一种提高紫色非硫细菌菌体5氨基乙酰丙酸产率的方法.pdf

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。

权利要求书
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：
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0.5～1.0 mg/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。

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。

说明书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0.5～1.0 mg/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(Rhodobacter  sphaeroides)。
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：
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0.5～1.0 mg/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(Rhodobacter sphaeroides)，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为ATCC 17023。
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0.5～1.0 mg/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20～60 mg/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。