挥发性脂肪酸的生产从Codigestion食物垃圾和污水污泥的基础上β环糊精和碱性治疗

文摘

挥发性脂肪酸(vfa)是首选的有价值的资源,它可以产生厌氧消化过程。本研究提出了一种新技术β环糊精(βcd)预处理集成碱性方法提高vfa生产从codigestion食物垃圾和污水污泥。实验结果表明,优化的食物垃圾污水污泥比是3:2,因为它提供了足够的有机物质和微生物。在此基础上优化比例,碱性pH值10的综合治疗βcd之外(0.2 g / g t)表现最好的增强vfa生产,和最大vfa生产8631.7 mg / L, 6.13, 1.38,和1.57倍的控制,初始pH值10,0.2 gβcd / g TS治疗,分别。此外,蛋白质和多糖的水解率大大提高一体化治疗,这是其他测试1.18 - -3.45倍。虽然vfa生产和水解高度增强的高分子有机物,主要的细菌群落与不同的治疗并没有显示出实质性的差异。

1。介绍

食物浪费(FW)已经成为一个严重问题,发达国家由于其环境影响。约6.0×10⁷吨弗兰克-威廉姆斯是根据2011年中国统计年鉴,和弗兰克-威廉姆斯产量高于10%的增长率每年由于人口增长和生活水平的提高。此外,作为污水处理厂的副产品(WWTPs),年产量为625万吨的剩余污泥干燥已于2013年在中国,仍然是显示快速增加率(1]。剩余污泥处置已被视为WWTPs可持续发展的主要问题,因为有效的成本处理非常高,占WWTPs约40 - 60%操作费用(1,2]。广为人知,但食物浪费和剩余污泥的主要成分是有机物质(如蛋白质、多糖、脂质),厌氧消化是首选的有效途径治疗这些高度有机固体3]。有效消化的有机物可以生成可溶性的有机产品,协助恢复宝贵的资源(4]。挥发性脂肪酸有价值的产品,替代碳营养物质去除,polyhydroxyalkanoates (PHA)生产,和甲烷生产过程(5- - - - - -7]。

一般来说,颗粒有机物的厌氧消化过程通常包括三个阶段:水解、酸化、产甲烷。水解被称为病原反应步骤。只有小的有机碳可以生物降解,除非颗粒明显可溶性有机物(8,9]。针对加强厌氧消化性能,开发了一些努力,如化学、机械、生物、和热cofermentation治疗(10- - - - - -14]。碱性治疗已经被选择作为一个潜在的方法改善挥发性脂肪酸(vfa)生产,也影响水解产物的成分,因此导致不同浓度组合在随后的发酵过程(15]。然而,尽管vfa生产可以提高在pH值10,超过60%的挥发性悬浮固体(VSS)不能有效地降解[15,16]。因此,有必要研究其他方法协助碱性预处理进一步加强VSS vfa进一步破坏和收获。

最近一些研究报道,表面活性剂可以改善颗粒有机质分解和抑制甲烷生成,进而受益vfa生产(17,18]。化学合成表面活性剂(如十二烷基硫酸钠和钠十二烷基benzenesulfonate)是首先指出提高厌氧发酵的效率,但是残留提供了一个潜在风险生态系统由于其生物毒性(8,11]。一个典型的β环糊精(βcd)有七个葡萄糖分子单体在环有关α1、4-glycosidic债券(19),这可能与疏水分子形成主客体配合物,提高污染物去除(20.]。与其他化学增溶剂相比,βcd低生物毒性和低可能产生二次污染物(21]。此外,我们之前研究批准βcd可以提高污泥的水解速率,抑制产甲烷菌活动最大化vfa生产(11]。

本研究的主要目的是评估的可行性βcd除了融入碱性预处理增强vfa生产从codigestion食物垃圾和污水污泥。集成方法的机制提高vfa生产调查分析胞外聚合物(EPS)和物质水解的动力学模型。同时,细菌社区codigestion弗兰克-威廉姆斯和SS研究了解codigestion弗兰克-威廉姆斯和SS基于综合治疗。

2。方法和材料

2.1。食物垃圾和污泥接种体

弗兰克-威廉姆斯每天收集从一所大学的食堂位于哈尔滨(中国)。油脂是通过洗3 - 4次的弗兰克-威廉姆斯,丢弃和弗兰克-威廉姆斯粉碎粒度的3 - 5毫米。党卫军是抽样从市政污水处理厂在哈尔滨,中国。党卫军被重力沉降首先增厚24小时在4°C,然后筛选去除杂质。最后,弗兰克-威廉姆斯和党卫军被储存在4°C之前使用。弗兰克-威廉姆斯和SS的基本特征是列在表中1。

2.2。vfa生产批实验

首先,食物浪费的优化比率(FW)污水污泥(SS) vfa生产决定。根据总固体(TS)中列出的表1FW-to-SS比例是1:1、2:1,3:2和2:3,调整最后的TSg / L。此外,用量进行了优化βcd vfa生产研究的基础上,优化比弗兰克-威廉姆斯党卫军,和五个平行进行了测试βcd除了在0 - 0.2 g / g TS。pH值不是在上面的两个测试调整。然后,研究碱性pH值的影响,唯一的βcd,和综合治疗vfa生产从弗兰克-威廉姆斯和SS的混合物,六进行平行试验。采用混合没有任何预处理控制测试(CK)。批量测试在1 L进行血清瓶满800毫升弗兰克-威廉姆斯和SS的混合物。基于在线pH监测要求的pH值被添加自动注入瓶4 M氢氧化钠和盐酸1米。的顶部空间与氮气冲洗3 - 5分钟去除氧。然后在瓶装水中孵化空气浴瓶(120 rpm)°C 8天。所有的实验进行了一式三份。

2.3。动力学建模

符合一级(卵圆孔未闭)模型应用于理解的单独或联合治疗对水解的影响高分子物质在codigestion的弗兰克-威廉姆斯和党卫军。卵圆孔未闭模型可以由以下方程: 在哪里代表蛋白质/多糖的浓度(h),代表蛋白质/多糖的相对平衡的能力(h⁻¹)代表了卵圆孔未闭的速率常数模型。

归一化标准差(NSD)和平均相对误差(),由以下方程,计算了评估卵圆孔未闭的错误模式22,23]: 在哪里和分别代表实验和计算值和是测量的数目。

2.4。细菌群落分析

总DNA (100μL)从批处理测试采集的样本提取使用Mo-Bio PowerSoil DNA隔离设备(美国Mo-Bio实验室,Inc .)根据制造商的协议。基因组DNA的评估是在1%琼脂糖凝胶电泳。

PCR过程被称为在Wan et al。24)和混合(50μL)包括以下:5μL 10 x PCR缓冲,0.5μL(核苷酸(10毫米),10 ng的基因组DNA, 1μL Bar-PCR底漆的F (50μM), 1μL(底漆R (50μ0.5米),μL(铂Taq (5 U /μL)和无菌ddH₂最后一卷50μl .下列高通量测序,PCR引物是Bar-PCR底漆F (CGTATCGCCTCCCTCGCGCCATCAG + BACODE + AGRGTTYGATYMTGGCTCAG)和底漆R (CTATGCGCCTTGCCAGCCCGCTCAG + ACCGCGGCKGCTGGC)。PCR条件如下:10分钟94°C;5周期组成的94°C 20年代,45°C 20年代,60年代和65°C;20周期组成的94°C 20年代,60°C 20年代,20年代和72°C;10分钟的最后一步,在72°C。PCR产物用1%的琼脂糖凝胶进行评估。PCR产品进一步纯化使用DNA凝胶萃取设备(Sangon生物科技有限公司,上海,中国。然后,提取的PCR产品量化使用量子位2.0工具包。最后,所有的PCR产品被无菌ddH双稀释₂O。

罗氏Emulsion-PCR技术采用单分子PCR产品做准备。Emulsion-PCR (e-PCR)混合物可以集成PCR水相油相。每个混合液滴包含DNA分子之一,磁珠,PCR反应混合物。因此,PCR偏见可以有效地减少由于细菌DNA的一个分子的有效放大。最后,高通量测序的基因组采集标本离子激流的PGM(生活技术,美国)。

2.5。分析方法

收集样本首先在10000转离心10分钟;然后由0.45上层清液样本过滤μm膜过滤器,最后过滤样品分析前储存在4°C。滤液立即被用于分析vfa,多糖和蛋白质。vfa的测量、SCOD TCOD,多糖和蛋白质一样的方法中提到以前的出版物(8,25,26]。vfa被视为乙酸(HAc)的总和,丙(HPr),n丁(n-HBu),iso丁(iso-HBu)、n-valeric (n-HVa)和异戊酸(iso-HVa) [11]。

3所示。结果与讨论

3.1。表演从Codigestion弗兰克-威廉姆斯和SS vfa的生产

3.1.1。优化FW-to-SS vfa生产比例

为了确定优化比弗兰克-威廉姆斯和SS vfa生产、五比率的弗兰克-威廉姆斯和SS(1: 1、2: 1、3: 2, 2: 3和1:2)(TS)进行(图1)。最高vfa (1401.4 mg / L)的末尾cofermentation得到的比率3:2 (TS),其次是1337.4 mg / L (vfa的比率2:1。然后,vfa生产的比率2:3和1:1几乎是相同的(1277.4和1237.9 mg / L),均高于测试比1:2 (1014.7 mg / L)。虽然TS在所有测试大约30 g / L,弗兰克-威廉姆斯还带来了更多的浓度。食物浪费比污水污泥含有更容易生物降解物质,这些高分子有机物和污泥微生物降解。因此,除了带来了vfa生产更多的食物浪费。,高等vfa的收益率比3:2比2:1表明足够的污泥也vfa生产所必需的。

3.1.2。不同的影响βcd上的剂量vfa生产

如图2,很明显βcd除了改善vfa生产的所有范围βcd剂量。最小βcd之外(0.05 g / g t)获得vfa的3456.1 mg / L,这是比控制测试的2.46倍。增加的βcd,积累更多vfa在发酵结束时,和4126.9和4796.9 mg / L (vfa,分别得到0.1 g / g TS和0.15 g / g TSβcd。最大vfa的生产达到了0.2 g / g TS,获得的3.9倍,在控制测试。很有趣,vfa生产没有实质性差异与不同βcd除了在第一次72 h在最后几天但表示明显增加。βcd由7α-D-glucopyranoside单位内部和外亲水基团和疏水基团,和空腔βcd是6.0 - -6.5×7.9 A。它能增强疏水性化合物的溶解度较小的分子的空腔βcd,进而溶解颗粒有机物质在本研究11]。由于EPS的胶粘剂字符,污水污泥或食物浪费巨大的聚合分子。随着微生物的新陈代谢,巨大的胞外聚合物被破碎成小块,然后是聚合物的溶解βcd。因此,如果其他同步可能会采用更积极的治疗βcd,适应阶段可能会缩短。

3.1.3。不同治疗方法对浓度的影响生产

先前的研究已经报道,vfa生产从污水污泥可以明显增强采用初始pH值10或通过控制pH值恒定10 [15]。本研究比较了这两种碱性条件对浓度的影响生产从codigestion弗兰克-威廉姆斯和党卫军,如图3,vfa生产10初始pH值为6262.3 mg / L,这是获得的4.45倍,在控制测试中,显示初始pH值10的潜在应用vfa生产从弗兰克-威廉姆斯和SS发酵。和vfa生产发酵结束时为6971.3 mg / L,这是1.11倍,在初始pH值10。类似的结果在初始联合治疗与0.2 g /常数pH值10βcd / g TS,分别产生8631.7 mg / L (ini pH值10 + 0.2 g / g t)和8943.1 mg / L(缺点pH值10 + 0.2 g / g t)。尽管高vfa产量恒定的pH值10,恒定的碱性化学添加有机废物处理既不经济也不方便。此外,很明显,vfa生产被唯一的推广βcd之外,控制测试的3.9倍。然而,通过独家vfa生产βcd之外获得的唯一的碱性pH值低于10,这可能是由于温和的增溶的有机物质βcd比碱性博士,但考虑到腐蚀的管道或设备外部评议,βcd比碱性更有前途的治疗方法。

3.1.4。vfa结合不同的治疗方法

vfa的成分会影响发酵的进一步应用液体,如外部碳源养分去除(27]。观察到vfa的构成是由碱性pH值和较大的影响βcd。HAc测试,和HPr两个人最高vfa总比例的81.1% - -89.0%,也就是1.61 - -1.77倍的控制测试(图4)。个别vfa的百分比的顺序是HAc > HPr > Hbu > Hva。可能的原因是肝和HPr直接从发酵的有机聚合物(26),和高分子量vfa Hva或Hbu等很容易生物降解形成HAc在厌氧发酵系统15,27]。

3.2。基于综合治疗vfa的生产机制

3.2.1之上。高分子物质的水解的动力学建模

vfa生产的常数pH值10没有说明的优点远远超过初始pH值10,因此在vfa生产的机制只有在初始pH值10测试调查。可溶性蛋白质和多糖的含量可以作为索引来评估水解的效率。因此,蛋白质/多糖释放安装使用卵圆孔未闭模型,评估期间高分子物质的水解codigestion弗兰克-威廉姆斯和党卫军。数字5(一个)和5 (b)表明弗兰克-威廉姆斯和SS基于唯一的水解动力学和联合治疗。很明显,良好之间的协议是实现计算和实验结果,具有较强的相关系数(:0.962 - -0.999),低(0.024 - -0.900 < 1),(1.553 - -9.490 < 10)(表2),这表明水解蛋白质/多糖的混合物(弗兰克-威廉姆斯和SS)听从卵圆孔未闭模型。污泥、卵圆孔未闭和一阶模型已经成功地用于适合高分子物质的水解(15,28]。最高的蛋白质和多糖水解速率常数得到的综合测试,2.13(蛋白质)和3.45(多糖)倍控制测试。唯一的pH值10.0治疗更明显增强了比多糖水解蛋白质,这是类似于污水污泥的水解的结果15]。与蛋白质、多糖应该得到更多基于唯一明显的水解βcd治疗(0.2 g / g t),这主要是由于分子结构类似βcd多糖。此外,碱性和βcd治疗提高了水解蛋白质和多糖相比,控制测试。

3.2.2。进化的细菌社区

详细的细菌进化社区研究进一步发现的潜在机制碱性pH值的影响以及之间的区别βcd上添加厌氧codigestion弗兰克-威廉姆斯和党卫军。奇莫分析之后,33561年、37823年和30222年读取生成进行进一步分析。这些高质量的阅读被分配到不同的分类单元级别使用RDP分类器。总共25门被确定变形菌门,拟杆菌门,放线菌,厚壁菌门在细菌群落的主要类群。

十大丰富的属(表3)在每个样本被选为详细了解微生物群落结构的演变正如前面提出的(29日]。Parabacteroides显然在初始污泥从0.15%上升17.37% - -27.11%在所有三个测试,进而成为了主要成员在所有三个测试。更有可能与它的功能是saccharolytic细菌发酵产生醋酸和琥珀酸作为主要终端产品(30.]。Proteiniborus是第二个主要成员在所有三个测试codigestion结束时,通常认为是利用细菌、蛋白特异性和发酵产品主要包括乙醇、乙酸、氢气、二氧化碳和微量丙酸(31日]。Petrimonas随着发酵时间的增长和综合治疗测试中丰度最高。成员属于这属嗜中温,严格厌氧,和发酵细菌,乙酸是主要的最终产品(32]。Sporacetigenium检测为主要成员在吗βcd测试但不丰富的碱性pH值和综合实验,这主要是因为它扮演着一个很重要的角色,从葡萄糖生产乙酸和丁酸盐,但无法生存,并有很强的碱性小灵通(33]。丁酸弧菌属和真细菌没有主要成员在细菌样品初始和3 d但是积累发酵结束时在所有三个测试。他们属于梭状芽胞杆菌,主要成员在丁酸型发酵[发挥了重要作用34]。这种积累的丁酸弧菌属和真细菌可能是由于营养条件的适应。的另一个主要包括细菌共存丙酸菌属,Terrimonas,Moorella,硝化螺菌属。在整个codigestion过程他们幸存下来,但没有成为主要的细菌样本。这些细菌共存的功能主要是vfa生产丙酸和醋酸发酵产品。

4所示。结论

短期codigestion增强vfa的可行性生产从弗兰克-威廉姆斯和SS新颖的方法,βcd除了融入碱性pH值10,一直在研究这项工作。主要结论如下。()优化的弗兰克-威廉姆斯党卫军比3:2,因为系统可以提供足够的有机物质和微生物。()积极协同厌氧codigestion。vfa的最大产量为8631.7 mg / L发酵结束时,当弗兰克-威廉姆斯和党卫军被初始pH值10和预处理βcd剂量的0.2 g / g TSS。()所有的治疗方法(pH值10,βcd,发布和集成方法)可以提高每股收益悬挂,蛋白质和多糖的水解率最高分别为0.032和0.038(基于集成方法)。()主要细菌社区基于每个治疗没有实质性的区别,它们组成的Parabacteroides,Proteiniborus,Petrimonas,Sporacetigenium。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(没有。51508398),中国博士后科学基金资助项目(没有。2015 m571600),上海国际科技合作基金(没有。14230700400)。

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