CN111411103A - 一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体及其制备方法与应用，属于微生物和环境工程技术领域。具体方法如下：醋糟废弃物在50‑120 ℃下干燥2小时；以干燥后的醋糟废弃物为载体，与菌株B. subtilis ZL09‑26（保藏编号为GDMCC No:60293）混合，采用物理直接吸附方法固定2‑72小时；采用醋糟固定化后的B. subtilis ZL09‑26降解一种典型多环芳烃—菲。本发明所述方法能够同时解决醋糟废弃物资源化利用和多环芳烃污染问题，实现以废治污，具有简单易行，耗能低、且无二次污染，适于在制醋企业大规模推广。
Description
技术领域
本发明属于微生物和环境工程技术领域，具体涉及一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体及其制备方法与应用。
背景技术
多环芳烃(PAHs)是一种持久性有机污染物，在环境中(例如工业和市政污水)广泛存在。由于多环芳烃不易分解，具有致癌、致畸和致突变等特性，会沿食物链进入人体，损害健康。我国经济长期粗放式发展，化工能源企业、汽车尾气等向环境中排放大量多环芳烃，污染形势严峻，亟待治理。目前，处理多环芳烃污染的方法主要有物理法、化学法和生物法，其中采用微生物降解多环芳烃，具有方便、绿色、经济等优势。然而，降解菌的活性常常受到外界环境因素(如污染物、温度、营养物质、土著菌等)的抑制，导致降解效率不高。针对该问题，研究者们开发出多种载体材料，将降解菌固定于载体材料中，极大提高了降解菌的适应性和活力，降解效率也随之提升(Garcia-Delgado,et al.J.Hazard Mater.2015,285,259-266；Partovinia,et al.2013.Int.Biodeter.Biodegr.85,337-344.)。
另一方面，我国是产醋大国。醋糟(Vinegar Residue，VR)是醋厂产醋过程中产生的主要固体废弃物，在中国每年约产生300万吨醋糟。醋糟具有酸度高，分解速度缓慢等特性，综合利用困难，严重污染环境。醋糟的资源化综合处理成为亟待解决的问题。醋糟常规的处理方式是堆肥制备有机肥(Zhang et al.2019,Environ.Sci.Pollut.R.Inter.DOI:10.1007/s11356-019-05940-2)、无氧发酵产甲烷(Wang et al.Int.J.Hydrogen.Energ.40(13),4494-4501)和制备生物质炭等。例如，中国专利公开号CN106698420A的专利公开了一种利用醋糟制备活性炭的方法，其特征在于，包括：(1)将醋糟进行烘干处理，以便得到醋糟物料；(2)将所述醋糟物料供给至旋转床热解炉进行热解处理，以便得到热解油气和醋糟炭；(3)将所述热解油气供给至气液分离装置进行气液分离处理，以便得到热解气和焦油；(4)将所述焦油作为燃料供给至直燃锅炉，以便得到高温蒸汽；以及(5)将所述醋糟炭和所述高温蒸汽供给至回转式活化炉内，以便对所述醋糟炭进行活化处理，获得活性炭和高温烟气。最近，一些研究人员利用醋糟制备生物炭用于处理重金属污染土壤，取得了良好效果(Li,et al.2018.Environ.Sci.Pollut.R.25(16),15754-15764.)。尽管已有上述一些处理醋糟的方法，但由于我国醋糟产生量巨大，还需要开发更多更方便经济的醋糟处理方法。
在已报道的研究方法中，往往将生物质(如木屑等)制成生物质炭，进而用作载体固定化微生物，降解多环芳烃(Zhang et al.Journal of Environmental Science,47(2016)7–13)；或者将醋糟热裂解成生物质炭修复土壤重金属污染(Li,etal.2018.Environ.Sci.Pollut.R.25(16),15754-15764.)。如何直接以醋糟为载体，利用醋糟中原有的营养物质保护和激发降解菌的活力和降解潜能，实现多环芳烃微生物降解效率的提升，尚未见报道。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在醋糟废弃物资源化利用不足以及缺乏直接以醋糟废弃物为载体用于多环芳烃的微生物降解等问题，本发明提供一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体及其制备方法与应用，具有方法简单、方便、可在制醋企业大规模运用的优点，所述方法能够保留醋糟废弃物中含有的营养元素；避免高温热裂解，减少耗能，不产生二次污染，为制醋企业资源化利用醋糟废弃物，并同时为解决PAHs污染提供了一种新方法。
技术方案：一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.将醋糟废弃物在50-120℃条件下干燥2小时，获得低温干燥处理的醋糟样品；
步骤二.将菌株B.subtilis ZL09-26在LB培养基中培养至对数生长期，离心，洗涤后转移至无机盐培养基中，所述菌株B.subtilis ZL09-26的保藏信息已经在申请号为2018100182614中国专利申请中公开，其保藏编号为GDMCC No:60293；
步骤三.将步骤一获得的干燥醋糟样品转移至步骤二处理后的无机盐培养基中，混合，振荡2-72小时，以便菌株固定在所得醋糟样品中，离心，取出醋糟-固定化菌株混合物沉淀，洗涤，最终获得所述基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体。
作为优选，所述步骤一中醋糟废弃物的成分按质量份配比如下：2.73份粗蛋白、2.14份粗脂肪、7.85份纤维素、5.19份半纤维素、6.07份木质素、4.66～5.42份灰分和68.69～73.27份水。
上述的方法制备的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体。
上述的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体在微生物降解多环芳烃中的应用。
作为优选，所述多环芳烃为菲。
作为优选，所述应用过程具体如下：将基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体转移至含多环芳烃的无机盐中，培养72h，测定多环芳烃的降解率，培养72h后，将醋糟-固定化菌株混合物取出，分析醋糟样品的自降解。
有益效果：(1)本发明以食醋行业废弃物醋糟为原料对多环芳烃污染水体进行修复，经过处理后的醋糟废弃物中原有营养物质得到了最大化的保留，实现了固体废弃物的资源化利用；
(2)本发明所述方法在50-120℃干燥醋糟废弃物，直接以干燥后的醋糟废弃物为载体，通过方便快捷的物理吸附方法固定化降解菌，具有工序简单，耗能少的优点；
(3)本发明制备的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体可以促进高浓度多环芳烃污染物-菲(200mg/L)的生物降解；
(4)本发明所述基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体，还具有自我降解能力，不会产生二次污染。
综上所述，本发明提供的方法简单、方便、可在制醋企业大规模运用。相比于将醋糟制备成生物质炭用于环境治理的方法，本发明提供的方法，保留醋糟废弃物中含有的一些营养元素；避免高温热裂解，减少耗能，不产生二次污染，为制醋企业资源化利用醋糟废弃物，并同时解决PAHs污染提供了一种新方法。
附图说明
图1为实施例2中50℃、80℃、100℃和120℃温度下干燥的醋糟样品及实施例3中350℃和700℃温度下热裂解制备的生物质炭的外观图；
图2为实施例4中得到的醋糟-固定化菌株混合物表面形貌图；
图3为实施例5中醋糟-固定化菌株对多环芳烃污染物-菲(200mg/L)的降解率测定图；
图4为实施例6中50℃干燥处理的醋糟样品的自降解情况图，图中a为培养0d、3d和7d后取样测定的醋糟样品外表面和内部情况形貌图，b为0d、3d和7d后取样测定的醋糟样品X射线衍射结果图，c为0d、3d和7d后取样测定的醋糟样品红外光谱图。
图5为本发明所述基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体的制备过程以及其降解菲的降解效率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施测定了原始的湿醋糟(来自镇江恒顺醋业有限公司)中营养物质，测定方法参考农业部颁布的有机肥国标方法(NY525-2012)，湿醋糟成分如下表所示：
表1湿醋糟基本成分
实施例2
本实施例具体说明干燥处理醋糟的方法，包括以下步骤：
将实施例1中的原始醋糟废弃物放入瓷坩埚，在管式炉中干燥，干燥的温度分别为50℃，80℃，100℃和120℃，时间为2小时，制得VR50、VR80、VR100、VR120的载体材料，外观如图1所示。
实施例3
为与常规生物质炭方法对比，本实施例采用文献中的方法(Zhang et al.Journalof Environmental Science,47(2016)7–13)，在管式炉无氧条件下，将醋糟废弃物分别在350℃、700℃热裂解制成生物质炭—VR350和VR700，外观如图1所示。
采用实施例1中的方法，测定不同温度下(实施例2中的50℃，80℃，100℃和120℃)干燥的醋糟样品，以及不同温度(本实施例中的350℃和700℃)下热裂解制备的生物质炭的基本成分，结果如下表所示：
表2不同醋糟样品的固体基本成分(质量分数)
实施例4
本实施例具体说明基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体的方法，包括以下步骤：
参见图5，将菌株B.subtilis ZL09-26接入LB培养基中富集培养至对数生长期，离心并收集菌体，洗涤并重悬，以4vt.％的接种量转接入无机盐培养基中。分别取3.3g/L的不同温度处理的醋糟样品(包括实施例2中的在50℃、80℃、100℃和120℃下干燥的醋糟样品以及实施例3中的在350℃和700℃温度下热裂解制备的生物质炭)于无机盐培养基中，混合并培养2-72小时。振荡结束后，离心，取出醋糟-固定化菌株沉淀，洗涤，获得醋糟固定化的菌株，即所述基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体。醋糟-固定化菌株混合物表面形貌如图2所示。
实施例5
本实施具体说明醋糟-固定化菌株在降解水体中典型多环芳烃-菲的应用，包括以下步骤：
将实施例4获得的醋糟-固定化菌株转移至含有200mg/L的菲为唯一碳源的无机盐培养基中，培养3天后测定其剩余的菲含量。结果如图3和图5所示，相比于对照组Control(未固定化的降解菌)，载体固定化提高了降解菌的降解效率。此外，相比VR350、VR700，VR50对降解菌的促进效果最好(图3)。VR50固定的降解菌，可每天降解24.42mg/L菲，显著高于同类相关文献报道(表3)。
表3 VR50固定降解菌与相关文献中固定降解菌的性能对比
注：表格中参考文献如下：
1.Goswami,L.,Manikandan,N.A.,Taube,J.C.R.,Pakshirajan,K.,Pugazhenthi,G.2019.Novel waste-derived biochar from biomass gasification effluent:preparation,characterization,cost estimation,and application in polycyclicaromatic hydrocarbon biodegradation and lipid accumulation by Rhodococcusopacus.Environ.Sci.Pollut.R.26,25154-25166.DOI:10.1007/s11356-019-05677-y
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实施例6
本实施例具体说明50℃干燥处理的醋糟样品的自降解情况，包括以下步骤：
取50℃干燥处理的醋糟样品VR50于无机盐培养基中，培养7天，并分别于0天、3天和7天取样，通过红外光谱，X射线衍射及扫描电镜等手段观察VR50的自降解情况。实验结果如图4所示，第7天时，VR50外表面出现孔洞，红外光谱，X射线衍射结果也显示，随着时间的延长，VR50中的纤维素、半纤维素和木质素特征峰开始减弱，表明VR50开始降解(图4)。
Claims (6)
1.一种基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一.将醋糟废弃物在50-120 ℃条件下干燥2小时，获得低温干燥处理的醋糟样品；
步骤二.将菌株B. subtilis ZL09-26在LB培养基中培养至对数生长期，离心，洗涤后转移至无机盐培养基中；
步骤三.将步骤一获得的干燥醋糟样品转移至步骤二处理后的无机盐培养基中，混合，振荡2-72小时，以便菌株固定在所得醋糟样品中，离心，取出醋糟-固定化菌株混合物沉淀，洗涤，最终获得所述基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体。
2.根据权利要求1所述的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体的制备方法，其特征在于，所述步骤一中醋糟废弃物的成分按质量份配比如下：2.73份粗蛋白、2.14份粗脂肪、7.85份纤维素、5.19份半纤维素、6.07份木质素、4.66~5.42份灰分和68.69~73.27份水。
3.权利要求1所述的方法制备的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体。
4.权利要求3所述的基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体在微生物降解多环芳烃中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述多环芳烃为菲。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述应用过程具体如下：将基于醋糟废弃物制备的微生物固定化载体转移至含多环芳烃的无机盐中，培养72 h，测定多环芳烃的降解率，培养72 h后，将醋糟-固定化菌株混合物取出，分析醋糟样品的自降解。
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