CN112136556A - 一种秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法 - Google Patents

一种秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法 Download PDF

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Abstract

一种秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，涉及农业秧苗培育工具领域。秸秆粉经1‑2M NaOH溶液处理后，由盐单胞菌Halomonas ZY‑1在序批式反应器中发酵转化为PHA。将PHA、β‑磷酸三钙、PBAT或PLA分别占原料总质量分数73‑85％、7‑10％、8‑10％混合制成生物可降解材料，经双螺杆挤出机挤出制成不同规格的可生物降解钵盂秧盘，发明的生物可降解钵盂秧盘比石化塑料育秧盘更轻便、强度高、韧性好等优势，满足培育秧苗的钵盂功能，废弃后分解为有机质提高土壤肥力。本发明将废弃秸秆资源转化为农用物资，分解后腐殖质提高土壤肥力，为发展生态循环经济和农业可持续发展提供新思路。

Description

一种秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法
技术领域
本发明涉及农业秧苗培育工具领域。
背景技术
水稻等农作物生长中，钵育秧盘育苗可以提高秧苗存活率和缩减育秧过程，也是插秧机插秧必备部件，而目前所使用的育秧盘大多数由不可降解的石化塑料制作而成，使用后需要人工分拣的方法回收，费时费力，污染环境。
秸秆作为一种可再生资源，每年产生量巨大且难以分解和利用，直接堆砌占用耕地，燃烧又引发雾霾和环境污染，将秸秆开发成育秧盘，不仅变废为宝提供农用物质废弃后还为耕地提供腐殖质，对实现农业可持续发展和废弃物循环利用有重要意义。嗜盐菌具有在开放条件下利用秸秆中木质纤维素合成可生物降解的聚羟基脂肪酸酯(PHA)的特性，PHA具有一定保水性和透气性，在潮湿环境中10个月左右能彻底分解转化为有机质、水和二氧化碳。水稻在育秧盘中育秧时间约35d左右，利用秸秆合成的生物可降解育秧盘能满足种子发芽、育秧的钵盂功能，保证育苗期间钵盂盘能承载搬移和移栽等操作，废弃的育秧盘会逐渐降解为腐殖质和碳水化合物为植物生长提供营养并增加土壤腐殖质，利用稻杆发酵产物合成的育秧盘具有可降解性、保水性、透气性，作为育苗容器能保障秧苗根系呼吸和生长。待钵盂秧盘废弃后，被生物降解的产物对土壤和作物生长有益，能改善土壤结构和提高耕地有机质含量。
Halomonas ZY-1利用秸秆发酵合成的聚羟基脂肪酸类物质作为钵育秧盘的制作原料具有以下优势：聚羟基脂肪酸类物质易于成型，成型后保型能力强，其固定的形状为作物生长和根系起到保护作用，在堆码、搬运和运输过程中具有一定抗弯强度和抗压强度便于运输，同时秸秆原料丰富易于获取和加工为备用原料。
发明内容
本发明目的在于研发一种合成可生物降解的育秧盘的方法，育秧盘采用秸秆发酵物产生的可生物降解塑料PHA与可生物降解的PBAT或PLA进行混合改性后制成。钵育秧盘的材料由Halomonas ZY-1发酵秸秆合成的PHA、β-磷酸三钙、PBAT或PLA组成，分别占原料总质量的73-85％、7-10％、8-10％。
本发明可代替常规石化塑料材质的钵育秧盘，通过造粒、注塑等成型方法制成的生物可降解钵育秧盘，满足种子抚育、秧苗分离生长、秧苗移栽等操作，废弃后的育秧盘在水田内浸泡，可被生物分解转化为有机质和二氧化碳为秧苗生长提供营养，能同时满足育秧和秧苗生长基质的需求。由本发明所生产的塑料为白色半透明有透光性能，具有提高土层温度、强度高、韧性好等优势。本发明缓解东北粮食产区废弃秸秆量巨大污染环境的压力，同时解决育秧取土困难和黑土地腐殖质逐年下降的难题。
本发明所述秸秆发酵物所产生的PHA为盐单胞菌Halomonas ZY-1，Genebank登录号为 MH428215，盐单胞菌的菌株名为Halomonas ZY-1，于2018年11月22日保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，位于北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.16773。盐单胞菌Halomonas ZY-1在SBR内利用秸秆发酵合成PHA，PHA、β-磷酸三钙、 PBAT或PLA混合，分别占原料总质量的73-85％、7-10％、8-10％，经双螺杆挤出机挤出造粒，做成可降解的育秧盘。
附图表说明
图1Halomonas sp.ZY-1的系统发育树
图2透射电镜观察Halomonas sp.ZY-1利用秸秆积累的PHA
图3菌株Halomonas sp.ZY-1所合成PHA的核磁共振氢谱图
图4制备原料与各实施例产物的应力强度对比
图5可生物降解育秧盘动的动态降解情况
图6生物可降解育秧盘制作工艺流程
具体实施方式
实施例1
一种秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的方法，按质量份数计算，其组成和含量： Halomonas ZY-1秸秆发酵物所产生的PHA占原料总质量73-85％，β-磷酸三钙占7-10％， PBAT占8-10％，按照以下生产步骤进行：
(1)将秸秆在烘箱内50-60℃烘干至恒重，粉碎后用100-200目细筛获得秸秆粉，取75-140 g秸秆粉置于1L的1-2mol/L NaOH溶液中室温浸泡30d，用1L的秸秆前处理液配制10L 的MS培养基，1L的MS培养基含5-10g酵母浸提物、10-15g N a2HPO4·12H2O、1-2gKH2PO4、1-2g NH4Cl、0.1-1.5g MgSO4、0.05-0.1g Fe(III)-NH4-Citrate、0.02-0.1gCaCl2·2H2O、0.1-0.5g ZnSO4·7H2O、50-70g NaCI，pH调至9.0-11；
(2)将Halomonas sp.ZY-1接种于SBR反应器内以秸秆前处理物为唯一碳源的MS培养基中，16L的SBR装液量为10L，搅拌器转速为200-240r/min，室温，溶氧量大于2mg/L，每周期12h，包括11h爆气，50min静置，5min上水，5min排水，每天重复2周期，连续培养4-6d，离心收集发酵液内中菌体细胞；
(3)收集的菌体置于-40℃预冷12-14h，置于冻干机内冻干12-24h，取冻干粉加入氯仿(次氯酸钠3:1(v/v)的混合溶液)混匀离心，吸取下层氯仿相平铺于洁净的容器中，加入预冷的95％乙醇10-15mL，析出聚酯类物质PHA。
(4)将秸秆发酵物所产生的PHA、β-磷酸三钙、PBAT混合分别占原料总质量73-85％、 7-10％、8-10％(见表1)，经双螺杆挤出机挤出造粒。
(5)将可降解塑料粒升温至180-190℃，通过注塑成型并添加到钵育秧盘模具中，生产制造不同规格的可生物降解的钵育秧盘。
表1实施例1采用的原料配比
Figure BDA0002700949460000031
实施例2
一种秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的方法，按质量份数计算，其组成和含量如下：Halomonas ZY-1秸秆碱处理物发酵获得PHA占73-85％，β-磷酸三钙占7-10％，PLA占 8-10％，按照以下生产步骤进行：
(1)粉碎的秸秆通过100-200目细筛获秸秆粉，1L的1-2mol/L NaOH溶液浸泡75-140g 秸秆粉，在高压锅内120℃处理2-3h，1L的秸秆浸泡物配置成10L的MS培养基，MS培养基以秸秆前处理物为唯一碳源，其他成分为：1L的MS培养基含5-10g酵母浸提物、10-15 gNa2HPO4·12H2O、1-2g KH2PO4、1-2g NH4Cl、0.1-1.5g MgSO4、0.05-0.1g Fe(III)-NH4-Citrate、0.02-0.1g CaCl2·2H2O、0.1-0.5g ZnSO4·7H2O、50-70g NaCI，pH调至9.0-11，培养基不灭菌直接用于Halomonas sp.ZY-1培养；
(2)接种1-5％的Halomonas sp.ZY-1种子液接种于以秸秆碱处理物为唯一碳源的MS培养基的SBR反应器中，搅拌器转速为200-240r/min，25-30℃，溶解氧大于2mg/L，装液量为发酵罐总体积的1/3，爆气11h，50min静置，5min上水，5min排水，每天重复2周期，连续培养100-140h收集菌体，菌体用氯仿次氯酸钠法提取获得PHA；
(3)将Halomonas ZY-1发酵秸秆合成PHA、β-磷酸三钙、PLA混合分别占原料总质量的 73-85％、7-10％、8-10％(见表2)，经双螺杆挤出机挤出可降解塑料粒；
(4)将可降解塑料粒升温至180-190℃，通过注塑成型机依据需要选钵育秧盘模具，生产制造相应规格的可生物降解钵育秧盘。
表2实施例2采用的原料配比
Figure BDA0002700949460000032
实施例3
一种秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的方法，按质量份数计算，其组成和含量如下：Halomonas ZY-1秸秆发酵物所产生的PHA占73-85％、β-磷酸三钙占7-10％、PBAT占 4-5％、PLA占4-5％，按照以下生产步骤进行：
表3实施例3采用的原料配比
Figure BDA0002700949460000041
(1)风干的秸秆粉碎过100-200目细筛获秸秆粉，每1L的1-2mol/L NaOH溶液浸泡75-140 g秸秆粉置于高压锅内120℃处理2-3h，1L秸秆碱处理物配置成10L的MS培养基，MS培养基的成分为：1L的MS培养基含5-10g酵母浸提物、10-15g Na2HPO4·12H2O、1-2g KH2PO4、1-2g NH4Cl、0.1-1.5g MgSO4、0.05-0.1g Fe(III)-NH4-Citrate、0.02-0.1g CaCl2·2H2O、0.1-0.5g ZnSO4·7H2O、50-70g NaCI，pH调至9.0-11；
(2)在SBR反应器中，将5％的Halomonas sp.ZY-1种子液接种于以秸秆碱处理物为碳源的MS培养基的SBR反应器中，SBR的搅拌器转速为200-240r/min，25-30℃，装液量为反应器总体积的50-70％，溶解氧大于2mg/L，SBR每周期运行12h，包括11h爆气，50min静置，5min上水，5min排水，每天重复2周期，连续培养100-140h收集菌体，菌体用氯仿次氯酸钠法提取获得PHA；
(3)将Halomonas ZY-1发酵秸秆物合成PHA、β-磷酸三钙、PLA混合分别占原料总质量的73-85％、7-10％、4-5％、4-5％(见表3)，经双螺杆挤出机挤出造粒。
(4)将可降解塑料粒子升温至180-190℃，通过注塑成型机依据需要选钵育秧盘模具，生产制造相应规格的可生物降解钵育秧盘。
实施例4
一种秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的方法，按质量份数计算，其组成和含量如下：PHA占80％，β-磷酸三钙占10％，PBAT占5％，PLA占5％，按照以下生产步骤进行：
(1)风干的秸秆粉碎过60-100目细筛获秸秆粉，每1L的1-2mol/L NaOH溶液室温下浸泡75-150g秸秆粉30d，1L的秸秆浸泡液配置成10L的MS培养基，pH调至9.5-11，开放条件下培养嗜盐菌Halomonas sp.ZY-1；
(2)在SBR反应器中，Halomonas sp.ZY-1种子液以体积比5％接种至秸秆碱处理物为唯一碳源的MS培养基的SBR反应器中，SBR反应器搅拌转速为200-240r/min，溶解氧大于2mg/L，室温培养，每周期12h包括爆气11h，50min静置，5min上水，5min排水，每天重复2周期，连续培养4-6d收集菌体，菌体用氯仿次氯酸钠法提取获得PHA；
(3)将Halomonas ZY-1秸秆发酵物所产生的PHA、β-磷酸三钙、PBAT、PLA混合分别占原料总质量的80％、10％、5％、5％(见表4)，经双螺杆挤出机挤出可降解塑料粒；
(4)将可降解塑料粒子升温至180-190℃，通过注塑成型机和不同规格的模具，生产制造相应的可生物降解的钵育秧盘。
表4实施例4采用的原料配比
Figure BDA0002700949460000051
实施例1-4制备方法得到的秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的应力测试结果如表 1所示。
比较原材料和4个实施例中生产获得的生物可降解秧盘的应力差异见表5。通过表5的测试结果可以看出，本发明方法制得的秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘应力比用单一 Halomonas ZY-1秸秆发酵物所产生的PHA强度增加，添加PBAT改性生物合成的材料能提高材料成品的机械强度，改性不仅降低育秧盘生产成本还提高育秧盘的性能。
表5秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘和PHA、PLA、PBAT的应力性能。
Figure BDA0002700949460000052
将实施例1-4中制备得到的秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘，应用于水稻育秧并定期测定各个秧盘的减重，总结平均减重率见表6。由表6可见，本方法制得的秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧前60d内分解率为4.72％，150d分解率为57.32％，水稻的种子在育秧盘内培育35d左右移栽，而30d内育秧盘分解最慢减重率小于1.0％，所以秸秆发酵物合成的育秧盘能够承载和满足钵盂功能，当秧苗移植入田间后，在随着时间延长育秧盘降解率逐渐增加，210d降解率为87.57％，降解产生的腐殖质可以为作物生长提供营养。
表6秸秆发酵物改性制备生物降解钵育秧盘的平均减重率
Figure BDA0002700949460000061

Claims (9)

1.一种秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，钵盂育秧盘是由盐单胞菌Halomonas ZY-1利用秸秆发酵物合成的PHA为主要原料，添加β-磷酸三钙、PBAT或PLA制备而成，其步骤如下：
步骤1：将0.2-0.6mm秸秆粉，经碱液处理后烘干至恒重，以碱处理秸秆物为唯一碳源配制MS培养基；
步骤2：在序批式反应器(SBR)中配置以秸秆为唯一碳源的MS培养基，在开放、不灭菌的SBR反应器内接种盐单胞菌Halomonas sp.ZY-1，控制发酵条件连续培养Halomonas sp.ZY-1约4-6d，离心收集菌体细胞；
步骤3：菌体细胞用氯仿-次氯酸钠法破壁，提取胞内聚酯类物质(PHA)；
步骤4：向PHA中添加β-磷酸三钙、PBAT或PLA后制成生物可降解钵育秧盘材料；
步骤5：生物可降解钵育秧盘材料，经双螺杆挤出机制成颗粒状，压制成不同规格的生物可降解钵盂秧盘。
2.根据权利要求1所述制备生物可降解钵育秧盘，其特征在于，采用盐单胞菌，Genebank登录号为MH428215，其特征在于，盐单胞菌Halomonas sp.菌株名为ZY-1，于2018年11月22日保存在中国微生物菌种保藏中心(CGMCC)，位于北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.16773。
3.根据权利要求1所述秸秆发酵物制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，将75-140g粉碎的秸秆置于1L的1-2mol/L NaOH溶液中，常温浸泡或在高压锅内120℃处理2-3h，以1L秸秆碱处理物为唯一碳源配置10L MS培养基。
4.根据权利要求1所述秸秆发酵物制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，接种5％的Halomonas sp.ZY-1种子液于以碱处理秸秆为唯一碳源的MS培养基的SBR反应器中，SBR的搅拌器转速为200-240r/min，25-30℃，溶解氧大于2mg/L，每周期12h包括：11h爆气，50min静置，5min上水，5min排水，每天重复2周期，连续培养4-6d收集菌体，用氯仿次氯酸钠法提取细胞，获得胞内的PHA。
5.根据权利要求1所述秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，在SBR内秸秆经Halomonas sp.ZY-1发酵合成PHA后，添加同样生物可降解的PBAT或PLA至少一种。
6.根据权利要求1所述秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，秸秆发酵物产生的聚合物，以β-磷酸三钙作为塑料助剂。
7.根据权利要求1所述秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，Halomonas ZY-1发酵碱处理秸秆粉合成的PHA、塑料助剂β-磷酸三钙，添加PBAT、PLA混合占比分别为原料总质量73-85％、7-10％、8-10％，经双螺杆挤出机挤出造粒。
8.根据权利要求1所述秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，合成生物可降解的钵育秧盘轻巧便捷、生物降解缓慢，便于储存运输等优点，长期储存需干燥、低温、避光条件。
9.根据权利要求1所述秸秆发酵物改性制备生物可降解钵育秧盘的方法，其特征在于，生物可降解钵育秧盘在适宜种子发芽和育秧的环境条件下210d分解87.57％，随着温度、光照、湿度、微生物多样性的提高，生物可降解钵育秧盘的降解时间会随之缩短。
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