CN108715818A - 一种复合高温菌剂及其在堆肥中协同降解聚苯乙烯的方法 - Google Patents

一种复合高温菌剂及其在堆肥中协同降解聚苯乙烯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合高温菌剂及其在堆肥中协同降解聚苯乙烯的方法，复合菌剂含有嗜热菌菌株Thermus thermophilusFAFU013、Thermaerobacter composti FAFU014和Geobacillus stearothermophilusFAFU011中的至少两种。本发明的复合菌剂是一种嗜高温的复合菌剂，能够直接利用城市污泥、畜禽粪便、农业残余物、餐厨垃圾等有机固体废弃物中的营养物质进行生长和繁殖，并使堆肥温度能够迅速升高到70℃以上，堆肥的同时可加速聚苯乙烯的氧化，并在复合嗜热菌剂的联合作用下促进了聚苯乙烯废旧塑料的降解。

Description

一种复合高温菌剂及其在堆肥中协同降解聚苯乙烯的方法
技术领域
本发明涉及生物技术和环境技术领域，具体涉及一种复合菌剂及其在堆肥中协同降解聚苯乙烯的方法。
背景技术
塑料作为一种重要的高分子材料，具有质轻价廉，强度高和容易加工等优良性能，在生产、生活的各个领域都有广泛应用。我国是塑料生产和消费大国，2013年全球消费2.99亿吨塑料，其中24.8％来自中国。聚苯乙烯(PS)塑料广泛用于生产包装容器、日用品、电子产品以及发泡塑料，占塑料总生产量的7.1％，且我国对PS的需求量每年以5.9％的速率增长。然而，聚苯乙烯具有高分子量和高稳定性，是最难降解的塑料之一。聚苯乙烯塑料的生产和使用给人们的生产、生活带来极大便利的同时，废旧聚苯乙烯塑料随意丢弃造成大范围的“白色污染”问题，对市容景观和人类赖以生存的生态环境造成日益严重的危害。如何有效处理废旧聚苯乙烯塑料，已成为世界各国亟待解决一个环保课题。
当前对聚苯乙烯等废旧塑料的处理，主要采取填埋、焚烧和回收利用等方法，然而这些方法。填埋处理，占用场地大，塑料在土壤中矿化和降解率低，增加了土地资源的负担和土壤生态系统污染的风险；焚烧处理，投资运行费用高，且焚烧过程中会产生甲苯、苯、一氧化碳、二噁英等有毒气体，造成二次污染；回收利用废弃塑料时，分类十分困难，且采用二次回用塑料生产的产品与采用新材料生产的产品相比，在材料性能和经济性上都无任何优势，推广应用的难度很大。因此，寻求废旧塑料的新型降解途径，解决由于塑料引起的环境污染问题已迫在眉睫。
近年来，利用生物促进废旧塑料降解的技术，通过生物代谢过程将废旧塑料以二氧化碳、水等终产物进入地球化学循环中，被认为是处理废旧塑料等有机固体废弃物最具持续性的处理方法，受到国内外学者广泛关注和研究。已报道昆虫、细菌和真菌等多种生物都能够降解塑料，其中微生物被认为在自然环境和昆虫肠道的塑料降解过程中发挥最为重要的作用。目前，研究证实Exiguobacterium sp.、Ideonella sakaiensis、Enterobacterasburiae、Bacillus sp.等多种微生物能够降解聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸二乙醇酯等塑料。但这些微生物在塑料降解前或降解过程中需要大量添加外源的营养物质以获得较高的微生物种群数量和生物活性，且大多数常温微生物在自然环境中对实际废旧塑料的降解效率依然很低。此外，有研究表明，利用热氧化法与微生物协同处理可以有效促进塑料的降解。有机固体废弃物的高温堆肥，不但能够提供微生物生长所需要的营养物质，而且堆肥过程中产生的热量迅速积累，营造一个天然的高温环境，可极大提高有机污染物的降解效率。然而，当前从自然环境和昆虫肠道中分离到的塑料降解菌都是常温菌(最适生长温度<40℃)，无法在堆肥等高温环境中生长繁殖，使得在实际处理中无法直接利用热氧化法与微生物协同作用促进塑料的降解，增加了废旧塑料实际处理的难度和成本。
嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)是一类在40℃以下不能生长，最适生长温度为65-70℃，最高生长温度80℃，好氧、革兰氏阴性、非芽孢杆菌，具有多种嗜热水解酶和氧化还原酶，有利于提高代谢活性和有机物降解速率。
嗜热脂肪地芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)最适生长温度为56-65℃，最高生长温度70-77℃，需氧、革兰氏阳性、芽孢杆菌，具有嗜热脂肪酶，可催化酯键水解，以及酯化、酯交换、醇解、酸解等反应。
Thermaerobacter composti是2009年报道的新种，从食品污泥堆肥中分离获得，最适生长温度为70℃，最高生长温度达79-80℃，严格好氧，革兰氏阳性菌，产芽孢，长杆状菌，具有热稳定性的降解酶，可提高有机物的降解速率，缩短反应时间。
上述嗜热微生物广泛分布于堆肥、火山、温泉等高温环境中，都具有热稳定性好，催化反应速率高的嗜热酶，可以促进有机物的生物降解，已被应用于城市污泥的超高温堆肥、动物尸体的无害化处置，有效的提高了有机固体废弃物的降解效率。但，迄今为止尚无有关嗜热塑料降解菌及利用嗜热微生物在堆肥中协同降解塑料的任何研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降解聚苯乙烯的复合菌剂。
本发明所采取的技术方案是：
一种复合菌剂，含有嗜热菌菌株Thermus thermophilus、Calditerricolayamamurae和Geobacillus stearothermophilus中的至少两种。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermus thermophilus为Thermusthermophilus FAFU013，保藏号：CGMCC No.14654。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermaerobacter composti为Thermaerobacter composti FAFU014，保藏号：CGMCC No.15304。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Geobacillus stearothermophilus为Geobacillus stearothermophilus FAFU011，保藏号：CGMCC No.15303。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermus thermophilus FAFU013、Thermaerobacter composti FAFU014和Geobacillus stearothermophilus FAFU011的菌含量分别为(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)。
一种堆肥协同降解聚苯乙烯的方法，包括将上述复合菌剂添加至含有聚苯乙烯塑料的有机固废物料，进行堆肥。
作为上述方法的进一步改进，有机固废物料中聚苯乙烯塑料的质量百分比不超过5％。
作为上述方法的进一步改进，聚苯乙烯塑料的颗粒不大于5cm×5cm×5cm。
作为上述方法的进一步改进，堆肥的最高温度不高于85℃。
作为上述方法的进一步改进，堆肥过程中不低于55℃的高温期的持续时间不低于8天。
作为上述方法的进一步改进，有机固废物料选自城市污泥、畜禽粪便、农业残余物、餐厨垃圾中的至少一种。
本发明的有益效果是：
本发明的复合菌剂是一种嗜高温的复合菌剂，能够直接利用城市污泥、畜禽粪便、农业残余物、餐厨垃圾等有机固体废弃物中的营养物质进行生长和繁殖，并使堆肥温度能够迅速升高到70℃以上，堆肥的同时可加速聚苯乙烯的氧化，并在复合嗜热菌剂的联合作用下促进了聚苯乙烯废旧塑料的降解。
附图说明
图1是不同处理组堆肥处理的温度变化曲线；
图2是不同处理组聚苯乙烯的形貌变化；
图3是不同处理组的聚苯乙烯泡沫质量损失对比图；
图4是处理后聚苯乙烯泡沫的红外光谱图。
图5是实施例2不同处理组的聚苯乙烯泡沫质量损失对比图；
图6是实施例3不同处理组的聚苯乙烯泡沫质量损失对比图。
具体实施方式
一种复合菌剂，含有嗜热菌菌株Thermus thermophilus、Thermaerobactercomposti和Geobacillus stearothermophilus中的至少两种。嗜热菌菌株的具体菌株没有特殊要求。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermus thermophilus为Thermusthermophilus FAFU013，保藏号：CGMCC No.14654。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermaerobacter composti为Thermaerobacter composti FAFU014，保藏号：CGMCC No.15304。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Geobacillus stearothermophilus为Geobacillus stearothermophilus FAFU011，保藏号：CGMCC No.15303。
作为上述复合菌剂的进一步改进，嗜热菌菌株Thermus thermophilus FAFU013、Thermaerobacter composti FAFU014和Geobacillus stearothermophilus FAFU011的菌含量分别为(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)。
一种堆肥协同降解聚苯乙烯的方法，包括将上述复合菌剂添加至含有聚苯乙烯塑料的有机固废物料，进行堆肥。
作为上述方法的进一步改进，有机固废物料中聚苯乙烯塑料的质量百分比不超过5％。
聚苯乙烯塑料颗粒越小，其与复合菌剂的接触面积就越大，可以有效提高聚苯乙烯的降解速度。作为上述方法的进一步改进，聚苯乙烯塑料的颗粒不大于5cm×5cm×5cm。
高温可以更好地促进聚苯乙烯颗粒的降解，同时使得嗜热菌菌株更易成为优势菌株。为更好地降低聚苯乙烯颗粒，作为上述方法的进一步改进，堆肥的最高温度不高于85℃，不低于55℃的高温期的持续时间不低于8天。
作为上述方法的进一步改进，有机固废物料选自城市污泥、畜禽粪便、农业残余物、餐厨垃圾中的至少一种。也可以其他的有机固废料。
下面结合实施例，进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
复合嗜高温菌剂的制备
1)按2％将浓度为109cfu/mL的Thermaerobacter composti FAFU014摇瓶菌液接种到装有THERMAEROBACTER TY(JCM medium 734)培养基的种子罐中，70-75℃、通气量为20-100m3/h、搅拌速度180-220转/分、发酵时间16小时，获得Thermaerobacter compostiFAFU014种子液；
2)按2％将浓度为109cfu/mL Thermus thermophilus FAFU013摇瓶菌液接种到装有DSMZ Medium 74培养基的种子罐中，70℃、通气量为20-100m3/h、搅拌速度180-220转/分、发酵时间16小时，获得Thermus thermophilus FAFU013种子液；
3)按2％将浓度为109cfu/mL Geobacillus stearothermophilus FAFU011摇瓶菌液分别接种到装有DSMZ Medium 220培养基的种子罐中，60℃、通气量为20-100m3/h、搅拌速度180-220转/分、发酵时间20小时，获得Geobacillus stearothermophilus FAFU011种子液；
4)取污福建某污水处理厂的浓缩污泥(污泥基本性质见表1)，在发酵罐中，调节污泥至含固率为4％，加入0.2％的泡敌、2g/L酵母粉、0.5g/L氯化铵、0.5g/L蔗糖、0.5g/L可溶性淀粉、0.3g/L磷酸二氢钾，调节pH至7.0，搅拌均匀，100℃灭菌45分钟，冷却至75℃备用；
5)先将Thermaerobacter composti FAFU014种子液按1.5％接种量接种至发酵培养基中，于75℃、通气量为20-100m3/h、搅拌速度180-220转/分、预发酵12小时；再按2％接种Thermus thermophilus FAFU013种子液，控制发酵温度70℃，进行前发酵16小时；最后按2.5％接种Geobacillus stearothermophilus FAFU011种子液，控制发酵温度65℃，进行后发酵20小时。发酵结束后，加入4％的玉米粉，高速搅拌均匀，通过板框压滤，使其含水率在45％～55％。
经过平板计数和试管检测，所得到的复合嗜高温菌剂中，总菌数约为4.5×109cfu/g,Thermaerobacter composti FAFU014、Thermus thermophilus FAFU013和Geobacillus stearothermophilus FAFU011的菌量分别约为3.4×108cfu/g、3.2×109cfu/g、2.9×109cfu/g。
表1.供试污泥基本性质
复合嗜高温菌剂在鸡粪高温堆肥中协同降解聚苯乙烯
鸡粪高温堆肥物料按重量比13:4:1取鸡粪、稻壳、玉米秸秆粉初步混合均匀(鸡粪高温堆肥物料的基本性质如表2所示)。将聚苯乙烯泡沫塑料切割成约5cm×5cm×5cm小块状，按重量比3％：96％：1％，将制得的复合嗜高温菌剂、污泥堆肥物料、聚苯乙烯塑料混匀，进行堆置发酵。另设常规处理，不接种复合嗜高温菌剂，进行试验。其中，常规处理，每5天或温度超过60℃进行翻堆；接种处理，每5天进行翻堆。堆肥结束后取聚苯乙烯泡沫进行分析测试。
表2.鸡粪堆肥物料的基本性质
不同处理组堆肥处理的温度变化曲线如图1所示。与常规处理相比，添加本发明的复合嗜高温菌剂后，聚苯乙烯泡沫塑料出现明显的降解和解体(图2)，处理后聚苯乙烯泡沫的质量下降了6.7％(图3)。红外光谱分析显示聚苯乙烯泡沫塑料表面增加了一些氧化峰(图4)，表明在聚苯乙烯在降解过程中被氧化了。
实施例2
嗜高温菌剂的制备
1)按实施例1的方法，分别制备Thermus thermophilus FAFU013和Geobacillusstearothermophilus FAFU011种子液；
2)取福建某污水处理厂的浓缩污泥(污泥基本性质见表3)，在发酵罐中，调节污泥至含固率为4％，加入0.2％的泡敌、2g/L酵母粉、0.5g/L氯化铵、0.5g/L蔗糖、0.5g/L可溶性淀粉、0.3g/L磷酸二氢钾，调节pH至7.0，搅拌均匀，100℃灭菌45分钟，冷却至75℃备用；
3)先将Thermaerobacter composti FAFU014种子液按1.5％接种量接种至发酵培养基中，于75℃、通气量为20-100m3/h、搅拌速度180-220转/分、预发酵18小时；再按2.5％接种Geobacillus stearothermophilus FAFU011种子液，控制发酵温度65℃，进行后发酵20小时。发酵结束后，加入4％的玉米粉，高速搅拌均匀，通过板框压滤，使其含水率在45％～55％。
经过平板计数和试管检测，所得到的复合嗜高温菌剂中，总菌数约为4.7×109cfu/g,Thermaerobacter composti FAFU014和Geobacillus stearothermophilusFAFU011的菌量分别约为7.8×108cfu/g、2.2×109cfu/g。
表3.供试污泥基本性质
嗜高温菌剂在污泥高温堆肥中协同降解聚苯乙烯
污泥堆肥物料按重量比2:0.5:0.5取市政污泥、稻壳、玉米粉碎秆初步混合均匀(污泥堆肥物料的基本性质如表4所示)。将聚苯乙烯泡沫塑料切割成约5cm×5cm×5cm小块状，按重量比3％：96.5％：0.5％，将制得的复合嗜高温菌剂、污泥堆肥物料、聚苯乙烯塑料混匀，进行堆置发酵。另设常规处理，不接种复合嗜高温菌剂，进行试验。其中，常规处理，每5天或温度超过60℃进行翻堆；接种处理，每5天进行翻堆。堆肥结束后取聚苯乙烯泡沫进行分析测试。
表4.污泥堆肥物料的基本性质
结果如图5所示，与常规处理相比，添加嗜高温菌剂后，聚苯乙烯泡沫塑料的质量下降了5.0％，表明堆肥中嗜高温菌剂的添加促进了聚苯乙烯的降解。
实施例3
嗜高温菌剂的制备
(1)按实施例1的方法，分别制备Thermus thermophilus FAFU013和Geobacillusstearothermophilus FAFU011种子液；
(2)取污福建某污水处理厂的浓缩污泥(污泥基本性质见表5)，在发酵罐中，调节污泥至含固率为4％，加入0.2％的泡敌、2g/L酵母粉、0.5g/L氯化铵、0.5g/L蔗糖、0.5g/L可溶性淀粉、0.3g/L磷酸二氢钾，调节pH至7.0，搅拌均匀，100℃灭菌45分钟，冷却至70℃备用；
(3)先按2％接种Thermus thermophilus FAFU013种子液，控制发酵温度70℃，进行前发酵16小时；最后按2.5％接种Geobacillus stearothermophilus FAFU011种子液，控制发酵温度65℃，进行后发酵20小时。发酵结束后，加入4％的玉米粉，高速搅拌均匀，通过板框压滤，使其含水率在45％～55％。
经过平板计数和试管检测，所得到的复合嗜高温菌剂中，总菌数约为5.8×109cfu/g,Thermus thermophilus FAFU013和Geobacillus stearothermophilus FAFU011的菌量分别约为3.8×109cfu/g、1.4×109cfu/g。
表5.供试污泥基本性质
嗜高温菌剂在污泥高温堆肥中协同降解聚苯乙烯
污泥堆肥物料按重量比2:0.5:0.5取市政污泥、稻壳、玉米粉碎秆初步混合均匀(污泥堆肥物料的基本性质如表6所示)。将聚苯乙烯泡沫塑料切割成约5cm×5cm×5cm小块状，按重量比3％：96.5％：0.5％，将制得的复合嗜高温菌剂、污泥堆肥物料、聚苯乙烯塑料混匀，进行堆置发酵。另设常规处理，不接种复合嗜高温菌剂，进行试验。其中，常规处理，每5天或温度超过60℃进行翻堆；接种处理，每5天进行翻堆。堆肥结束后取聚苯乙烯泡沫进行分析测试。
表6污泥堆肥物料的基本性质
结果如图6所示，与常规处理相比，添加嗜高温菌剂后，聚苯乙烯泡沫塑料的质量下降了4.5％，表明堆肥中嗜高温菌剂的添加促进了聚苯乙烯的降解。

Claims (10)

1.一种复合菌剂，含有嗜热菌菌株Thermus thermophilus、Calditerricolayamamurae和Geobacillus stearothermophilus中的至少两种。
2.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于：嗜热菌菌株Thermus thermophilus为Thermus thermophilus FAFU013，保藏号：CGMCC No.14654。
3.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于：嗜热菌菌株Thermaerobactercomposti为Thermaerobacter compostiFAFU014，保藏号：CGMCC No.15304。
4.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于：嗜热菌菌株Geobacillusstearothermophilus为Geobacillus stearothermophilus FAFU011，保藏号：CGMCCNo.15303。
5.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于：嗜热菌菌株ThermusthermophilusFAFU013、Thermaerobacter compostiFAFU014、GeobacillusstearothermophilusFAFU011的菌含量分别为(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)：(108～109cfu/g)。
6.一种堆肥协同降解聚苯乙烯的方法，包括将权利要求1～5的复合菌剂添加至含有聚苯乙烯塑料的有机固废物料，进行堆肥。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：有机固废物料中聚苯乙烯塑料的质量百分比不超过3％。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：聚苯乙烯塑料的颗粒不大于5cm×5cm×5cm。
9.根据权利要求6～8任一项所述的方法，其特征在于：堆肥的最高温度不高于85℃。
10.根据权利要求6～8任一项所述的方法，其特征在于：堆肥过程中，不低于55℃的高温期的持续时间不低于8天。
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