田淑媛，王景峰，杨睿，郎铁柱，杨秀文
（天津大学环境工程系，天津300072） 摘要：用氧化还原电位仪严格监测反应过程，准确测定了在厌氧状况下PHB的合成量与聚磷酸盐的释放量；对活性污泥细胞内的PHB颗粒和聚磷颗粒进行了大量染色及显微镜检分析。通过试验证明，厌氧状况发生了PHB大量合成与聚磷酸盐大量释放，并得出二者关系曲线图，对其生化机理进行了深入研究。
关键词：生物除磷；PHB；质子移动力；氧化还原电位；聚磷菌
中图分类号：X501
文献标识码：A
文章编号：1000-4602(2000)07-0005-03 Relationship between PHB and Polyphosphate under Anaerobic Condition and Related Biochemical Mechanisms TIAN Shu yuan，WANG Jing feng，YANG Rui，LANG Tie zhu， YANG Xiu wen
(Depart of EnvironEng,Tianjin Univ,Tianjin 300072,China) Abstract：Oxidation reduction potential meter was used to monitor the whole reaction process in this research The quantity of Poly β hydroxybutyrate (PHB) synthetized and poly?phosphate released were accurately measured under the anaerobic condition The PHB in activated sludge cell and polyphosphate particles were dyed and examined with the microscope Large amount of PHB synthesized and polyphosphate released under anaerobic condition were testified through experiment, and a relationship curve between them was obtained Also the detail biochemistry mechanism was studied
Keywords:biological phosphorus removal; PHB;proton motive force; oxidation reduction potential; phosphate accumulating bacteria 基金项目：天津市自然科学基金资助项目(983606511) 为经济有效地解决日益严重的磷污染问题，应用生物除磷方法对厌氧状况下污泥细胞内PHB合成与生物磷释放的关系及其生化机理进行了深入的分析研究。 1 试验设计 1 1批量规模反应的原水
从模拟改进的UCT流程(见图1)中培养驯化高效除磷活性污泥，然后从好氧区中取出12 L污水(其沉淀后的上清液体积与污泥体积比大约为2:1)分配到三个圆柱型有机玻璃反应器中(每个反应器中为4L污水)，加盖搅拌一夜后测出三个反应器中的氧化电位均在-100～-200 mV之间，表明污水在反应器中处于严格的厌氧状态而无NO3-等电子受体。 
1 2批量规模反应的基质浓度
①. 第一批反应：1号反应器添加乙酸造成反应器中乙酸浓度为200 mg/L；2号反应器添加丙酸使其浓度为200 mg/L；3号反应器添加丁酸使其浓度为200 mg/L。测定在厌氧状况下，不同基质对磷酸盐释放和PHB合成的影响。
②.第二批反应：在三个反应器中添加乙酸，使其浓度分别为100、75、50 mg/L。测定厌氧状况下净磷酸盐释放量与乙酸基质消耗量的关系。
1 3取样方法及测定前的处理方法
在第1 h中20 min取样一次，在2 h时取样一次，每次取样75 mL并立即分析。首先对样品离心处理，将上清液保存于4 ℃的冰箱供待测PO43-浓度。沉淀污泥用2mL、浓度为6%的漂白粉溶液处理以停止污泥细胞内进一步的生物活性，并冷冻保存供测定PHB。 2 测定方法及所用仪器 2 1氧化还原电位
该指标采用Fisher Accumlt pH仪测定。将所用电极用标准缓冲液标定:电极在pH＝7的缓冲液中读数为86mV，在pH＝4的缓冲液中读数为263mV。用此指标可以严格监控反应的厌氧状态。
2 2 PHB测定
首先将经预处理的活性污泥放入离心机中在1000 r/min状态下分离20min，倒掉上清液，将沉淀污泥冷冻，真空干燥一夜。然后用分析天平称重并将此污泥用氯仿萃取，应用Comlau(1988)和Mab(1990)方法，将2μL氯仿萃取液注入到气液相色谱仪上，即可得到典型的污泥样品色谱层析图(图2)。 
2.3 PO43-测定
用Lachat auikchlm自动流注射离子分析仪测定。 3 试验结果 (1).第一批批量试验结果见表1和图3、4。其中PHA为聚β羟基链烷酸，PHV为聚β羟基戊酸，PHB为聚β羟基丁酸。 表1 厌氧条件下浓度均为200mg/L的不同短链脂肪酸基质中PHA、PHV、PHB含量及磷释放量 | 投加物质 | 编号 | 时间（min） | PHB（μg/mg) | PHV（μg/mg) | PHA（μg/mg) | 磷酸盐（mg/L) | | 乙酸 | 1 | 0 | 2.3 | 4.5 | 6.8 | 31 | | 2 | 20 | 6.5 | 8.5 | 15 | 71 | | 3 | 40 | | | | 96 | | 4 | 60 | 11.5 | 11.5 | 23 | 98 | | 5 | 120 | 19.7 | 5.9 | 25.6 | 102 | | 丙酸 | 1 | 0 | 2.3 | 4.5 | 6.8 | 31 | | 2 | 20 | 2.9 | 6.9 | 9.6 | 59 | | 3 | 40 | 2.1 | 8.2 | 10.3 | 85 | | 4 | 60 | 2.4 | 12.3 | 14.7 | 91 | | 5 | 80 | 12.9 | 4.4 | 17.3 | 100 | | 丁酸 | 1 | 0 | 2.3 | 4.5 | 6.8 | 31 | | 2 | 20 | 4.2 | 6.5 | 8.8 | 54 | | 3 | 40 | 4.6 | 5.2 | 9.8 | 61 | | 4 | 60 | 5.1 | 5.8 | 11.0 | 68.8 | | 5 | 80 | 6.3 | 7.0 | 13.3 | 77 |
 
(2)第二批批量试验结果见图5。从图中可以看出，三种浓度的乙酸基质均表现出其消耗量的大小与净磷酸盐的释放量成正比关系，而且斜率均大致为05左右，相应的分子比率是0.97:1.0(摩尔P:HAC)。 
(3)结合上述试验，对活性污泥样品中PHB颗粒和聚磷酸盐颗粒进行大量染色，并将染色切片在光学显微镜(10×40倍)下观察，可得到如下结论：在厌氧区(氧化还原电位在-100 mV以下)污泥细胞内PHB颗粒迅速、大量地增加，聚磷酸盐颗粒迅速减少；在好氧区污泥细胞内PHB颗粒迅速减少，聚磷酸盐颗粒迅速增加。 4 生物除磷生化机理分析 从细菌生物能学角度看，细菌质子移动力(the proton motive force简称pmf)在释磷和吸磷时，即磷在细胞内外的转移过程中起了决定性作用。pmf是细胞质膜内外的化学渗透浓度梯度，其主要作用是通过膜结合酶复合体合成ATP和用于运输基质到细胞内。而且，细菌具有维持pmf在某一恒定最佳值上的趋势。厌氧过程中，聚磷的分解将引起细胞内磷的积累，细胞内不能用于合成作用的磷酸盐将被PH敏感载体蛋白传感。载体蛋白通过主动扩散将过剩的磷排到胞外，同时，金属阳离子也被协同运输到细胞外，其宏观现象就是液相中磷浓度升高。在厌氧状态下，细菌储存的多聚磷酸盐水解，为ATP的产生提供所需的能量，并使细胞内的乙酸活化产生乙酰辅酶A。一部分乙酰辅酶A可以转化为PHB，PHB(poly-β-hydroxybutyrate)是β羟基丁酸聚合物的简称，是细菌细胞内贮存能量的脂质内含物。在厌氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞内有大量PHB迅速合成。进入好氧区后，聚磷菌消耗大量内含物PHB颗粒和外源机质，产生pmf。为了维持pmf的恒定，聚磷菌通过消耗pmf把胞外的磷以中性或电阳性的形式主动运输到细胞内合成ATP，合成聚磷酸盐。在好氧状态下，细菌储存的PHB降解代谢为生物合成提供碳，并通过TCA循环(三羧酸循环)产生ATP，为合成细胞物质及细胞活动和聚磷酸盐的大量合成提供能量。因而在好氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞吸收磷使废水中磷高效去除。
正如Dawes和Sensor(1973)所述，在储存能量的过程中，PHB的合成十分独特，因为只要保证乙酰辅酶A的来源，该过程不需要ATP的直接参与。但NADH的还原能力十分重要，而且PHB的形成过程被看成是一个类发酸过程，该过程允许NADH重新氧化成NAD+。当缺氧条件通过电子传输链阻碍了NADH的重氧化时，这样的过程尤为重要。在细菌体内NAD+及CoA浓度很高而乙酰CoA浓度很低(如外界有机碳来源受限而有氧存在)时，PHB就会分解。
研究表明，在厌氧条件下，污泥菌胶团的污泥磷大量消失，PHB大量增多。好氧条件下，大量吸收磷的同时PHB迅速减少，聚磷迅速增多。厌氧条件下合成的PHB越多，好氧条件下聚磷合成量越大。由于聚磷菌可以主动运输的方式逆浓度梯度将污水中的磷运输到细胞质内，因此可过量吸收磷，达到较高的除磷效果。 5 结论 研究中已发现，在污水磷的高效去除中，活性污泥聚磷菌细胞中贮存能量的PHB脂质颗粒发挥着重要作用。另外，研究表明短链脂肪酸能促进磷酸盐释放，且PHB的合成与快速降解COD的去除是成正比的。
乙酸盐的消耗与磷酸盐释放呈线性关系，从研究中得知：消耗1 mol乙酸释放097 mol分子磷酸盐。
废水中磷高效去除的重要因素是在厌氧条件下PHB的大量合成和好氧条件下活性污泥聚磷菌细胞对磷酸盐的大量吸收以及大量聚磷酸盐贮存在细胞内。厌氧条件下PHB大量合成，第一点是短链脂肪酸的加入起到促进作用。由于污泥发酵液中含有短链脂肪酸，这样使用投加污泥发酵液的方法比投加化学试剂乙酸等既便宜便利又可以促进活性污泥中PHB大量合成，从而提高磷去除效率，可以节省费用便于推广。 参考文献：
［1］Tian ShuyuanThe Effects of Short Chain Fatty Acid on Biological Phosphat Release and PHB Synthesis under Anaerobic Condition［J］Transactions of Tianjin University,1996,2(2)
作者简介：田淑媛(1945-)，女，天津人，天津大学副教授，研究方向：污水处理。
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收稿日期：2000-03-10 | 
