CN114436685A - 降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,包括以下步骤:制备好氧转化原料:将麸皮和湿垃圾按照C/N比为20‑30:1混合搅拌均匀,并控制含水量为55%‑65%;将所得好氧转化原料进行好氧发酵降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度。本发明的有益效果为:本发明所述的方法通过添加粉碎麸皮使好氧生物转化达到最适C/N,使微生物活性最强,加速堆肥腐熟,降低湿垃圾中各类抗性基因(包括四环素类(tetM、tetQ)、大环内酯类(ermB、mefA)、β‑内酰胺类(blaOXA,blaTEM)、氨基糖苷类(strB)以及多重抗性基因mexF)丰度,使其与原湿垃圾相比,降低90.3%~98.9%。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域,具体涉及一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法。
背景技术
抗生素的滥用和错用加剧了环境中抗生素抗性基因的选择压力,导致抗性微生物的大规模爆发。抗性基因可通过水平基因转移(结合、转化、转导)的方式在微生物之间传播,一旦这些基因转移到人类致病菌,就会对人类健康与生命构成严重威胁。自然土壤水体、污水处理厂、垃圾填埋场中均能检测到抗性基因的存在。垃圾则是抗生素抗性基因向环境集中传播的重要载体。
湿垃圾作为城市有机固废的主要组分,由厨余,餐饮和农贸市场等有机垃圾组成,具有含水率高、容易腐败的特点。如果不妥善处理,其中的污染物将向环境中转移,由于湿垃圾中的微生物的高密度和多样性,可以使湿垃圾中微生物抗性基因通过移动遗传元件快速水平转移。因此,降低湿垃圾中抗性基因污染,是实现有机固废无害化处理中的重要一环。
利用微生物在有氧存在的条件下进行生物代谢以降解湿垃圾中有机物,使其稳定、无害化的处理方法将是我国湿垃圾处理的重要方法之一,其终产物可作为土壤改良剂和肥料,提高土壤理化性质。在好氧转化过程中,碳是微生物细胞构成的基本原料及微生物基本能量来源;好氧微生物在分解含碳有机物同时,还利用部分氮素进行自身细胞体的构建。因此,C/N是影响好氧微生物进行代谢过程的重要指标。适宜的C/N将对好氧生物转化过程中微生物群落结构演替及代谢功能形成有利条件,进而影响抗生素抗性基因的传播转移。因此,结合好氧生物转化过程,控制最佳C/N,低能耗、高去除率地处理湿垃圾中的抗生素抗性基因具有重大意义。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种降低湿垃圾中多种抗生素抗性基因(包括四环素类(tetM、tetQ)、大环内酯类(ermB、mefA)、β-内酰胺类(blaOXA,blaTEM)、氨基糖苷类(strB)以及多重抗性基因mexF)丰度的方法,将麸皮按不同比例加入到湿垃圾中,控制其好氧生物转化过程中的C/N,可以显著降低湿垃圾中各类抗生素抗性基因丰度,为去除抗性基因保障人类公共健康提供支持。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,包括以下步骤:
(1)制备好氧转化原料:将麸皮和湿垃圾按照C/N比为20-30:1混合搅拌均匀,并控制含水量为55%-65%;
(2)将步骤(1)所得好氧转化原料进行好氧发酵降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度。
目前用作湿垃圾好氧生物转化的辅料主要有膨胀剂,木屑、废纸等调节剂,接种剂和重金属钝化剂,这些辅料的作用是调节碳氮比或增加微生物,往往需要同时添加多种辅料,增加了好氧生物转化成本。本发明所述的方法只需添加麸皮,无需外加添加剂,可以达到以废制废,既调节碳氮比还增强了微生物转化效果。
本发明所述的方法利用麸皮与湿垃圾混合,在有氧条件下,借助好氧微生物的作用进行好氧生物转化。当温度达到高温期时(45-70℃),革兰氏阴性菌、兼性厌氧微生物大多会被杀灭,其携带的抗生素抗性也随之降解。而调节发酵麸皮与湿垃圾的C/N为20-30:1时,可使好氧生物转化过程提早进入高温期,并维持较长时间(10天)。因此,可降低多种抗生素抗性基因丰度。
上述一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,作为一种优选的实施方案,步骤(1)中,麸皮和湿垃圾混合前先进行粉碎过筛处理,得细度为2mm的麸皮。
上述一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,作为一种优选的实施方案,步骤(2)中,将好氧转化原料在好氧生物转化装置中进行好氧发酵。
优选地,所述好氧发酵的温度为45℃-70℃,发酵时间为30-35天,每隔2-3天进行翻堆,并补充水分使好氧转化原料的含水率为55%-65%。
70℃为好氧生物转化临界温度,70℃以上高温会导致部分有益微生物失活,降低生物转化效果。因此,本发明根据好氧生物的转化临界温度,并在好氧生物转化过程中记录堆体温度,当温度高于70℃时,本发明通过调整塑料膜覆盖度、增加翻堆次数,使堆体温度降低到70℃以下同时封严塑料膜,并维持适宜的温度,保证有益微生物正常生长。
本发明所述的方法在好氧生物转化过程中原料含水率需要一直保持在55-65%,使好氧生物转化过程中保持最佳的状态。
上述一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,作为一种优选的实施方案,所述好氧生物转化装置包括箱体,过滤石,过滤布,保温膜,所述箱体的底部均匀开设有通孔,所述过滤石均匀铺设于所述箱体的底面形成过滤层,所述过滤布和所述保温膜从下至上依次覆盖在所述过滤层上。
优选地,所述通孔的直径为2-10mm,相邻两个通孔之间的距离为45-55mm。
优选地,所述保温膜为塑料保温膜。
在使用本发明所述的方法进行发酵时,好氧生物转化装置具有保温的作用,将好氧转化原料平摊在过滤布上,并用保温膜进行覆盖。通过箱体底部的通孔进行渗沥液及通风,通孔的设置解决了因好氧生物转化产生渗滤液排不出的问题,同时通孔具有通风的作用,风流通过通孔进入箱体并在过滤层均匀散开而进入发酵物料中,该进入方式不会因局部通风强、弱不均而影响微生物生长。位于发酵物料顶部的保温膜可以进行保温,在结合温度进行翻堆的条件下不会因为温度而导致好氧微生物死亡,而且在发酵过程中,无需外加电源,不会产生对好氧生物转化任何不利的因素。相比现有技术采用的好氧生物转化装置,本申请所述的好氧生物转化装置具有结构简单,操作方便,节能降耗的优点。
本发明的有益效果为:
本发明所述的方法利用麸皮作为添加剂对湿垃圾进行好氧生物转化,避免使用其他外源添加剂,对农业废弃物与湿垃圾共同达到资源化处理,有利于纤维素的降解,不但可以调节原料中的C/N,为好氧生物转化中微生物生长活动提供良好条件,将麸皮粉碎成小颗粒添加到湿垃圾中,能增大接触面积,提高降解率,缩短堆肥腐熟期。在好氧生物转化过程中无需调节pH,无需添加化学试剂,调节合适的C/N后,升温速度快,且高温期维持时间较长,即可低耗高效无害化处理湿垃圾中抗生素抗性基因,成本低廉,效果显著。
本发明所述的方法通过添加粉碎麸皮使好氧生物转化达到最适C/N,使微生物活性最强,加速堆肥腐熟,降低湿垃圾中各类抗性基因(包括四环素类(tetM、tetQ)、大环内酯类(ermB、mefA)、β-内酰胺类(blaOXA,blaTEM)、氨基糖苷类(strB)以及多重抗性基因mexF)丰度,使其与原湿垃圾相比,降低90.3%~98.9%。
本发明所述的方法是在好氧生物转化装置中实施的,好氧生物转化装置提供了混合料好氧生物转化所需的适宜条件,在该装置中本发明技术才能得以顺利实施。
附图说明
图1为本发明所述好氧转化原料生物转化过程中的堆体温度;
图2a为本发明好氧转化原料生物转化过程四环素类抗性基因(tetM)的相对丰度;
图2b为本发明好氧转化原料生物转化过程四环素类抗性基因(tetQ)的相对丰度
图3a为本发明好氧转化原料生物转化过程中大环内酯类抗性基因(ermB)的相对丰度;
图3b为本发明好氧转化原料生物转化过程中大环内酯类抗性基因(mefA)的相对丰度;
图4a为本发明好氧转化原料生物转化过程中β-内酰胺类抗性基因(blaOXA)的相对丰度;
图4b为本发明好氧转化原料生物转化过程中β-内酰胺类抗性基因(blaTEM)的相对丰度;
图5为本发明好氧转化原料生物转化过程中多重抗性基因(mexF)的相对丰度;
图6为本发明好氧转化原料生物转化过程中氨基糖苷类抗性基因(strB)的相对丰度;
图7为本发明好氧生物转化装置的正面透视图;
图8为本发明好氧生物转化装置的底部结构示意图。
图中:1-箱体、2-过滤石、3-过滤布、4-保温膜、5-通孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合案例对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本申请保护的范围。
好氧生物转化是指在一定湿度及有氧条件下,通过微生物自身氧化、还原和合成等生理作用,将湿垃圾中有机物分解为稳定化的无机物,并作为自身生命活动繁殖及合成所需,同时起到杀灭有毒病菌等作用。
由于抗生素抗性基因随着其携带微生物的繁殖,可能传播扩散,通过微生物自身的氧化、还原等生理作用以降低抗性基因丰度可能是该领域所认可的。但是如何使微生物通过自身的氧化、还原等生理作用来降低抗性基因丰度的技术方法,是不容易做到的。本发明所述的方法通过微生物自身的氧化、还原等生理作用来降低抗性基因丰度,通过使好氧转化原料生物转化过程中提早进入高温期及维持较长的高温期时间来达到降低抗性基因丰度的效果。
实施例1
一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,包括以下步骤:
(1)制备好氧转化原料:将细度为2mm的麸皮和湿垃圾按照C/N比为20:1混合搅拌均匀,并控制含水量为60%;
(2)将步骤(1)所得好氧转化原料在好氧生物转化装置中进行好氧发酵,降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度;发酵所得产品的形状为疏松的团粒结构,表观性状为良好的黑褐色产品。
好氧生物转化装置包括箱体,过滤石,过滤布,保温膜,所述箱体的底部均匀开设有通孔,所述过滤石均匀铺设于所述箱体的底面形成过滤层,所述过滤布和所述保温膜从下至上依次覆盖在所述过滤层上;
将好氧转化原料平铺在过滤布上,平铺密度达到20kg/0.07m3,待平铺好后将保温膜盖于好氧转化原料上,进行发酵,好氧发酵的温度控制在45℃-70℃,一般情况下每隔2-3天进行翻堆,并补充水分保证好氧转化原料的含水率控制在60%,在好氧转化原料中置入温度计,当温度高于70℃时,掀开保温膜翻堆进行散热,当温度低于70℃时再次密封好保温膜。发酵时长为35天。为便于发酵过成中渗出液体,在箱体的底部开设有直径为5mm的通孔,相邻两个通孔之间的距离为50mm,且作为一种优选的方案,保温膜为塑料保温膜。
实施例2
一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,包括以下步骤:
(1)制备好氧转化原料:将细度为2mm的麸皮和湿垃圾按照C/N比为30:1混合搅拌均匀,并控制含水量为65%;
(2)将步骤(1)所得好氧转化原料在好氧生物转化装置中进行好氧发酵,降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度;发酵所得产品的形状为疏松的团粒结构,表观性状为良好的黑褐色产品。
好氧生物转化装置包括箱体,过滤石,过滤布,保温膜,所述箱体的底部均匀开设有通孔,所述过滤石均匀铺设于所述箱体的底面形成过滤层,所述过滤布和所述保温膜从下至上依次覆盖在所述过滤层上;
将好氧转化原料平铺在过滤布上,平铺密度达到20kg/0.07m3,待平铺好后将保温膜盖于好氧转化原料上,进行发酵,好氧发酵的温度控制在45-70℃。一般情况下每隔2-3天进行翻堆,并补充水分保证好氧转化原料的含水率控制在65%,在好氧转化原料中置入温度计,当温度高于70℃时,掀开保温膜翻堆进行散热,当温度低于70℃时再次密封好保温膜,发酵时长为32天。为便于发酵过成中渗出液体,在箱体的底部开设有直径为10mm的通孔,相邻两个通孔之间的距离为55mm,且作为一种优选的方案,保温膜为塑料保温膜。
本发明所述方法的发酵效果研究:
1、原料说明
湿垃圾:采自上海某中转站湿垃圾;麸皮
2、好氧生物转化装置
所述好氧生物转化装置包括箱体,过滤石,过滤布,保温膜,所述箱体的底部均匀开设有通孔,所述过滤石均匀铺设于所述箱体的底面形成过滤层,过滤布覆盖于过滤层的上表面,好氧转化原料铺设于过滤布上,平铺密度达到20kg/0.07m3,并采用保温膜进行覆盖。箱体底部开设有5mm直径通孔进行排出渗沥液及通风。
将湿垃圾和细度为2mm的麸皮按不同C/N比(20:1、25:1、30:1)混合均匀制成好氧转化原料,并调节好氧转化原料的含水率为60%,将好氧转化原料充分混匀后分别装置于好氧生物转化装置中,使好氧转化原料的平铺密度达到20kg/0.07m3,每隔两天进行一次翻堆,以保证氧气充足,并保证好氧转化原料的含水量始终为60%左右,一般在发酵8天、16天时分别进行补水,发酵至32天。以不含麸皮的湿垃圾作为对比例按照上述方法进行发酵。
本发明采用荧光定量PCR方法检测湿垃圾中各类抗性基因丰度:定量PCR扩增体系为10μL:DNA模板1μL,正反引物各0.5μL,Mix 5μL,无菌水3μL。阴性对照不加DNA模板,无菌水为4μL。定量PCR反应程序设定为:95℃预变性5min,循环包括94℃变性30s;退火温度30s;72℃延伸30s;最后延伸,72℃,7min。Melting Curve 65℃-95℃,每5s增加0.5℃(读板)。根据各类抗性基因的引物序列和退火温度进行设置参数并检测。
3、实验部分
3.1在上述好氧转化原料发酵过程中,每天对好氧转化原料转化过程进行温度监测,监测结果如图1所示。
从图1可以看出:好氧生物转化过程经历了四个阶段,即升温期、高温期、降温期、腐熟期。由图1可以看出,不同C/N条件下,好氧生物转化过程中好氧转化原料可达到的最高温度不同。湿垃圾不加麸皮(CK)条件下,生物转化过程最高温度可达到35℃;A20(C/N为20:1)条件下,生物转化过程在第5天达到最高温度61.5℃;A25(C/N为25:1)条件下,生物转化过程在第3天达到最高温度65.4℃;A30(C/N为30:1)条件下时,生物转化过程第3天达到最高温度65.7℃。相较于其他条件,A30(C/N为30:1)生物转化过程达到最高温度所需的时间最短,且维持高温期时间最长(10天)。因此,C/N为30时,生物转化处理总体效果最佳。
3.2检测第1天,第7天,第14天,第19天和第32天时好氧转化原料中多种抗生素抗性基因的变化情况。
第1天,第7天,第14天,第19天和第32天时好氧转化原料中多种抗生素抗性基因的变化情况如图2~图6所示。
从图2-图6中可以看出:经好氧生物转化后,湿垃圾中四环素类(tetM、tetQ)、大环内酯类(mefA、ermB)、β-内酰胺类(blaOXA、blaTEM)、氨基糖苷类(strB)及多重抗性基因(mexF)相对丰度显著下降。不同C/N处理下的各类抗性基因相对丰度均显著低于CK(湿垃圾不加麸皮)处理,其中A30组(C/N为30:1)相较于CK处理,四环素类抗性基因tetM下降95.98%,tetQ下降99.48%;大环内酯类抗性基因mefA下降91.8%,ermB下降96.84%;β-内酰胺类blaOXA下降98.93%,blaTEM下降96.83%;多重抗性基因mexF下降98%;氨基糖苷类strB下降90.28%。说明将麸皮与湿垃圾混合,并调整碳氮比为30:1有利于多种抗生素抗性基因丰度快速降低。
从图2可以看出,好氧转化原料转化结束后,A20(C/N为20:1),A25(C/N为25:1)和A30(C/N为30:1)中的四环素类抗性基因相对丰度均有不同程度降低,A20,A25和A30中的tetM相对丰度分别下降了90.86%、93.35%和95.98%,tetQ相对丰度分别下降了99.52%、99.55%和99.48%。因此,A30组的四环素类抗生素抗性基因相对丰度整体降低效率最高。
从图3可以看出,好氧转化原料生物转化结束后,A20(C/N为20:1),A25(C/N为25:1)和A30(C/N为30:1)中的大环内酯类抗性基因相对丰度均有不同程度降低,A20,A25和A30中的ermB相对丰度分别下降了98.60%、97.97%和96.84%,mefA相对丰度分别下降了29.89%、85.24%和91.80%。因此,A30组的大环内酯类抗生素抗性基因相对丰度整体降低效率最高。
从图4可以看出,好氧转化原料生物转化结束后,A20(C/N为20:1),A25(C/N为25:1)和A30(C/N为30:1)中的β-内酰胺类抗性基因相对丰度均有不同程度降低,A20,A25和A30中的blaOXA相对丰度分别下降了85.69%、98.38%和98.93%,blaTEM相对丰度分别下降了86.29%、91.87%和96.83%。因此,A30组的β-内酰胺类抗生素抗性基因相对丰度整体降低效率最高。
从图5可以看出,好氧转化原料生物转化结束后,A20(C/N为20:1),A25(C/N为25:1)和A30(C/N为30:1)中的多重抗性基因相对丰度均有不同程度降低,A20,A25和A30中的mexF相对丰度分别下降了93.14%、96.38%和98.08%。因此,A30组的多重抗性基因相对丰度降低效率最高。
从图6可以看出,好氧转化原料生物转化结束后,A20(C/N为20:1),A25(C/N为25:1)和A30(C/N为30:1)中的氨基糖苷类抗生素相对丰度均有不同程度降低,A20,A25和A30中的strB相对丰度分别下降了61.73%、66.73%和90.28%。因此,A30组的氨基糖苷类抗生素抗性基因(strB)相对丰度降低效率最高。
本发明所述的方法,将废弃物麸皮回收利用,成本低廉,好氧生物转化过程无需人工调节pH、无需添加外来菌剂等,降低人工、能耗成本,不会造成二次污染。可有效降低湿垃圾中多种抗生素抗性基因的积累与转移,降低抗性基因对人类健康的威胁,为湿垃圾的后续资源化利用提供支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明方法的前提下,还可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备好氧转化原料:将麸皮和湿垃圾按照C/N比为20-30:1混合搅拌均匀,并控制含水量为55%-65%;
(2)将步骤(1)所得好氧转化原料进行好氧发酵降低湿垃圾生物转化过程中抗生素抗性基因丰度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,麸皮和湿垃圾混合前先进行粉碎过筛处理,得细度为2mm的麸皮。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,将好氧转化原料在好氧生物转化装置中进行好氧发酵。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述好氧发酵的温度为45℃-70℃,发酵时间为30-35天,每隔2-3天进行翻堆,并补充水分使好氧转化原料的含水率为55%-65%。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述好氧生物转化装置包括箱体,过滤石,过滤布,保温膜,所述箱体的底部均匀开设有通孔,所述过滤石均匀铺设于所述箱体的底面形成过滤层,所述过滤布和所述保温膜从下至上依次覆盖在所述过滤层上。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述通孔的直径为2-10mm,相邻两个通孔之间的距离为45-55mm。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述保温膜为塑料保温膜。
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