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2019-06-03浏览量:957

『公海赌船网址成果展』不同有机负荷下氯化钠对食品垃圾发酵渗滤液生产聚羟基烷烃的影响

 

文献ID

题目:Effect of sodium chloride on polyhydroxyalkanoate production from food waste fermentation leachate under different organic loading rate

译文:不同有机负荷下氯化钠对食品垃圾发酵渗滤液生产聚羟基烷烃的影响

期刊:Bioresource Technology  IF:5.807

发表时间:2018.07

通讯作者:陈志强教授

通讯单位:哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室

 

材料与方法

实验设计

不同有机负荷率及不同浓度NaCl对PHA生产的影响,方案设计如图1所示:

反应底物及NaCl如表1所示:

FWFL(食物残渣发酵渗透液)用于PHA累积:乙醇和四种不同的酸——乙酸(HAc)、丙酸(HPr)、丁酸(HBu)、戊酸(HVa)按固定比例(基于COD)混合,模拟真实的FWFL。

导读

厌氧消化法生产聚羟基烷酸酯(PHA)是一种很有前途的食品垃圾回收利用技术,然而,目前还不清楚垃圾发酵渗滤液(FWFL)中含盐量和高有机负荷对PHA生产的影响。本研究通过研究不同有机负荷及不同NaCl浓度下批序试反应器PHA的累积性能及微生物群落的变化,解释了影响因素,并利用实际FWFL对优化策略进行了评估。

 

图1 方案设计

 

表1 合成FWFL的组成及SBRs的运行参数

 

测序区域及平台

16S rRNA genes V3-V4;Illumina 平台

 

研究成果

1、富集过程性能

低OLR与高OLR不同浓度NaCl下反应器的工艺性能如图2、图3所示:

 

低OLR中,由于DO(溶解氧)突然增加,可以观察feast(底物充盈)与famine(底物匮乏)阶段出现明显的界限;而在高OLR条件下,DO变化不明显。高OLR中,VFAs没有被消耗殆尽,剩余的VFAs浓度随着NaCl浓度的增加而增加。

 

低OLR中,低NaCl(0g/L、5.0g/L NaCl)时,氨氮在270min时消耗殆尽,而高浓度NaCl中在此时仅消耗40%,表明高浓度NaCl导致活性生物量的下降,qX(生物量增长速率,由胺的消耗量计算)在5.0g/L NaCl时达到最高。高OLR条件下,各NaCl水平的氨氮去除率均较差,提示OLR比NaCl浓度有更强的影响。

 

低OLR中,PHA在不同NaCl浓度下微量增加,表明NaCl的加入可以促进PHA积累。高OLR中PHA含量远高于低OLR下的含量(高OLR下,NaCl浓度对PHA的富集没有明显影响)。

 

低OLR中,NaCl浓度5.0g/L时与PHA富集过程相关的动力学参数qP(PHA存储率)、qX 、−qS(底物吸收速率)均达到最高,表明低浓度NaCl(5.0g/L)的加入可以促进PHA积累和微生物生长。

 

图2 低OLR条件下反应器工艺性能

 

图3 高OLR条件下反应器工艺性能

 

2、NaCl影响EPS和沉降

SVI的变化如图3所示:总的来说,随着NaCl浓度的增加,SVI值呈下降的趋势,表明沉降能力的提高。

 

由于EPS对絮凝体结构和沉降性能有重要影响,EPS的产生影响着生物系统的SVI,一般SVI随EPS含量的增加而增大。但是在该研究中,高OLR胁迫下,微生物群落分泌更多的EPS,尽管EPS发生了变化,但NaCl对SVI的降低有积极作用(图4)。

 

高OLR与低OLR两种体系中EPS的最大值均出现在NaCl为5.0g/L处,表明这种情况下可以较好地保护微生物群落免受NaCl的胁迫。

 

NaCl的存在对TB-EPS(紧密结合的胞外聚合物质)和PN(蛋白质)含量的影响显著大于LB-EPS和PS(糖)。在总EPS的变化中,TB-EPS含量和蛋白(包括TB-PN和LB-PN)是主要成分。但在本研究中,各处理在盐度胁迫下PS含量均明显高于PN。

 

可能的原因是污泥在低碳氮比的情况下(碳氮比:11),倾向于产生PN/PS比较高的EPS。高NaCl浓度下EPS产量的下降可能是由于NaCl对微生物代谢的抑制作用所致,适量无机盐可促进新陈代谢。然而,过多的无机盐(本研究中为10.0g/L和15.0g/L)会抑制相关酶的活性。

 

图4 EPS(胞外聚合物质)和SVI(污泥体积指数)在不同处理下的变化

 

3、PHA积累能力

不同的OLRs和NaCl浓度下PHA累积能力如图5所示:低OLR下,PHAmax(最大PHA含量)在5.0g/L NaCl 时达到;高OLR下,0g/L NaCl 时达到PHAmax。高OLR的PHAmax含量高于低OLR时的PHAmax。然而,高OLR,NaCl对PHA的影响没有规律。

 

图5 反应器中最大的PHA含量(%)

 

4、微生物群落的变化

微生物群落分析显示样本均以Paracoccus占主要优势(除H-I与H-0之外;H-I:高OLR下接种污泥;H-0:高OLR下未添加NaCl)。低OLR下Paracoccus丰度高于高OLR时的,且在15.0g/L NaCl时达到最高。


Paracoccus外,Thauera是另一种优势菌,低OLR下,5.0g/L NaCl时相对丰度达到最高,有文献报告ParacoccusThauera是潜在的PHA产生微生物,可能是5.0g/L NaCl时PHA累积较高的原因,虽然Thauera在L-15(10%)和H-15(33%)的相对丰度也较高,但高NaCl条件可能会破坏微生物的代谢。

 

基于PCoA的分析显示L-I、L-0、L-10距离较近,H-5、H-10、H-15距离较近(图6b),即在高OLR条件下,NaCl的增加对菌群影响不显著,高OLR的抑制作用掩盖了NaCl的影响。

 

图6 不同反应器微生物组成

 

5、用实际FWFL优化策略的性能

基于批次分析的结果,积累PHA的最佳策略为低OLR(1350 mg COD/L)、5.0g/L NaCl。将在此策略下富集的微生物群落用真正的FWFL(稀释3倍)生产PHA,并用不同浓度的NaCl(2.5g/L,5.0g/L、10.0g/L)优化,PHA的累积性能如图7所示,NaCl水平对PHA的最大含量影响不大,NaCl浓度较高时,PHA含量略有下降,当NaCl浓度为2.5g/L时,FWFL中PHA富集最多,含量为33.4%。

 

图7 实际FWFL过程中PHA的最大累计量

 

研究结论

1、低OLR和5.0g/L NaCl条件有利于微生物群落的富集及PHA的积累;

2、高OLR下更最大程度的富集PHA,但体系不稳定;

3、富集培养后主要优势微生物为有利于PHA积累的嗜盐菌(包括Paracoccus 、Thauera);

4、实际FWFL过程中,NaCl浓度为2.5g/L时,PHA富集最多,含量为33.4%。

 

亮点

该研究结合微生物群落结构分析不同有机负荷及不同NaCl浓度下PHA的产生情况,以探究其产生的影响因素,对利用食品垃圾生成PHA提供了重要的指导意义。

 

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