CN115043676A - 一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业废弃物资源化利用技术领域，本发明提供了一种生物模拟芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，本发明将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物，在第一好氧堆肥过程中产生过氧化氢；将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧堆肥，在第二好氧堆肥阶段中产生的过氧化氢与亚铁离子发生类芬顿反应，生成氢氧根自由基，氢氧根自由基能够高效氧化并裂解木质素，破坏木质纤维素的结构，使木质纤维素废弃物快速降解，进而达到高质资源化目的。

Description

一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法
技术领域
本发明属于农业废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法。
背景技术
农业废弃物(Agricultural residue)是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要为农、林、牧、渔业生产过程中产生的生物质类残余物，主要包括木质纤维素废弃物。木质纤维素废弃物主要由木质纤维素组成，包括纤维素、木质素及半纤维素。木质素结构包裹在纤维素和半纤维素表面，限制了内部纤维素和半纤维素的利用。
好氧堆肥法是木质纤维素废弃物资源化利用的主要方法之一，堆肥过程中，微生物分泌胞外酶降解木质纤维素，但是胞外酶作为一种大分子物质，很难进入木质纤维素内部进行利用，造成木质纤维素降解效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，本发明的方法能够提高降解木质纤维素的效率，并提升堆肥腐殖化进程。
本发明提供了一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物；
2)将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧发酵堆肥，得到第二好氧发酵堆肥产物。
优选的，所述产过氧化物酶的菌株和木质纤维素类农业废弃物干重的质量比为(1～3)：100；所述产过氧化物酶的菌株的有效活菌数为1×107～1×109CFU/g。
优选的，所述第一好氧堆肥的时间为2～4d。
优选的，所述第一好氧堆肥产物的干重和亚铁纳米材料的质量比为100：(0.3～0.7)。
优选的，所述第二好氧发酵堆肥的截止时间为高温期后温度下降至55℃。
优选的，在得到第二好氧发酵堆肥产物后，还包括在所述第二好氧发酵堆肥的产物中加入腐殖酸前体进行第三好氧堆肥，得到第三好氧堆肥产物。
优选的，以每千克堆肥物料干重计，所述腐殖酸前体的添加量为0.03～0.1mol。
优选的，所述腐殖酸前体包括含有苯环的氨基酸。
本发明提供了一种生物模拟芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，本发明将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物，在第一好氧堆肥过程中产生过氧化氢；将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧堆肥，在第二好氧堆肥阶段过氧化氢与亚铁离子发生类芬顿反应，生成氢氧根自由基，氢氧根自由基能够高效氧化并裂解木质素，破坏木质纤维素的结构，使木质纤维素废弃物快速降解，提高降解效率，促进反应进程，进而达到高质资源化目的。
附图说明
图1表示具有过氧化物酶功能的菌株过氧化酶活性及功能基因变化；其中，a代表真菌具有的过氧化物酶，纤维素氧化酶及漆酶的数量；b代表真菌在培养过程中木质素过氧化酶的活力；c代表真菌在培养过程中锰过氧化物酶的活力；
图2为芬顿反应被氧化实物图；
图3表示堆肥过程中堆肥过程中·OH变化；
图4表示堆肥过程中木质纤维素组分变化，a表示堆肥过程中半纤维素含量的变化；b表示堆肥过程中纤维素含量的变化；c表示堆肥过程中木质素含量的变化。
具体实施方式
本发明提供了一种生物模拟芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物；
2)将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧发酵堆肥，得到第二好氧发酵堆肥产物。
在本发明中，所述方法采用好氧堆肥的方式进行，在所述好氧堆肥的整个过程中进行间歇通气，所述间歇通气的通气量优选为0.25～0.5L/min，更优选为0.4L/min。这个通气速率达到了微好氧状态，部分微生物在厌氧状态下可以产生纤维素小体，对于木质纤维素降解有效。在本发明中，在所述好氧堆肥的第0～20d，所述间歇通气的频率优选为1天1次，在所述好氧堆肥的20d以后，所述间歇通气的频率优选为2天1次，每次通气的时间优选为2～3h。
本发明首先将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物。
在本发明中，所述产过氧化物酶的菌株优选的包括Aspergillus fumigatus、白腐菌和褐腐菌中的一种或几种。在本发明中，所述Aspergillus fumigatus优选为CGMCC3.15720。在本发明中，所述产过氧化物酶的菌株为好氧菌株。在本发明中，所述产过氧化物酶的菌株优选的以菌液或者冻干粉方式添加，优选的采用菌液的形式添加。
在本发明中，所述木质纤维素类农业废弃物优选的包括农作物秸秆和/或杂草。本发明对所述木质纤维素类农业废弃物的粒径没有特殊要求；所述木质纤维素类农业废弃物的初始含水量优选为55％～65％，更优选为60％。
在本发明中，所述产过氧化物酶的菌株和木质纤维素类农业废弃物干重的质量比优选为(1～3)：100，更优选为(2～2.5)：100；所述产过氧化物酶的菌株的有效活菌数优选为1×107～1×109CFU/g，更优选为1×108CFU/g。
在本发明中，所述第一好氧堆肥的时间优选为2～4d，更优选为3d。在本发明中，所述第一好氧堆肥的温度优选为25～30℃；在第一好氧堆肥过程中产过氧化物酶的菌株分解木质纤维素类农业废弃物产生过氧化氢。在本发明中，所述第一好氧堆肥的时期是整个好氧堆肥的初期。
在本发明中，堆肥初期温度为25～30℃，30～50℃为升温期，50～60℃为高温期，降至40℃为降温期，40℃～30℃为腐熟期。
得到第一好氧堆肥产物后，本发明将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧发酵堆肥，得到第二好氧发酵堆肥产物。
在本发明中，所述第一好氧堆肥产物的干重和亚铁纳米材料的质量比优选为100：(0.3～0.7)，更优选为100：0.5。
在本发明中，所述第二好氧发酵堆肥的截止时间优选为高温期后温度下降至55℃。
在本发明中，所述第二好氧发酵堆肥进行过程中，过氧化氢与亚铁离子发生类芬顿反应，生成氢氧根自由基，氢氧根自由基能够高效氧化并裂解木质素，破坏木质纤维素的结构，使木质纤维素废弃物快速降解，进而达到高质资源化目的。在本发明中，所述第二好氧发酵堆肥的第3～6h内，发生剧烈的类芬顿反应。此外，本发明的方法能够避免常规芬顿试剂使用过程中造成的污染。
在得到第二好氧发酵堆肥产物后，本发明优选的还包括在所述第二好氧发酵堆肥的产物中加入腐殖酸前体进行第三好氧堆肥，得到第三好氧堆肥产物。
在本发明中，以每千克堆肥物料干重计，所述腐殖酸前体的添加量优选为0.03～0.1mol，更优选为0.05mol。
在本发明中，所述腐殖酸前体包括含有苯环的氨基酸；所述含有苯环的氨基酸优选为苯丙氨酸；在本发明中，加入腐殖酸前体的作用是促进腐殖酸形成。
如无特殊说明，本发明对所用原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
在本实施例中，选用CGMCC 3.15720(Aspergillus fumigatus)，作为功能微生物，在37℃进行发酵培养，浓度为1×109CFU/g，接种到水稻秸秆进行第一好氧发酵堆肥，接种量为物料干重3％，在好氧发酵4d，添加亚铁纳米材料(亚铁纳米材料的添加量为堆肥干重的0.5％)，并充分混匀，进行第二好氧发酵堆肥(这期间发生类芬顿反应)，在20～30℃条件进行反应5h，达到最佳反应速率，进行基本指标测定(基本指标包括纤维素含量，半纤维素含量，木质素含量以及芬顿反应过程中·OH自由基的变化，进一步表征类芬顿反应的指标以及降解特性表征)，在整个过程，调节堆肥工艺参数，通气量在0.4L/min之间，达到微好氧阶段，在好氧堆肥高温期的末期(温度下降至55℃)，补充苯丙氨酸溶液，添加量为0.05M/kg，进行第三好氧发酵堆肥。
实施例1证明本发明的方法能在短时间内发生芬顿反应，水稻秸秆颜色明显加深，证明芬顿反应明显氧化水稻秸秆，微生物进行类芬顿反应被成功建立。其中，图1显示具有过氧化物酶功能的菌株过氧化酶活性及功能基因变化，图2显示芬顿反应被氧化实物图，图3显示堆肥过程中堆肥过程中·OH变化，图4显示堆肥过程中木质纤维素组分变化。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种生物模拟类芬顿反应高效降解木质纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将产过氧化物酶的菌株接种于木质纤维素类农业废弃物，进行第一好氧堆肥，得到第一好氧堆肥产物；
2)将所述第一好氧堆肥产物和亚铁纳米材料混合，进行第二好氧发酵堆肥，得到第二好氧发酵堆肥产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产过氧化物酶的菌株和木质纤维素类农业废弃物干重的质量比为(1～3)：100；所述产过氧化物酶的菌株的有效活菌数为1×107～1×109CFU/g。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一好氧堆肥的时间为2～4d。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一好氧堆肥产物的干重和亚铁纳米材料的质量比为100：(0.3～0.7)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二好氧发酵堆肥的截止时间为高温期后温度下降至55℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到第二好氧发酵堆肥产物后，还包括在所述第二好氧发酵堆肥的产物中加入腐殖酸前体进行第三好氧堆肥，得到第三好氧堆肥产物。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以每千克堆肥物料干重计，所述腐殖酸前体的添加量为0.03～0.1mol。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述腐殖酸前体包括含有苯环的氨基酸。
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