嗜盐混合菌群处理高盐有机废水过程中PHA积累机制及其种群生态研究

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种可以取代塑料的可生物降解多聚物，是在医疗和能源领域具有不可替代价值的生态材料。PHA产业的发展不仅会催生新的产业链，而且是可持续发展的必然选择。现阶段工业生产PHA成本高，限制了PHA规模生产和使用。为了降低成本，本研究探索利用嗜盐微生物在处理高盐有机废水过程中实现PHA的积累。这不仅解决了高盐废水处理难题，同时实现废水的资源化和能源化。研究发展嗜盐污泥处理实际有机废水实现高含量的PHA积累突破了现在纯菌单底物发酵生产PHA的模式。本项目通过大量的基础研究，确定嗜盐混合微生物在高盐废水处理过程中PHA积累代谢规律、盐度压力响应机制及其PHA产物组成，并探索嗜盐污泥群落结构和多样性等基础理论问题。为嗜盐污泥的高盐废水处理合成PHA建立知识体系。由于嗜盐微生物生产PHA具有显著的优势，本研究对降低PHA成本及其生产特殊价值的PHA共聚物等具有重要意义。

随着资源短缺的日益凸显，资源问题早已经超越了专业层面，成为影响经济、制约社会发展、涉及政治的重大问题。可持续性污水处理就是实现资源回收并保证最小的COD氧化、最低的CO2释放、最少的剩余污泥产量。聚羟基脂肪酸酯（PHA）是在微生物细胞内积累的一类多聚物的总称，其物理特性和以石油为原料生产的塑料很相似。但PHA却是可全部生物降解的一类多聚物，又被称为可生物降解塑料。利用活性污泥以废水作为底物在污水处理过程中收获PHA可以实现废水的可持续利用的同时降低PHA的生产成本。本研究以嗜盐微生物混合菌群（MMC）利用废水尤其是某些工业废水中高含量的有机物为对象，探索进行废水处理的同时收获PHA。在研究中，通过大量的基础研究确定嗜盐混合微生物在高盐废水处理过程中PHA积累代谢规律、盐度压力响应机制及其PHA产物组成，并探索嗜盐污泥群落结构和多样性等基础理论问题。为嗜盐污泥的高盐废水处理合成PHA建立知识体系。研究发现富集具有高聚PHA能力的嗜盐MMC是实现PHA生产的关键。分别将碳源类型、C/N、SRT和有机负荷等关键工艺参数耦合盛宴/饥饿比（F/F）选择压对富集高聚PHA积累能力MMC展开研究。研究发现富集期使用的碳源类型对菌群的积累能力、菌群结构、菌群PHA合成酶和菌群的适应性影响较大。采用葡萄糖作为富集底物富集的MMC具有PHA合成量大和发酵期适用底物广谱等优势。这是由于采用葡萄糖作为富集碳源富集的生物多样性更丰富，富集的PHA积累菌群具有更多样的PHA积累途径。该发现突破了目前以乙酸等挥发性有机酸作为底物富集PHA积累菌群的模式，揭示了富集碳源对种群富集结果和工程应用的深刻影响。研究采用有机酸和糖蜜酒精废水作为底物，通过PHA积累能力、积累动力学、产物组成、产物的理化性质、种群结构以及PHA合成酶的代谢等方面的研究确定了嗜盐MMC富集和PHA积累的机制。在此研究基础上，利用实际垃圾渗滤液作为底物进行PHA生产测试。确定了抑制垃圾渗滤液合成PHA的关键因素在于磷和铜离子。通过预处理去除磷和铜离子后，嗜盐MMC以垃圾渗滤液为底物可以合成细胞含量达45.5%的PHA。这是迄今为止利用垃圾渗滤液合成PHA的首个报道。研究发展和完善了目前淡水活性污泥生产PHA的经典理论，为利用嗜盐MMC代谢有机废水回收PHA奠定了基础。