的绝对吸磷量计算，当乙醇作为碳源时，厌氧阶段释磷最少，有效吸磷量为6.00mg/L。表5不同碳源在厌氧/好氧条件下的TP浓度变化碳源种类乙酸钠乙醇葡萄糖可溶性淀粉谷氨酸钠初始TP/mg/L5.776.776.406.456.77厌氧释磷量ΔP1/mg/L10.121.637.882.445.00好氧吸磷量ΔP2/mg/L0.646.378.101.213.05*注：ΔP1＝第2h的瞬时总磷浓度－初始总磷浓度ΔP2＝第2h的瞬时总磷浓度－第6h的瞬时总磷浓度至于乙酸钠在好氧阶段较少吸磷的原因，我们认为在配制人工废水时，采用了乙酸的钠盐来维持反应液的pH，当乙酸根作为碳源参与了微生物的代谢后，Na＋由此游离出来，反应液的pH值不断升高至9－10，而微生物吸磷的最佳pH值在5.5－6.5之间，过高的pH值使吸磷能力大大降低。当乙醇为碳源时，在厌氧条件下很难被微生物代谢，因此厌氧释磷最少，但在好氧条件下生成乙酸并随时被利用，反应液的pH比较稳定。因此，以乙醇为碳源实际5水世界-中国城镇水网