高酚负荷下稳定好氧颗粒污泥培养混合菌群高效合成聚羟基脂肪酸酯的研究

为解决酚类化合物对分散细菌和活性污泥(AS)的毒性抑制问题，研究人员通过实验室规模序批式反应器(SBR)研究了好氧颗粒污泥(AGS)在酚类底物下的驯化过程。研究发现：在1000 mg (L d)?1高负荷和1.5 F/M比条件下，成功获得16.3 wt%聚羟基丁酸酯(PHB)产量(yPHA/S=0.23)，证实低剪切力环境下大颗粒(300 μm)形成可有效缓解酚毒性，为工业废水生物转化高值化学品提供新策略。

　　

背景

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate, PHA)的传统生产方式面临酚类化合物的细胞毒性挑战，无论是纯培养体系还是活性污泥(Activated Sludge, AS)系统，分散的细菌细胞和絮状污泥都难以承受。而好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge, AGS)因其致密结构展现出独特优势——不过要实现酚类底物下的稳定PHA生产仍是个技术难题。

突破性发现

研究团队通过精巧的序批式反应器(Sequential Batch Reactor, SBR)实验设计，在1.9 cm s^?1上升气流速度下，先用乙酸-酚混合碳源成功驯化微生物群落。当切换至纯酚底物时发现：500 mg (L d)^?1负荷下虽能维持150 μm微颗粒稳定，但PHA产量不尽人意；提升至750 mg (L d)^?1虽使产量突破200 mg L^?1，却引发颗粒解体危机。

关键转折出现在降低曝气强度(0.9 cm s^?1)后——更大的300 μm颗粒在750 mg (L d)^?1负荷下巍然不动，可惜微生物"偷懒"把碳源主要转化为糖原(y_Gly/S=0.24)。最终在1000 mg (L d)^?1的极限挑战中，研究系统迸发出惊人潜力：不仅PHA产量飙升至270 mg L^?1，转化效率(y_PHA/S=0.23)更创下纪录，经差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)联用鉴定，产物确认为高纯度聚羟基丁酸酯(PHB)。

启示

这项研究揭示了微生物在高压环境下的生存智慧：高食微比(F/M=1.5)会迫使菌群将酚类碳源优先转化为PHA而非用于繁殖或储存糖原；而温和的水力剪切力恰是培育"抗酚特种兵"的关键——大尺寸颗粒形成的物理屏障有效中和了酚类毒性。这些发现为利用工业废水"变毒为宝"提供了教科书级的工艺范本。