新型生物催化剂组合物和使用的方法技术

公开的含微生物的生物催化剂具有不可逆地保留在生物催化剂的内部中的微生物的大型种群。生物催化剂具有意外稳定的微生物群并且基本不存在由微生物的代谢活动所致的碎片生成。生物催化剂由高度亲水性聚合物构成并且具有促进群落表型改变的内部的、开放的、多孔的结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生物催化剂组合物和使用的方法相关申请的交叉引用要求以下美国临时专利申请号的优先权：61/689,921，提交于2012年6月15日；61/689,922，提交于2012年6月15日；61/689,923，提交于2012年6月15日；61/689,924，提交于2012年6月15日；61/689,925，提交于2012年6月15日；61/689,929，提交于2012年6月15日；61/689,930，提交于2012年6月15日；61/689,932，提交于2012年6月15日；61/689,933，提交于2012年6月15日；61/689,935，提交于2012年6月15日；61/689,939，提交于2012年6月15日；61/689,940，提交于2012年6月15日；61/689,943，提交于2012年6月15日；61/689,945，提交于2012年6月15日；61/689,953，提交于2012年6月15日；61/849,725，提交于2013年2月1日；61/850,631，提交于2013年2月20日；61/851,467，提交于2013年3月8日；和61/852,451，提交于2013年3月15日，其中每个专利据此全文引入以供参考。藉此保留权利以具有基于公法112-29的适用部分做出的专利性判定。有关联邦资助的研究或开发的声明利用国立卫生研究院资助的根据1R43ES022123-01合同的政府支持，首次使利用生物催化剂连续降解水中超低浓度的1,4-二噁烷得以实现。政府对其具有某些权利。
本专利技术涉及生物催化剂及其用途。
技术介绍
代谢方法被提议用于合成代谢和分解代谢生物转化很长时间。多种类型的微生物已被提议用于这些生物转化，包括细菌和古细菌(这两者均为原核生物)真菌和藻类。代谢方法为自然所利用，并且一些已被人改造使用上千年用于合成代谢和分解代谢生物转化，范围从培养酸奶和发酵糖以产生醇到处理水以除去污染物。代谢方法提供在相对低成本处理设备中的低能耗、高效率生物转化的可能性并且因此可能并且常常作为化学合成和降解方法的可行替代形式。合成代谢方法常常可使用从可更新或环境立场来看是优选但对化学合成不理想的原材料，例如，二氧化碳至生物燃料和其他生物产物的转化。分解代谢生物转化可降解物质并且长久以来被用于废水处理。对改善工业使用的代谢方法和扩大化学合成和降解的替代形式的代谢方法的种类存在极大兴趣。已提出许多类型的方法技术用于合成代谢和分解代谢生物转化。这些方法包括使用悬浮微生物，即浮游方法。另外，还公开了使微生物位于固体载体之上或之内的方法技术。在改善代谢方法并且提供经济可行性足以带来商业利益的代谢方法时，工作人员面对各种挑战。一些问题可能是给料自身所固有的，包括毒素、噬菌体和外来竞争微生物的存在。其他问题可能源于用于生物转化的微生物，例如低代谢转化率、低种群生长率、自发突变、大量消耗物质以支持种群生长，对诱导物、共代谢物、促进剂和性能增强添加剂的需要，以及具有所寻求的代谢转化的微生物的缺乏。并且其他问题可能源于用于生物转化的方法，例如从水性发酵液中回收生物产物时的成本。尤其采用受支撑微生物时，问题可能源于生物膜的不稳定性，包括它们的物理降解；导致窒息的微生物的种群的过度生长；微生物从支撑体上剥离；和易受竞争微生物影响。另外，代谢方法特征为从死亡或裂解细胞产生固体碎片，并且该碎片需要被纳入该方法以去除这些固体。在某些情况下，碎片具有作为进料补充物的价值，例如来自乙醇生产的酒粕，但在其他代谢方法中，例如对于市政废水的处理，以环境可接受方式处理碎片可能产生成本。提议用于克服一种或多种这些问题的基因工程可能其自身就存在问题。包括但不限于细菌、古细菌、真菌和藻类的微生物能够附着或附着于表面。已经进行一些研究关注于浮游生长至微生物在表面生长(包括在表面形成生物膜)的变化的影响。许多工作人员已研究在动物或人类身体中阻止或降解生物膜以提高抗生素治疗的效力以治愈动物或人类身体。Tuson等人，“Bacteria-surfaceInteractions”，SoftMatter，第1卷，期号608(2013)，可引用为DOI:10.1039/c3sm27705d，提供一篇细菌和表面相互作用的研究综述。作者描述涉及将微生物附着到表面的方法并且详述表面的附着导致细胞中表型切换并且该表面可向附着细胞提供有益效果。作者详述，有机物质可在水平表面上浓缩以刺激与表面结合的细菌的生长，并且增加的底物表面积提供了可在其上吸收营养物质的更多面积，使得细胞能在通常太低而不能支持生长的低营养物质浓度下生长。作者还陈述，除了有助于营养物质捕获的表面附着，一些细菌直接从它们附着的表面获得必要的代谢物和辅因子。该文章中报道的一些观察结果包括：在表面上孕育细胞生长成群落可保护细胞免受捕食和其他环境威胁并且有助于基因型的保存。作者详述，在微生物形成生物膜的情形下，已观察到对抗生素治疗的抗性。该抗性已归因于以下一种或多种：生物膜基体的屏障功能，非活性耐药株细胞和高抗性菌落变体的存在，和若干生物膜特异性抗菌素耐性基因的上调中。一组工作人员已假定由于降低细菌细胞上的净负电荷并且增强膜的稳定性的主要机制，未与生物膜结合的一些附着细胞具有抗生素抗性。Tuson等人指出了在一篇文章中得出结论：细菌对表面的附着改变了其代谢状态并且降低了抗生素易感性，这是细菌在细胞生长的静止期的常见特征。关于涉及细菌与表面结合的细胞活性，作者论述表面感测为群集的前提，而群集为重要的适应性行为，在群集中细胞和表面之间的接触为形态学改变设定了计划，而形态学改变则有助于协助行为、迅速群落生长和群落的迁移。细菌群落如群集或生物膜中的细胞以若干不同方式彼此相互作用。细菌能够在称为群体感测的过程中通过使用小分子化学信使进行通信。“细菌群落中细胞的致密堆积有助于并且增加了在细胞间转移信息并且触发生理改变的小分子的浓度。紧邻表面的化学梯形增强了在附着至表面的生物膜和群落内的化学信息的交换。”Cho等人，在“Self-OrganizationinHigh-DensityBacterialColonies:EfficientCrowdControl”，PLOSBiology，Vol.5，Issue11，2007年11月，第2614页至第2623页中，提及他们的发现，微室中的大肠杆菌进行通信以针对从微室的约束中逃逸来提供菌落生长，而在出口没有潜在地“蜂拥(stampede)”状阻塞并且提供通道以有助于营养物质运输到菌落内。Tuson等人还描述形成细胞对表面的附着的步骤。初始附着是可逆的并且涉及流体动力学和静电相互作用，并且附着的第二步骤是不可逆的并且涉及细胞外壁的疏水区域与表面之间的范德瓦尔斯相互作用。通过产生细胞外聚合物质有助于不可逆附着。“热力学在细菌至表面的结合的调控中起到核心作用。当细菌的表面能大于它们悬浮于其中的液体的表面能时，细胞优选附着至亲水性物质(即，具有大表面能的物质)。细菌的表面能通常小于细胞悬浮于其中的液体的表面能，并且该失配导致细胞优选附着至疏水物质(即，具有较低表面能的物质)。细菌能够附着至各式各样不同的物质，包括玻璃、铝、不锈钢、各种有机聚合物，以及所需的材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物催化剂，其包含：水合的亲水性聚合物的固体结构，其定义了具有最小尺寸在约5微米和100微米之间并且HEV至少约1000的多个互连的主腔体的内部结构，和基本上不可逆地保留在所述内部结构中的微生物的种群，基于当完全水合时由所述固体结构的外部定义的体积，微生物的所述种群的浓度为至少约60克/升，其中所述微生物维持它们的种群基本上稳定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.15 US 61/689,921;2012.06.15 US 61/689,922;1.一种生物催化剂，其包含：水合的亲水性聚合物的固体结构，其定义了具有最小尺寸在5微米和100微米之间并且HEV至少1000的多个互连的主腔体的内部结构，和在所述内部结构中的微生物的种群，基于当完全水合时由所述固体结构的外部定义的体积，所述微生物的种群的浓度为至少60克/升，其中微生物经受表型改变，使得微生物代谢性不可逆地保留在所述内部结构中，并且维持它们的种群稳定，使得所述微生物的种群未降低超过50％也未提高超过400％。2.根据权利要求1所述的生物催化剂，其中所述HEV为至少5000。3.根据权利要求2所述的生物催化剂，其中所述固体结构包含外部皮肤。4.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述外部皮肤具有平均直径在1微米和10微米之间的孔，并且所述孔占所述外部皮肤的表面积的1％至30％。5.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂的体积的40％至70％形成主腔体并且所述生物催化剂含有较小腔体。6.根据权利要求5所述的生物催化剂，其中所述主腔体为静态的。7.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中，所述HEV为至少20,000并且基于由所述固体结构的外部定义的体积，微生物在所述固体结构的内部中的浓度为至少100克/升。8.根据权利要求3所述的生物催化剂，其含有所述微生物的外网。9.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群为单菌株类型。10.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群包含细菌或藻类。11.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含多糖。12.根据权利要求11所述的生物催化剂，其中所述多糖具有小于20微米的主尺寸。13.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含固体吸着剂。14.根据权利要求13所述的生物催化剂，其中所述固体吸着剂为主尺寸小于5微米的微粒。15.根据权利要求13所述的生物催化剂，其中所述固体吸着剂包含碳、二氧化硅、硅酸盐、粘土和分子筛中的至少一种。16.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物为光合微生物。17.根据权利要求16所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含磷光材料。18.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含至少一种分离的酶。19.根据权利要求1所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂包含至少两种微生物。20.根据权利要求19所述的生物催化剂，其中所述固体结构包含至少两个层，其中至少一个层含有与另一个层不同的微生物。21.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群显示至少一种表型改变。22.根据权利要求21所述的生物催化剂，其中显示的表型改变为代谢转变。23.根据权利要求21所述的生物催化剂，其中显示的表型改变是双峰生长的阻遏。24.一种用于制备权利要求1的生物催化剂的方法，所述方法包括：a.形成用于亲水性聚合物的溶解前体和用于所述生物催化剂的微生物的液体分散体，其中微生物在所述液体分散体中的浓度为至少60克/升；b.使所述液体分散体经受固体化条件以形成所述亲水性聚合物的固体结构，其中所述固体结构具有内部结构，所述内部结构具有含有所述微生物的多个互连主腔体，所述主腔体具有在5微米和100微米之间的最小尺寸并且其中所述固体结构具有至少1000的HEV，所述固体化条件未严重不利影响所述微生物的种群；和c.将含有微生物的所述固体结构在未不利影响所述固体结构内部中的所述微生物的种群的条件下维持足够时间，以能够使所述微生物经历表型改变，以维持它们的种群稳定，使得所述微生物的种群未降低超过50％也未提高超过400％，并且变成代谢性不可逆地保留在所述固体结构的内部。25.根据权利要求24所述的方法，其中所述液体分散体为水性分散体，并且所述微生物在所述水性分散体中的密度为至少100克/升。26.根据权利要求24所述的方法，其中所述固体化条件包括存在交联剂，并且所述前体为溶解的预聚物。27.根据权利要求24所述的方法，其中未包含在步骤(b)中形成的所述固体结构内的液体分散体在步骤(c)期间或之前被分离。28.一种代谢方法，其包括使权利要求1的所述生物催化剂经受包括存在底物的代谢条件以使所述底物生物转化成生物产物。29.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述微生物显示代谢转变。30.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为合成代谢方法。31.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包含至少含氧有机化合物和至多100个碳的烃中的至少一者。32.根据权利要求31所述的代谢方法，其中所述含氧有机化合物包括甲醇、乙醇、乙酸、正丙醇、异丙醇、丙酸、正丁醇、异丁醇、丁酸、丙酮和甲基乙基酮中的至少一种。33.根据权利要求32所述的代谢方法，其中所述底物包括甲烷。34.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包括氢。35.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包括乙烯。36.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为光合方法。37.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为分解代谢方法。38.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述分解代谢方法包含还原方法。39.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述底物包括以下至少一种：硝酸盐，高氯酸盐，嗅味化合物，氯化烃，1,4-二噁烷，和氧离子，氢氧根或硫、磷、硒、钨、钼、铋、锶、镉、铬、钛、镍、铁、锌、铜、砷、钒、铀、镭、锰、锗、铟、锑、汞和稀土金属的可溶盐。40.根据权利要求38所述的代谢方法，其为厌氧消化。41.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述分解代谢方法包括氧化代谢方法。42.根据权利要求41所述的代谢方法，其中所述底物包括氨和有机化合物中的至少一者。43.根据权利要求28所述的代谢方法，其中存在毒素并且所述生物催化剂对所述毒素显示增加的耐受性。44.根据权利要求43所述的代谢方法，其中所述毒素为含有所述底物的给料中的污染物、所述底物、生物产物、联产物、副产物和噬菌体中的一种或多种。45.一种用于降低水流中超低污染物的浓度的方法，其包括：a.使所述水流连续传到生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述代谢条件包括存在权利要求1的生物催化剂，所述生物催化剂包含用于生物转化所述超低污染物的微生物；b.使所述水流与所述生物催化剂接触足以降低所述超低污染物的浓度的时间；和c.从所述生物反应器中收回所述超低污染物的浓度降低的处理水流。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述超低污染物包含2-甲基异冰片、土臭味素、三卤甲烷和卤代乙酸中的一种或多种。47.一种用于使在废水流中的溶解有机碳和铵阳离子分解代谢的方法，其包括：a.使所述废水流连续传到含有权利要求1的生物催化剂的生物反应器，所述生物催化剂包含用于使溶解的有机碳分解代谢成二氧化碳和使铵阳离子分解代谢成硝酸盐阴离子的氨氧化微生物；b.在所述生物反应器中在存在氧的情况下使所述废水流与所述生物催化剂接触足够时间，以产生氧化流出物，所述氧化流出物含有小于5毫克铵阳离子并且具有小于10毫克/升的生化需氧量(BOD)，其中无固体从所述生物催化剂传到所述氧化流出物。48.根据权利要求47所述的方法，其中所述方法还包括使所述氧化流出物脱氮以产生含有小于10毫克/升硝酸盐阴离子的脱氮流出物。49.根据权利要求48所述的方法，其中所述脱氮包括：a.使所述氧化流出物连续传到含有权利要求1的生物催化剂的生物反应器，所述生物催化剂包含用于使硝酸盐阴离子脱氮的微生物；和b.在所述生物反应器中使所述氧化流出物与所述生物催化剂接触足够时间，以产生含有小于5毫克/升硝酸盐的脱氮流出物，其中无固体从所述生物催化剂传到所述脱氮流出物。50.根据权利要求49所述的方法，其中所述废水中含有的固体被水解。51.根据权利要求49所述的方法，其中所述废水为市政废水。52.一种用于生物还原水中的可溶磷酸盐的方法，其包括：a.使所述水在生物反应器中在磷酸盐聚积条件下与包含磷酸盐聚积微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以降低磷酸盐在所述水中的浓度并且提供包含磷酸盐装载微生物的生物催化剂，其中所述磷酸盐聚积条件包括在所述微生物内存在聚羟基链烷酸盐并且在所述水中存在需氧或缺氧条件；b.使包含磷酸盐装载微生物的所述生物催化剂在水性介质中经受厌氧条件，使其足以从所述微生物中释放磷酸盐进入所述水性介质以产生富磷酸盐水性介质；和c.从所述富磷酸盐水性介质中分离所述生物催化剂用于步骤(a)。53.一种使用N/D微生物在含有铵和氧的进料水中将铵生物降解成氮的方法，其包括：在代谢条件下使所述水与具有不可逆地保留在其中的所述微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以产生铵浓度小于50％的处理水，其中所述进料水的硝酸盐浓度和硝酸盐离子的浓度小于1毫克/升。54.根据权利要求53所述的方法，其中所述生物催化剂含有由活性油泥获得的微生物。55.一种生物转化多种底物的方法，所述方法使用包含微生物单菌株的如权利要求1所述的生物催化剂在代谢条件下历时足以将所述底物生物转化成生物产物的时间。56.一种用于降低存在于水中时的硝酸盐阴离子或高氯酸盐阴离子或这两者的浓度的方法，其包括使水与其中具有用于在代谢条件下减少所述阴离子的微生物的菌株的权利要求1的生物催化剂接触并且历时足以生物转化这种阴离子的时间。57.一种用于处理含有金属或半金属的至少一种可溶化合物的水的...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·拉扎维史拉兹，M·A·多利，F·多利诺库拉尼，A·拉扎维，
申请(专利权)人：微视生物技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US