CN104531792B

CN104531792B - 一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法

Info

Publication number: CN104531792B
Application number: CN201410765653.9A
Authority: CN
Inventors: 刘淑丽; 张光明; 李相昆; 张�杰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: CN104531792A

Abstract

一种提高紫色非硫细菌菌体5‑氨基乙酰丙酸产率的方法，它涉及一种提高生物体5‑氨基乙酰丙酸产率的方法。它按以下步骤提高5‑氨基乙酰丙酸产率：一、调节有机废水pH值为6.5～7.5，然后向有机废水中投加金属离子Fe²⁺，再投加紫色非硫细菌，制成发酵初液；二、将步骤一的发酵初液在光照强度为1000～3000lux、溶解氧浓度控制在0.5～1.0mg/L、温度为25～30℃的条件下发酵。本发明方法与现有生物合成5‑氨基乙酰丙酸的方法相比菌体产率和5‑氨基乙酰丙酸产率都有明显的提高，并且废水COD去除率也达到90％以上。

Description

一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高生物体5-氨基乙酰丙酸产率的方法。

背景技术

5-氨基乙酰丙酸(ALA)是生物体合成叶绿素、血红素、卟啉和维生素B₁₂等四吡咯化合物的前体物质，广泛存在于微生物、植物和动物细胞中。1999年，一种以ALA为主要成分的光动力学药物被美国食品与药品管理局(Food and Drug Administration，USA)批准用于为治疗光化角化病。另外，ALA在癌症和口腔疣状增生等疾病的光动力学诊断和治疗领域临床应用前景广阔。同时，ALA作为一种环境相容性及选择性很高的新型光活化农药，对农作物和人畜无害，易降解、无污染，在农业上可广泛用作光动力学杀虫剂和除草剂。此外，ALA的应用还可有效提高农作物的抗冻害和耐盐能力，并且能够作为作物生长的调节剂。

ALA广阔的应用前景引起了人们开发利用的浓厚兴趣。以前，ALA的生产主要通过化学合成实现，由于其存在步骤繁琐，得率低和副产物毒性大等突出问题，越来越难以适应绿色化工和可持续性发展的需要。随着生物技术的不断进步和发展，应用微生物生产ALA逐渐为人们所关注。

利用类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)产5-氨基乙酰丙酸已经成功，而且还可以同步进行水处理，是一种绿色、环保、可持续的技术。但由于类球红细菌降解有机废水的能力还很有限，导致了菌体内5-氨基乙酰丙酸产率较低，从而阻碍了类球红细菌食品废水处理中回收高价值物质5-氨基乙酰丙酸的资源化过程。

发明内容

本发明是为了提高现有类球红细菌5-氨基乙酰丙酸产率而提供的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法。

按以下步骤提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率：

一、调节有机废水pH值为6.5～7.5，然后向有机废水中投加金属离子Fe²⁺，再投加紫色非硫细菌，制成发酵初液；

二、将步骤一的发酵初液在光照强度为1000～3000lux、溶解氧浓度控制在0.5～1.0mg/L、温度为25～30℃的条件下发酵，即实现紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的提高；

其中，步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为50μmol/L～600μmol/L；

步骤一有机废水的COD含量为6000～10000mg/L，TN含量为400～800mg/L，TP含量为20～60mg/L。

本发明所用紫色非硫细菌(PNSB)属于红杆菌科的类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)。

本发明方法通过添加微量金属元素Fe²⁺来刺激紫色非硫细菌的细胞代谢活性，提高紫色非硫细菌的底物降解效率，增强对有机物质的降解能力，通过促进其能量物质ATP的产率来提高细胞的能量代谢活性，并通过增强能量代谢途径来提高菌体产量和高价值物质5-氨基乙酰丙酸的产率。

本发明方法与现有生物合成5-氨基乙酰丙酸的方法相比菌体产率和5-氨基乙酰丙酸产率都有明显的提高，并且废水COD去除率也达到90％以上。

本发明方法简单易行，便于推广。在处理有机废水的同时，增加了经济效益，推动了污水治理的积极性。

附图说明

图1是实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水COD去除率随时间变化的曲线图。

图2是实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水生物量随时间变化的曲线图，纵坐标为紫色非硫细菌菌体干重，单位为mg/L。

图3是实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体5-氨基乙酰丙酸产率图。

图4是实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体ATP产率随时间变化的曲线图。

图5是实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体ATP最大产率图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式按以下步骤提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率：

本实施方式所用紫色非硫细菌(PNSB)属于红杆菌科的类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为ATCC17023。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为100μmol/L～500μmol/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为200μmol/L～450μmol/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为300μmol/L～350μmol/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为400μmol/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤一中投加对数生长期的紫色非硫细菌。其它步骤及参数与实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤一中有机废水为食品有机废水，食品有机废水投加金属离子Fe²⁺前经灭菌处理。其它步骤及参数与实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点是：步骤二发酵时间为96h。其它步骤及参数与实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一的不同点是：步骤一每升发酵初液中含紫色非硫细菌培养液300～500mg，紫色非硫细菌培养液中紫色非硫细菌的含量为6.0×10⁸～8.0×10⁸cfu/L。其它步骤及参数与实施方式六至八之一相同。

实施例1：

按以下步骤提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率：

一、高压蒸汽灭菌食品有机废水，然后调节pH值为6.5～7.5，再向食品有机废水中投加金属离子Fe²⁺，之后投加对数生长期的紫色非硫细菌，制成发酵初液；

二、将步骤一的发酵初液在光照强度为1000～3000lux、溶解氧浓度控制在0.5～1.0mg/L、温度为25～30℃的条件下发酵96h，并且每隔12～24h测定一次污水中COD浓度、菌体产量及5-氨基乙酰丙酸产量；

其中，步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为400μmol/L；

步骤一有机废水的COD含量为8068mg/L，TN含量为400～800mg/L，TP含量为20～60mg/L；

步骤一每升发酵初液中含紫色非硫细菌培养液360mg，紫色非硫细菌培养液中紫色非硫细菌的含量为6.0×10⁸～8.0×10⁸cfu/L。

本实施方式所用紫色非硫细菌(PNSB)购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为ATCC 17023。

实施例2：

本实施例中除步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为100μmol/L外，其它试验设置和操作均与实施例1相同。

实施例3：

本实施例中除步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为200μmol/L外，其它试验设置和操作均与实施例1相同。

实施例4：

本实施例中除步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为500μmol/L外，其它试验设置和操作均与实施例1相同。

对比例1：

本实施例中除步骤一发酵初液中不投加金属离子Fe²⁺外，其它试验设置和操作均与实施例1相同。

实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水COD去除率随时间变化的曲线图如图1所示。

实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水生物量随时间变化的曲线图如图2所示，纵坐标为紫色非硫细菌菌体干重，单位为mg/L。

实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体5-氨基乙酰丙酸产率图如图3所示。

实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体ATP产率随时间变化的曲线图如图4所示。

实施1～4及对比例1中紫色非硫细菌处理食品有机废水中菌体ATP最大产率图如图5所示。

经过96h发酵实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例1中COD去除率分别为90.1％、79.6％、80.6、74.1％和73.3％。与对比例1相比，实施例1、实施例2和实施例3的COD去除率分别提高了23.1％、8.7％和10.0％，实施例4的COD去除率较对比例1并未有显著提高。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例1在96h后的菌体产量(干重)分别为4015.3mg/L、2784.4mg/L、2987.2mg/L、2616.9mg/L和2417.2mg/L。与对比例1相比，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的生物产量分别提高77.8％、17.8％、27.6％和9.4％。说明投加的微量金属元素Fe²⁺能够提高紫色非硫细菌的菌体产率和处理系统COD去除率。步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为400μmol/L可获得最大的COD去除率和生物产量。

实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例1的菌体5-氨基乙酰丙酸产率分别为15.9、8.7、11.8、7.2和4.7mg/g-biomass。与对比例1相比，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4的菌体5-氨基乙酰丙酸产率分别提高239.6％、46.1％、152.9％和53.9％。步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为400μmol/L获得最大的菌体5-氨基乙酰丙酸产率。

实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例1的菌体ATP产率呈现相似的规律，在整个处理周期内逐渐升高，在84h达到最大，84～96h稍有降低。96h时实施例1、实施例2和实施例3、实施例4和对比例1的ATP产率分别为28.3、21.9、25.2、17.4和15.8μmol/g-biomass。

在84h，实施例1、实施例2和实施例3和对比例1的类胡萝卜素浓度分别为11.32、7.59、7.52和3.69mg/L。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例1中菌体ATP最大产率，分别为34.5、27.7、29.7、18.0和17.5μmol/g-biomass。与对比例1相比，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4的菌体ATP最大产率分别提高96.8％、58.5％、69.7％和2.6％。

实验说明本发明方法可提高紫色非硫细菌对有机废水的COD去除效率，且同时可以提高菌体生物产量及5-氨基乙酰丙酸产率，加速提高紫色非硫细菌的有机废水处理效率及菌体5-氨基乙酰丙酸的生产效率，实现废水资源化的进程。

选用其他紫色非硫细菌菌株进行上述实验，实验结果同样证实添加微量金属元素Fe²⁺能够提高紫色非硫细菌的底物降解效率，增强对有机物质的降解能力，提高菌体产量和高价值物质5-氨基乙酰丙酸的产率。

Claims

1.一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于按以下步骤提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率：

其中，所用紫色非硫细菌为红杆菌科的类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)ATCC17023；

步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为50μmol/L～600μmol/L；

步骤一有机废水的COD含量为6000～10000mg/L，总氮含量为400～800mg/L，总磷含量为20～60mg/L。

2.根据权利要求1所述的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为100μmol/L～500μmol/L。

3.根据权利要求1所述的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于步骤一发酵初液中金属离子Fe²⁺的浓度为400μmol/L。

4.根据权利要求1所述的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于步骤一中投加对数生长期的紫色非硫细菌。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于步骤一中有机废水为食品有机废水，食品有机废水投加金属离子Fe²⁺前经灭菌处理。

6.根据权利要求1所述的一种提高紫色非硫细菌菌体5-氨基乙酰丙酸产率的方法，其特征在于步骤二发酵时间为96h。