基于污泥定向产酸及产PHA菌富集系统评价的利用污泥碳源合成生物可降解塑料的研究

Polyhydroxyalkanoate (PHA) can be produced by PHA producing bacteria used micro molecule organic acid as carbon source, which is expected to replace chemical plastic because it has good biodegradation characteristic and can use waste carbon. Compared with organic wastewater, sewage sludge has more chemistry energy and easily causes serious environment pollution. Using carbon source in sludge is accordingly helpful to achieve sludge recycling and reduce PHA production cost. Based on the characteristic of mixing strains of PHA producing bacteris using sludge fermentation products as good substrate and our research on PHA production using wastewater carbon, some researchs about sludge directional acid production based on metabolism control, microorganism dynamic supervisory in PHA producing bacteria enrichment system, evaluation index for PHA producing bacteria enrichment system and PHA production yield increase will be conducted to solve the questions of sludge directional acid production, the deficiency of evaluation index and microorganism supervisory control for PHA producing bacteria enrichment system and low PHA production yield. The research of this project will has high theory meaning and application value for sludge carbon utilization and PHA low cost production.

聚羟基烷酸酯（简称PHA）可以由产PHA菌以小分子有机酸为碳源合成，由于有良好的生物可降解性及可利用废弃碳源，成为有望替代传统塑料的生物可降解塑料。相比于有机废水，城市污水厂污泥含有更多的化学能且易带来严重的环境污染问题，利用污泥有机物回收生物可降解塑料PHA，可实现污泥资源化和降低PHA生产成本双效目标。 本项目基于污泥发酵产物是混菌合成PHA良好底物的特点，在课题组前期利用有机废水碳源合成PHA研究的基础上，针对污泥定向产酸困难、产PHA菌富集系统评价体系及稳定调控对策缺失、混菌生产PHA合成能力低等关键问题，开展污泥产酸代谢定向调控、产PHA菌富集系统微生物的动态监控、产PHA菌富集系统评价体系的构建及PHA合成能力的提高等方面的研究。本项目的研究将为废弃碳源资源化和PHA合成工艺的低成本应用提供理论和技术基础，具有较高的理论意义和应用价值。

本项目开展了污泥产酸定向调控、产 PHA 菌富集系统微生物的动态监控、产 PHA 菌富集系统评价体系的构建及 PHA 合成能力的提高等方面的研究。取得研究成果如下：系统研究了发酵pH、β-环糊精（CD）投加量与发酵底物C/N调控三个因素对污泥厌氧发酵液VFA组分和酸化率的作用，利用响应曲面设计将三种因素组合能够实现污泥定向产酸调控的目标，其中丙酸比例在10%-55%可调，奇数碳原子酸比例从15%-60%可调。在同时考虑发酵终产物酸化率和奇数碳VFA比例的前提下，根据响应曲面设计生成的模型筛选了三组运行工况用于半连续污泥发酵试验。酵解液中奇数碳VFA比例在不同工况下表现出稳定而显著的差异，证明了定向调控策略的可靠性和有效性。通过监测产PHA菌富集过程中菌群结构和表观性质（产PHA能力、菌群絮体物理性质）的沿程变化，解析了Feast-Famine模式下菌群的演替规律、与表观功能的联系以及内在驱动机制。混合菌群的演替主要包括非优势菌的淘汰/富集以及优势菌的更迭。可能由噬菌体感染主导的不确定性过程诱发了菌群在成熟期出现随机的更替，但是FF模式营造的基于生态位的选择压力在整个富集过程中占据主导，使产PHA能力强的菌种在驯化期形成优势种群，并在菌群随机更替期间保证了系统产PHA功能的稳定。两者的综合作用使得产PHA优势菌从必然到偶然的演替过程中实现了菌群结构与功能的分离。本研究也揭示了产PHA功能菌Thauera属OTU 7的短期增殖导致了菌群絮体沉降性发生了波动。在明晰菌群演替与系统功能的基础之上，初步建立了富集评价体系用以评估混菌系统进入成熟期的时间节点。通过优化进水底物浓度、初始接种生物量以及污泥停留时间，产PHA菌群富集系统在产PHA性能得到提升的同时也保持了良好的菌群絮体沉降性能。研究针对传统三段式工艺产PHA菌生物量产出低、PHA合成段碳源利用效率低的问题，针对性地研发了基于混合菌群扩大培养的高产PHA工艺以及低负荷连续流合成工艺。本项目完成了既定的课题目标，申请发明专利2项，发表高水平学术论文9篇，其中SCI收录7篇。