1、混合菌群是一类未知组成的微生物群体，这类群体是由强加于生物系统之上的运行条件选择而来。此工艺无需灭菌，因此节省了能源和设备成本。混合菌群在瞬时碳源供给的条件下开始储存PHA（Majone等，1996；Van loosdrecht等，1997），瞬时碳源供给指的是feastfamine或者好氧动态投料（ADF），这种方式导致一种非平衡的细胞增长。在碳源过剩阶段，外部的基质被摄取转化为多聚体在细胞内部储存。当底物耗尽，积累的多聚物就会作为细胞生长和维持的能量与碳源。不同于纯菌培养的是，混合菌群不会将碳水化合物作为PHAs储存而是作为糖原储存（Dricks等，2001）。然而，可挥发性脂肪酸可以被混
2、合菌群转化为PHAs储存。已有许多研究试验了利用合成有机酸由混合菌群生产PHA（例如，醋酸、丙酸、丁酸和戊酸）。（Beccari等，2002；Dionisi等，2004；Serafim等，2004；Lemos等，2006）。Serafim等（2004）发现：在动态补料条件下，利用乙酸盐作为碳源的混合菌群可以积累含量相当于细胞干重65%的PHB。由混合菌群利用废料或低成本基质生产PHA的研究只有极少数报道（RHu 等，2003；Dionisi等，2005；Bengtsson等，2007）。由富含碳水化合物的基质合成PHA需要一个将基质中糖分转化为VFA的预前厌氧发酵步骤。在混合菌群合成PHA的诸
3、多挑战中，其中一个是细菌的筛选。选择一个具有高效稳定富集PHA能力的菌群对此工艺的效果具有重要作用。几乎所有关于混菌合成PHA的研究都将细菌筛选和PHA富集分别作为两个阶段来运行（Dionisi等，2004；仅有少数研究报道了三阶段合成工艺的使用，在这种工艺当中在菌种筛选和PHA富集之前增加了厌氧发酵阶段。Dionisi等在2005年提出利用橄榄油制造厂废水（OME）合成PHA的工艺，在此工艺当中PHA富集菌由合成有机酸混合物筛选而来，随后利用发酵之后的OME和筛选菌群批次合成PHA。Bengtsson等在2007年提出利用造纸废水合成PHA的三阶段工艺，包括造纸废水的发酵、利用发酵废水筛选菌
4、群、利用发酵废水和筛选菌群合成PHA三个连续的步骤。但是，尚不清楚哪一种筛选方法顾及到了提高工艺的PHA产率和产量的问题。本试验研究了利用蜜糖废水（一种蔗糖提炼厂的副产物，具有很高的含糖量，约为干重的50%）由混合微生物菌群合成PHA的工艺。试验使用了三阶段工艺，包括连续三个过程：（1）糖蜜废水酸化降解，（2）在充盈饥饿状态下筛选PHA富集菌，（3）利用筛选菌群和发酵糖蜜废水批次富集PHA。试验使用了两种不同的方法：利用合成基质（乙酸盐）进行细菌筛选利用发酵糖蜜废水进行富集或者使用发酵糖蜜废水作为两阶段的原料。试验使用以醋酸盐为基质筛选的菌群考察了酸化酵解阶段的PH对多聚物储存产量和单体组成的
5、影响。试验建立了一种利用发酵糖蜜废水筛选PHA富集菌的反应器运行方法。2.试验材料和研究方法2.1备料本试验使用到的糖蜜废水来自蔗糖生产工厂。糖蜜废水含有很高的糖分（糖蜜废水含有54%的总糖），主要由62%的蔗糖和38%的果糖组成。糖蜜废水首先要经过稀释以降低粘度使其易被泵抽取。用0.5mol/l的NaOH溶液调整稀释后的蜜糖废水的PH（由50.05调至70.05），溶液被保存在恒温4度的持续搅拌冷藏容器中。用来进一步稀释糖蜜废水至10g蔗糖/l的矿物营养液被分别加入反应器（表1），这样做是为了防止糖蜜废水提前发酵。无机营养液包含N源和P源（NH4CL和KH2PO4 /Na2 HPO4）。溶液
6、使用饮用水来制备，用0.5mol/l的NaOH溶液调整PH由50.05至70.05。调整无机营养液的氨氮和磷酸盐浓度（173307mgN/l和59mgP/l）以保持C/N/P（以mol量为基础）为100:6:1（稳态13）和100:3:1（稳态4）。2.2.1连续流酸酵解反应器对工作体积为1140ml的CSTR进行接种，种泥来自处理工业生活混合污水并且适应了糖蜜废水投料的全尺寸厌氧反应器。在最初的适应期，接种污泥中投加稀释的蜜糖废水（10g蔗糖/l）和营养液（21Nmmol/l和2Pmmol/l），并且反应器非连续运行直至观察到发酵现象出现。之后，反应器调整为连续运行模式，并且要监测生物浓度和
7、发酵终产物，直至获得稳定的发酵状态。使用两台蠕动泵给反应器继续进料，一台投加糖蜜废水另外一台投加营养液。控制稀释的糖蜜废水（410g/l）和无机营养液的流速以使SRT保持在10h，并且初始基质浓度保持在10g蔗糖/l（344Cmmol/l）。反应器在三种不同的PH值之下运行。利用PH控制器调节反应器的PH，该反应器启闭0.5M NaOH溶液对反应器的供给。搅拌速度维持在400rpm温度控制在30度。试验过程中要对氧化还原电位进行监测。流出物溢流出反应器，被收集在连续搅拌的冷藏池中（保持在4度）。使用由超滤中空纤维膜组件（可以分离5105分子量）和蠕动泵组成的过滤装置澄清流出物。在用于批次累积P
8、HA试验或者作为SBR筛选菌群的投料之前，澄清的流出物要维持恒温4度。每天要从反应器、稀释的糖蜜废水供料、无机营养溶液中取样以监测糖分、有机酸（和其他的可能的发酵终产物例如，甲烷）、氨氮、磷酸盐和VSS。使用气体流量计测量气体产量。2.2.2 富PHA菌群筛选反应器在ADF条件下运行SBR反应器（工作容积为1000ml），利用发酵糖蜜废水进行PHA富集菌的筛选。反应器接种利用醋酸盐驯化的富PHA混合菌群（Serafim等，2004）。SBR12h的运行周期包括4个独立的阶段：进料（12.5min）、好氧反应（充盈和饥饿交替）（11h）、沉淀（38.5min）和排水（9min）。水力停留时间控制
9、在1d。每天排出100ml的混合液以保持污泥停留时间为10d。向反应器中投加连续流发酵反应器的澄清出流物，发酵反应器按稳态4运行（PH为6以及C/N为100:3，查表1获得成分组成）。在每一个周期的开始阶段用蠕动泵将500ml的滤后发酵蜜糖废水泵入反应器。另外一个蠕动泵在沉淀阶段完成之后抽出反应器的排水（每周期500ml）。在滤后发酵糖蜜废水投料中加入铵盐和磷酸盐使初始反应器溶液中分别含有2.5Nmmol/l和0.32Pmmol/l的浓度。投料中也要加入硫脲来抑制硝化作用。投料中PH控制在80.05.用空气泵通过陶瓷曝气头供给空气。转速控制在500rpm。对PH和溶解氧进行监测。泵的运行（进料
10、和排水），曝气，搅拌由本课题组开发的软件程序来自动控制。除此之外，软件也用来PH和溶解氧数据。在既定周期之内，定期从反应器内取样来确定VFA和氨氮摄取、TOC去除效果、PHA储存以及微生物的生长。反应器放置在温控室中（2325度）。Serafim等在2004年报道了以醋酸盐为底物筛选PHA富集菌的研究。反应器的运行条件一般被用来描述由发酵糖蜜废水筛选的菌群，而不是以醋酸盐为碳源筛选而来的菌群。2.2.3 PHA批次富集试验使用澄清发酵糖蜜废水在不同的CSTR稳态条件下（查看表2）和在ADF条件下利用醋酸盐作为碳源和发酵糖蜜废水筛选的不同的PH富集菌进行PHA富集试验。PHA富集试验在具有600
11、ml工作容积的容器中进行。在以发酵糖蜜废水为底物或者以醋酸盐为底物进行细菌筛选的SBR的周期末端取出200ml污泥，取出之后加入到400mlPH已经预先调整为7的发酵废水中。使用空气泵通过陶瓷扩散器进行曝气，利用磁力搅拌器进行搅拌。在批次试验中延时监测有机酸的利用、氨氮的消耗、PHA的储存、微生物的生长状况以及氧气利用率。为了确定OUR,混合液在呼吸计中循环通过（使用蠕动泵），利用电磁搅拌器进行搅拌，在混合液中插入氧电极。循环在既定时间停止，呼吸计中氧浓度的减少被记录下以确定OUR值。富集试验在温控室中进行。2.3 分析程序生物浓度的确定使用标准方法中描述的测定VSS的步骤。使用高效液相色谱法
12、测定乳酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐的浓度，使用Merck-Hitachi液谱，装有UV检测器和HPX-87H前置柱和来自BIORAD的柱体。采用0.05M的硫酸作为洗脱液以0.6ml/min的流速和50度的工作温度进行洗脱。检测波长设置在210nm。有机酸的浓度用规程为25500mg/l的标准曲线进行计算。糖（蔗糖、果糖、葡萄糖）和乙醇的浓度同样利用HPLC法来测定，使用同样的Merck- Hitachi液谱和Merck-Hitachi视差折光检测器。使用到的柱体和洗脱条件与之前的有机酸测量一致，除了洗脱液的流速不同，后者的流速为0.5ml/min。使用规程为25500mg/l的标曲来
13、计算糖和乙醇浓度。总糖的确定使用莫里斯方法以及由Koehler（1952）、Baily（1958）和Gaudey（1958）修正的莫里斯方法。样品用蒽酮试剂在100度进行消解，在625nm的波长处测定吸光度。使用蔗糖标准（0100mg/l）确定总糖含量。利用Serafim等（2004）和Lemos等（2006）描述的方法使用气相色谱法来确定PHAs含量。HB和HV的浓度利用P（70%/30%）标准来进行计算并使用正十七烷内标法进行修正。使用氨气体敏感组合电极测定氨浓度。以规程为NH4Cl的浓度范围（0.0110Nmmol/l）获得标曲。使用Shimadzu TOC自动分析仪来测定澄清样品中的总
14、有机碳。利用标准浓度为20500mgC/l的钾氢钛酸盐和标准浓度为125以及20500mgC/l的纳氢钛酸盐和碳酸钠盐来做出TC和IC标准曲线。使用尺寸排阻层析装置进行凝胶色谱分析（GPC），装置包括了一个溶剂分配系统，该系统是由型号为510的泵、进样注射器和型号为2410的示差折光检测器组成。运行温度为30度，使用氯仿作为洗脱剂，以1ml/min的速度洗脱。试验用到了容积为150微升的进样器。2.4 计算在质量基础上（%PHA=PHA/VSS*100），污泥PHA含量作为VSS的百分比来计算，VSS包含活性生物量（X）和PHA。最大基质利用率和PHA储存率是通过调整由VFA和PHA浓度的实验
15、数据所绘图像得到的线性函数确定的，在时间零点处计算一阶微商然后除以该点处的活性污泥浓度。VFA的浓度所有有机酸浓度之和。PHA浓度（Cmmol/l）相当于HB和HV单体浓度之和。基于消耗基质的PHA产量（YX/S以CmmolX/CmmolVFA计）和活性生物产量（YP/S以CmmolX/CmmolVFA）分别由形成的PHA和活性生物除以总的有机酸消耗量得到。基质利用的呼吸产率的计算是通过将试验得到的OUR（以mmolO2/h）曲线（消耗VFA期间）进行积分然后基质消耗量（以CmmolVFA计）而得到。O2被表示为假定碳消耗1mol氧气形成1molCO2。已知研究的质量平衡可以表示如下：Y=YP
16、/S+YX/S+YO2/S总的产量解释了由物质质量平衡得出的碳的回收（如果所有的碳都回收了其值为1）。3.结果与讨论3.1 酸化反应器:PH和C/N比对VFA合成的影响试验运行了一个1L的CSTR反应器两年时间，投料为糖蜜废水（初始底物浓度为10g总糖/l）。评估了PH值对有机酸产量和浓度分布的影响。共试验了三个不同的PH值（7、6和5），得到了不同的有机酸产量和不同的浓度分布。产生的有机酸包括挥发性脂肪酸：醋酸、丙酸、丁酸和戊酸，以及乳酸。运行过程没有发现乙醇产生。糖向有机酸的转化率和比产生率与PH值无明显联系，虽然在偏酸条件下获得了略微高的产量。在PH为7时获得了较低的糖向有机酸的转化率，
17、这种现象也许可以被解释为在此PH值条件下发生了产甲烷反应。这些结果与Fang和Liu在2002年所做的实验一致，他们研究了PH值对在CSTR中混合菌群利用葡萄糖产氢试验的氢气产量的影响，反应器运行的水力停留时间为6h。作者观察到了基于葡萄糖的有机酸产率随PH值有微小的变化（在PH值为7、5、6时，产率分别为0.44、0.46和0.48CmmolVFA/Cmmol葡糖糖）。由于糖蜜废水的有机组分不同于葡萄糖，由糖蜜废水获得的产率值相对高于葡萄糖得到的产率值。事实上，糖类占到了蜜糖废水总有机碳的约70%。部分（48%）非糖类有机碳成分在发酵过程中被消耗掉了。蜜糖废水的转化率与已报道的葡萄糖的转化率
18、不同的另一个可能的原因是后者优化了发酵条件以利于氢气的产生，它的代谢途径可能与基质脱羧作用有关系。与基于底物的有机酸产量和产率不同，有机酸型体分布受PH值影响明显。在PH值为7和6时，挥发性脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸和戊酸）的浓度随着脂肪酸链长长度的增加而减少。醋酸浓度较高，占了生成有机酸超过50%的含量。在PH为5时，醋酸浓度仍较高，丁酸和戊酸的浓度超过了丙酸。在PH为5和7时有乳酸产生。醋酸和丙酸的浓度在PH由57时下降，丁酸和戊酸的浓度显著升高。运行低的PH值有助于长链脂肪酸的生成，这是由于在偏酸环境下，会有更多的还原当量加入到脂肪酸链中。（Zoettemeyer等，1982）之前已经有关
19、于PH值对VFA浓度分布影响的研究，这些研究是以纯糖和复杂基质为底物的（Zoetemeyer 等，1982；Fang和liu，2002；Khanal等，2004）。所有这些研究中都发现了PH值对有机酸形态分布的一个类似的趋势。初始C/N/P比设定为100:1 Cmol：Nmol：Pmol（稳态13）以确保发酵反应在过剩的营养条件下进行。出水中剩余的N为10-12 Nmol/L（以氨的形式存在），P为0.200.25Pmol/L（以磷酸盐的形式存在）。为了评估C/N比的影响同时又使出水中含有游离氨（在合成PHA阶段用到），C/N比从稳态2的100:6 Cmol：Nmol调至稳态4的100:3 C
20、mol：Nmol（PH均控制在6）。酸化反应器的出水中的氨氮浓度降至0.1Nmol/l。C/N比没有显著地改变有机酸的形态分布（表1）。然而，糖酸转化率和比产率则有轻微的下降。3.2 利用发酵糖蜜废水和由乙酸盐筛选菌群富集PHA使用以醋酸盐为底物在充盈饥饿交替条件下生长的混合菌群运行PHA批次富集试验。在不同酸酵解条件下（PH为75）产生的滤后发酵糖蜜废水作为底物使用。此试验的目的是考察有机酸浓度分布对利用醋酸盐筛选菌合成PHA产量（基于底物的产率以及多聚体组成）的影响，选用的菌群之前已经显示了高的PHA富集能力。Serafim 等在2004年介绍了筛选此类菌群的反应器运行条件。3.2.1 利
21、用糖蜜废水富集PHA图2显示了利用滤后发酵糖蜜废水作为碳源富集PHA的一个典型批次试验的运行结果。乙酸和丙酸的消耗率要高于其他有机酸类，故这两类酸首先被耗尽。丁酸和戊酸的利用率在乙酸和丙酸耗尽之后上升。氧利用率在乙酸和丙酸耗尽之后开始下降，一个短暂时期过后又开始上升，这种现象揭示了微生物菌群对底物转变的适应。在剩余的有机酸被消耗殆尽之后试验观察到氧气利用率的进一步下降。PHA的合成主要与醋酸和丙酸的消耗有关，与丁酸和戊酸的利用联系较小（后两种有机酸大部分是在前两种有机酸耗尽之后才被利用，此阶段PHA合成虽然增加但是幅度微小）。这种现象预计是由于适应了醋酸盐为底物的菌群倾向于利用醋酸和丙酸而非丁
22、酸和戊酸（Lemos 等，2006）。在底物充盈阶段，活生物质的增长与PHA的储存一同进行。3.2.2 有机酸型体分布对PHA产量的影响以滤后发酵糖蜜废水为底物，运行三个PHA分别在7、6、5的PHA批次累积试验。试验用到的有机酸浓度相对于各自的出水浓度均得到了稀释（见表1），这是由于批次反应器的容量为600ml，但用到的发酵废水只有400ml。以发酵废水为底物，通过三个的批次试验获得了不同的PHA储存产率（YP/S）。在PH值为7时发酵废水合成PHA得到的产率较低,在PHA为5时，得到的产率较高。PH为5的试验所用到的碳氮比（21Cmol/Nmol）相对其他两个试验用到的碳氮比（14Cmol
23、/Nmol）相对偏高，这也解释了该试验获得高PHA储存率和低细胞增长率的原因。此外，这些不同也反应了每个反应器所投加的VFA的组成。对使用相同C/N比的头两组试验来说，多聚体储存产率随着乙酸和丙酸的摩尔分数的增加而增加，说明了这两种酸是PHA合成的主要贡献者。由滤后发酵糖蜜废水获得的PHA储存产率比同种菌群使用纯净基质（Serafim等在2004年以醋酸盐为底物，Lemos等在2006年以醋酸盐/丙酸盐混合物为底物分别得到的产率为0.58和0.51CmmolHA/CmmolVFA）以及报道的其他一系列发酵废水底物所获得的产率要略微偏低。Dionisi等在2005年以发酵橄榄油废水为底物获得了1
24、gPHA/gVFA的PHA储存产率（以COD表示）。作者把这个出乎意料的高产率归因于碳源而非VFA，试验的碳源或许有助于细胞合成PHA的新陈代谢。Bengtsson等在2007年利用发酵造纸废水作为给料在过营养条件下获得了0.33CmmolHA/CmmolVFA的PHA储存产率。VFA的优先利用情况在三个以发酵糖蜜废水为底物的批次试验中保持一致。醋酸利用率比丙酸（在PH为7、6、5时分别为0.12、0.05、0.10CmmolHProp/CmmolXh）、丁酸（在PH为7、6、5时分别为0.01、0.04、0.05CmmolHBut/CmmolXh）、戊酸（在PH为7、6、5时分别为0.01、
25、0.02、0.02CmmolHVal/CmmolXh）较高（在PH为7、6、5时分别为0.37、0.19、0.16CmmolHAc/CmmolXh）。丁酸和戊酸的利用率在乙酸和丙酸耗尽之后开始上升。三个试验中在PH为5和6时的最大比PHA产率和基质利用率（表3）是类似的，PH为7时的值较高。后者的结果反映了试验中的一个事实，即在PH为6和5时醋酸盐利用率比观察到的数据要高。利用发酵糖蜜废水获得的最大比PHA富集率比报道的由同种菌群使用醋酸盐或者醋酸/丙酸混合底物（Serafim等在2004年以及Lemos等在2006年分别等到0.47和0.52Cmmol HA/CmmoXh）以及分别丙酸盐、丁
26、酸盐和戊酸盐作为唯一碳源所获得的值要低（Lemos等在2006年分别得到的0.10、0.07、0.08CmmolHA/CmmolXh）。此外，最大比PHA产率比发酵OME获得的值要低（Dionis等在2005年得到0.52CmmolHA/CmmolXh），但是比报道的发酵造纸废水的值要高很多（Bengtsson等在2007年获得的0.06CmmolHA/CmmolXh）。最大储存产率（在PH为5时由发酵糖蜜废水合成）换算成基于糖蜜废水的多聚物产率为0.22gPHA/g糖蜜废水（0.26gPHA/gCOD），换算成体积产率为0.43gPHA/1h。这些值介于在已报道的其他由混合菌群（造纸废水合成
27、PHA得到大约0.11gPHA/gCOD，Bengtsson等，2007）和纯菌（0.11至0.33gPHA/g底物和0.05至0.90gPHA/1h，Kim，2000）以低成本碳源为底物合成PHA所得的数值当中。虽然没有确定出最大PHA富集能力，但是在所有以发酵糖蜜废水为底物的批次试验中获得了约30%（PHA单位细胞干重）的细胞PHA含量。多聚体组成（HB:HV摩尔量比）随着有机酸浓度分布的变化而变化，3HB单体的摩尔分数直接与投料中醋酸和丁酸的摩尔分数成比例，然而3HV单体的摩尔分数却与丙酸、戊酸和乳酸的摩尔分数成比例（图3）。这种情况与碳源利用和多聚体储存的代谢途径是一致的，这种代谢途径
28、已经在纯菌合成中被报道过，并且通常用来预测富集PHA混合菌群的行为（Le mos等，2006）。随着有机酸摩尔分数从0.79/0.21变为0.51/0.49（Ac+But）/（Prop+Val+Lac），多聚物的组成由69:31变为47:53molHB：molHV。这些试验清楚的证明了可以通过调整酸化酵解的PH值来调控多聚物的组成。预前发酵时混合菌群利用利用富含碳水化合物的碳源合成PHA所需要的环节，此阶段一个简单的运行参数便可以控制特定的PHA合成。3.2.3 氨氮浓度以及蜜糖废水基质对PHA富集的影响试验曾确定增加酸化酵解反应器的 C/N比不会明显改变发酵废水中有机酸的浓度分布，因此可以考
29、察剩余氨氮浓度对PHA富集的影响。为此，进行了PHA批次富集试验，利用在稳态2和4（均在PH为6条件下运行，但是C/N比分别为100:6和100:3）下产生的滤后发酵蜜糖废水为底物，试验模拟了相似的有机酸浓度分布（表2列出）但不同的剩余氨氮浓度（8.3和0.1Nmmol/l的NH4+）。结果汇总在表3。基于氨氮利用计算得到的增长率在高氨氮和低氨氮浓度时分别为0.37和0.004CmmolX/CmmolVFA。在后一种情况下PHA储存产率相当高（0.62CmmolHA/CmmolVFA对0.45CmmolHA/CmmolVFA）。在前一种情况下，大量可用于细胞生长的氨氮限制了可转化为PHA储存的碳源的分数。此外，比PHA合成率在低氨氮浓度条件下同样较高。这些结果与Serafim等在2004年获得的实验结果一致。试验获得的PHA储存率比已经报道的由同样的醋酸盐筛选菌（0.79CmmolHA/CmmolVFA）利用醋酸盐和低氨氮（90Cmmol/l醋酸盐和0.7Nmmol/lNH4+）基质所得结果要低，但是与发酵造纸废水在营养限条件下获得的值（0.550.67Cmmol HA/Cmmol VFA）
