前话

在污水处理中，生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成，厌氧状态下聚磷菌把细胞内聚磷水解为正磷酸盐，并从中获得能量，吸收污水中的易降解的COD，同化成胞内碳能源存贮物。在好氧或缺氧条件下，聚磷菌又氧化代谢胞内储存物，产生能量，从污水中过量地摄磷。生物除磷的生化模型如图1所示。

（a）厌氧环境：释磷、贮碳

（b）好氧环境：摄磷、耗碳

图1 聚磷菌的作用机理

很多人对除磷原理并不陌生，却很少有人深入了解胞内储存物。下面我们一起来学习一下吧。

聚-β-羟基丁酸酯是什么？

污水处理中，微生物的胞内储存物为聚羟基脂肪酸酯( Polyhydroxyalkanoates，简称PHAs)，其透射电镜照片如图2所示。它的主要成分是聚-β -羟基丁酸酯（PHB），聚-β -羟基戊酸酯（PHV）和聚-β-羟基-2-甲基戊酸酯（PH2MV），其中PHB是含量最多的一类聚合物。

图2 污泥中白色颗粒物PHAs

当微生物生长环境中有过量的碳源存在而缺乏必要的营养物质时，其体内氧化还原失衡，能量和还原当量过剩，微生物需要将过量的能量储存一起。由于PHB 是一种渗透压惰性的物质，在微生物体内大量积累也不会影响到细胞的渗透压，是一种理想的储存载体; 而当碳源缺乏时，其他营养元素充足，PHB 又可以作为碳源被降解利用。

厌氧条件下，PHB可以分解为乙酰乙酸和少量β –羟基丁酸酯；好氧条件下，PHB可以分解为二氧化碳、水及少量乙酰乙酸。胞内PHB被细胞利用后，可防止细胞自溶和死亡，因此其存在可以增强细胞对逆境的耐受能力。相关研究表明，积累PHB的细菌存活率高于不积累PHB的细菌，在强因子例如渗透压、干燥、紫外线等因素作用下，积累PHB的细胞死亡较慢[1]。

聚-β-羟基丁酸酯如何合成？

聚-β -羟基丁酸酯( PHB)由多个D型3HB单元呈α螺旋结构组成。分子量范围很大，可随着微生物种类、限制性碳源的种类及浓度、培养条件、发酵时间、提取方法等的不同而变化。易溶于氯仿、二氯乙焼、二氯乙酸等含齒素的有机溶剂，部分溶于甲苯、辛醇等，不溶于水、丙酮、甲醇、乙醇、乙醚、己烷等。其结构式如下：

PHB在微生物细胞内的合成与乙酰辅酶A（CH3CO-SCOA）有直接关系，乙酰辅酶A是微生物产生PHB的中间产物。一方面它主要参与三羧酸（TCA）循环产生ATP和NADH2，以供微生物生命活动所需。另一方面，当碳源过剩时，乙酰辅酶A的浓度会增加，为了达到一种平衡状态，于是大多数微生物，如真养产碱杆菌，巨大芽孢杆菌等利用乙酰辅酶A通过三步代谢途径合成PHB。

如图3所示，第一步，β-酮硫解酶催化乙酰辅酶A生成乙酰乙酰辅酶A(CH3COCH2CO-SCOA)。第二步，依赖NADPH的乙酰乙酰辅酶A还原酶催化D(-)3-羟基丁酰辅酶A的形成；第三步，D(-)3-羟基丁酰辅酶A单体经PHB合成酶催化聚合成PHB。因此，PHB的积累有利于中间产物乙酰辅酶A的浓度保持稳定状态。有研究表明，当乙酰辅酶A/游离辅酶A的比例升高时，可能会刺激微生物细胞产生较多的合成代谢酶，促使其生长速率升高。而如果微生物长期处于外碳源过剩的环境中，则微生物增长速率将达到某个最大值，维持微生物生命活动所需的乙酰辅酶A也大大增加，因此PHB的合成速率将下降[2]。

图3 PHB的循环代谢过程

在好氧状态下, 细菌储存的PHB 降解代谢为生物合成提供碳源, 如图3所示，其降解过程如下：首先PHB解聚成单体β -羟基丁酸，然后进一步生成乙酰乙酸，再由乙酰乙酸经乙酰乙酰辅酶A生成乙酰辅酶A，并通过TCA 循环(三羧酸循环)产生ATP , 为合成细胞物质，维持细胞活动和聚磷酸盐的大量合成提供能量。因而在好氧条件下,活性污泥聚磷菌细胞吸收磷使废水中磷高效去除[3]。

在储存能量的过程中, PHB 的合成十分独特, 因为只要保证乙酰辅酶A 的来源, 该过程不需要ATP 的直接参与。但NADH 的还原能力十分重要, 而且PHB 的形成过程被看成是一个类发酸过程, 该过程允许NADH 重新氧化成NAD+ 。当缺氧条件通过电子传输链阻碍了NADH 的重氧化时, 这样的过程尤为重要。在细菌体内NAD+及乙酰辅酶A 浓度很高而乙酰乙酰辅酶A浓度很低(如外界有机碳来源受限而有氧存在)时, PHB 就会分解。研究表明,在厌氧条件下,污泥菌胶团的污泥磷大量消失,PHB 大量增多。好氧条件下, 大量吸收磷的同时PHB 迅速减少, 聚磷迅速增多。厌氧条件下合成的PHB 越多, 好氧条件下聚磷合成量越大。由于聚磷菌可以主动运输的方式逆浓度梯度将污水中的磷运输到细胞质内,因此可过量吸收磷,达到较高的除磷效果。

聚-β-羟基丁酸酯竟然是环境友好型材料

近几十年的研究表明,PHB不仅具有石化塑料的一般特性而且具有良好的生物可降解性,生物相容性,是一类无毒、无污染、多用途的理想热塑材料.它不仅可以用于轻工、化工、食品、农业等现行塑料的应用行业,还可以用于医疗卫生、高新技术产品研制等领域,特别是在近几年兴起的医学组织工程中, PHB显示出诱人的应用前景. 因此不仅可以用于手术缝合线、药物释放包囊、润滑剂、疮口贴膜,而且可以制作克隆血管、心脏、肝脏、角膜、骨骼等组织和脏器的各种模型,以培养供移值的器官,从而达到修复创伤和重建功能的目的。

图4 合成的PHB塑料颗粒

PHB具有与传统石化塑料如聚乙烯、聚丙烯等类似的材料学性质，可由碳水化合物、脂肪酸等可再生资源合成，并且在环境中可以完全降解进入自然界生态循环，具有替代传统不可降解塑料的潜力．可用于制造生物可降解的包装材料、生物可降解和生物相容性医用植入材料、可控药物缓释载体和各种环保化工产品，如热熔胶、压敏胶和水溶胶等，是一种环境友好型的绿色塑料[4]。

聚-β-羟基丁酸酯的产业化研究

基于PHB能用作环境保护材料，目前有许多研究尝试利用微生物合成PHB，并促进其朝着产业化发展。

生物合成PHB的方法主要有3类，即细菌发酵法、基因工程法和活性污泥法。前两种工艺运行过程中要求灭菌消毒，保证发酵系统无杂菌存在，工艺成本昂贵。大规模生产PHB的首要目标是降低生产成本，近年来，大量研究集中于混合菌群的富集驯化工艺。由于城市污水处理厂的活性污泥可以作为混合菌群的良好来源，活性污泥利用廉价碳源合成PHB成为研究热点。相关研究结果表明，利用活性污泥混合菌群达到的PHB含量占细胞干质量的比例甚至可超过部分纯菌培养。通过污水中的有机物质合成PHB，是利用生物技术实现变废为宝的有效途径。一方面，通过反应降解了有机污染物，起到污泥间接减量、污泥资源化的功能，还具有废水处理、有机废物资源化回收等多重功效，从而实现了环境保护这个大主题。另一方面，将环境污染物质转化为具有良好利用价值的环境友好塑料，对于可持续发展具有重大现实意义[5]。

参考文献

[1]郭子瑞,黄龙,陈志强,温沁雪,任南琪. 活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯工艺过程研究进展[J]. 哈尔滨工业大学学报,2016,(02):1-8.

[2]董夏梦. 产聚-β-羟基丁酸菌株筛选及发酵和提取工艺研究[D].浙江师范大学,2012.

[3] Beun J J , Dircks K , Van Loosdrecht M C M , et al. Poly-β-hydroxybutyrate metabolism in dynamically fed mixed microbial cultures[J]. Water research, 2002, 36 :1167–1180.

[4]刘勇. 嗜热PHA积累菌株的筛选鉴定及其产PHA性能的研究[D].华南理工大学,2014.

[5]钱永雨,赵敏,潘俊波,刘哲君. 新型可降解塑料聚-β-羟基丁酸(PHB)的研究进展[J]. 黑龙江医药,2010,(06):895-898.

美编/衡忠暄

责编/程雨暄返回搜狐，查看更多