产PHA优势菌群富集机制与三段式混菌工艺优化研究

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1、博士学位论文产PHA优势菌群富集机制与三段式混菌工艺优化研究ENRICHMENTMECHANISMOFPHAPRODUCINGDOMINANTBACTERIAANDOPTIMIZATIONOFTHREE-STAGEMIXEDCULTUREPROCESS黄龙哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TU992.3学校代码：10213国际图书分类号：628.3密级：公开工学博士学位论文产PHA优势菌群富集机制与三段式混菌工艺优化研究博士研究生：黄龙导师：陈志强教授申请学位：工学博士学科：市政工程所在单位：环境学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TU992.3U.D.C:628.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringENRICHMENTMECHANISMOFPHAPRODUCINGDOMINANTBACTERIAANDOPTIMIZATIONOFTHREE-STAGEMIXEDCULTUREPROCESSCandidate：HuangLongSupervisor：Prof.ChenzhiqiangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipalEngineeringAffiliati

3、on：SchoolofEnvironmentDateofDefence：June，2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要石油基塑料除因其难降解特性而对生态环境造成持久性的危害之外，又以“塑料微粒”这样一种新的污染形式影响自然界的食物链，随着时间的积累，石油基塑料对地球生物圈的影响会更加严重和深远，寻找应对策略已经刻不容缓。聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种由细菌合成的胞内聚酯，具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性。目前市场上可见的PHA产品主要来自于纯菌株发酵技术，近20年

4、来基于环境生物技术的混合菌群（MC）PHA合成工艺由于其潜在的污染物处理、资源回收及成本低廉等特点而受到较多关注。但是，目前仍存在着若干重要的因素限制了工艺的规模化应用，课题基于系统稳定性缺乏理论支撑、合成效率低下以及工艺整体层面的产物组成调控策略缺失这些制约因素从微生物生态学、代谢机制以及工艺效能层面开展了针对性的研究。三段式工艺是最成熟的混菌PHA合成工艺形式，作为三段式工艺的核心，产PHA菌的富集机制不够清晰，缺乏富集工艺稳定性的理论解析。本论文首先在饱食-饥饿（F-F）工艺模式下考察了富集过程中混合菌群功能的变化和群落的演替，分析了两者的关联性，结果表明，接种活性污泥后，在使

5、用不同典型底物的三组富集反应器中，菌群的功能均表现出PHA合成能力快速攀升及菌群絮体物理性质由波动转为稳定的变化趋势，菌群的演替过程呈现非产PHA优势菌的淘汰和产PHA优势菌的更迭的规律。对PHA聚合酶基因phaC的定量分析发现，在成熟期虽然群落持续演替，但PHA合成菌能够以一种“承接”的方式保持菌群整体PHA合成能力的稳定。研究还发现，具有特殊胞外多糖分泌倾向的Thauera属产PHA菌的增殖导致了菌群絮体沉降性的波动，但也因这样的代谢特质，该菌被PHA合成更为专一的Paracoccus属产PHA菌竞争性淘汰。研究阐明了F-F模式下产PHA菌的富集机制：基于底物充盈/匮乏的选择压力

6、在整个富集期占据主导，驱动产PHA优势菌占据生态系统并在优势菌更迭期间保持了功能基因的稳定，噬菌体-细菌作用机制极有可能导致了优势菌在成熟期的大幅更替，研究结果证明F-F模式下富集系统具备理论上的稳定性。研究提出了改善富集期菌群絮体稳定性的工艺策略，并根据菌群功能参数的关联性初步建立了富集系统的评价体系。针对三段式工艺PHA积累合成段底物pH需预调节以及碳源利用效率低的问题，本论文提出了低负荷连续流补料的PHA合成工艺模式，在生物量负荷（BLR）处于3.5-5.5CmolVFA/CmolX/d（对应的有机负荷为3.2-5.3gCOD/gVSS/d）时，底物（pH5~10）无需任何pH

7、调节而直接补加。由于该工艺条件下系统pH值可稳-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文定维持在PHA合成的适宜范围（pH8~9）内，这种pH自平衡状态不但简化了操作更获得占细胞干重70.36%的最大PHA合成比例（PHAm）。研究发现，PHAm与比PHA合成速率之间并没有直接的关联，因此在低负荷条件下营造的底物“供小于求”的状态可以获得高效的底物利用效率（0.81CmolPHA/CmolVFA）。传统三段式工艺产PHA菌富集段稳定运行的代价是生物量的低输出，由