碳源流加策略提高混合微生物体系对聚乙烯醇的降解能力

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聚乙烯醇(PVA)是一种可降解的化工高分子化合物,但是自然界对它的降解效率较低,在工业上它是由聚乙酸乙烯酯进行醇解反应得到的。它的主链仅由碳原子构成,羟基是其官能团。由于它的特殊结构,PVA具有许多优良的性能,例如较好的热稳定性、较好的粘性和较强的抗溶剂性等。目前PVA在工业上得到了广泛的应用。然而废弃的PVA在自然环境中导致了严重的污染。为了消除PVA的污染,有必要提高PVA降解酶(PVADE)的产量和PVA的降解效率。本论文的研究主要集中在以下三个方面:混合微生物体系对PVA的降解;通过发酵优化提高PVA降解酶的产量;通过1,4-丁二醇提高PVA的降解效率,具体研究结果如下。(1)通过凝胶过滤色谱法(GPC)、碘量法和红外光谱分析确证了混合微生物体系对PVA的降解能力。同其它PVA降解微生物相比,此混合微生物体系具有较高的PVA降解速率,并且发现它能够完全降解PVA。通过检测发酵产物,发现它的结构和PVA类似,但它的羟基含量较少,并且其中含有C-O-C化学键。此混合微生物体系中存在Pseudomonas sp.和Bacillus sp.。在PVA降解过程中,微生物的相对丰度发生了显著变化,这反映了菌群结构的显著变化。在发酵上清液中未检测到PVA氧化酶,但是检测到了PVA降解酶的总酶活和PVA脱氢酶。(2)发现1,4-丁二醇能够提高PVA降解酶的产量。用1,4-丁二醇作碳源使PVA降解酶的最高酶活达到了3.43 U/ml,是对照(0.75 U/ml)的4.6倍。具体分析发现,菌体的二次生长和PVA降解速率的增加同时发生。基于这种现象,设计了两阶段发酵策略,即在特定的时间添加额外的碳源(此处可将策略写具体些)。通过采用这种发酵策略,取得了较高的生产强度(60.8 U/L/h)。进一步通过添加PVA来提高PVA降解酶的产量,将两阶段发酵延长为三阶段发酵。同两阶段发酵相比,酶对细胞的产率系数合成量得到了显著提高,其最大增加量达到了418 U/g。(3)通过优化1,4-丁二醇的添加策略提高了细胞的活力,最终提高了PVA的降解效率。具体分析,通过将1,4-丁二醇的添加时间调整到21 h,使PVA的平均降解速率提高到了0.150 g/L/h。研究发现高浓度的1,4-丁二醇(高于15 g/L)和PVA(高于30 g/L)对细胞具有毒性(两者的作用可能不一样,1,4-丁二醇是毒性,高浓度PVA是抑制作用吧)。基于以上结果,采用连续补料发酵将1,4-丁二醇的浓度控制在了5.0 g/L之下。结果表明,细胞对PVA的降解活力和细胞的生长活力都得到了显著的提高。同时PVA的平均降解速率达到了0.447 g/L/h。
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