廚余垃圾生物合成聚羥基脂肪酸酯研究進(jìn)展

李京霖，鄭 義，趙麗雅，王 攀*，楊鑫玉，任連海**

（1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089；2.北京工商大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，北京 100048）

0 前言

據(jù)統(tǒng)計，約93%的廢棄塑料最終會通過填埋或焚燒的方式進(jìn)行處理。石化塑料由于自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對填埋場周邊土壤及水體存在持久性污染，且在焚燒的過程中可以產(chǎn)生自身3倍質(zhì)量的CO2［1］。因此，有必要生產(chǎn)一種性質(zhì)優(yōu)異且具有可持續(xù)發(fā)展前景的塑料來替代石化塑料［2］。聚羥基脂肪酸酯（PHA）被認(rèn)為是一種“生物可降解塑料”，其降解速率是傳統(tǒng)石化塑料的50～100倍；降解后最終產(chǎn)物為水和CO2，可進(jìn)入自然界實現(xiàn)碳循環(huán)，已經(jīng)被用來作為石油基塑料的替代產(chǎn)品［1］。此外，PHA材料還具有許多和聚丙烯塑料類似的性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于包括工業(yè)、醫(yī)療藥物、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)境在內(nèi)的各種領(lǐng)域；具體應(yīng)用總結(jié)于表1中。

表1 PHA在不同領(lǐng)域的應(yīng)用Tab.1 Application of PHA in different fields

PHA是由細(xì)菌合成并以顆粒形式儲存在細(xì)胞內(nèi)的生物聚酯，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過150種不同的PHA結(jié)構(gòu)。根據(jù)碳單體數(shù)量不同，可將PHA分為短鏈、中鏈和長鏈［11］：短鏈PHA（SCL）單體由3～5個碳原子組成，具有結(jié)晶度高、材質(zhì)強(qiáng)硬等特性，常見的有聚羥基丁酸酯（PHB）和聚羥基戊酸酯（PHV）；中鏈PHA（MCL）單體由6～14個碳原子組成，具有結(jié)晶度較低、材質(zhì)柔軟堅韌等特性，常見的有聚羥基己酸酯（PHHx）和聚羥基辛酸酯（PHO）；長鏈PHA（LCLs）單體由大于14個碳原子組成。

根據(jù)單體聚合方式的不同，可以將PHA分成同聚物和共聚物［12］：同聚物指的是只含有一種單體的PHA聚合物，例如PHB；共聚物是指由兩種或兩種以上的PHA單體聚合而成的聚合物，例如3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯共聚物（PHBV）［13］。PHB 是最常見的PHA材料，具有與聚丙烯類似的熱塑性，但由于韌性和熱穩(wěn)定性較差而無法廣泛應(yīng)用于塑料生產(chǎn)中。PHBV作為羥基丁酸酯（HB）和羥基戊酸酯（HV）的共聚物，因具有更高的強(qiáng)度、硬度、彈性、韌度、抗沖擊性和加工特性而被廣泛研究［14］。

目前，微生物法合成PHA工藝由于底物成本高，存在技術(shù)應(yīng)用瓶頸［15］。以往的研究大多是利用葡萄糖、油類、純酸作為合成PHA的碳源［16］，生產(chǎn)成本高達(dá)到每千克2～8美元；利用純菌合成PHA成本更是高達(dá)16美元［17］。碳源成本約占整個生產(chǎn)過程的40%～50%；并且僅利用碳水化合物為碳源，很難在天然條件下合成出PHB外的其他類型PHA，需要在微生物中重新構(gòu)建基因組合成途徑，或進(jìn)行二次共聚［17］。利用有機(jī)質(zhì)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）作為微生物合成PHA的碳源，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以達(dá)到有機(jī)質(zhì)廢棄物的資源化利用。目前，已經(jīng)對各種廉價碳源進(jìn)行研究，例如木質(zhì)纖維素（甘蔗渣、稻草、麥麩）、食品工業(yè)廢棄物（乳清、咖啡渣、糖類、酒糟）、脂質(zhì)（植物油、動物脂肪、）及污水污泥［10-11，18］。

在之前的研究中利用活性污泥生成VFAs作為PHA合成的前體物被多次報道［19］，但與活性污泥相比，廚余垃圾中的有機(jī)質(zhì)含量更為豐富，水解酸化效率也更高，更適合作為合成PHA前體物的原始底物。廚余垃圾包含多種有機(jī)物質(zhì)，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和纖維素，可用于生產(chǎn)廉價碳源（VFAs）［20］，進(jìn)而可以作為微生物合成PHA的碳源［21］。

本文重點關(guān)注利用廚余垃圾作為低成本碳源合成PHA的工藝方法及代謝機(jī)制。探究合成PHA前體物合成過程以及PHA合成過程中的影響因素，并分析其對合成PHA前體物及合成PHA的影響，提高PHA產(chǎn)量，優(yōu)化PHA合成的類型。

1 廚余垃圾產(chǎn)PHA工藝及代謝機(jī)制

1.1 工藝流程

利用廚余垃圾作為碳源合成PHA主要采用3段式工藝，如圖1所示：（1）PHA前體物合成；（2）混合菌群富集或純菌培養(yǎng)；（3）微生物體內(nèi)合成PHA。

圖1 利用廚余垃圾產(chǎn)PHA工藝流程Fig.1 Technological process of PHA production by kitchen waste

1.1.1 PHA前體物合成

厭氧酸化過程是傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的初始階段，反應(yīng)中以水解細(xì)菌和酸化細(xì)菌為主導(dǎo)微生物進(jìn)行一系列偶聯(lián)的生物化學(xué)反應(yīng)，合成高利用價值的VFAs［22］。在廚余垃圾合成PHA工藝中，利用廚余垃圾為有機(jī)質(zhì)底物在厭氧條件下通過水解、產(chǎn)酸步驟轉(zhuǎn)化為以乙酸、丙酸為主的VFAs作為后續(xù)合成PHA過程的微生物碳源。

1.1.2 混合菌群富集或純菌培養(yǎng)

（1）活性污泥混合菌群馴化：利用好氧瞬時供料方法（ADF）馴化活性污泥，通過控制SBR反應(yīng)器中碳源的供應(yīng)量，使微生物反復(fù)處于“豐盈”和“饑餓”的狀態(tài)，達(dá)到增強(qiáng)微生物體內(nèi)合成PHA能力的目的。在“豐盈”狀態(tài)下，菌群可以將過剩碳源轉(zhuǎn)化成PHA儲存在體內(nèi)；而在“饑餓”狀態(tài)時，已經(jīng)合成PHA的微生物可以利用PHA作為生長和代謝所需碳源，不能合成PHA微生物的生長代謝受到抑制，從而在活性污泥中富集合成PHA菌群［23］。其中，微生物馴化中控制系統(tǒng)豐盈和饑餓時長已被廣泛認(rèn)為是馴化成功的關(guān)鍵因素，其中豐盈時長小于全周期的25%［24-25］。在ADF的基礎(chǔ)上，根據(jù)微生物“沉降性”差異，提出了好氧動態(tài)排水方法（ADD），合成PHA后的菌群細(xì)胞質(zhì)量高于其他菌群，沉降性會增強(qiáng)，從而淘汰掉部分合成PHA能力弱的菌株，實現(xiàn)對PHA 合成菌群的富集［15，26］。

（2）純菌株篩選和培養(yǎng)：通過配置不同的篩選培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基，選擇可以利用VFAs為碳源合成PHA的高轉(zhuǎn)化率菌株。目前，已有研究發(fā)現(xiàn)了如Ralstonia eutropha和Pseudomonas putida等諸多工業(yè)化菌種，可利用脂肪酸合成PHA以降低合成成本［8］。

1.1.3 PHA合成

在已馴化的混合菌群或富集培養(yǎng)的純菌體系中加入廚余垃圾水解酸化產(chǎn)生的VFAs，通過控制適宜的培養(yǎng)條件，實現(xiàn) PHA 在微生物細(xì)胞內(nèi)的大量合成［18，27］。目前，已有的PHA合成技術(shù)按照合成方式主要分為序批式、補(bǔ)料序批式和連續(xù)式［28］。序批式操作簡單、常適用于探究合成過程影響因素或最優(yōu)參數(shù)；但由于其在反應(yīng)開始后不能持續(xù)加入反應(yīng)物，微生物在合成PHA過程末期中存在“饑餓”現(xiàn)象，會導(dǎo)致PHA積累不完全或已合成的PHA被微生物作為碳源利用，使合成量降低［15］。補(bǔ)料序批式可以通過在反應(yīng)過程中添加微生物所需營養(yǎng)彌補(bǔ)序批式的問題；但由于持續(xù)增加投料，其最初設(shè)計和反應(yīng)器制作具有難度，雖然目前應(yīng)用較為廣泛，但不易于大規(guī)模生產(chǎn)PHA［29］。連續(xù)式反應(yīng)是眾多技術(shù)應(yīng)用的必要方法，也是合成PHA工業(yè)化的必經(jīng)之路；連續(xù)式合成PHA在工藝設(shè)計和操作上更加簡單，也可以完全彌補(bǔ)反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)不足的劣勢，使微生物豐度在合成PHA過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)［28］。關(guān)于利用廚余垃圾水解酸化液連續(xù)式合成PHA的研究還不廣泛，但利用生產(chǎn)酵母廢水為碳源連續(xù)式合成PHA已有研究，且合成效果顯著，理論產(chǎn)量可高達(dá)270 t/a［30］。Tan等［31］也利用分段連續(xù)式方法進(jìn)行了PHA合成實驗，碳源轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%以上。

1.2 合成機(jī)制

1.2.1 VFAs合成機(jī)制

如圖2所示，VFAs的合成機(jī)制主要分為兩個階段：水解和酸化。在第一階段水解過程中，廚余垃圾中主要的大分子有機(jī)質(zhì)（碳水化合物、纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉、脂質(zhì)）通過微生物分泌的胞外水解酶（纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等）水解為單糖、氨基酸、長鏈脂肪酸和甘油等可溶性有機(jī)物。在第二階段產(chǎn)酸過程中，產(chǎn)酸微生物利用可溶性小分子有機(jī)物等水解產(chǎn)物合成VFAs（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸）為主的有機(jī)酸和少量乙醇，其中主要反應(yīng)過程化學(xué)方程式見表2。此外，發(fā)酵產(chǎn)酸后的產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型產(chǎn)乙酸菌的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)化，生成乙酸、H2和CO2。

表2 提升VFAs產(chǎn)量的預(yù)處理條件Tab.2 Pretreatments to increase VFAs production

圖2 廚余垃圾厭氧產(chǎn)酸機(jī)理Fig.2 Mechanism of kitchen waste anaerobic acidification

表2 產(chǎn)酸化學(xué)反應(yīng)過程Tab.2 Chemical reaction process of acid production

1.2.2 PHA合成機(jī)制

PHB、PHV和PHBV作為利用VFAs主要可合成的生物可降解塑料，其合成機(jī)制如圖3所示。

圖3 PHA合成機(jī)理Fig.3 Mechanism of producing PHA

（1）PHB合成途徑：在乙酰輔酶A合成酶（acs）作用下，VFAs中的乙酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）。兩個乙酰輔酶A分子在β-酮硫解酶（PhaA）的催化下縮合為乙酰乙酰輔酶A（Acetoacetyl-CoA）；而后被依賴NADPH的乙酰乙酰輔酶A還原酶（PhaB）還原為3-羥基丁?；o酶A［（R）-3-hydroxybutanoyl-CoA］。最終在PHA聚合酶（PhaC）的作用下聚合為PHB。

（2）PHV、PHBV合成途徑：在丙酰輔酶A合成酶（PrpE）作用下，VFAs中的丙酸轉(zhuǎn)化為丙酰輔酶A（Propionyl-CoA）。乙酰輔酶A和丙酰輔酶A在β-酮硫解酶（PhaA）催化下縮合為3-酮戊酰輔酶A（Ketovaleryl-CoA），而后在NADPH充足的條件下，通過乙酰乙酰輔酶A還原酶（PhaB）催化生成3-羥基戊酰輔酶A［（R）-3-hydroxyvaleryl-CoA］。最終在PHA聚合酶（PhaC）作用下合成PHV。此外，3-羥基丁?；o酶A和3-羥基戊酰輔酶A共同在PHA聚合酶（PhaC）作用下可合成PHBV共聚物。

2 影響PHA前體物合成的因素

2.1 預(yù)處理對合成VFAs的影響

厭氧酸化過程中，VFAs的合成效率一般受到固態(tài)有機(jī)物水解速率低和產(chǎn)甲烷菌對VFAs的快速消耗的雙重限制，其中有機(jī)質(zhì)水解被認(rèn)為是主要限速步驟；因此在厭氧消化前增設(shè)預(yù)處理工藝，可以提高有機(jī)物厭氧消化合成VFAs的產(chǎn)量［21］。目前，厭氧發(fā)酵預(yù)處理的方法較為廣泛，包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理［32］，一些常見的廚余垃圾預(yù)處理技術(shù)及其特點在表3中進(jìn)行了展示。

其中熱預(yù)處理和酸堿預(yù)處理法在加快有機(jī)質(zhì)水解和去除產(chǎn)甲烷菌方面均有促進(jìn)作用［33］。Yin等［34］和Liu等［35］均研究了熱預(yù)處理溫度對廚余垃圾產(chǎn)酸的影響，發(fā)現(xiàn)150～180℃熱預(yù)處理后合成VFAs的產(chǎn)量最高，且厭氧消化過程中SCOD、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性碳水化合物的濃度明顯提高，有利于提升廚余垃圾水解效率。Zou等［36］進(jìn)一步對熱預(yù)處理和堿性處理的操作順序進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)先堿后熱預(yù)處理對有機(jī)質(zhì)溶解度的提升高于同時熱堿法和先熱后堿法；這表明熱預(yù)處理可以和酸堿預(yù)處理進(jìn)行協(xié)同作用，可提升廚余垃圾中有機(jī)質(zhì)厭氧水解效率。

2.2 pH值對合成VFAs的影響

在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸系統(tǒng)中，VFAs產(chǎn)量及組成受pH值影響顯著；不同pH值反應(yīng)條件可以影響系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響VFAs的產(chǎn)量以及組成。此前對厭氧產(chǎn)酸最佳pH值的研究主要分為控制厭氧過程為恒定pH值和優(yōu)化初始pH值。

近年來，一些學(xué)者研究了利用廚余垃圾為底物時厭氧產(chǎn)酸系統(tǒng)恒定的pH值對合成VFAs產(chǎn)量的影響。Jiang等［48］和Wang等［49］均發(fā)現(xiàn)控制廚余垃圾厭氧產(chǎn)酸過程中pH值恒定為6對VFAs合成量提升最明顯，產(chǎn)酸類型主要為乙酸和丁酸。此外，反應(yīng)pH值為6時，固態(tài)有機(jī)質(zhì)利用率達(dá)到峰值，并推測pH=6是水解酶活性最佳的條件。

另一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控廚余垃圾厭氧產(chǎn)酸過程的不同初始pH值對合成VFAs有明顯影響。Khatami等［50］和Dahiya等［51］發(fā)現(xiàn)初始pH值為堿性更有利于廚余垃圾合成VFAs，其中乙酸含量提升也尤為明顯；在初始pH=10的條件下進(jìn)行厭氧產(chǎn)酸，產(chǎn)量高于pH值為5～9條件時，更是達(dá)到pH=5條件時的1.7倍以上。大部分學(xué)者通常把初始產(chǎn)酸條件調(diào)整為堿性；是因為在反應(yīng)進(jìn)行后pH值會隨著體系酸化而逐漸中和，進(jìn)而在中性和弱酸性條件下，達(dá)到最高的VFAs產(chǎn)量。相比于持續(xù)弱酸性條件，反應(yīng)初期的堿性pH值還會消除厭氧體系部分產(chǎn)甲烷菌，進(jìn)而減少合成的VFAs被消耗，具有一定的優(yōu)勢。

2.3 溫度對合成VFAs的影響

溫度也是微生物生長和VFAs合成的重要決定因素，每一類微生物都有最適宜富集的溫度范圍。溫度不僅影響產(chǎn)酸效率，還影響發(fā)酵過程中VFAs的組成，因此厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的適宜溫度需要被著重研究。

趙宋敏等［52］和 Jiang 等［20］均發(fā)現(xiàn)廚余垃圾合成VFAs在中溫條件下［（37±2）℃］產(chǎn)量要高于高溫和低溫條件，并發(fā)現(xiàn)低溫會影響反應(yīng)體系中水解菌的活性。這與Jiang等［48］發(fā)現(xiàn)在35和45℃條件下VFAs產(chǎn)量類似，高溫使廚余垃圾中有機(jī)物水解效率增加，但并沒有提升合成VFAs的效率的結(jié)論一致。通過各研究對于廚余垃圾厭氧產(chǎn)酸溫度的匯總可以確認(rèn)，中溫條件是厭氧產(chǎn)酸的最佳溫度。

2.4 有機(jī)負(fù)荷率（OLR）對合成VFAs的影響

底物負(fù)荷也會在厭氧產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生影響，Hong等［53］和李龔［54］均發(fā)現(xiàn) OLR 在 8～10 g VS/（L·d）的范圍下最有利于VFAs中乙酸、丙酸和丁酸合成；但過度增加厭氧系統(tǒng)OLR會造成反應(yīng)器運行不穩(wěn)定，會導(dǎo)致VFAs產(chǎn)量下降。Jiang等［48］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)過高的OLR導(dǎo)致已合成的VFAs快速分解，并得出結(jié)論OLR為11 g TS/（L·d）最適于VFAs合成。上述幾位學(xué)者得出的影響趨勢相似，但最適條件略有差異，這可能是由于不同研究中利用VS、TS等衡量有機(jī)質(zhì)方式的不同引起了最佳參數(shù)的波動。

2.5 碳氮比（C/N）對合成VFAs的影響

調(diào)整初始碳氮比可以影響微生物自身的合成代謝過程以及有機(jī)物在微生物體內(nèi)的生物氧化過程，同時也可以誘使不同產(chǎn)酸功能菌群在厭氧體系中的富集，從而調(diào)控不同產(chǎn)酸類型［55］。已有研究發(fā)現(xiàn)隨著C/N從12升高至156，產(chǎn)酸發(fā)酵類型由乙酸型轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵝?，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槎∷嵝停?6］。李燦等［57］認(rèn)為 C/N=37時，VFAs產(chǎn)量及轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值；并且發(fā)現(xiàn)調(diào)高C/N可以緩解乙酸在反應(yīng)后期分解，使其含量穩(wěn)定保持在80%以上。初始碳氮比的調(diào)整對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的效率有非常大的影響［58］，但初始C/N對于利用廚余垃圾合成VFAs影響的研究相對較少，C/N對于VFAs產(chǎn)量并沒有得出明確的影響規(guī)律，需要進(jìn)一步被探索。

3 影響合成PHA的因素

3.1 碳源對合成PHA的影響

眾多學(xué)者對VFAs類型對PHA合成的影響進(jìn)行了深入研究，Reddy等［59］分別利用污泥和餐廚垃圾的水解酸化液作為碳源探究合成HB和HV的含量；發(fā)現(xiàn)利用污泥發(fā)酵液合成的HB含量超過90%；但利用餐廚垃圾發(fā)酵液則可以合成35%的HV含量，并歸因于是兩種發(fā)酵液中VFAs成分的區(qū)別。Kourmentza等［60］發(fā)現(xiàn)乙酸和丁酸合成均聚物PHB，而在丙酸存在時的可合成66%的HV，進(jìn)而生成物共聚為PHBV；且丁酸合成PHA的效率高于乙酸和丙酸，因為利用丁酸合成PHA的過程不需要NADPH的作用。Hao等［61］也發(fā)現(xiàn)在合成PHA過程中，微生物可以優(yōu)先利用戊酸產(chǎn)生HV，其次再對乙酸和丙酸進(jìn)行利用；這表明丁酸和戊酸的合成效率高于乙酸和丙酸。

但Jiang等［62］在混合碳源合成PHA過程中發(fā)現(xiàn)微生物主要通過吸收乙酸來進(jìn)行自身生長，增加微生物體內(nèi)PHA類物質(zhì)的儲存能力，獲得較高的PHA產(chǎn)量。因此，微生物對VFAs的利用途徑被進(jìn)一步深入研究，發(fā)現(xiàn)偶數(shù)碳VFAs優(yōu)先被利用，奇數(shù)碳VFAs后被利用；其主要原因是乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）和丙酰輔酶A（Propionyl-CoA）利用率的不同。乙酰輔酶A是HB和HV合成必要的前體物，而丙酰輔酶A只在HV合成時需要，這導(dǎo)致了對乙酰輔酶A的需求增加，乙酰輔酶A在合成PHA過程中消化速率增快，進(jìn)而導(dǎo)致其前體物偶數(shù)碳VFAs的消耗速率增加［63］。

3.2 供氧量（DO）對合成PHA的影響

活性污泥法合成PHA過程中，供氧條件主要分為缺氧、微氧和好氧條件；DO含量對產(chǎn)物合成量有明顯的影響。Reddy等［59］和 Wang等［64］均發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下的PHA生產(chǎn)率高于好氧條件，證明了PHA生產(chǎn)需要更低的DO含量。但不同的是Wang等發(fā)現(xiàn)VFAs消耗速率在缺氧條件下高于好氧條件；而Reddy等發(fā)現(xiàn)好氧條件更易使微生物利用碳源進(jìn)行細(xì)胞生長，VFA利用率在好氧條件下高于缺氧條件。此外，各學(xué)者在DO含量較低的條件下進(jìn)一步探究了PHA產(chǎn)量變化，Wang等［65］和Wijeyekoon 等［66］均發(fā)現(xiàn)隨著 DO 濃度在缺氧條件下進(jìn)一步降低，底物吸收速率、PHA積累速率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量均下降。目前眾多研究均表明，在氧含量低的情況下更有利于合成PHA，但具體的供氧量需要進(jìn)一步確定。

3.3 C/N對合成PHA的影響

活性污泥法合成PHA過程中碳元素和氮元素的含量對于產(chǎn)物積累有明顯的影響，氮元素是微生物生長和細(xì)胞增殖所需要的重要物質(zhì)。C/N上升會促進(jìn)PHA的積累，但對細(xì)胞生長有相反的影響，限制氮元素含量會使微生物酶活性受到抑制，進(jìn)而在活性污泥細(xì)菌體內(nèi)積累PHA［11］。因此，為了獲得較高的PHA產(chǎn)量，應(yīng)該在微生物生長和PHA積累之間找到平衡。

Ahn等［67］和Wen等［68］均認(rèn)為嚴(yán)格限氮條件（C/N＞100）比含氮條件下PHA產(chǎn)量高。但Jia等［69］探究了一種新的合成PHA方法，在低C/N條件下（C/N=10）合成PHA，其產(chǎn)量接近嚴(yán)格限氮條件下產(chǎn)量；并發(fā)現(xiàn)通過不同的方法馴化細(xì)菌群落可以在氮充足的底物中大量合成PHA。該實驗為合成PHA提出了新的方法，可以在節(jié)省合成前體物混合液脫氮成本的同時達(dá)到較高的PHA合成產(chǎn)量，從而降低了PHA生產(chǎn)成本。

3.4 溫度對合成PHA的影響

反應(yīng)過程溫度是合成PHA的一個重要影響因素，在大規(guī)模合成PHA的過程中，提高合成過程的溫度需要消耗大量能量并產(chǎn)生高昂費用，因此溫度對于合成PHA的影響需要進(jìn)一步被探究，以達(dá)到提升合成PHA效率的目的。Grazia等［70］和Valentino等［71］均發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升更多的有機(jī)物被用于維持微生物活性，導(dǎo)致PHA產(chǎn)量降低；并認(rèn)為在15～30℃的范圍內(nèi)展現(xiàn)了最好的PHA產(chǎn)量。因此，從底物利用的角度來看，混菌培養(yǎng)PHA的生產(chǎn)在較低的溫度下更有效。

3.5 pH對合成PHA的影響

pH值是在合成PHA過程中最重要的參數(shù)之一，Kourmentza等［60］發(fā)現(xiàn)在初始pH值為6.9時合成PHA含量達(dá)到最大值，隨著pH值上升至7.25和7.5時，PHA產(chǎn)量降低。Li等［72］也發(fā)現(xiàn)PHA的合成量在中性條件下最高。此外，Villano等［73］發(fā)現(xiàn)了相反的趨勢，隨著反應(yīng)pH值從7.5上升至8.5和9.5，PHA產(chǎn)量也隨之增大；并且隨著反應(yīng)體系pH值增加，共聚物中的HV含量上升。針對目前活性污泥法合成PHA工藝研究發(fā)現(xiàn)，pH值對于PHA產(chǎn)量的影響還沒有明確的規(guī)律，其原因可能是由于不同的pH值對復(fù)雜微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變了PHA的合成量及類型；在后續(xù)關(guān)于活性污泥法合成PHA的研究中，pH值的影響還需要進(jìn)一步被討論。

3.6 前體物中非VFAs類物質(zhì)對合成PHA的影響

有機(jī)質(zhì)厭氧酸化液是一個復(fù)雜體系，盡管VFAs作為高質(zhì)量碳源占該體系內(nèi)SCOD總量的40%～70%，除VFAs外還存在多種物質(zhì)，如包括可溶性蛋白質(zhì)、可溶性碳水化合物等，約占其余的30%～50%［24，61］。Morgan-Sagastume等［74］發(fā)現(xiàn)在添加前體物中VFAs被耗盡時，PHA的合成量達(dá)到最大值；由于非揮發(fā)性脂肪酸被微生物攝取明顯較慢，所以對PHA的合成貢獻(xiàn)較小。也有學(xué)者認(rèn)為，PHA前體物中蛋白質(zhì)含量較高時，活性污泥混合體系中氮含量升高，對合成PHA產(chǎn)量具有負(fù)面影響［19］。但是，Liao等［25］對厭氧發(fā)酵液中非VFAs有機(jī)物質(zhì)對PHA合成的影響有不同的觀點，認(rèn)為PHA合成菌也可以在低VFAs濃度下使用其他有機(jī)物用于微生物的生長和繁殖，亦可用于PHA的積累。研究發(fā)現(xiàn)活性污泥體系對COD的消耗在短時間內(nèi)超過40%，且可以合成相同產(chǎn)量的PHA。

除此之外，NaCl等物質(zhì)也可能存在于厭氧發(fā)酵液中，也對PHA合成存在影響。Palmeiro-Sánchez等［75］探究了NaCl對于PHA積累的影響，發(fā)現(xiàn)在濃度為7、13和20 g/L的條件下均導(dǎo)致PHA產(chǎn)率下降，隨著濃度的上升對于PHA合成抑制越明顯；并且會降低HV的含量，這是因為丙酸在NaCl存在的條件下，更多被用于產(chǎn)生ATP來維持細(xì)胞生長時。厭氧酸化液中非VFAs類物質(zhì)較多，且部分物質(zhì)對PHA合成的影響機(jī)理較為復(fù)雜，需要廣大學(xué)者進(jìn)一步探索。

4 結(jié)語

PHA作為一種綠色友好型塑料，在其生產(chǎn)和降解方面均具有積極的社會和環(huán)境影響。利用廚余垃圾合成PHA，一方面可以開發(fā)一種有機(jī)質(zhì)垃圾資源化利用的新模式；另一方面可以進(jìn)而合成生物可降解材料可替代傳統(tǒng)石油基塑料，降低資源消耗和環(huán)境污染。使用有機(jī)質(zhì)含量豐富的廚余垃圾作為碳源生產(chǎn)PHA將會是一個新型研究熱點。本綜述匯總了PHA的不同分類及其在不同行業(yè)中的應(yīng)用價值。闡明了利用廚余垃圾合成PHA前體物，進(jìn)而合成PHA的工藝流程及內(nèi)在機(jī)制。此外，還重點討論了廚余垃圾合成PHA前體物及混合菌群合成PHA的工藝影響因素，總結(jié)了諸多工藝參數(shù)對兩個反應(yīng)階段的影響。基于對過往研究的梳理，提出了利用廚余垃圾合成PHA的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來前景。

進(jìn)一步研究利用廚余垃圾合成PHA的同時需要重點關(guān)注幾個方面：（1）不同碳源合成的PHA類型不同，利用廚余垃圾合成乙酸、丁酸研究相對較多；但丙酸、戊酸作為HV的前體物，關(guān)于利用廚余垃圾定向合成丙酸、戊酸的研究很少，需要學(xué)者們進(jìn)一步探索。（2）以廚余垃圾為碳源合成PHB在目前的工程應(yīng)用中使用較少，而共聚物材料因具有較好的物理化學(xué)性質(zhì)而被廣泛使用，但對于調(diào)整PHA合成工藝參數(shù)，進(jìn)而增加不同共聚物在系統(tǒng)內(nèi)自然共聚的研究相對較少，還需要進(jìn)一步探索合適的條件增加微生物體內(nèi)PHBV的自然共聚。（3）厭氧酸化液中的非VFAs類物質(zhì)對在PHA合成有明顯的影響，但對其組成類型以及影響機(jī)理的研究還處在起步階段，因此需要更明確地探索出厭氧發(fā)酵液中非VFAs類物質(zhì)的基本組成和對于PHA合成的影響途徑。