王敏， 廖家林， 黄振兴， 阮文权＊，3

（1.中国市政工程华北设计研究总院 中国 天津 300074；2.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122；3.江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

功能性营养物质对蓝藻厌氧发酵产酸的强化作用

王敏1， 廖家林2， 黄振兴2， 阮文权＊2，3

（1.中国市政工程华北设计研究总院 中国 天津 300074；2.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122；3.江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

为提高蓝藻发酵的产酸量，向发酵体系中分别添加Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏4种营养物质来强化产氢产酸效果。结果表明：与对照相比，各种营养物质的添加均可不同程度地提高有机酸产量。其中，添加0.50 g／L的Fe、0.10 g／L的Fe2＋、0.20 mg／L的 Ni2＋可使丁酸和总有机酸产量分别提高109%～148%和84%～102%。酵母浸膏的促进效果最佳，在其质量浓度为0.25 g／L时，丁酸和总有机酸产量均为最高，分别可达到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比空白组提高164%和105%。

蓝藻；发酵；丁酸；酵母浸膏

从20世纪70年代至今，全国湖泊富营养化面积增长了约60倍，蓝藻等藻类爆发引起的水华等一系列水环境问题，已经成为部分流域的重要环境生态乃至经济、社会问题［1］。比如2007年5～6月，太湖大面积的蓝藻爆发就引起了无锡市数十万居民的饮水危机。

在蓝藻爆发的情况下，直接打捞蓝藻是减缓爆发程度、保护水体生态环境最为直接、安全、有效的应急治理方法，也是目前治理湖泊蓝藻最常用的手段［2－3］。但如何妥善处理处置打捞上来的蓝藻又是一重要难题。鉴于蓝藻中含有丰富的营养成分，因此对其进行资源化利用对解决蓝藻引起的环境问题具有十分重要的现实 意义。其中，将蓝藻作为生物质原料进行厌氧发酵产氢产甲烷以及丁酸等小分子有机酸是目前认为最可行的资源化方式之一［4－7］。

蓝藻厌氧发酵产酸具有很高的研究价值和应用前景，产生的挥发性脂肪酸是重要的化工原料，可用于生产高附加值的产品。因此，如何提高产酸量是蓝藻厌氧发酵产酸工业化应用所面临的关键问题之一。研究表明，某些营养物质对厌氧发酵过程有着重要的作用，比如铁是酶活性中心的组成部分，镍在维持生物大分子和细胞结构的稳定性等方面有重要作用，而一些有机营养物则含有多种微生物生长所需的营养因子［8－13］。因此，在蓝藻厌氧产酸过程中添加这些功能性营养物质，必定会影响发酵过程中一些酶的活性和代谢途径的变化，从而有可能对蓝藻厌氧发酵产酸产生强化作用。

作者通过添加功能营养物质（Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏），对蓝藻发酵产有机酸进行研究，以期提高蓝藻发酵的产酸量。试验中对产物中的丁酸（主要产物）、丙酸、乙酸进行了测定与分析。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用蓝藻取自太湖渤公岛蓝藻打捞处，厌氧颗粒污泥取自宜兴某柠檬酸厂，见表1。颗粒污泥在接种前要先进行加热预处理及活化处理［14－15］：加热预处理（121 ℃，15 min）是将颗粒污泥中的产甲烷菌杀灭；活化是将热处理后的污泥在COD为5 000 mg／L的葡萄糖溶液中培养一周，使污泥的活性恢复并加强，以达到较好的发酵效果。

1.2 试验设计

本试验采用分批发酵的方式，以抽滤瓶作为反应容器，并置于恒温水浴振荡器中。测定发酵前原料的含固率，控制反应容器中干物质（TS）总量为15 g，将颗粒污泥与蓝藻按物料比1∶5（TS）混合后全量转移至抽滤瓶中并用蒸馏水定容至650 m L，再向发酵体系中分别添加 Fe粉、Fe2＋（FeSO4）至0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、1.50 g／L，添加 Ni2＋（NiCl2）至 0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg／L，添 加 酵 母 浸 膏 至 0.10、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00 g／L，混 合 均 匀 后 在 35±1 ℃ 和100 r／min下恒温发酵96 h。

1.3 方法

1.3.1 有机酸的测定采用液相色谱仪（Agilent 1100，美国），柱子为ZORBAX SB－Aq柱，柱长150 mm×4.6 mm，5μm，流动相：0.5% 乙腈、99.5%0.02 mol／L KH2PO4、调p H 至2.0（用磷酸调节）；流动相流速：0.5 m L／min；进样量：10μL；柱温：30℃；检测器：紫外检测器（210 nm）。

1.3.2 TS和VS的测定采用质量法，见参考文献［16］。

1.3.3 发酵液p H值的测定Delta 320型p H计（Mettler－Toledo，德国）。

2 结果与分析

2.1 单质Fe和Fe2＋对蓝藻厌氧发酵产酸的影响

Fe作为细菌代谢过程中铁氧还蛋白的主要成分，参与细菌的产酸产氢代谢过程中相关酶系的作用过程，发酵环境中Fe的缺乏会导致系统中部分酶活的下降，使得系统的发酵产酸受到影响。另外单质Fe可使发酵环境中的氧化还原电位进一步下降，利于厌氧细菌的生长，提高细菌代谢活性。

图1（a）和（b）分别为添加不同质量浓度的单质Fe对蓝藻厌氧发酵过程中丁酸及有机酸产量的影响。由图1可知，在初始添加的单质Fe质量浓度为0.05～0.5 g／L时，丁酸及有机酸产量随初始单质Fe质量浓度的增加而增加；在单质Fe质量浓度为0.5～1.5 g／L时，丁酸及有机酸产量随初始单质Fe质量浓度的增加而降低；并且初始添加质量浓度在0.05～1.5 g／L时均对有机酸产量具有促进作用。在单质Fe质量浓度为0.5 g／L时，丁酸和有机酸产量最高，可分别达到5 387 mg／L和8 281 mg／L，比空白组提高109%和84%。

图1 单质Fe质量浓度对蓝藻厌氧发酵产酸的影响Fig.1 Effects of Fe concentration on acid production from blue－green algae fermentation

图2（a）和（b）分别为添加不同质量浓度的Fe2＋对蓝藻厌氧发酵过程中丁酸及有机酸产量的影响。由图2可知，在初始添加质量浓度为0.1～1.5 g／L时，丁酸产量及有机酸产量基本随初始Fe2＋质量浓度的增加而降低；并且初始添加质量浓度在0.05～1.0 mg／L时均对有机酸产量具有促进作用。在Fe2＋浓度为0.1 g／L时，丁酸和有机酸产量均为最高，分别可达到6 394 mg／L和9 104 mg／L，比空白组提高148%和102%。

在蓝藻厌氧发酵的反应体系中添加适量的单质Fe和Fe2＋均对丁酸和有机酸产量具有一定的提高作用。在单质Fe与Fe2＋同时作为限制性影响因子的作用下，细菌受到Fe2＋的优先作用，这与细菌自身生理调节机制中的电子传递与自由能变化过程有关。

图2 Fe2＋质量浓度对蓝藻厌氧发酵产酸的影响Fig.2 Effects of Fe2＋ concentration on acid production from blue－green algae fermentation

综上所述，单质Fe的最佳促进质量浓度为0.5 g／L，Fe2＋的最佳促进质量浓度为0.1 g／L。

2.2 Ni 2＋对蓝藻厌氧发酵产酸的影响

根据氢化酶活性中心所含金属的不同，可以分为镍铁（Fe－Ni）氢化酶，铁铁（Fe－Fe）氢化酶等，其中，镍铁（Fe－Ni）氢化酶广泛存在于大部分细菌中，而铁铁（Fe－Fe）氢化酶只存在于一小部分细菌中；此外，与铁铁（Fe－Fe）氢化酶相比，镍铁（Fe－Ni）氢化酶具有更高的底物亲和性。镍铁（Fe－Ni）氢化酶基本上由两部分构成，即1个镍原子和12个铁原子。虽然较高的Ni2＋质量浓度会抑制厌氧发酵，但添加痕量的Ni2＋质量浓度却可提高酶活，有助于厌氧发酵的产氢和产酸。

图3（a）和（b）分别为添加不同质量浓度的Ni2＋对蓝藻厌氧发酵过程中丁酸及有机酸产量的影响。由图3可知，在初始添加的Ni2＋质量浓度为0.05～0.2 mg／L时，丁酸及有机酸产量随初始Ni2＋质量浓度的增加而增加；在Ni2＋质量浓度为0.2～1.0 mg／L时，丁酸及有机酸产量随初始Ni2＋质量浓度的增加而降低；并且初始添加质量浓度在0.1～0.5 mg／L时均对有机酸产量具有促进作用。在Ni2＋质量浓度为0.2 mg／L时，丁酸和有机酸产量均为最高，分别可达到5 963 mg／L和8 473 mg／L，比空白组提高131%和88%。据此Ni2＋的最佳促进质量浓度为0.2 mg／L。

图3 Ni 2＋质量浓度对蓝藻厌氧发酵产酸的影响Fig.3 Effects of Ni 2＋ concentration on acid production from blue－green algae fermentation

2.3 酵母浸膏对蓝藻厌氧发酵产酸的影响

酵母浸膏属于有机营养物，它富含必需氨基酸、肽类、核苷酸、B族维生素、微量元素等，是最为理想的生物培养基原料。其主要作用是补充氮源和提供微生物生长的各种维生素、氨基酸及生长因子，可以有效促进微生物的活性，提高整个系统的活力，进而促进厌氧产酸。

图4 酵母浸膏浓度对蓝藻厌氧发酵产酸的影响Fig.4 Effects of yeast extract concentration on acid production from blue－green algae fermentation

图4（a）和（b）分别为添加不同质量浓度的酵母浸膏对蓝藻厌氧发酵过程中丁酸及有机酸产量的影响。由图4可知，在初始添加的酵母浸膏质量浓度为0.25～2.0 g／L时，丁酸及有机酸产量随初始酵母浸膏质量浓度的增加而降低；并且初始添加质量浓度为0.25～1.0 g／L时均对有机酸产量具有较好促进作用。在酵母浸膏质量浓度为0.25 g／L时，丁酸和有机酸产量均为最高，分别可达到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比 空 白 组 提 高 164% 和105%。因而综上所述，酵母浸膏的最佳促进质量浓度为0.25 g／L。

3 结语

1）4种营养物（单质Fe、Fe2＋、Ni2＋、酵母浸膏）均可促进有机酸的产量，其最佳促进质量浓度分别为0.5 g／L、0.1 g／L、0.2 mg／L、0.25 g／L。

2）在各自最佳促进质量浓度下，丁酸和有机酸产量均为最高。其中，在单质Fe质量浓度为0.5 g／L时，分别达到5 387 mg／L和8 281 mg／L，比空白组提高了109%和84%；在Fe2＋质量浓度为0.1 g／L时，分别达到6 394 mg／L和9 104 mg／L，比空白组提高了148%和102%；在Ni2＋质量浓度为0.2 mg／L时，分别达到5 963 mg／L和8 473 mg／L，比空白组提高了131%和88%；在酵母浸膏质量浓度为0.25 g／L时，分别达到6 803 mg／L和9 269 mg／L，比空白组提高了164%和105%。

3）4种营养物中，酵母浸膏的促进效果最佳。其原因可能是相对于无机营养物而言，有机营养物含有多种维生素、氨基酸和生长因子等，营养物较均衡全面，因此具有更佳的促进效果。

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Effects of Functional Nutrition Additions on Organic Acids Production from Blue－Green Algae Fermentation

WANG Min1，LIAO Jia－lin2，HUANG Zhen－xing2，RUAN Wen－quan＊2，3
（1.North China Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300074，China；2.School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；3.Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to improve the yield of acid from blue－green algae，four kinds of nutrients（Fe，Fe2＋，Ni2＋and yeast extract）with different concentrations were added to the fermentation froth，respectively.It was demonstrated that the addition of nutrients can increase the acid production in different degrees when compared with that of the control.With the different addition dosages，the yield of butyrate and organic acids were both improved，which were 109%and 84%increasements for 0.50 g／L of Fe，148%and 102%for 0.10 g／L of Fe2＋and 131%and 88%for 0.20 mg／L of Ni2＋.Among them，yeast extract demonstrated that the best effect，when 0.25 g／L yeast extract was added，the yield of butyrate and total organic acidsachieved at 6803 mg／L and 9269 mg／L，respectively，which were 90%and 64%higher than that of the control.

blue algae，fermentation，organic acids，yeast extract

＊通信作者：阮文权（1966－），男，上海人，工学博士，教授，主要从事环境工程专业研究。E－mail：wqruan＠jiangnan.edu.cn

TQ 920.1

A

1673－1689（2012）04－0379－06

2011－05－04

国家自然科学基金项目（20976069）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（JUSRP111A12）；无锡市科技支撑项目（CSE01002）；国家科技支撑计划项目（2009BAC52B03）。

王敏（1960－），女，天津人，高级工程师，主要从事环境工程方面的研究。E－mail：wangmin83＠cemi.com.cn