高含氮废水生物合成微生物蛋白技术及机理研究
随着人口的增长和生活水平的提高，高蛋白类食品的需求在不断增加。现有的以作物种植为基础的蛋白质供应链存在生产效率低、能耗高等问题，且供应已经饱和。因此，寻求新的蛋白质供应源至关重要。微生物蛋白是指利用微生物生产的高蛋白产物。本文以氢氧化细菌为研究对象，首先对氢氧化细菌进行驯化和富集，并探究了不同碳营养条件下氢氧化细菌的生长特性及微生物蛋白合成情况;随后探究了混合碳营养条件下碳氮比对氢氧化细菌微生物蛋白合成的影响;最后探究了不同有机碳源下氢氧化细菌的生长特性，以及以模型沼液为底物进行微生物蛋白合成的潜力。 (1)本研究首先对自然菌群进行驯化培养，最终得到以氢氧化细菌为优势菌种的混菌体系。之后以该混合菌群为接种物，研究了氢氧化细菌在不同碳营养条件下的生长特性及微生物蛋白合成情况。结果表明，该混合菌群在不同碳营养条件下的生长差异较大。因碳营养条件不同，混合菌群在自养条件下主要进行化能自养代谢;在异养和混养条件下，则可同时进行化能自养代谢和化能异养代谢。混养条件下菌群的氨氮转化效率以及微生物蛋白合成效率最佳。该条件下，菌群的氨氮转化率为68.8％;发酵物产量及微生物蛋白含量分别为5.8g/L和41.8％。此外，从氨基酸产量、氨基酸种类及含量等方面分析，混养条件下菌群的发酵产物有较高的营养价值。因此，混养条件是氢氧化细菌发酵生产微生物蛋白的最佳条件。经过不同碳营养条件的培养后，原驯化菌群的群落结构发生明显变化。自养条件下Xanthobacter依旧为主要的微生物蛋白合成菌;异养条件下Xanthobacter和Corynebacterium为主要功能菌属;混养条件下Corynebacterium，Klebsiella为主要功能菌属。 (2)探究了混养条件下碳氮比对氢氧化细菌生长及微生物蛋白合成的影响。碳氮比≥9时，实验组菌群的生长量及固CO2潜力明显高于碳氮比3和6。混合菌群的氨氮转化效率及发酵物产量随碳氮比的升高而增加，碳氮比≥9时，菌群的氨氮转化率和发酵物产量分别在80％和4.8gCDW/L以上。碳氮比≥9时，碳氮比的升高对菌群微生物蛋白合成能力提升有限，菌群氨氮产率YMP/N维持在3.5g MP/gN左右，致使发酵产物中微生物蛋白相对含量降低，营养价值随之降低。从氨基酸种类和含量可知，碳氮比≤9的条件下发酵产物的营养价值较高，同时碳氮比9条件下菌群的氨基酸产量最高，为3337.6mg/L。因此，混养条件下碳氮比9是氢氧化细菌进行氨氮转化和微生物蛋白合成的最佳碳氮比。 (3)探究了氢氧化细菌在乙酸、丙酸、丁酸、甘油和葡萄糖5种不同有机碳源下的生长特性，并进一步判断混合菌群以模型沼液为底物合成微生物蛋白的潜力。研究发现，氢氧化细菌能以乙酸、丙酸、丁酸、甘油、葡萄糖为单一有机碳源进行氨氮转化及微生物蛋白的合成。以乙酸、丙酸、丁酸、甘油为有机碳源时，各实验组菌群的氨氮转化能力较弱，但微生物蛋白合成能力较强，菌群的氨氮转化率在50％-60％左右，氨氮产率YMP/N均在4g MP/gN以上。以葡萄糖为有机碳源时，菌群氨氮转化能力较强，微生物蛋白合成能力较弱，菌群的氨氮转化率在90％左右，氨氮产率YMP/N仅有1.9g MP/g N。此外，各实验组发酵产物中均含有17种氨基酸，氨基酸种类较为丰富，发酵产物营养价值较高。混合营养条件下，氢氧化细菌能以模型沼液为底物进行生长，且细菌能将有机酸完全降解和利用。模型沼液中，菌群的生长量及固CO2潜力随碳氮比的升高而有所升高。与碳氮比为3的条件相比，碳氮比为6时菌群发酵物产量提高了52％左右。碳氮比≥6时，菌群的发酵物产量在4.4g CDW/L以上。碳氮比的进一步升高对二者的提升有限，碳氮比9条件下菌群的发酵物产量仅比碳氮比6高出10％。菌群的氨氮转化量与碳氮比正相关，碳氮比9条件下菌群的氨氮转化率高达77％。菌群的微生物蛋白合成能力随着碳氮比的升高而减弱，碳氮比≤6时，菌群的氨氮产率YMP/N均为4g MP/g N，而碳氮比提升到9时，菌群的氨氮产率YMP/N下降了13％。因此，模型沼液中有机酸含量过高有利于菌群进行氨氮转化，不利于菌群生产微生物蛋白。从氨氮回收的角度出发，可考虑碳氮比6的条件，该条件下菌群同时拥有较强的氨氮转化能力与微生物蛋白生产能力。
微生物蛋白;生物合成;氢氧化细菌;生长特性;碳营养条件
北京化工大学
硕士
环境科学与工程
王雯
2021
中文
Q51;Q503
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）