利用废弃污泥有机物生物合成异戊二烯的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1218

摘要/Abstract

摘要：

异戊二烯是一种重要的工业基础原料，利用生物法合成异戊二烯以其经济性和可持续性受到了大量研究和关注，但高昂的底物成本阻碍了其生产规模的进一步扩大。提出了以厌氧消化污泥（ADS）为唯一底物，通过基因工程菌生物合成异戊二烯的方法，实现了对ADS中有机物的去除和高价值产品的回收。污泥为唯一底物生产异戊二烯的最高产量（以底物的COD为基准）可达40.5 mg/g，污泥的生物毒性、pH及生物可利用碳源的含量影响着异戊二烯产率。通过优化基因工程菌代谢通路设计，可提升其抗污染负荷能力和底物转化效率，从而进一步提高异戊二烯产率，为废弃厌氧消化污泥中有机物资源化的回收利用和高价值异戊二烯合成提供了参考。

关键词: 厌氧消化污泥, 有机物回收, 生物合成, 异戊二烯, 合成生物学

Abstract:

Isoprene is an important bulk basic raw material，and its production by biosynthesis has received a lot of research and attention in recent years because of its economy and sustainability. However，the relatively expensive substrate addition obstructed further expansion of production. Biosynthesis of isoprene by genetically engineered bacteria using anaerobic digestion sludge （ADS） as the sole substrate was proposed to achieve the removal of organic matter and recovery of high-value products in ADS. Taking the waste sludeg as the sole carbon source could produce 40.5 mg/g isoprene（the substrate COD as basis）. The bio-toxicity，pH and bioavailable carbon source of ADS affected isoprene production. By optimizing the metabolic pathway design of genetically engineered bacteria， its anti-pollution loading capacity and substrate conversion efficiency could be improved， so as to further improve the isoprene yield. It provides an alternative for the recovery of organic matter resources from anaerobically digested sludge.

Key words: anaerobically digested sludge, organics recovery, biosynthesis, isoprene, synthetic biology

中图分类号:

X705
TQ281

张剑桥, 杨敏, 宁兹功, 路璐. 利用废弃污泥有机物生物合成异戊二烯的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(12): 175-180.

Jianqiao ZHANG, Min YANG, Zigong NING, Lu LU. Study on synthesis and recovery of isoprene from waste sludge organics by biosynthesis[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(12): 175-180.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I12/175

图/表 5

图1 利用废弃污泥有机物合成异戊二烯的流程示意

Fig.1 The schematic flow of isoprene production from waste sludge organics by biosynthesis

图2 厌氧消化污泥有机物不同稀释倍数作为底物的工程大肠杆菌生长情况

Fig.2 Growth of engineered Escherichia coli after different dilution ratios of DOS

图3 以污泥有机物为唯一底物的大肠杆菌增殖曲线（a）及异戊二烯的累积产量（b）

Fig.3 Time courses for cell growth with ADS as substrate （a） and cumulative isoprene production （b）

图4 经24 h培养后不同pH条件下的最终OD₆₀₀及异戊二烯累计产量

Fig.4 The final OD₆₀₀ and cumulative isoprene production after 24 h culture at different pH conditions

图5 添加各种营养元素后经24 h培养异戊二烯累计产量

Fig.5 The cumulative isoprene production after 24 h culture after adding various nutrient elements

参考文献 24

1	CLAEYS M， GRAHAM B，VAS G，et al. Formation of secondary organic aerosols through photooxidation of isoprene［J］. Science，2004，303（5661）：1173-1176. doi:10.1126/science.1092805
2	YANG Jianming， ZHAO Guang， SUN Yuanzhang，et al. Bio-isoprene production using exogenous MVA pathway and isoprene synthase in Escherichia coli ［J］. Bioresource Technology，2012，104：642-647. doi:10.1016/j.biortech.2011.10.042
3	WHITED G M， FEHER F J， BENKO D A，et al. TECHNOLOGY UPDATE：Development of a gas-phase bioprocess for isoprene-monomer production using metabolic pathway engineering［J］. Industrial Biotechnology，2010，6（3）：152-163. doi:10.1089/ind.2010.6.152
4	VICKERS C E， SABRI S. Isoprene［M］//Biotechnology of isoprenoids. Cham：Springer International Publishing，2015：289-317. doi:10.1007/10_2014_303
5	GRÄWERT T， KAISER J， ZEPECK F，et al. IspH protein of Escherichia coli：Studies on iron-sulfur cluster implementation and catalysis［J］. Journal of the American Chemical Society，2004，126（40）：12847-12855. doi:10.1021/ja0471727
6	SHARKEY T D， WIBERLEY A E， DONOHUE A R. Isoprene emission from plants：Why and how［J］. Annals of Botany，2008，101（1）：5-18. doi:10.1093/aob/mcm240
7	SHARKEY T D， YEH S. Isoprene emission from plants［J］. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，2001，52：407-436. doi:10.1146/annurev.arplant.52.1.407
8	GUPTA P， PHULARA S C. Metabolic engineering for isoprenoid-based biofuel production［J］. Journal of Applied Microbiology，2015，119（3）：605-619. doi:10.1111/jam.12871
9	VICKERS C E， BONGERS M， LIU Qing，et al. Metabolic engineering of volatile isoprenoids in plants and microbes［J］. Plant，Cell & Environment，2014，37（8）：1753-1775. doi:10.1111/pce.12316
10	KLEIN-MARCUSCHAMER D， AJIKUMAR P K， STEPHANOPOULOS G. Engineering microbial cell factories for biosynthesis of isoprenoid molecules：Beyond lycopene［J］. Trends in Biotechnology，2007，25（9）：417-424. doi:10.1016/j.tibtech.2007.07.006
11	MARTIN V J J， PITERA D J， WITHERS S T，et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids［J］. Nature Biotechnology，2003，21（7）：796-802. doi:10.1038/nbt833
12	SHIZAS I， BAGLEY D M. Experimental determination of energy content of unknown organics in municipal wastewater streams［J］. Journal of Energy Engineering，2004，130（2）：45-53. doi:10.1061/(asce)0733-9402(2004)130:2(45)
13	MAKTABIFARD M， ZABOROWSKA E， MAKINIA J. Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants through energy savings and enhancing renewable energy production［J］. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology，2018，17（4）：655-689. doi:10.1007/s11157-018-9478-x
14	VAN DER HOEK J， DUIJFF R， REINSTRA O. Nitrogen recovery from wastewater：Possibilities，competition with other resources，and adaptation pathways［J］. Sustainability，2018，10（12）：4605. doi:10.3390/su10124605
15	HUANG Haiming， ZHANG Peng， ZHANG Zhao，et al. Simultaneous removal of ammonia nitrogen and recovery of phosphate from swine wastewater by struvite electrochemical precipitation and recycling technology［J］. Journal of Cleaner Production，2016，127：302-310. doi:10.1016/j.jclepro.2016.04.002
16	ROBLES Á， AGUADO D， BARAT R，et al. New frontiers from removal to recycling of nitrogen and phosphorus from wastewater in the Circular Economy［J］. Bioresource Technology，2020，300：122673. doi:10.1016/j.biortech.2019.122673
17	GALEY B， GAUTIER M， KIM B，et al. Trace metal elements vaporization and phosphorus recovery during sewage sludge thermochemical treatment：A review［J］. Journal of Hazardous Materials，2022，424：127360. doi:10.1016/j.jhazmat.2021.127360
18	KRAVTSOVA M V， VOLKOV D A， MELNIKOVA D A，et al. Investigation of sewage sludge for the purpose of their secondary use as agricultural fertilizer［C］//2021. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science. UK：IOP Publishing，2021，677（5）：052029. doi:10.1088/1755-1315/677/5/052029
19	KOMINKO H， GORAZDA K， WZOREK Z. The possibility of organo-mineral fertilizer production from sewage sludge［J］. Waste and Biomass Valorization，2017，8（5）：1781-1791. doi:10.1007/s12649-016-9805-9
20	YANG Kai， ZHU Ying， SHAN Ranran，et al. Heavy metals in sludge during anaerobic sanitary landfill：Speciation transformation and phytotoxicity［J］. Journal of Environmental Management，2017，189：58-66. doi:10.1016/j.jenvman.2016.12.019
21	WANG Qiming， LI Jiangshan， POON C S. Recycling of incinerated sewage sludge ash as an adsorbent for heavy metals removal from aqueous solutions［J］. Journal of Environmental Management，2019，247：509-517. doi:10.1016/j.jenvman.2019.06.115
22	HO S H， CHEN Yidi， YANG Zhongkai，et al. High-efficiency removal of lead from wastewater by biochar derived from anaerobic digestion sludge［J］. Bioresource Technology，2017，246：142-149. doi:10.1016/j.biortech.2017.08.025
23	YANG Chen， GAO Xiang， JIANG Yu，et al. Synergy between methylerythritol phosphate pathway and mevalonate pathway for isoprene production in Escherichia coli ［J］. Metabolic Engineering，2016，37：79-91. doi:10.1016/j.ymben.2016.05.003
24	LI Haisong， WEN Yue， CAO Asheng，et al. The influence of additives（Ca²⁺，Al³⁺，and Fe³⁺） on the interaction energy and loosely bound extracellular polymeric substances（EPS） of activated sludge and their flocculation mechanisms［J］. Bioresource Technology，2012，114：188-194. doi:10.1016/j.biortech.2012.03.043

[1]	王炜, 徐斌, 吴玮, 吴兵党, 甘永海, 崔益斌. 淤泥基免烧材料的制备及磷吸附机理研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 77-85.
[2]	余波, 李箫宁, 严寒, 张名, 沈鹏飞, 赵浩, 万丽. 市政污泥热解残渣中磷回收及鸟粪石合成研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 177-183.
[3]	李振华. 废水处理中脱氯剂的投加及自动控制研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 172-176.
[4]	徐萍, 占晓建, 李凤祥. 好氧颗粒污泥中的胞外聚合物及其应用的研究进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(12): 36-45.
[5]	雷铭, 韩运, 李文凯, 王雷, 郑天龙, 李鹏宇, 连依明. 建筑废弃物在污水处理领域的研究与应用[J]. 工业水处理, 2023, 43(12): 46-51.
[6]	范雪滢, 赖伟, 梁诗捷, 林健辉, 吴欣颖, 梅承芳, 曾国驱. 市政污泥挥发性有机物及浸出液毒性相关性分析[J]. 工业水处理, 2023, 43(7): 160-168.
[7]	李振华, 黄金阳, 蔡丽云, 沈程程. 碳中和愿景下碳化污泥吸附耦合铁盐混凝处理污水[J]. 工业水处理, 2023, 43(2): 118-123.
[8]	张彦平, 裴佳华, 高珊珊, 李静. 生物质材料用于污泥深度脱水的研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(7): 24-32.
[9]	徐友, 陈思思, 董滨, 杨殿海, 戴晓虎. 酶处理强化污泥厌氧消化效能及脱水性能的研究进展[J]. 工业水处理, 2018, 38(3): 6-11.
[10]	张彦平, 韩非, 李静, 邸松, 齐璠静. 高铁酸盐氧化破解污泥的影响因素研究[J]. 工业水处理, 2016, 36(6): 57-60.
[11]	曹秀芹, 王远, 蒋竹荷. 活性污泥流变特性主要影响因素及其研究进展[J]. 工业水处理, 2016, 36(2): 5-9,108.
[12]	林霞亮, 周兴求, 伍健东, 朱亮, 郑龙. 无机混凝剂与壳聚糖联合调理对污泥脱水的影响[J]. 工业水处理, 2015, 35(10): 38-41.
[13]	狄军贞, 江富, 朱志涛, 戴男男, 郭旭颖. 麦饭石+铁屑处理煤矿酸性废水试验研究[J]. 工业水处理, 2015, 35(6): 38-41.
[14]	代东梁, 韩相奎, 李广, 张芳, 焦晓霞. 剩余污泥厌氧发酵制氢效率的研究进展[J]. 工业水处理, 2015, 35(6): 1-5.
[15]	张永伟, 滕厚开, 顾锡慧. 丙烯酸及其酯类废水处理方法研究进展[J]. 工业水处理, 2012, 32(4): 17-20.

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