细胞聚合物聚羟基烷酸对污泥发酵产酸过程的影响行为与作用机制

Some microbes can easily accumulate energy storage polyhydroxyalkanoates (PHA) under unbalanced wastewater treatment conditions. It was found that with the increase of intracellular PHA the fragility of cell enhanced, which thereby benefited the subsequent short chain fatty acids (SCFA) production from sludge fermentation process. To date, however, the behaviour of PHA affecting SCFA production from sludge has not yet been investigated systematically, and the underlying mechanism of PHA enhancing SCFA production has also remained unknown, which hinder us to understand and further apply this metabolic behaviour. Thus, in this project, the effect of intracellular PHA on SCFA production from sludge fermentation process will be investigated through multi-knowledges such as wastewater pollution and control, biochemistry, and molecular biology. The methods including gas chromatography, mass spectrometry-liquid chromatography, high throughput sequencing, FISH, and q-PCR will be applied. We aim to explore the effects of different PHA levels and compositions on SCFA production from sludge fermentation, reveal the relation between SCFA production and original structure of sludge microbial community as well as dynamic succession of microbial structure, and provide a deep understanding of PHA degradation associated with sludge solubilization, hydrolysis, and acidification processes. The purpose of this project is to reveal the effect behaviour and mechanism of sludge PHA on SCFA production, enrich the theory of SCFA production from sludge, and provide a theoretical basis for developing a new technology of combined wastewater treatment-SCFA production in future.

污水非平衡的处理条件容易诱导一些微生物产生储能物聚羟基烷酸（PHA）积累的代谢响应。细胞PHA含量的增加可增强细胞的易碎性，有利于后续污泥的发酵产酸过程。然而，PHA对污泥产酸过程的影响行为并未得到系统研究，其促进污泥产酸的作用机制也未得到深刻揭示，阻碍了研究者对这一代谢行为的理解与应用。因此，本项目拟融合水污染控制、生物化学、分子生物学等多学科的理论与方法，采用气相色谱、质谱-液相色谱、高通量测序、FISH及q-PCR分子遗传技术等手段，对细胞中PHA影响污泥发酵产酸过程进行基础科学研究，揭示不同PHA含量与组分对污泥产酸的影响，探寻此过程中微生物群落的原始组成、动态演替规律以及它们与污泥产酸的联系，解析PHA分解代谢与污泥溶解、水解及酸化过程之间的偶联规律。项目旨在揭示污泥中PHA影响污泥产酸的行为及作用机制，丰富污泥产酸理论，并为发展新型的污水处理-污泥产酸组合技术提供理论基础。

聚羟基烷酸（PHA），是异养微生物在污水处理过程中的一种主要的胞内储能物质，极易在非平衡（即外碳源丰富-贫乏）的生长模式下产生并积累。然而，PHA对污泥厌氧发酵产酸的影响从来没有被系统研究过。因此，本研究的主要目的是探究不同浓度和组分的PHA对污泥厌氧发酵产酸的影响。实验发现污泥胞内的PHA不仅影响污泥厌氧发酵产酸的最佳时间而且影响污泥产酸的量。结果显示当污泥中的PHA含量从25 ± 3 mg/g VSS增加到132 ± 11 mg/g VSS时，污泥厌氧发酵最大的产酸量从194.3 ± 10.1 mg COD/g VSS 增加到375.0 ± 17.1 mg COD/g VSS。相应的最大产酸量的时间从10天减少到8天。PHA的组分也会影响到污泥厌氧发酵的产酸量。即使是在相同的PHA浓度下，PHA组成的改变也会显著的改变污泥厌氧发酵中每一种酸的产量和总酸的产量。当PHA的组分从PHB转化为PHV时，产量最大的三种酸从乙酸、丙酸和异丁酸转化为丙酸、乙酸和正戊酸，相应的最大总产酸量从375.0 ± 17.1 mg COD/g VSS下降到325.3 ± 7.4 mg COD/g VSS。机理研究表明，污泥中PHA含量的增加能够加速污泥细胞的破碎和溶解性底物的水解过程。此外，污泥中PHA含量的增加能够增加污泥中非PHA生物质的可溶性蛋白质的转化。变性梯度凝胶电泳图谱显示，富含PHA污泥的发酵反应器中的微生物群落以梭状芽胞杆菌（Clostridium sp.）为主，这种菌是污泥厌氧发酵过程中主要的产酸菌。进一步的酶活性研究表明，不同的PHA浓度和组分污泥中关键的水解酶活性和产酸酶活性的排列顺序为：富含PHB的污泥 > 富含PHV的污泥 > 低PHA含量的污泥，这样的排列顺序与污泥厌氧发酵中的最大产酸量是相一致的。因此，高的PHA含量的污泥（特别是富含PHB）系统能够实现在更短的发酵时间内产生更多的短链脂肪酸。