全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 6期
活性污泥合成聚羟基脂肪酸脂的研究进展
黄媛媛
(河北省生物研究所 ,石家庄 050081)
　　摘 　要 : 　聚羟基脂肪酸 ( PHA s) 是许多原核微生物在不平衡生长条件下合成的细胞内能量和碳源储藏性物质 ,同时也
是一种可完全生物降解的塑料 ,由于其良好的环境效应及机械性能而受到广泛关注。使用活性污泥合成 PHA既能降低 PHA
的生产成本 ,又能充分利用活性污泥资源 ,减少对环境的污染。综述了活性污泥合成 PHA的研究进展 , 包括合成 PHA的主
要微生物、碳源及影响 PHA积累的因素。
关键词 : 　聚羟基脂肪酸酯 　活性污泥 　影响因素
Study of Polyhydroxya lkanoates Production by Activated Sludge
Huang Yuanyuan
( Hebei Institu te of B iology, Shijiazhuang 050081)
　　Abs trac t: 　Polyhydroxyalkanoate ( PHA) are polyesters of hydroxyalkanoates, which are synthesized by numerous bacteria as in2
tracellular carbon and energy storage compounds and accumulated as granules in the cytop lasm of cells1 PHA have been recognized as
one of new candidates for p roducing biodegradable p lastic1 The use of activated sludge can reduce the p roduction cost of PHA and the
environmental pollution1 In this paper, the main m icroorganism and carbon source of synthesis PHA and the influential factor of PHA
were reviewed1
Key wo rds: 　Polyhydroxyalkanoate ( PHA) 　Activated sludge　 Influential factor
收稿日期 : 2008212224
作者简介 :黄缓缓 (19802) ,女 ,河北省保定人 ,硕士 ,主要从事微生物和分子生物学研究
　　聚羟基脂肪酸脂 (polyhydroxyalkanoate, PHA)是很
多细菌合成的一种细胞内聚酯 ,在生物体内主要是作
为细胞内碳源性物质而存在的。具有生物相容性、光
学型、压电性、气体相隔性等多种优秀性能。由于它的
力学性能与某些热塑性材料如聚乙烯、聚丙烯类似 ,并
且可以完全降解进入自然界的生态循环 ,因而被认为
是一种“生物可降解塑料”[1～5 ]。目前 PHA已经可以
通过真养产碱杆菌进行工业化生产 ,但成本太高 [6, 7 ]。
活性污泥是废水处理系统中自然形成的微生物与有机
物的聚集体 , 含有大量的 PHA合成菌 ,可以用来生产
PHA,实现剩余活性污泥的资源化利用。1974 年
Wallen[8 ]首先从活性污泥中获得了聚羟基脂肪酸酯
(PHA) ,为利用活性污泥生产 PHA奠定了基础。
1　聚羟基脂肪酸脂 ( PHA s) 的生物合成
111　合成 PHA s的主要微生物 表 1　合成 PHA的微生物菌种 中文名称 菌种 中文名称Actinom yces 放线菌属 M ethylotrophs 甲基营养菌属A lcalienes 产碱杆菌属 M ethylosinus 甲基弯曲菌属Azospirillum 固氮螺菌属 M icrococcus 微球菌属Azotobacter 固氮菌属 Protom onas 原单胞菌属B acillus 芽胞杆菌属 N ocardia 诺卡氏菌属B eggia toa 贝日阿托氏菌属 Paracoccus 副球菌属Chrom obacterium 色杆菌属 Pseudom onas 假单胞菌属Clostridium 梭菌属 R hizobium 根瘤菌属Corynebacterium 棒杆菌属 R hodococcus 红球菌属D erxia 德克斯菌属 R hodopseudom onas红假单胞菌属Ectoth iorhodospira 硫红螺菌属 R hodospirillum 红螺菌属Ferrobacillus 亚铁杆菌属 Sphaerottilus 球衣菌属Halobacterium 嗜盐杆菌属 Spirillum 螺菌属Hydrogenom onas 氢单胞菌属 S treptotilus 链霉菌属Hyphom icrobium 生丝微菌属 V ibrio 弧菌属Lam propnedia 生丝微球菌属 X anthobacter 黄色杆菌属M ethanom onas 甲烷单胞菌属 Zoogloea 动胶菌属M ethylobacterium 甲基杆菌属 细球菌属红色无硫菌属
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 6期
能合成 PHA的微生物分布极为广泛 ,包括光能
和化能 ,自养和异养菌共计 65个属中的近 300种微
生物。这些微生物能利用不同的碳源合成 PHA。
例如 ,利用苏丹黑或尼尔兰等亲脂染料 ,可以容易地
区分 PHA合成菌和非 PHA合成菌。目前研究较多
的、用于合成 PHA的微生物见表 1[ 9 ]。
合成 PHA的菌属非常多 ,不同的菌属对底物的
要求、所合成 PHA的结构、产率甚至合成机制均有
很大差别。它们分别利用不同的碳源产生不同的
PHA,如糖类、脂肪醇、脂肪酸、碳氢化合物甚至二氧
化碳和氢气的混合气体都可作为碳源。
112　PHA的发酵培养方式
批式补料方法是 PHA生产中最常用的发酵手
段。两步培养法也经常使用 ,尤其是对于那些在限
制营养元素条件下积累 PHA的菌种 [ 10 ]。某些菌种
在合成 PHA时不需要限制营养元素 ,其 PHA合成
与细胞生长相关 ,如 B acillus sp , A1 vineland ii和重
组 E1 coli[ 11～13 ]。最近 ,相关研究开发出了利用多波
长荧光检测器在线监控发酵过程的方法 ,可以更好
地优化批式补料发酵方法 [ 14 ]。细菌的 PHA组成是
另一个依赖于发酵过程的元素。一般来说 , PHA的
单体结构使相应的合成菌对碳源依赖性非常大。在
一些假单胞菌中 ,使用不同的碳源会发现有很多新
的 PHA单体被合成 ,这些相关碳源会使合成的 PHA
单体末端包含相应的功能基团 [ 10 ]。进一步的筛选
结果表明 , PHA 的合成很大程度上是底物依赖性
的 ,当提供了合适的碳源后 ,很多细菌就能够合成
PHA [ 15, 16 ]。所以 ,当需要一些特殊结构的 PHA时 ,
具有相似结构的相关碳源就需要作为发酵的碳源。
2　活性污泥合成 PHA的工艺介绍
211　PHA 在活性污泥模型中的作用
随着对 PHA研究的深入 ,国际水质协会关于活
性污泥模型 (ASM )的建立也开始考虑内存物质如
PHA的作用 ,并在除 ASM1之外都加入了 PHA在活
性污泥中的作用参数 ,这部分内容还需进一步研究 ,
尤其是对于特殊运行方式的活性污泥系统中 PHA
的作用更值得特别注意。深入研究 PHA在此类活
性污泥中的作用 ,对建立适应特定环境的活性污泥
模型很有参考价值。由于运行条件以及环境因素的
影响 ,不同的城市污水和实验室活性污泥中的异养
微生物是不同的 ,包括能够和不能贮存基质两类 ;
PHA的比生产速率受到能积累 PHA异养微生物的
数量及活性的影响 , ASM3中定义的贮存速率为常
数不具有普适性 [ 17 ]。
212　乙酸、葡萄糖等作为碳源
传统的 PHA合成工艺常采用乙酸、葡萄糖等作
为原料 ,经 SBR反应器驯化后得到具有高 PHA贮
存能力的微生物 [ 18 ]。D ionisi等 [ 19 ]采用厌氧 /好氧
SBR工艺 ,以几种溶解性底物 ,包括乙酸钠、乙醇、
葡萄糖、谷氨酸、丙酸钠、淀粉、酵母提取液以及
tween80组成的混合物驯化活性污泥 ,进行 PHA积
累的研究。结果表明 , SBR中高基质浓度梯度的存
在使 COD主要在厌氧条件下迅速得到去除。这种
情况下 ,只有一种丝状菌能够积累 PHA,积累内存
物质与碳源种类有关 , PHA /乙酸盐为 30%。Taka2
batake等 [ 20 ]以乙酸盐作为惟一碳源物质研用好氧
序批式实验究了日本东京几个污水厂产的潜力 ,研
究结果表明活性污泥积累 PHA 的平均含量在
1818% ,变化范围为 610% ～2915%。张伟等 [ 21 ]从
污水处理厂回流池废水中分离到的北京红篓菌
(Rcs1 pekingensis strain 32p )能够以乙酸、丙酸、丁
酸、琥珀酸等为碳源合成 PHB ,以乙酸为碳源合成
PHB可达细胞干质量的 60%。羊依金等 [ 9 ]通过在
城市污水中添加乙酸对活性污泥进行驯化 ,使 PHA
占细胞干重的百分比由 29%提高到 37%。
213　有机废物作为碳源
采用价格低廉的有机废物作为碳源 ,如厨余垃
圾、农业和食品工业废水、市政污水等 , 将有效降低
PHA生产成本 [ 18 ]。杨幼慧等 [ 22 ]研究表明 ,不同来
源活性污泥自然积累 PHA的能力有较大差异 ,工厂
活性污泥经过驯化、发酵后 ,均可有效富集 PHA积
累菌 , PHA产量大幅度提高。陈国强等 [ 23 ]用废糖
蜜为原料生产 PHB、用水解淀粉为原料生产 PHB和
PHBV,实现了世界上首次规模化生产第三代 PHA2
羟基丁酸共聚羟基乙酸酯 ( PHBHHx) ,且用基因工
程菌埃希氏杆菌和廉价淀粉水解糖碳源合成 PHB,
细胞干重达 200 g/L , PHB含量在 80%以上。田卓
玲等 [ 24 ]用废啤酒酵母自溶液合成 PHB ,能降低生产
成本。Chua等 [ 25 ]提出厌氧 2好氧活性污泥法生产
PHA 的理论工艺模型 ,该模型以传统的活性污泥法
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2009年第 6期 黄媛媛 :活性污泥合成聚羟基脂肪酸脂的研究进展
处理污水为基础 ,分为传统的活性污泥污水处理工
艺和厌氧 2好氧 PHA 生产工艺两部分。传统活性污
泥法工艺产生的剩余污泥部分用于 PHA 生产 ,碳源
则利用工业废水等有机废物 ,可同时做到污水有效
处理和 PHA合成成本的降低 ,具有良好的可行性和
工业应用前景。
3　活性污泥积累 PHA的影响因素
311　氧在 PHA合成中的最优化
研究发现 ,微生物吸收乙酸转化为 PHB的效率
与氧浓度密切相关。氧是合成 ATP、将乙酸转移到
细胞内的必要条件 ,但浓度过高又会限制 PHB的生
成。在氧限制条件下 , 乙酸转化为 PHB 的量
( YPHB /AC)为 0168 Cmol/Cmol, 而在氧过量时 ,
YPHB /AC降至 0148 Cmol/Cmol。因此 ,要提高基
质的吸收速率以及 PHB生成水平 ,可以通过氧供给
量来实现。限制氧浓度可以在微生物生长量最少时
优化 PHB 产量。初步估计 , DO浓度近似于氧半饱
和常数 Ks2o2 ,比较适用于乙酸型废水。而一些含糖
类、磷或脂肪酸的废水的氧控制需要进一步研究。
同时 ,在基质缺乏 ( fam ine)段和基质充足 ( feast)段
均保持低 DO 浓度 ,可以减少曝气花费 ,降低生产
成本 [ 18, 26 ]。
312　pH值对 PHA合成的影响
研究发现 , pH≥8时有利于用合成废水驯化的
活性污泥生产 PHA。Chua等 [ 27 ]发现 pH值在 7～8
范围内 ,驯化阶段污泥合成 PHA能力不受 pH值影
响 ,这也说明活性污泥可以稳定合成 PHA。但序批
实验发现 ,在 pH值为 6和 7时 , PHAX, 24少于污泥干
重的 5% ,几乎可以忽略 ;而在 pH 值为 8和 9时 ,
PHA合成显著提高 , PHAX, 24可达污泥干重的 25%
～32%。pH值对 PHA合成的影响可解释为 :低 pH
值条件下 ,为维持平衡 ,乙酸大部分为不离解状态 ,
未离解的乙酸很快扩散进入微生物细胞 ,然后离解
产生质子负荷 ,使胞内环境 pH 值降低 ,从而不利于
PHA生产。Serafim等 [ 28 ]则发现不控制 pH值 ,合成
的 PHB含量为 4715% ,而 pH值为 710和 813时合
成的 PHA含量分别为 2715%和 3918%。认为可通
过不控制 pH值或控制 pH值在较高时 ,提高 PHA
产量。并且提出从工艺角度考虑 ,不控制 pH值将
减少过程控制的复杂性和运行费用。
314　温度对 PHA合成的影响
相关研究结果表明 :在经过一定时间的驯化并
保证反应器内维持一定量的生物体的情况下 ,低温
环境更有利于聚磷菌除磷 ,温度不但对于微生物的
活性有所影响 ,而且还对于微生物的代谢模式有所
影响。在低温情况下 ,聚磷菌积累的内存物质 PHA
较多 ,但是其所消耗的糖原则相对较少 ,说明可能存
在不同于以前所描述的以糖原作为 EBPR工艺的还
原力来源的代谢模式。而通过研究温度对于采用
SBR运行方式的活性污泥积累 PHB 的影响发现 ,
PHB的生成速率随着温度的升高而降低 ,主要是因
为温度高时同化速率高的原因 [ 17 ]。
4　展望
利用活性污泥生产 PHA可实现污泥的资源化
利用 ,减少其对环境的二次污染 ,具有广阔的发展前
景。为了进一步提高 PHA产量 ,降低生产成本 ,使
其工业化生产 ,可以从活性污泥合成 PHA过程中的
温度、pH值、含氧量方面深入研究。
致谢 :宋水山研究员对本文给予了修改和指正 ,特此表
示感谢 !
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分析 [ 14 ] ;另一类是寡聚核昔酸微列阵 ,阵列上的核
酸较短 ( < 25 nt) ,既可用于 RNA表达分析 ,也可用
于序列分析。
DNA微阵列技术具有灵活和通用、快速、操作
方便、杂交反应体积小等特点 ,适于进行探索性研
究。这种方法已经被用来进行大规模、商业性基因
筛选 ,含有 55 000个 cDNA s的微阵列每个月可筛选
800 000个克隆 [ 15 ]。对于大量已知序列未知功能的
基因而言 ,微列阵技术把基因的功能、相关的遗传座
位与表型特性三者联系起来 ,并用一种系统的、全面
的策略来研究这种关联 ,使人们充分了解基因调节、
种间多态性变异、发育和疾病过程中 RNA表达的时
间和空间、细胞中蛋白产物的相互作用与亚细胞定
位等 [ 16 ]。
8　结语
实践证明 ,以上所述的差异表达基因分离技术
及方法各具优点 ,但也有自身的缺陷。研究者应该
根据自身的需要进行选择性应用。还可根据实际要
求将多种技术互相结合 ,如将 SSH与 cDNA芯片联
合使用 ,微阵列技术快速分离经 SSH得到的差异基
因。建立一种能明确识别差异表达基因 ,且适合于
检测低丰度 mRNA的方法是今后研究发展的方向。
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