pH對(duì)嗜鹽混合菌發(fā)酵揮發(fā)性有機(jī)酸混合物合成PHA的影響

崔有為，張宏宇

?

pH對(duì)嗜鹽混合菌發(fā)酵揮發(fā)性有機(jī)酸混合物合成PHA的影響

崔有為，張宏宇

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

嗜鹽混合菌發(fā)酵生產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，PHA）具有免滅菌程序、產(chǎn)量高、易提取等優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注。集中考察了pH對(duì)嗜鹽混合菌（MMCs）發(fā)酵混合揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）生產(chǎn)PHA的影響。研究結(jié)果表明，在6.5～8.2范圍內(nèi)pH對(duì)PHA合成沒有明顯影響，過高或者過低的pH都會(huì)降低PHA合成速率和VFA的吸收速率。發(fā)酵體系的pH影響了嗜鹽MMC的PHA產(chǎn)量，但是在酸性和堿性條件下卻存在不同的影響機(jī)制。堿性環(huán)境增大了VFA的解離程度，導(dǎo)致MMC對(duì)底物的吸收耗費(fèi)大量的能量，造成VFA吸收速率的下降。這一作用在pH升高至9.2以上時(shí)表現(xiàn)顯著。酸性環(huán)境下，分子態(tài)VFA進(jìn)入細(xì)胞后改變了胞內(nèi)的pH，降低了相關(guān)酶和蛋白質(zhì)的活性，從而影響了底物的利用。當(dāng)pH5.2時(shí)微生物代謝及底物利用能耗量降低，導(dǎo)致PHA胞內(nèi)降解利用率降低，刺激了PHA合成量的提高。PHA組分受pH影響不大，初始pH5.2～10.2時(shí)羥基脂肪酸戊酯（hydroxyvalerate，HV）所占比例維持在34.9%～38.3%范圍內(nèi)。本研究對(duì)于進(jìn)一步利用嗜鹽MMC發(fā)酵含有混合VFA的廢棄物生產(chǎn)PHA具有重要的指導(dǎo)意義。

聚羥基脂肪酸酯；pH；揮發(fā)性脂肪酸；嗜鹽混合菌

引 言

PHA具有良好的物理特性、生物相容性和生物可降解性，被認(rèn)為是替代以石油為原材料化工合成塑料的重要物質(zhì)，對(duì)緩解石油等化石燃料短缺、解決白色污染問題具有重要意義[1-3]。目前，以混合微生物（mixed microbial cultures，MMCs）替代純菌（pure cultures，PCs）生產(chǎn)PHA可以減少滅菌程序，可以使用廢棄底物為原料，被認(rèn)為是降低PHA生產(chǎn)成本的有效方式[4-5]。目前以MMC合成PHA普遍使用兩步法：第1步篩選富集具有高PHA積累能力的菌群；第2步在限氮條件下進(jìn)行PHA發(fā)酵生產(chǎn)。在兩步法工藝中，底物和工藝參數(shù)等都會(huì)對(duì)PHA的發(fā)酵生產(chǎn)造成影響。Beccari等[6]比較了不同碳源對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)PHA能力影響，發(fā)現(xiàn)乙酸等VFA類底物最適合PHA的合成；在工藝運(yùn)行層面，Moralejo-Garate等[7]發(fā)現(xiàn)DO對(duì)PHA合成量存在影響；Johnson等[8]發(fā)現(xiàn)溫度影響PHA的合成量；Wang等[9]發(fā)現(xiàn)底物中的營(yíng)養(yǎng)成分，如C/N、C/P等條件也是影響PHA發(fā)酵合成量的重要參數(shù)。

在前期的研究中本文作者采集入?？诘啄嗬煤醚鮿?dòng)態(tài)給料（aerobic dynamic feeding，ADF）技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了嗜鹽MMCs的篩選和富集，并已證明其具有PHA合成能力[10-11]。在此基礎(chǔ)上，本研究將集中討論影響嗜鹽MMCs發(fā)酵生產(chǎn)PHA能力的運(yùn)行因素。本文集中探討pH的可能影響。pH對(duì)微生物的可能影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是使細(xì)胞膜電荷發(fā)生變化，導(dǎo)致微生物細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力改變；二是使生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸等）所帶電荷發(fā)生變化，從而影響其生物活性；三是使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的可吸收性發(fā)生改變。因此，pH直接影響著微生物的生命活動(dòng)、代謝方式和代謝產(chǎn)物[12]。發(fā)酵底物的pH可能對(duì)嗜鹽MMC合成PHA產(chǎn)生較大的影響。

MMC合成PHA的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其可以利用廢水作為底物，相比較使用單一純底物生產(chǎn)PHA大大降低了生產(chǎn)成本[6-8]。由于VFA是PHA合成最有效的底物[6-7]，因此一些含有VFA的廢水成為MMC生產(chǎn)PHA的最重要目標(biāo)。很多廢水，例如垃圾滲濾液、污泥厭氧消化液等含有大量的混合VFA。這為利用這些廢水生產(chǎn)PHA奠定了基礎(chǔ)?；诖?，本研究以嗜鹽MMCs為研究對(duì)象，探索pH對(duì)嗜鹽MMC利用混合VFA發(fā)酵PHA的影響，從而探索嗜鹽MMC利用混合VFA廢水合成PHA的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 嗜鹽PHA積累混合菌的選擇和富集

實(shí)驗(yàn)中所用的嗜鹽污泥采自河北省秦皇島市某河道入海口底泥。該地為人類活動(dòng)較為頻繁地區(qū)。將采集的河底淤泥經(jīng)過反復(fù)淘洗得到嗜鹽活性污泥[13-14]，接種該污泥到SBR反應(yīng)器中進(jìn)行PHA積累菌群的篩選。菌群選擇反應(yīng)器為雙層玻璃夾心反應(yīng)器，有效體積為2 L。反應(yīng)器配有曝氣充氧設(shè)備和攪拌裝置。通過外接恒溫水浴裝置保證在反應(yīng)器整個(gè)過程中溫度控制在（30±0.1）℃。反應(yīng)器運(yùn)行采用ADF模式，按照J(rèn)ohnson等[15]提出的篩選方法進(jìn)行PHA菌群的選擇。具體篩選參數(shù)為：每天2個(gè)周期，每個(gè)周期12 h，包括進(jìn)水5 min，好氧曝氣11.5 h，沉淀20 min，排水5 min。污泥齡（sludge retention time，SRT）控制在10 d。按照該方式連續(xù)運(yùn)行200多個(gè)周期，在后50個(gè)周期內(nèi)每個(gè)周期PHA積累最大量及其他參數(shù)穩(wěn)定，并且已驗(yàn)證該菌群具有良好的PHA積累能力[10]，完成了對(duì)MMCs的富集。

1.2 pH對(duì)嗜鹽MMCs發(fā)酵生產(chǎn)PHA影響實(shí)驗(yàn)

采用富集的嗜鹽MMCs進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)PHA，考察發(fā)酵中pH對(duì)該菌群發(fā)酵生產(chǎn)PHA能力的影響。批次實(shí)驗(yàn)中所用碳源為6種揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的混合物。6種VFA的相對(duì)比例按照北京市某填埋場(chǎng)中滲濾液的VFA含量進(jìn)行配制。依據(jù)前期的研究，該嗜鹽MMC實(shí)驗(yàn)中MLVSS保持在（1800±100）mg·L-1。實(shí)際進(jìn)水VFA含量如表1所示。最初pH的調(diào)節(jié)通過投加1 mol·L-1的HCl和1 mol·L-1的NaOH實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中不進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)。批次實(shí)驗(yàn)的連續(xù)發(fā)酵時(shí)間均為24 h。每組實(shí)驗(yàn)都設(shè)置一組平行實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。兩步法生產(chǎn)PHA的第2步要求嚴(yán)格限制氨氮的投加，從而抑制微生物的生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)PHA在細(xì)胞內(nèi)的最大積累。在發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中的發(fā)酵底物只含有VFA、營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素，不含氨氮。營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素濃度如下：26 mg·L-1KH2PO4，3.0 mg·L-1FeSO4·7H2O，1.2 mg·L-1MnSO4·H2O，1.5 mg·L-1ZnSO4·7H2O，7.6 mg·L-1KCl，8.0 mg·L-1CaCl2·2H2O，45 mg·L-1MgSO4。由于在發(fā)酵反應(yīng)中氮素被限制而微生物無法增殖，因此在整個(gè)發(fā)酵過程中，微生物濃度和初始接種在發(fā)酵反應(yīng)中的生物量一致[16]。

表1 批次實(shí)驗(yàn)VFA含量

1.3 分析方法

氨氮、MLSS（mixed liquor suspended solids）和MLVSS（mixed liquor suspended solids）采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[17]。VFA含量的測(cè)定采用氣相色譜分析法（Agilent 7890A氣相色譜儀）[17]。PHA含量在樣本經(jīng)過前處理后采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行氣相色譜分析。樣品前處理具體操作過程如下：從反應(yīng)器中取40 ml泥水混合物，4000 r·min-1離心后棄去上清液，加入1 ml次氯酸鈉消毒液以使微生物失活，水洗兩遍后冷凍干燥。稱取凍干后的污泥樣品約25 mg于具塞消解管中，依次加入2 ml氯仿、2 ml苯甲酸鈉溶液，于105℃消解20 h，冷卻后加入1 ml去離子水，搖勻、離心，取下層有機(jī)相于盛有0.5 g左右無水硫酸鈉的2 ml塑料離心管中，搖勻。8000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心5 min，隨后取有機(jī)相進(jìn)行氣相色譜分析。

1.4 表觀參數(shù)的計(jì)算

細(xì)胞內(nèi)PHA濃度

初始細(xì)胞內(nèi)的PHA含量

最大細(xì)胞內(nèi)的PHA含量

碳源的PHA轉(zhuǎn)化率

最大底物比吸收速率

與西班牙語類似，貫穿全文的卡拉米洛披肩亦是受到外來文化的影響：“它是由印度婦女包裹孩子的布和西班牙披肩上打結(jié)的穗結(jié)合而成，中國宮廷的綢刺繡出口到馬尼拉，通過西班牙帆船進(jìn)而到阿卡普爾科。殖民時(shí)期，由于禁止買西班牙人穿的那種衣服，墨西哥人開始用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的織布機(jī)織布，一種長(zhǎng)長(zhǎng)的窄窄的、潛移默化地收到外國影響的圍巾。（96）

最大PHA比合成速率

式中，P為PHA質(zhì)量，mg；CDW為細(xì)胞干重（cell dry weight），mg；0為初始細(xì)胞內(nèi)PHA質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以占細(xì)胞干重的百分含量計(jì)，%；max為細(xì)胞內(nèi)PHA最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以占細(xì)胞干重的百分含量計(jì)，%；HB為PHA中羥基脂肪酸丁酯（hydroxybutyrate，HB）單體含量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%；HB為HB單體分子量，mg·(mmol C)-1，以1.38 mg COD·(mg HB)-1計(jì)；HV為PHA中HV單體含量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%；HV為HV單體分子量，mg·(mmol C)-1，以1.63 mg COD·(mg HV)-1計(jì)；PHA0為初始細(xì)胞內(nèi)的PHA含量，mmol C·L-1；PHAmax為細(xì)胞內(nèi)的PHA含量最大值，mmol C·L-1；0為初始底物濃度，mmol C·L-1；f為PHA含量最大時(shí)底物濃度，mmol C·L-1；a為反應(yīng)器中生物量，mmol C·L-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)PHA合成過程中VFA利用的影響

為了探究pH在PHA發(fā)酵生產(chǎn)過程中對(duì)VFA利用的影響，設(shè)置了6個(gè)pH下開展實(shí)驗(yàn)。圖1(a)～(f)分別為pH4.2、5.2、6.5、8.2、9.2、10.2的初始pH下批次實(shí)驗(yàn)中VFA的消耗情況。在馴化pH環(huán)境下（pH6.5）系統(tǒng)表現(xiàn)出快速的VFA利用速率。含量較低的正丁酸、正戊酸均在2 h內(nèi)被完全利用，底物中的主要VFA物質(zhì)乙酸和丙酸也在2 h內(nèi)被快速利用并在4 h內(nèi)耗盡，而與正丁酸、正戊酸含量相當(dāng)?shù)漠惗∷?、異戊酸? h內(nèi)消耗量很小，在2 h后即其他VFA類底物基本耗盡時(shí)才開始快速利用，并在6 h時(shí)完全耗盡。不同種類VFA被微生物系統(tǒng)利用難易程度并不相同[18]。本文中研究支持這一結(jié)論，發(fā)現(xiàn)乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸的利用優(yōu)先于異丁酸和異戊酸。當(dāng)初始pH增至8.2時(shí)，6種VFA消耗情況與pH6.5條件下基本一致，說明初始pH在6.5～8.2的范圍內(nèi)對(duì)微生物進(jìn)行底物利用沒有明顯的影響。當(dāng)初始pH提高到9.2時(shí)，濃度較低的正丁酸、正戊酸在2 h內(nèi)耗盡，異丁酸、異戊酸在6 h時(shí)耗盡，這和pH為6.5和8.2時(shí)一致。然而，含量最高的兩種VFA類底物乙酸和丙酸消耗明顯緩慢，同時(shí)消耗用時(shí)推遲至6 h。當(dāng)pH進(jìn)一步提高至10.2時(shí)，該趨勢(shì)仍然存在，并且最難以利用的異丁酸、異戊酸消耗時(shí)間推遲至8 h。而當(dāng)初始pH降至5.2時(shí)，在0～2 h內(nèi)底物利用明顯受到抑制，VFA被利用的量很少。2 h后系統(tǒng)開始較為快速地利用底物，乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸在6 h時(shí)耗盡，異丁酸在8 h耗盡，異戊酸在10 h耗盡。當(dāng)pH進(jìn)一步降低至4.2時(shí)，水環(huán)境中VFA底物在24 h內(nèi)沒有明顯變化，底物吸收速率十分微小，這表明pH達(dá)到4.2時(shí)超出了系統(tǒng)承受能力，微生物無法正常利用VFA。因此，pH在6.5～8.2范圍內(nèi)對(duì)VFA底物的利用影響不大，提高或降低pH都會(huì)在一定程度上影響VFA的利用，并在pH降至4.2時(shí)底物利用被完全抑制。

圖1 不同初始pH下合成PHA批次實(shí)驗(yàn)中6種VFA消耗情況

進(jìn)一步從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)VFA總的消耗情況及底物中含量最高的乙酸、丙酸的消耗情況進(jìn)行分析（表3）。當(dāng)pH6.5時(shí)乙酸、丙酸和總VFA最大比吸收速率（分別為acetic acid、propionic acid、s）分別為0.45、0.16、0.73mmol C·(mmol C·h)-1，并且當(dāng)pH提高至8.2時(shí)變化不大。而當(dāng)pH提高至9.2時(shí)乙酸、丙酸和總VFA最大比吸收速率分別下降至0.27、0.12、0.53mmol C·(mmol C·h)-1。pH10.2情況下與pH9.2時(shí)基本相同?？梢钥闯?，當(dāng)pH升高至9.2以上時(shí)丙酸的利用受到小幅度影響，而乙酸的利用受到嚴(yán)重的影響，同時(shí)乙酸利用速率的下降作為主要因素導(dǎo)致了VFA總量的利用速率下降。而當(dāng)pH降低至5.2時(shí)，乙酸、丙酸和總VFA最大比吸收速率分別下降至0.29、0.12、0.48 mmol C·(mmol C·h)-1，與pH9.2時(shí)情況基本相同。當(dāng)pH進(jìn)一步降低至4.2時(shí)，幾乎沒有底物消耗。通過以上分析可知，嗜鹽MMCs的最優(yōu)pH范圍是6.5～8.2。

2.2 pH對(duì)合成PHA組分的影響

文化調(diào)解并不意味著譯員需要對(duì)所有具有文化特性的因素進(jìn)行解釋。實(shí)際上，只要有可能，口譯員都應(yīng)該促使雙方進(jìn)行直接交流。如果譯員的調(diào)解策略恰當(dāng)，這是完全可以做到的。請(qǐng)看下面的例子。

如圖2所示為不同pH下嗜鹽MMCs的PHA合成最大量。pH6.5時(shí)，系統(tǒng)在4 h時(shí)干細(xì)胞內(nèi)PHA最大積累量達(dá)到29.8%，此時(shí)HV所占PHA的比例（質(zhì)量比）為38.3%。當(dāng)初始pH為8.2時(shí)與pH6.5條件下PHA最大合成量、HV比例及PHA積累到達(dá)最大值所需時(shí)間基本一致。當(dāng)初始pH提高至9.2時(shí)，PHA最大合成量下降至28.2%。同時(shí)HV比例也下降至36.2%，所需時(shí)間也推遲至6 h。該下降趨勢(shì)在pH提高至10.2時(shí)繼續(xù)延續(xù)，PHA最大合成量、HV比例分別下降至24.9%、34.9%。當(dāng)pH降低至5.2時(shí)，盡管達(dá)到PHA合成量最大值所需時(shí)間延長(zhǎng)至6 h，但PHA合成最大量升高至34.2%，HV所占比例為36.7%。當(dāng)pH進(jìn)一步降低至4.2時(shí)，PHA合成基本維持為初始含量。

圖2 不同初始pH下PHA合成最大量

表2 不同pH下PHA合成實(shí)驗(yàn)中表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 pH對(duì)PHA合成影響的機(jī)理

表3 以pH6.5為基點(diǎn)比較不同pH下VFA消耗與PHA合成情況

Table 3 Comparison of VFA consumption and PHA production between different pH conditions and pH6.5

表3 以pH6.5為基點(diǎn)比較不同pH下VFA消耗與PHA合成情況

pH 4.200 5.20.6580.667 6.511 8.21.0140.972 9.20.7260.806 10.20.6990.611

Note:?,??are the fastest specific substrate uptake rate and the fastest specific PHA storage rate in condition of pH6.5, respectively.

在不同初始pH下進(jìn)水中各種VFA的離子狀態(tài)濃度如表4所示，在pH4.2～9.2范圍內(nèi)離子狀態(tài)的VFA量隨著pH的增加而增加，則對(duì)應(yīng)的未解離的VFA量隨著pH的增加而減少。所以，在堿性條件下VFA大多呈離子狀態(tài)帶負(fù)電荷。而在微生物細(xì)胞外層同樣帶負(fù)電荷。根據(jù)同電相斥原理，離子狀態(tài)的VFA不能通過滲透作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，只能通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)茸饔眠M(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。Filipe[20]研究表明，未離解的VFA自由擴(kuò)散進(jìn)入微生物細(xì)胞不需要微生物呼吸供能。在較高的pH下離解的VFA進(jìn)入細(xì)胞過程會(huì)明顯增加耗量。Kashket[21]建立的基本生物能學(xué)等式中，當(dāng)細(xì)胞膜兩側(cè)的電勢(shì)差增加時(shí)底物進(jìn)入細(xì)胞耗能也隨之增加。當(dāng)胞外pHout過高時(shí)會(huì)使PMF有減小的趨勢(shì)。而微生物細(xì)胞在吸收VFA的過程中力圖維持PMF不變，所以微生物細(xì)胞勢(shì)將增大細(xì)胞膜兩側(cè)電勢(shì)差，從而導(dǎo)致吸收VFA過程需要的能量隨pH升高而增加。能耗的差異可能使pH升高不利于VFA底物的吸收利用。這可能是導(dǎo)致堿性條件下微生物利用底物受到抑制的主要原因。在酸性條件下VFA以未解離狀態(tài)存在，可以通過不耗能的方式滲透進(jìn)入細(xì)胞。

表4 進(jìn)水中不同初始pH下離子狀態(tài)VFA濃度

圖3 不同初始pH下PHA合成過程中系統(tǒng)pH的變化情況

3 結(jié) 論

本研究以富集的嗜鹽MMCs作為對(duì)象，集中研究了發(fā)酵體系的pH對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)PHA的影響。嗜鹽MMCs的PHA合成在初始pH 6.5～8.2范圍內(nèi)沒有明顯變化；當(dāng)pH升高至9.2以上時(shí)底物利用速率會(huì)受到抑制，并由此導(dǎo)致PHA的合成量降低；酸性環(huán)境下，當(dāng)pH5.2時(shí)微生物活性受到抑制，底物利用速率降低，但也降低了代謝及底物利用能耗量，導(dǎo)致PHA胞內(nèi)降解利用下降，進(jìn)而導(dǎo)致了PHA合成量升高。當(dāng)PHA降低至4.2時(shí)微生物失去代謝能力不能進(jìn)行PHA合成。PHA組分受pH影響不大，初始pH5.2～10.2時(shí)HV所占比例在34.9%～38.3%范圍內(nèi)。目前關(guān)于嗜鹽MMCs的PHA合成研究很少，本研究從機(jī)理上對(duì)初始pH對(duì)嗜鹽MMCs的影響進(jìn)行了分析，對(duì)于嗜鹽MMCs的進(jìn)一步研究及工程化應(yīng)用具有理論上的意義和指導(dǎo)作用。

References

[1] BRAUNEGG G, LEFEBVRE G, GENSER K F. Polyhydroxyalkanoates,biopolyesters from renewable resources: physiological and engineering aspects [J]. Journal of Biotechnology, 1998, 65 (2/3): 127-161.

[2] ZHU C, CHIU S, NAKAS J P,. Bioplastics from waste glycerol derived from biodiesel industry [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 130 (1): 1-13.

[3] NUMATA K, ABE H, IWATA T. Biodegradability of poly(hydroxyalkanoate) materials [J]. Materials, 2009, 2 (3): 1104-1126.

[4] CAMPANARI S, SILVA F A, BERTIN L,. Effect of the organic loading rate on the production of polyhydroxyalkanoates in a multi-stage process aimed at the valorization of olive oil mill wastewater [J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2014, 71: 34-41.

[5] SAKAI K, MIYAKE S, IWAMA K,. Polyhydroxyalkanoate (PHA) accumulation potential and PHA-accumulating microbial communities in various activated sludge processes of municipal wastewater treatment plants [J]. Journal of Applied Microbiology, 2015, 118 (1): 255-266.

[6] BECCARI M, DIONISI D, GIULIANI A,. Effect of different carbon sources on aerobic storage by activated sludge [J]. Water Science and Technology, 2002, 45 (6): 157-168.

[7] MORALEJO-GARATE H, KLEEREBEZEM R, MOSQUERA- CORRAL A,. Impact of oxygen limitation on glycerol-based biopolymer production by bacterial enrichments [J]. Water Research, 2013, 47 (3): 1209-1217.

[8] JOHNSON K, VAN GEEST J, KLEEREBEZEM R,. Short- and long-term temperature effects on aerobic polyhydroxybutyrate producing mixed cultures [J]. Water Research, 2010, 44 (6): 1689-1700.

[9] WANG Y, GENG J, REN Z,. Effect of COD/N and COD/P ratios on the PHA transformation and dynamics of microbial community structure in a denitrifying phosphorus removal process [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2013, 88 (7): 1228-1236.

[10] 崔有為, 張宏宇, 冀思遠(yuǎn), 等. 容積負(fù)荷變化模式對(duì)嗜鹽混合菌發(fā)酵乙酸合成PHB的影響 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66 (10): 4177-4184. CUI Y W, ZHANG H Y, JI S Y,. Influence of organic loading rate change modes on PHB production by halophilic sludge fermenting acetate acid [J]. CIESC Journal, 2015, 66 (10): 4177-4184.

[11] 崔有為, 冀思遠(yuǎn), 盧鵬飛, 等. F/F對(duì)嗜鹽污泥以乙酸鈉為底物生產(chǎn)PHB能力的影響 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66 (4): 1491-1497. CUI Y W, JI S Y, LU P F,. Influence of F/F on PHB production by halophilic activated sludge fed by sodium acetate [J]. CIESC Jorunal, 2015, 66 (4): 1491-1497.

[12] 周群英, 王士芬. 環(huán)境工程微生物學(xué)[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 2008: 455. ZHOU Q Y, WANG S F. Microbiology of Environmental Engineering[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press, 2008: 455.

[13] CUI Y W, DING J R, JI S Y,. Start-up of halophilic nitrogen removalnitrite from hypersaline wastewater by estuarine sediments in sequencing batch reactor [J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2014, 11 (2): 281-292.

[14] 崔有為, 丁潔然, 盧鵬飛, 等. 嗜鹽污泥反硝化亞硝酸鹽的性能及其影響因素 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63 (8): 2584-2591. CUI Y W, DING J R, LU P F,. Performance and influencing factors of halophilic activated sludge in denitrifying of nitrite [J]. CIESC Journal, 2012, 63 (8): 2584-2591.

[15] JOHNSON K, JIANG Y, KLEEREBEZEM R,. Enrichment of a mixed bacterial culture with a high polyhydroxyalkanoate storage capacity [J]. Biomacromolecules, 2009, 10 (4): 670-676.

[16] JOHNSON K, KLEEREBEZEM R, VAN LOOSDRECHT M C. Influence of ammonium on the accumulation of polyhydroxybutyrate (PHB) in aerobic open mixed cultures [J]. Journal of Biotechnology, 2010, 147 (2): 73-79.

[17] American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation. Standard methods for the examination of water and wastewater[S].USA: American Public Health Association, 1995.

[18] VILLANO M, BECCARI M, DIONISI D,. Effect of pH on the production of bacterial polyhydroxyalkanoates by mixed cultures enriched under periodic feeding [J]. Process Biochemistry, 2010, 45 (5): 714-723.

[19] 張運(yùn)海. 利用混合菌群合成聚羥基烷酸酯工藝條件優(yōu)化 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.ZHANG Y H. Process optimiza for polyhydroxyalkanoates production using mixed bacterial cultures [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010.

[20] FILIPE C D M. Development of a revised metabolic model for the growth of phosphorus-accumulating organisms [J]. Water Environment Research, 1998, 70 (1): 67-79.

[21] KASHKET E R. Proton motive force in growingandunder aerobic and anaerobic conditions [J]. Journal Baecteriol., 1981, 146 (1): 377-389.

Influence of pH on PHA production by halophilic sludge fermenting mixed VFAs substrate

CUI Youwei, ZHANG Hongyu

(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Polyhydroxyalkanoates (PHA) production by halophilic mixed microbial cultures (MMCs) draw a lot of attention because of great advantages, such as free sterilization, easily extraction and high production. In this study, halophilic MMC was used to investigate the effect of pH on PHA production in the mixed VFAs fermentation process. The results indicated that there was no significant influence on PHA production in the pH range of 6.5—8.2. PHA production rate and substrate utilization rate would be inhibited in lower or higher pH conditions. PHA yield was influenced by pH in the systems, but different influencing mechanism existed in acidic condition and alkaline condition. Alkaline environment led to higher dissociation degree of VFAs. Then more energy needed as substrates being absorbed, which further led to the decrease of VFAs absorption rate. This affect was obvious when pH raised to 9.2. Molecular-state VFAs changed intracellular pH in the acidic condition. Then, the lower activity of related enzymes and protein resulted in slower substrate utilization. Energy consumption of substrate utilization and microbial metabolism reduced when pH5.2, resulting in the decrease of intracellular PHA degradation and the increase of PHA yield. The pH value had little influence on PHA component. And HV accounted for 34.9%—38.3% of PHA weight when the initial pH between 5.2 and 10.2. This study would be a guide for PHA production using mixed VFAs as carbon source by halophilic MMCs.

polyhydroxyalkanoate; pH; volatile fatty acid; halophilic mixed microbial cultures

2016-01-19.

CUI Youwei, cyw@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160085

X 703

A

0438—1157（2016）10—4431—08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478011，51178004)；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8132013)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目。

2016-01-19收到初稿，2016-07-28收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：崔有為（1977—），男，博士，教授。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51478011, 51178004), theNatural Science Foundation of Beijing (8132013) and the Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions.