聚羟基脂肪酸酯(PHAs)在废水反硝化处理中的应用

聚羟基脂肪酸酯（PHAs）在废水反硝化处理中的应用

摘要：聚羟基脂肪酸酯（PHAs），以及相关的可生物降解聚合物材料迅猛发展，并广泛应用于生物技术的各个领域。其中的一种有前途的应用方式在十年前出现，即使用PHAs作为固体基质用于废水的反硝化处理。这种类型的反硝化，被称为“固相反硝化”。相对于传统系统中添加有机液体基质，这种固相反硝化系统具有几个优点。PHAs不仅能够为反硝化作用提供还原能力，还可以作为适宜生物膜生长的固体基质。此外，与传统工艺流程比较，使用PHAs不存在释放溶解有机碳而污染出水水质的风险。如果PHAs的成本能够降低，则其有望成为一种经济高效的反硝化脱氮工艺材料。在用PHAs进行反硝化反应的活性污泥和持续升流床反应器中，已分离和分析了许多能让PHAs降解的反硝化细菌。大部分分离出来的细菌在系统发育上被认定为是β-变形菌纲（β-Proteobacteria），尤其是丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）的细菌。在PHA降解和反硝化的过程中，代谢和调控关系，以及PHA降解单元和固体表面结构的相互作用关系，是未来研究的重要方向。这些信息，将会使我们对固相反硝化过程有一个更深入，更深刻的理解。

引言：

严格说来，反硝化作用是一系列不同生物能量学反应的组成。硝酸盐经过亚硝酸盐，一氧化氮，一氧化二氮等阶段被还原为氮气。这个生化过程是自然界氮循环过程中的关键步骤，自然界中各种微生物以及大部分细菌都参与其中。生物反硝化对废水处理过程中的营养去除也很重要。资料表明活性污泥系统中10%-90%的细菌种群可以进行反硝化作用（Lemmer,1994；Nielsen和Nielsen,2002）。尽管废水处理工艺中脱氮系统已经基本建立，但是这种系统有一个问题，即添加大量有机物作为电子供体远不能为反硝化作用提供足够的电子。为了解决这个问题，一些简单的有机化合物，例如醋酸，甲醇或者污泥水解物等添加到系统中。然而，这种方法不仅带来了添加过量，引起出水水质恶化的风险，而且需要相当精密和昂贵的控制系统。另外，常用液体基质的反硝化速率不高或不稳定。

近些年来，科学界出现了一种用于废水中脱氮的反硝化系统的新理念 – 提出采用固体基质代替常用的液体碳源。这里我们称其为“固相反硝化”。稻草，树皮，木材，水解的桦木，以及生物聚合物等材料，都进行过此项实验（穆勒，1985）。在目前使用过的生物聚合物中，PHAs可能是最适宜的固体基质，因为PHAs本身是一种适合微生物着生的材料，和有氧条件下一样，反硝化条件下也有利于各种微生物的代谢。作为可生物降解塑料的来源，PHB是最广泛的细菌聚酯，可用其作为固相反硝化材料的候选。共聚物材料也是这个情况，PHBV是一种市场上可以买到的材料，商品名为BIOPOL。采用PHAs,尤其是PHB和PHBV进行反硝化的研究，开始于最近十年。关于这个方面的早期报告来自于德国的研究小组(Rieker 1990；Muller et al. 1992；Wais and Sussmuth 1993；Heinemann1995；Wurmthaler 1995)。这些报告中的大部分在德国完成，英文报告则在稍后出现 (Wais and Sussmuth 1994；Biedermann et al. 1997； Boleyet al. 2000； Mergaert et al. 2001)。本文总结了最近的在废水处理中使用PHA进行固相反硝化的微生物学知识。

固相反硝化工艺的潜力

相比现在的系统，使用PHAs以及其他可生物降解聚合物材料进行固相反硝化工艺具有许多优点。PHAs难溶于水却容易降解，可以为反硝化作用提供还原动力。在碳源有限的条件下，反硝化反应器中PHA的胞外降解与硝酸还原作用几乎相等。尽管没有实验证明随着

PHA的降解，有多少溶解产物释放，但是使用PHAs不具有释放溶解有机碳而污染出水水质的风险。相比于传统系统使用惰性材料作为微生物的生长表面，PHAs作为固体基质更有利于生物膜的生长。只要系统中PHA添加过量，生物膜就能保持成型。一旦固体基质用尽，生物膜将被洗脱。使用PHAs进行固相反硝化的这些突出特点，使程序控制更加方便。

a 经过5周实验的降解性（%失重） ++ >50%降解，+ 10-50%降解，— <10%降解 表1 实验室条件下活性污泥反应器内丸型脂肪族聚酯反硝化后的降解性，污水采用人工配水

表1显示了假定各种类型的聚合物适宜于进行固相反硝化时，活性污泥系统中各类脂肪族聚酯在反硝化过程后的降解数据比较。PHB和PHBV的降解速度快于其他两种，意味着包含PHA的生物塑料会成为一种高效反硝化的适宜材料。已有文献证明PHAs的高降解性能在厌氧和不同的需氧环境中是一样的。

采用PHAs进行反硝化工艺具有高的氮去除率。比如，实验条件下活性污泥反应器的反硝化速率约为20mg NO3—N（g干重）-1h-1，实验所是使用的材料是PHBV，并假定反应器完全适应这种反硝化材料。穆勒等（1992）报道了一种填充满PHA颗粒的升流式固定床反应器，这种反应器展现出高体积反硝化速率，在 10℃时平均值为11mg NO3—N L-1h-1。这篇文献同样指出，PHA附着的固定化细胞比悬浮细胞展现了更高的反硝化速率。另一种PHBV填充的持续升流式固定床反应器用去对饮用水的氮去除，其在25℃时的表面相关反硝化速率为14mg NO3—N m2h-1。

PHAs材料的短缺导致其成本昂贵。波利（2000）估计PHB反硝化系统的成本是21-37欧元Kg-1 NO3—N，这个价格是使用甲醇的传统系统的十倍。其它脂肪类聚酯，比如PCL，在价格上更有吸引力。PCL的生产成本是PHB的一半，尽管前者的反硝化速率低一些（表1）。然而，从实际考虑，这些数据和实际消耗还差的很远，因为这些成本估计只考虑了使用基质的数量消耗，没有包括常见系统的其他必需品，比如控制程序的成本。因此，需要更多的细节来比较PHA反硝化系统与其他系统的性价比。

相关微生物的多样性

已有许多关于自然生境中需氧PHA降解细菌的分离及鉴定，这些细菌有淡水的，污水污泥的，土壤的，以及混合物中的。厌氧降解PHAs的细菌菌株的分离和鉴定也同样进行过研究。另一方面，PHA降解的反硝化细菌的多样性却鲜有报道。目前分离出的PHA降解反硝化细菌菌株的详情已在表2中列出。最早进行这个领域研究的是Rieker（1990），他分离出一些能在反硝化条件下降解PHB的细菌菌株。一种分离出的细菌，Pseudomonas sp(假单胞菌)2nIII，后来被重新分类为Acidovorax sp（食酸菌属）。Mergaert从一种采用PHBV进行反硝化的持续固定床反应器中，分离出186种细菌。这些菌株中，PHA降解反硝化细菌仅有两种，一种被鉴定为Acifovorax facilis(敏捷食酸菌属)，另一种可能与Brevundimonas intermedia（中间短波单胞菌）有关。最近一些PHA降解反硝化细菌从活性污泥中分离出来。这些细菌中大部分属于β-变形菌纲的代表类群-Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）。这些资料表明，PHA降解反硝化细菌在系统发育类别上主要属于变形菌纲，特别是β-变形菌纲。

近期报道的PHA降解反硝化细菌NA10B，KSP3，以及KSP4引起了广泛兴趣，和活性污泥中分离的细菌比较，这种从PHBV上分离的细菌具有更高的反硝化速率。基于16S rDNA序列测序的系统发育分析显示，这三种细菌的16S rDNA序列明显属于Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）。我们提议将这种新的属于Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）的PHB降解反硝化细菌重新分为一个类别，命名为“Diaphorobacter nitroreducens”。

尽管许多关于PHA降解反硝化的文献提出，可以使用一些特别的微生物来发展一种有效的氮去除工艺。但是还有很多PHA降解细菌多样性的工作需要完成，以确定这种生物工艺的可能性。目前，活性污泥中仅有1-15%的微生物是可培养的，使其有必要确定一个和固相反硝化工艺相关的微生物的范围。对这个过程进行种群分析的一种有前景的方法是，结合不同的非培养技术，比如PCR-辅助 16S rDNA 克隆以及测序，定向RNA荧光原位杂交（FISH），以及醌图谱分析。这些方法具有不同的检测原理，可以互补以消除单个技术检测带来的偏差。最近，我们成功实现了多途径鉴定反硝化条件下使用PHBV的活性污泥的群落结构。大多数不可培养的 16S rDNA 克隆隶属于Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）。这个结果是从克隆库获得的，与FISH探查，醌图谱分析，以及非培养分离鉴定的结果完全一致。

PCR技术在PHB降解和反硝化上的应用，加上生态生理学方法，能为我们提供更多有用的信息，以确定到底是哪一个种类的细菌在PHAs固相反硝化过程中起了关键作用。

动力学和代谢层面

理论上，PHB及其单元结构3HB作为固体基质进行反硝化反应过程如方程1、2所示，如果不考虑产生的生物量对基质的需求。

——

5[C4H6O2] + 18NO3 → 9N2 + 18HCO3 + 2CO2 + 6H2O （1）

——

5C4H8O3 + 18NO3 → 9N2 + 18HCO3 + 2CO2 + 11H2O （2） 因此，基质消耗的理论配比值与最终氧化剂消耗的比值（S/O比），经过计算，PHB大

—1

约为0.39,3HB大约是0.47。假定的产额系数为0.45g生物量（PHB），反应可用以下方程表

——

示：0.494[C4H6O2] + NO3 → 0.415N2 + HCO3 + 0.130CO2 + 0.169[C5H7O2]+0.390H2O（3）此处[C5H7O2]是产生生物量的通式。在方程3中，是不考虑铵盐作为氮源参与生物量生产的。当一部分过量的铵盐作为氮源，基质最大程度吸收的时候，PHB和3HB的反硝化反应方程式修改如下：

——

10[C4H6O2] + 14NO3 + 6NH4+ → 7N2 + 6[C5H7O2N] + 12H2O +10 CO2 + 18OH （4）

——

10C4H8O3 + 14NO3 + 6NH4+ → 7N2 + 6[C5H7O2N] + 22H2O + 10CO2 + 18OH （5） 结合PHB的方程1和4,3HB的方程2和5，S/O比与产额系数之间的关系如图1所示。厌氧反硝化条件下采用PHBV[8% co-3-hydroxyvalerate (co-HV)]分批培养 “Diaphorobacter nitroreducens”菌株NA10B 生长时，实验获得的平均S/O比值和Yx/s值分别为0.64和0.49。这个S/O比值和预计值接近，当Yx/s值为0.49时S/0的预计比值为0.62（图1）。一种填充活性污泥的PHB反硝化反应器的Yx/s值为0.52。如果生物膜已经形成，Yx/s值将会下降，大部分固体基质被用作反硝化的还原剂，而不是碳源。

固体基质生物降解的生理学和生物化学研究对综合理解固相反硝化过程非常重要。许多学者研究过生理学和代谢层面的PHA降解性和不同种类微生物的细胞外PHB解聚酶特征。类似的，反硝化作用的微生物和分子生物学研究已经非常广泛。此外，Beun等（2000）进行了反硝化条件下活性污泥中细胞内PHB代谢的化学计量学和动力学研究。然而，目前仍不确定PHA降解和反硝化之间的代谢关系，或是哪一个过程被另一个调控。因此，有必要说明这两个过程是否独立工作，而在这种情况下PHAs是否只是作为一种替代能源，或者还有其他途径调控反硝化活动。Paracoccus（副球菌属）细菌是一种有名的脱氮细菌，它含有一种细胞内PHB聚合酶，因此能提供一种适当的模式来研究代谢以及PHA降解和反硝化之间的调控关系，尽

管现在很难确定存在这样一个调控过程。

图1 使用3HB或PHB作为基质进行反硝化，基质/氧化剂比（S/O比）与产额系数（Y/x/s）之间的模拟

关系。

3HB的模拟函数为（y =2.04x3-0.456x2+0.545x+0.466） PHB的模拟函数为（y =0.955x3-0.261x2+0.373x+0.385）

影响因子

环境条件对使用PHAs进行固相反硝化的影响还没有进行过详细研究。PHBV粉末作为固体基质进行反硝化实验，实验室中“Diaphorobacter nitroreducens”菌株NA10B的显示出反硝化能力在温度范围为15-40℃和pH范围为6-9时。在溶氧充足的条件下，反硝化速率随着溶解氧

—-1-1

浓度的升高而降低但仍然高于3mg NO3-N g h，菌株NA10B可以使用PHA进行好氧反硝化。另一个影响PHAs反硝化的重要因子是PHAs的理化性质。

结晶度

聚合物的结晶度可能是主要的降解影响因子，通常，不定型的PHAs比结晶的类型具有更好的降解性。细胞内PHAs以一种无定形状态存在于细菌内含体中，而细胞外PHAs通常是结晶状态的。Abe和Doi(1999)报道熔融结晶PHB薄膜的酶侵蚀速率随结晶度的升高而降低。PHB解聚酶主要水解非晶相中聚合物链，随后侵蚀结晶相。此外，结晶相PHB薄膜的酶侵蚀率随着薄膜厚度的增加而减小。然而，Biedermann等报道相对反硝化作用行为和基质的熔解热之间并没有明确的关联，而熔解热能够反映结晶程度。此现象的一个可能原因是不同样品的结晶度并没有显著差异。

添加物浓度

使用PHBV作为基质时，应当考虑到co-HV浓度可能是降解效率的影响因子。Mergaert等（1995）报道在水域环境中，PHBV比PHB自身的降解更加迅速。在一年的实验中，PHB、P(HB-co-10% HV)、P(HB-co-20% HV)的质量损失分别为34%，77%，100%。与此相反，Abou-Zeid等（2001）报道，在厌氧状态下，PHB的降解比PHBV更加迅速。Biedermann等（1997）使用co-HV浓度为7%-22%的PHA小球进行反硝化，反硝化菌株是食酸菌属菌株2nIII，结果发现7%

的co-HV具有最大的反硝化速率。这些作者指出两个因素来解释PHA样本之间反硝化效率的差异。一是PHA小球中微量碳营养的供应，另一个是作为塑化剂的三醋酸甘油酯的抑制效应。然而，却很难在这时去判断含有不同浓度co-HV的聚合物的反硝化效果的变化趋势。

表面结构

固体基质的有效表面积和重量之比可能会影响反硝化效果。当PHA颗粒的表面面积增加一倍时，其体积反硝化速率也差不多翻倍。当进行细菌移植后，固体基质的表面积和结构更加重要。Biedermann等（1997）报道，当丸状P(HB-co-7% HV)作为基质第一个消化时，食酸菌属菌株2nIII能最快的附着在基质上。然而，他们发现，大量不同丸状PHA之间的未移植区域的显微图像，并没有差异。其他因子，比如疏水性、细胞表面结构以及细胞外聚合物物质，可能与微生物移植到固体表面相关。细胞外PHB解聚酶对固体表面的疏水性吸附作用，可能对单晶分子链的迁移率的增加以及产生无序的链堆砌区域有所帮助。

结语和展望

可生物降解固体聚合物的发展使其已经应用到水体反硝化中，并可能应用于污水处理。相比传统的氮去除工艺，PHA反硝化工艺的性能更高并具有许多优点。然而，如Boley等（2000）指出，PHA反硝化工艺的主要问题是成本效率。采用PHB进行反硝化过程的价格10倍于使用甲醇等液体基质的传统系统。而且，这个价格仅仅估计了基质的生产成本。若干其他因素将被考虑用于进行精确的成本效益分析。不管PHAs相对较高的生产成本，采用可生物降解塑料代替石化塑料的需求正在增长。如果PHAs的生产成本能够降低，PHA反硝化工艺将会更加经济可行。同样，当PHA产品应用领域更加广泛时，这种可重复利用的塑料可以考虑用于废水反硝化。

这些有用信息表明发展一种新的使用独特的PHA降解细菌的固相反硝化工艺是可能的。然而，这里有许多PHA降解反硝化细菌的问题需要阐明，这些问题涉及生理学，生物化学以及生态学。尤其是，十分有必要阐明新陈代谢,PHA降解和反硝化之间的调控关系，以及PHA降解细胞和固体表面结构的相互作用。进一步研究这个领域将能开发PHA在生物技术应用的潜力。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nyof.html