1 前言
2.4 以廢水刺激微生物產生生物可分解性高分子之可行性
在 環 境 中 許 多 微 生 物(Lee, 1996) 先 天 上 具 合 成 之 聚 羥 基 酯 類 (polyhydroxyalkanoates; PHA)聚合物之能力，且所產生之聚合物具有生物相 容性(biocompatibility)、生物可分解性(biodegradability)等特性(Zhao et al., 2002)，且有可能發展為取代石油合成之高分子材料(Lee, 1996)，因而成為 目前最熱門的塑膠取代者。而文獻(Lee et al., 1999, Chen et al., 2001)亦明確 指出A. hydrophila為具有合成PHA之優異能力菌株，因此本研究基於永續發 展之理念，以本土性A. hydrophila NIU 01作為指標菌株以探討於含有染料或 芳香胺中間物之懸浮式系統中菌體胞內之PHA含量及比例上會有何差異，
推論於含有染料或芳香胺中間物之環境中是否能刺激菌體產生PHA，並了 解菌體於染料脫色前後胞內之PHA組成及濃度變化。一般而言，PHA乃是 由超過150種不同單體(monomer)所組成聚羥基酯類之統稱，藉由這些不同 組成可使PHA具有不同之物理(如:延展性、熱穩定性)及化學性質(Chen et al., 2005)，自然界中雖然大多數微生物皆具有生產PHA之能力，但通常在微生 物處於碳源充足，但缺乏某些成分基質(如:氮、磷、硫等)養份之環境下，
微生物才會開始於胞內造成PHA累積以作為其能量儲存材料(Chen et al., 2001b)。
一般可將PHA以單體結構分為三大主要基本類型：short-chain-length PHA (SCL-PHA)、medium-chain-length PHA (MCL-PHA)以及由SCL-PHA及
MCL-PHA所組成之共聚合物(如：3-hydroxybutyrate (3HB)為SCL-PHA，
3-hydroxyhexanoate (3HHx) 為MCL-PHA，而3HB及3HHx共聚合成之單體 PHBHHx即為SCL-PHA及MCL-PHA之共聚合物)。而SCL-PHA為3-5個碳原 子所組成之單體，MCL-PHA為6-14個碳原子所組成之單體，(如圖2.8及附 錄)，藉由控制這些不同長度之單體組成，可有效改變PHA之機械性質，例 如 ： 增 加PHA 中 3HA (3-hydroxyalkanoate) 單 體 含 量 可 較 3HV(3-hydroxy- valerate)單體具較低之熔點(Tm)、玻璃轉化點(Tg)及結晶度(Nakamura., et al 1991) ， 或 增 加 PHA 中 之 4HB 含 量 可 有 效 增 加 拉 伸 至 破 裂 之 伸 長 率 (elongation)(Saito et al., 1996)。
圖2.8 各類PHA之單體組成
因此，如何以代謝生理調控微生物胞內累積之 PHA 組成以達改變物
性、化性等目的則成為另一重點，一般調控PHA 之組成可由基因改造及不 同碳源基質添加方式(如：glucose, acetic acid, butyric acid, myristic acid, octanoic acid, lauric acid 等(Chen et al., 2001b))而達到，目前已知 A.
hydrophila 中具有三段調控 PHA 組成之基因，分別為調控基因轉譯胺基酸 (PhaP)、PHA 合成(PhaC)、(R)-specific enoyl-CoA hydratese (PhaJ)，以基因 工程方式改變基因序列中之表現基因(lac Z)序列進而達到改變 PHA 組成之 目的(Qin et al., 2007)。另一方式則為添加不同碳源基質刺激微生物於胞內 累積不同組成之PHA(Chen et al., 2001b, Xie et al., 2008)，例如：添加月桂 酸(lauric acid)可刺激 A. hydrophila 累積含有 3HB 及 3HHx 之 PHA 單體，而 添加 1,4 丁二醇(1,4-butanediol)可刺激微生物累積含有 4HB 之 PHA 單體，
除外加不同之碳源基質可刺激微生物累積不同之PHA 外，亦可研究於不同 生長相位及時間(如：不同年齡之菌體(對數生長期早期、中期或生長遲滯期 初期))添加固定之碳源基質以推論最佳之添加時間，以及研究於該時間下添 加不同濃度之碳源基質對PHA 組成產量之影響(Xie et al., 2008)，透過這些 不同的操作條件及策略，可以有效控制所需之PHA 種類，因此若能將 PHA 之生產與廢水處理相結合，不僅自廢水處理過程中萃取出剩餘價值，亦可 創造更具有環保訴求之綠色科技。
因此本研究首先將進行以懸浮式系統以先好氧搖瓶，後靜置厭氧之方 式進行 7 種不同染料之脫色效率分析，並以化學結構分類，將所得之結果
予以比對，加以分析最大比脫色速率之排序，並且將以懸浮式系統所得之 最大比脫色速率排序為微生物脫色之基礎，與生物固定床操作結果相互比 較是否仍能維持其應有之處理效能順序，以了解菌株在不同官能基存在下 破壞化學結構之相對難易程度以及微生物作偶氮鍵結攻擊之結構瓶頸是否 會受到固定化系統(ICS)質量傳送阻抑等因素之影響，並推論各染料在 ICS 之最大處理極限；作為推論被實際應用於工業廢水處理之可能性，以固定 流速及相同染料條件下進行不同基質濃度之最大處理極限濃度之決定，以 推論何種濃度之基質條件下，其操作經濟可行性最高；再者，依流出對照 曲線分析(Breakthrough Curve Analysis)於無活菌條件下來決定出各種不同 條件流速下，在考慮擴散作用前提下，管柱水力停留時間之差異進行修正，
以利後續決定出正確處理容量。再分別於不同流速下之修正停留時間依定 染料及稀釋倍數之基質濃度下，來決定出何種流速具最大之極限處理容 量；並由懸浮、固定化系統兩者之間的差異，再推論出固定化之脫色優劣 是否主要受限於微生物固定化之質量傳送阻抑因素，以對 ICS 系統作操作 之最可行之容量條件及結果進行評估，由本研究評估方法，可利於染整廢 水廠實際操作，對東台灣本土微生物資源應用開發極具正面之可行性意 義；並且評估於不同氮磷比例之培養基質以及不同濃度之染料或芳香胺中 間物之條件下，進行 PHA 生產效能差異之比較， 依整體初步評估染整廢 水處理回收再利用之可行性，以利於工業操作之實際運用。