好氧甲烷氧化菌群富集及合成聚羟基烷酸酯调控策略

摘要

聚羟基丁酸脂（PHB）具有生物降解性，生物相容性，且机械性能与传统塑料相当，是传统塑料的理想替代品之一。以甲烷为原料的PHB生产不仅能生产可生物降解的塑料，而且能降低PHB生产成本、减排温室气体。关于甲烷氧化菌PHB合成的研究大多数是利用纯菌发酵，而纯菌培养需要严格的无菌操作。混合菌群稳定合成PHB的研究较少，且非无菌操作降低了PHB的合成成本。本文探索了以甲烷为碳源，从活性污泥中富集甲烷氧化菌群以及甲烷氧化菌群合成PHB的调控策略。　　在不同条件下，从活性污泥中富集驯化得到甲烷氧化菌群，通过高通量测序分析微生物群落结构，结合混合菌群的PHB合成能力，筛选产PHB的高效混合菌群，随后进行PHB合成的条件优化实验。研究结果表明：以氮气为氮源，在甲烷氧气比为1:1、3:2、2:3时，甲烷氧化菌群PHB合成能力相近（~20%），优势甲烷氧化菌分别为Methylococcus、Methyloparacoccus、Methylophilus；以氮气为氮源的混合菌群的PHB合成能力高于以氨氮、硝酸盐为氮源的混合菌群；筛选的高效甲烷氧化菌群是在以氮气为氮源、甲烷氧气比为2:3条件下富集的。混合菌群的微生物群落主要由异养菌组成；混合菌群中其他优势异养菌可能能够利用甲烷氧化的中间产物生长并合成PHB。混合菌群合成PHB过程中最适的甲烷氧气比是2:1，Cu2+浓度是20μmol/L，温度是30℃，pH值是7.0。盐度对甲烷氧化菌群PHB合成和细胞活性均有抑制作用。硝酸盐培养会提升混合菌群PHB合成能力；而氨氮培养会轻微抑制混合菌群PHB合成能力。连续硝酸盐-氮气循环培养后混合菌群PHB合成能力得到提升，连续氨氮-氮气循环培养后混合菌群PHB合成能力与持续氮气培养的混合菌群相近。　　添加共底物和甲醇对混合菌群进行PHB合成的强化实验，并探究了连续运行时，盛宴-饥饿时间比、共底物、硝酸盐对甲烷氧化菌群合成PHB的影响。研究结果表明，强化PHB合成的最适的共底物为0.2mmol/L柠檬酸钠和0.1mmol/L乙酸；以柠檬酸钠、丙酸、乳酸钠为共底物时，混合菌群合成3-HV和3-HB共聚物；混合菌群合成PHB的最适甲醇浓度是0.2%（v/v）。在连续运行中，PHB合成的最适盛宴-饥饿时间比是1:3；0.1mmol/L乙酸对混合菌群的PHB合成强化效果最佳；硝酸盐培养会提升混合菌群的PHB合成能力。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题背景

1.1.3 研究的目的和意义

1.2 聚羟基烷酸酯

1.2.1 聚羟基烷酸酯的结构和性能

1.2.2 聚羟基烷酸酯生产面临的挑战

1.3 甲烷氧化菌群合成PHB

1.3.1 甲烷氧化菌

1.3.2 甲烷氧化菌合成PHB的途径

1.3.3 甲烷氧化菌合成PHB研究进展

1.4主要研究内容和研究技术路线

第2章 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 接种污泥及培养基

2.1.2 实验装置

2.1.3 实验试剂

2.1.4 检测仪器

2.2 实验设计

2.2.1 不同甲烷氧气比和氮源条件下富集甲烷氧化菌群

2.2.2 PHB合成阶段实验

2.2.3 共底物对甲烷氧化菌群PHB合成的影响

2.2.4 连续搅拌反应器中培养甲烷氧化菌群

2.3 测试分析方法

2.3.1 样品分析方法

2.3.2 分子生物学试验方法

第3章 甲烷氧化菌群富集和PHB合成的条件优化

3.1 引言

3.2 富集合成PHB的甲烷氧化菌群

3.2.1 不同甲烷氧气比下驯化甲烷氧化菌群

3.2.2 以氨氮、硝酸盐为氮源驯化甲烷氧化菌群

3.3 甲烷氧化菌群的微生物群落分析

3.3.1 测序原始数据的预处理

3.3.2 OTU分布Venn图分析

3.3.3 Alpha多样性分析

3.3.4 微生物群落结构分析

3.4 甲烷氧化菌群合成PHB的条件优化

3.4.1 甲烷氧气比对PHB合成的影响

3.4.2 铜离子浓度对PHB合成的影响

3.4.3 盐度对PHB合成的影响

3.4.4 pH值和温度对PHB合成的影响

3.4.5 硝酸盐、氨氮培养对PHB合成的影响

3.5 本章小结

第4章 甲烷氧化菌群PHB合成强化及连续运行

4.1 引言

4.2 共底物强化甲烷氧化菌群PHB合成

4.2.1 不同共底物种类强化PHB合成的效果

4.2.2 不同共底物浓度强化PHB合成的效果

4.2.3 不同甲醇浓度强化PHB合成的效果

4.3 连续搅拌反应器

4.3.1 盛宴-饥饿时间比对甲烷氧化菌群PHB合成影响

4.3.2 共底物强化甲烷氧化菌群PHB合成

4.3.3 硝酸盐培养强化甲烷氧化菌群PHB合成

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢