原文链接：

http://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-019-1135-2

题目：

Reconsideration on the effect of nitrogen on mixed culture polyhydroxyalkanoate production toward high organic loading enrichment history

作者：

Zhiqiang Chen^1,2, Lizhi Zhao¹, Ye Ji¹, Qinxue Wen(✉)¹, Long Huang¹

作者单位：

1 State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China

2 School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730070, China

关键词：

Polyhydroxyalkanoate(PHA)，Organic loadingrate，Nitrogen content，Biomass growth，Enrichment history

• 重新思考了氮素对混合菌群PHA生产工艺的影响；

• 研究了PHA合成菌群的富集过程；

• 氮素存在下获得了更高的PHA含量和生物量增长；

• 探讨了面向更高PHA合成能力的富集策略；

• 研究了PHA批次合成中菌群的更迭。
  

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多数混合菌群PHA生产工艺采用低有机负荷和低氮素浓度。然而，实际废水中往往含有高浓度的丰富碳源和氮源。本研究在PHA合成阶段设置了不同的碳氮源水平以评估不同富集策略对PHA合成菌和PHA生产能力的影响。本研究采用3组SBR反应器分别运行不同操作策略的富集过程，皆采用经典的好氧动态供料方式。富集后的菌群分别在氮源充足、限制和缺乏（C/N比分别为8、40和∞）的批次合成实验条件下评估其最大PHA合成能力。研究发现，在营养元素存在的情况下，菌群将会具有更高的PHA含量和生物量增长。由SBR#3（短污泥龄、高有机负荷和短周期）富集得到的菌群在氮源充足的条件下可达到54.9%的PHA最大合成量和38.9%的生物量增长。在缺乏氮素的条件下，生物量由于取样损失出现负增长。本研究采用末端限制性片段长度多态性的方法考察富集SBR反应器和批次实验中的菌群更迭情况。结合菌群在各氮素水平下最大PHA合成量和PHA生产能力，SBR#3具有最佳PHA合成表现，由此表明氮素对PHA产量具有重要影响，尤其是在高有机负荷富集条件下。       
               

图1  氮素增强混合菌群PHA合成能力及生产流程图

本研究采用3组工作容积为4升的SBR反应（SBR#1，#2和#3）作为PHA合成菌富集反应器，富集方法皆为好氧动态供料法。3组反应器采用不同的运行模式（主要表现为有机负荷、污泥龄和运行周期的不同），其他条件如C/N/P比、挥发酸组成和水力停留时间一致。批次实验用于考察在不同碳氮比条件下富集菌群的PHA最大合成能力。PHA占细胞干重的含量采用气相色谱法测定，并根据相关公式计算菌群的动力学参数。

经过5次进料的批次实验后，SBR#1（低负荷、长污泥龄、长周期）富集的菌群在氮素充足、限制和缺乏的条件下分别可达到49.9%、53.7%和46.6%的PHA最大合成量。SBR#2（高负荷、低污泥龄、长周期）和SBR#3（高负荷、低污泥龄、短周期）具有相似的规律：菌群在氮素限制和充足条件下达到的PHA最大合成量接近，而在氮素缺乏条件下得到的PHA最大合成量要低于前两者。结合各处理PHA生产能力的结果，研究得出SBR#3具有最佳的PHA合成表现，可能是由于其菌群对于高有机负荷富的适应性最强，并在氮素存在时具有更强的生物量增长能力。此研究表明氮素的存在并不一定会对菌群的PHA产生消极影响，在高有机负荷富下反而可能会提升PHA的最大合成量。这与目前主流认为的氮素缺乏将有利于PHA合成的思路有所差异，本研究表明PHA合成段氮素水平的设置优化应与富集段的条件尤其是有机负荷相匹配。

PHA合成菌的富集条件和合成段的氮素水平都会显著影响PHA生产。本研究发现在高有机负荷富、短污泥龄和短周期下富集的PHA合成菌相较于低负荷下富集的菌群可以具有更高的PHA合成能力。此外，批次实验中，无论是何种富集策略下富集的PHA合成菌群均在氮素缺乏时表现出最低的PHA合成量，表明在碳源浓度较高时氮源的存在对于PHA合成量的提升是必要的。                 

实际废水通常具有高有机负荷、氮素水平不一的特点，而目前混合菌群PHA合成工艺多采用低有机负荷的富集条件。本文采用了3组不同的富集策略，并在不同的氮素水平下考察了各组策略下富集的菌群的最大PHA合成量和PHA生产能力。该研究对混合菌群PHA生产工艺使用实际废水面临高有机负荷时，通过氮素水平的调整控制以优化菌群PHA生产能力的过程具有指导意义。

陈志强，男，45岁，哈尔滨工业大学环境学院教授，博士生导师。研究方向为环境生物技术。

投稿与检索

http://journal.hep.com.cn/fese/EN/2095-2201/home.shtml