摘 要：活性污泥是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称，其中的许多细菌都能累积聚-β羟丁酸酯（PHB），PHB是相容性较好的生物材料，不仅具有高分子材料的热塑性，还能以可再生生物资源为基本生产原料，制成易降解的且无毒的医用塑料器皿和外科用的手术针和缝线，具有重要的使用价值。因而如何合理利用活性污泥合成PHB具有重要的现实意义，本文以实验室微生物合成PHB的原理为着眼点，进一步来进行活性污泥合成PHB的实验研究，以寻找资源化利用活性污泥的有效途径。
关键词：活性污泥 合成 PHB 实验
聚-β羟丁酸酯（PHB）是一种存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量，碳源和降低细胞内渗透压等作用，并且PHB是相容性较好的生物材料，可制成易降解的且无毒的医用塑料器皿和外科用的手术针和缝线，具有极高的实用价值。活性污泥中含有大量的微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质，这些微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等，其中，细菌和原生动物是主要的二大类，且细菌一直作为活性污泥的功能中心而存在，活性污泥利用活性污泥合成PHB的实验研究的实质正是研究如何利用细菌来合成PHB。
研究表明，许多细菌，当利用不平衡营养供应物生长时，会积累大量聚羟基烷酸聚合物粒子。细菌生长利用培养基中所提供的营养物而形成同聚酯、共聚酯或其二者。另有大量的生物学实验研究表明，合成PHB的生化途径从乙酰辅酶A代谢中心途径开始分支，先后经过三步反应将乙酰辅酶A转变成PHB。这些反应分别由3-酮硫解酶、NADPH依赖的乙酰乙酰辅酶A还原酶和PHB聚合酶催化。当生长培养基中的碳源耗尽时，聚合物被胞内PHB解聚酶降解，形成D-（-）羟基丁酸，并能确信此解聚酶是一种外切型水解酶。然后D-（-）羟基丁酸经NAD专一脱氢酶氧化成乙酰乙酸，乙酰乙酸经乙酰乙酸辅酶A合成酶转化为乙酰乙酰辅酶A。因此，乙酰乙酰辅酶A是生物合成和生物降解PHB的共同中间体。值得注意的是，在从丁酸合成PHB反应过程中，脂肪酸β氧化途径的（S）-3-羟基酰基辅酶A中间体反转形成聚-3羟基丁酸（R）-3-羟基乙酰辅酶A前体。基于上述PHB的合成原理，本文笔者在实验研究过程中采用乙酸钠为碳源，来进行利活性污泥合成PHB的实验。PHB合成实验主要包括三个部分：（1）合成PHB的微生物菌种：通过对活性污泥进行好氧菌驯化来提供菌种，通过好氧动态供料法在序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）中对已经过良好培养的活性污泥进行为期三个月的活性污泥驯化，以富集PHB积累菌；（2）合成PHB的碳源：本实验碳源由乙酸钠提供；（3）PHB的发酵培养条件：如溶解氧浓度、PH、温度、F/M（碳源浓度）、氮浓度等。
实验开始前，分别测定活性污泥和乙酸钠的初始质量浓度，通过在实验过程中典型周期内对活性污泥合成PHB的观察，来研究活性污泥吸收乙酸钠、累积PHB以及活性污泥的生长情况，并找出驯化后活性污泥非平衡生长和PHB积累的关系。实验研究的结果表明，若瞬时投加高浓度碳源，PHB的最终合成含量较低：即在大量碳源存在（925.7 mgC/L）的情况下，活性污泥合成大分子聚合物PHB的生长形式，表现为非平衡生长，其生长主要是由于活性污泥细菌细胞内储藏PHB引起的。为了进一步地提高活性污泥中PHB的合成含量，在实验过程中，笔者通过对包括溶解氧浓度、PH、温度、F/M（碳源浓度）、氮浓度等在内的多种生长环境因素进行不同程度的调节，来观察各因素对活性污泥合成PHB的影响，以帮助确定利用活性污泥合成PHB的最佳生长条件。研究发现各因素对活性污泥合成PHB的过程均有影响，但成都各不相同，具体而言表现为：（1）随着碳源浓度升高，利用活性污泥合成PHB的量也随之逐渐增加；其中当碳源浓度为700 mgC/L时，活性污泥中PHB的合成量于9 h达到最高值970 mg/L，而当碳源浓度高于700 mgC/L时，活性污泥中PHB的合成反应超过9 h后，PHB的浓度便不再升高；（2）小范围内调节活性污泥的PH值时，发现对PHB的合成影响不大，这也说明了PHB合成过程中的代谢产物具有一定的PH酸碱度缓冲协调性；（3）当以缺氮为活性污泥中PHB合成过程的限制因子时，测量活性污泥生物量，发现活性污泥生物量的增加主要是由于PHB的新合成引起，且其他残余生物量不增加，并且在缺氮条件下，活性污泥合成PHB的量最高可占质量分数的60%以上；（4）在实验中通过设置不同的温度梯度发现，相同条件下温度为20 ℃时，PHB的合成量可达到最大，故初步确定本实验条件下活性污泥合成PHB的适宜温度为20 ℃；（5）在实验过程中，提高溶解氧浓度则明显加速了底物的吸收和PHB的储存，但是实验过程中欲继续加大溶解氧浓度时发现，过高的通气量很不利于PHB的积累，相反，若适当限制空气流量则更有利于PHB的合成，且实验表明，当将空气流量控制为78 L/h时，乙酸钠的PHB转化率可达到最大。
上述PHB合成实验最终得出好氧动态供料法驯化后的活性污泥具有较强的PHB合成能力，且活性污泥生长缓慢：其乙酸钠消耗91.4%，其中53.4%的乙酸钠被转化为PHB，仅
3.1%乙酸钠用于合成污泥活性生物量，供污泥生长。可见，经好氧菌驯化后的活性污泥在一定条件下有着很好的PHB合成能力，这不失为资源化利用活性污泥的一种有效途径。
总之，PHB作为一种生物可降解塑料，在实际生活中有着重要的应用价值，这也使得进行活性污泥合成PHB的实验研究具有重要的现实意义，同时这一研究也为以后进一步探究资源化利用活性污泥的有效途径打下了良好基础。
参考文献
[1]司红岩，向天成.聚羟基脂肪酸酯的生物合成研究进展[J].安徽农业科学，2011（10）.
[2]陈泉.重组大肠杆菌生产短链聚羟基脂肪酸酯PHB及PHBV的途径构建与代谢改造[D].山东大学，2011.
[3]谢爽，利用污水污泥和高浓度二氧化碳培养海洋微藻技术研究[D].中国海洋大学，2010.
[4]李金娟，赵林，谭欣，等.缺氧条件下活性污泥中PHB的生物合成[J].天津大学学报，2010（1）.
[5]钱永雨，赵敏，潘俊波，等.新型可降解塑料聚-β-羟基丁酸（PHB）的研究进展[J].黑龙江医药，2010（6）.
关键词：活性污泥 合成 PHB 实验
聚-β羟丁酸酯（PHB）是一种存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量，碳源和降低细胞内渗透压等作用，并且PHB是相容性较好的生物材料，可制成易降解的且无毒的医用塑料器皿和外科用的手术针和缝线，具有极高的实用价值。活性污泥中含有大量的微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质，这些微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等，其中，细菌和原生动物是主要的二大类，且细菌一直作为活性污泥的功能中心而存在，活性污泥利用活性污泥合成PHB的实验研究的实质正是研究如何利用细菌来合成PHB。
研究表明，许多细菌，当利用不平衡营养供应物生长时，会积累大量聚羟基烷酸聚合物粒子。细菌生长利用培养基中所提供的营养物而形成同聚酯、共聚酯或其二者。另有大量的生物学实验研究表明，合成PHB的生化途径从乙酰辅酶A代谢中心途径开始分支，先后经过三步反应将乙酰辅酶A转变成PHB。这些反应分别由3-酮硫解酶、NADPH依赖的乙酰乙酰辅酶A还原酶和PHB聚合酶催化。当生长培养基中的碳源耗尽时，聚合物被胞内PHB解聚酶降解，形成D-（-）羟基丁酸，并能确信此解聚酶是一种外切型水解酶。然后D-（-）羟基丁酸经NAD专一脱氢酶氧化成乙酰乙酸，乙酰乙酸经乙酰乙酸辅酶A合成酶转化为乙酰乙酰辅酶A。因此，乙酰乙酰辅酶A是生物合成和生物降解PHB的共同中间体。值得注意的是，在从丁酸合成PHB反应过程中，脂肪酸β氧化途径的（S）-3-羟基酰基辅酶A中间体反转形成聚-3羟基丁酸（R）-3-羟基乙酰辅酶A前体。基于上述PHB的合成原理，本文笔者在实验研究过程中采用乙酸钠为碳源，来进行利活性污泥合成PHB的实验。PHB合成实验主要包括三个部分：（1）合成PHB的微生物菌种：通过对活性污泥进行好氧菌驯化来提供菌种，通过好氧动态供料法在序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）中对已经过良好培养的活性污泥进行为期三个月的活性污泥驯化，以富集PHB积累菌；（2）合成PHB的碳源：本实验碳源由乙酸钠提供；（3）PHB的发酵培养条件：如溶解氧浓度、PH、温度、F/M（碳源浓度）、氮浓度等。
实验开始前，分别测定活性污泥和乙酸钠的初始质量浓度，通过在实验过程中典型周期内对活性污泥合成PHB的观察，来研究活性污泥吸收乙酸钠、累积PHB以及活性污泥的生长情况，并找出驯化后活性污泥非平衡生长和PHB积累的关系。实验研究的结果表明，若瞬时投加高浓度碳源，PHB的最终合成含量较低：即在大量碳源存在（925.7 mgC/L）的情况下，活性污泥合成大分子聚合物PHB的生长形式，表现为非平衡生长，其生长主要是由于活性污泥细菌细胞内储藏PHB引起的。为了进一步地提高活性污泥中PHB的合成含量，在实验过程中，笔者通过对包括溶解氧浓度、PH、温度、F/M（碳源浓度）、氮浓度等在内的多种生长环境因素进行不同程度的调节，来观察各因素对活性污泥合成PHB的影响，以帮助确定利用活性污泥合成PHB的最佳生长条件。研究发现各因素对活性污泥合成PHB的过程均有影响，但成都各不相同，具体而言表现为：（1）随着碳源浓度升高，利用活性污泥合成PHB的量也随之逐渐增加；其中当碳源浓度为700 mgC/L时，活性污泥中PHB的合成量于9 h达到最高值970 mg/L，而当碳源浓度高于700 mgC/L时，活性污泥中PHB的合成反应超过9 h后，PHB的浓度便不再升高；（2）小范围内调节活性污泥的PH值时，发现对PHB的合成影响不大，这也说明了PHB合成过程中的代谢产物具有一定的PH酸碱度缓冲协调性；（3）当以缺氮为活性污泥中PHB合成过程的限制因子时，测量活性污泥生物量，发现活性污泥生物量的增加主要是由于PHB的新合成引起，且其他残余生物量不增加，并且在缺氮条件下，活性污泥合成PHB的量最高可占质量分数的60%以上；（4）在实验中通过设置不同的温度梯度发现，相同条件下温度为20 ℃时，PHB的合成量可达到最大，故初步确定本实验条件下活性污泥合成PHB的适宜温度为20 ℃；（5）在实验过程中，提高溶解氧浓度则明显加速了底物的吸收和PHB的储存，但是实验过程中欲继续加大溶解氧浓度时发现，过高的通气量很不利于PHB的积累，相反，若适当限制空气流量则更有利于PHB的合成，且实验表明，当将空气流量控制为78 L/h时，乙酸钠的PHB转化率可达到最大。
上述PHB合成实验最终得出好氧动态供料法驯化后的活性污泥具有较强的PHB合成能力，且活性污泥生长缓慢：其乙酸钠消耗91.4%，其中53.4%的乙酸钠被转化为PHB，仅
3.1%乙酸钠用于合成污泥活性生物量，供污泥生长。可见，经好氧菌驯化后的活性污泥在一定条件下有着很好的PHB合成能力，这不失为资源化利用活性污泥的一种有效途径。
总之，PHB作为一种生物可降解塑料，在实际生活中有着重要的应用价值，这也使得进行活性污泥合成PHB的实验研究具有重要的现实意义，同时这一研究也为以后进一步探究资源化利用活性污泥的有效途径打下了良好基础。
参考文献
[1]司红岩，向天成.聚羟基脂肪酸酯的生物合成研究进展[J].安徽农业科学，2011（10）.
[2]陈泉.重组大肠杆菌生产短链聚羟基脂肪酸酯PHB及PHBV的途径构建与代谢改造[D].山东大学，2011.
[3]谢爽，利用污水污泥和高浓度二氧化碳培养海洋微藻技术研究[D].中国海洋大学，2010.
[4]李金娟，赵林，谭欣，等.缺氧条件下活性污泥中PHB的生物合成[J].天津大学学报，2010（1）.
[5]钱永雨，赵敏，潘俊波，等.新型可降解塑料聚-β-羟基丁酸（PHB）的研究进展[J].黑龙江医药，2010（6）.