甲烷氧化菌与氢氧化细菌共培养生产微生物蛋白工艺优化及机理研究
世界人口的爆炸式增长与城镇化工业化水平的快速提高，粮食与蛋白质的安全高效供应显得愈发重要。盲目提高传统农业耕地面积不可持续，新的优质蛋白供给方式与废物的无害处理亟待开发。本研究利用甲烷氧化菌与氢氧化细菌生产微生物蛋白，首先探究了甲烷氧化菌与氢氧化细菌两相培养下的代谢生长，随后探究了甲烷氧化菌与氢氧化细菌共培养下的固碳、固氮能力以及微生物蛋白产量，之后验证了甲烷氧化菌与氢氧化细菌利用实际废水单独培养生产微生物蛋白的可行性，最后在实际废水中进行甲烷氧化菌与氢氧化细菌的耦合培养。 (1)驯化了以甲烷氧化菌和氢氧化细菌为优势的混合菌群，并探究了甲烷氧化菌与氢氧化细菌在两相培养下的生长情况。两相培养以甲烷氧化菌体系为第一相，出气进入到氢氧化细菌体系(即第二相)进一步用于蛋白合成。结果表明，第一相出气中的CH4对于第二相氢氧化细菌的生长代谢没有显著的促进或者抑制作用，相对于不添加CH4的细胞干重与粗蛋白含量变化＜10％。单相培养的氢氧化细菌与第二相氢氧化细菌的H2/CO2(mL/mL)分别是5.42、13.83,说明第二相的氢氧化细菌固定单位CO2所需要的能量高;微生物蛋白产量分别为1.71 g/L、0.92 g/L,碳的利用效率YCDW/C分别是0.56 g CDW/g C、2.18 g CDW/g C,第二相氢氧化细菌的碳转化为细胞干重的比例更大。由微生物群落分析可知，单相培养的优势菌属是两种氢氧化细菌Hydrogenophaga(75％)、Xanthobacter(9％),第二相氢氧化细菌的优势菌主要是Aquamicrobium(34％)、Defluviimonas(15％)。故虽然两相培养中氢氧化细菌的蛋白产量低，但碳的利用效率高。 (2)探究了共培养相较于单独培养，菌群的碳固定及微生物蛋白产量的优势。共培养过程将甲烷氧化菌与氢氧化细菌在同一反应器中进行培养。共培养体系下混合菌群拥有着完整的H2、CH4、O2与CO2消耗代谢能力，其消耗气体总量特别是固碳总量上接近于单一培养氢氧化细菌与甲烷氧化菌之和。在最终得到的菌体产量上，共培养下的细胞干重达到0.85 g/L,显著高于单独培养氢氧化细菌与甲烷氧化菌，超过两者细胞干重之和0.71 g/L,氨基酸产量达到311.0 mg/L是单独培养加和233.2mg/L的1.3倍。共培养组的氨氮到细胞干重转化效率最高，达到10.87 gCDW/gN。群落分析表明，共培养的菌群主要是 Methylocystis(39％)、Hydrogenophaga(8％)。因此，共培养相较于单独培养有着巨大的优势，是实现碳固定与微生物蛋白合成的理想方式。 (3)探究了甲烷氧化菌与氢氧化细菌在实际废水中单独培养的生长情况。甲烷氧化菌菌群的活性较高，适应性较强，碳消耗速率为30mgC/d,氨氮消耗速率为11mgN/d,产生的细胞干重达到1.2g/L,粗蛋白含量36.7％。而氢氧化细菌在实际废水中受到生长抑制。将废水稀释一倍后，氢氧化细菌的抑制得到缓解，降解废水中的氨氮的时间最快缩短至8天;当向培养基中加入S后，与不添加元素相比氨氮降解速度的变化＜7％,最终的细胞干重变化幅度＜15％,说明S对体系的影响不显著;当向污水中补充Mg、K、P后，添加Mg、K时氨氮降解速度慢于不添加元素，最终的细胞干重变化幅度＜7％,说明Mg、K对体系的影响不显著，但添加P后氨氮降解速度较不添加提高17％,得到的生物量＞2.0 g/L,较不添加提高66％,氨氮到细胞干重转化能力18.57 g CDW/gN,碳到细胞干重转化能力达到1.24 g CDW/g C,P的添加促进了氮、碳等流向粗蛋白的合成。此外，三种Mg、K、P尚不具有协同效应。实验结束后，分析了添加Mg+K+P的稀土元素浓度变化，共检测到16种稀土元素，发现菌群对于稀土元素是有吸收富集作用的，稀土元素的回收率均在80-130％之间。总之，甲烷氧化菌与氢氧化细菌可以在废水中进行生长代谢，抑制氢氧化细菌生长的可能因素是P的缺乏。 （4）研究了不同耦合体系对于甲烷氧化菌与氢氧化细菌利用实际废水生产微生物蛋白的影响。耦合体系是指两相培养模式以及共培养模式。在耦合体系的两种模式下，均实现了碳减排，两相培养、共培养分别达到17mgC/d、40mgC/d的减碳量，氨氮回收速度分别为10mgN/L、12mgN/L,两相培养在较低的底物需求上达到了 0.6 g/L的蛋白产量，相较于共培养模式的0.3 g/L蛋白产量提高近1倍。实验结束后分析共培养的稀土元素浓度，共检测到16种稀土元素，其富集率集中在30-70％,最高的铈可达到83％的富集率，显示了微生物对于稀土元素较强的富集作用。故在耦合体系下，两相培养是甲烷氧化菌与氢氧化细菌在实际废水中生产微生物蛋白的最优培养方式。
微生物蛋白;氢氧化细菌;甲烷氧化菌;共培养模式;工艺优化
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
王雯
2023
中文
TQ287.3
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）