CN115786206A

CN115786206A - 一种自产热高温好氧菌种及其在餐厨垃圾生物处理中的应用

Info

Publication number: CN115786206A
Application number: CN202211539532.3A
Authority: CN
Inventors: 姜传胜; 周志刚; 王睿; 段夕强; 杜义宪; 陈晨; 吉潇浩; 许钦一; 姜述龙
Original assignee: Senno Technology Co ltd
Current assignee: Senno Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2042-12-02
Also published as: CN115786206B

Abstract

本发明属于环保生物技术领域，具体涉及一种自产热高温好氧菌种及其在餐厨垃圾生物处理中的应用。本发明所述菌种为PriestiaaryabhattaiSN5，其保藏编号为CCTCCNO：M20221700。菌种SN5具有高效自产热能力，能够使物料快速升温并快速启动餐厨垃圾中各类有机物的降解，显著提高有机物的降解率，可用于餐厨垃圾的快速减量化处理，实现其无害化、减量化和资源化。本发明菌种对餐厨垃圾好氧生物处理效果明显，能够显著降低处理成本，在餐厨垃圾处理领域具有较高的应用价值。

Description

一种自产热高温好氧菌种及其在餐厨垃圾生物处理中的应用

技术领域

本发明涉及环保生物技术领域，具体涉及一种自产热高温好氧菌种及其在餐厨垃圾生物处理中的应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展和人民物质生活水平的不断提高，生活垃圾的产生量持续增长。其中，餐厨垃圾是指单位食堂、宾馆、饭店等产生的餐饮垃圾及居民家庭产生的废弃蔬菜瓜果、废弃肉类鱼虾、剩菜剩饭等各类混合物的总称。餐厨垃圾具有含水率高、热值低、有机质含量高、易腐烂变质等特点。如未经有效处理，极易引起病原菌繁殖、蚊蝇滋生，还会产生严重的水体、土壤和大气污染，给人居环境带来巨大压力。与此同时，餐厨垃圾中含有的大量有机质使其具有潜在的资源和能源价值，因此开发餐厨垃圾高效、清洁、低能耗的处理技术及资源化利用水平，是保障垃圾分类工作有序推进的重要举措。

国内外针对餐厨垃圾的处理开展了大量研究，目前常用的处理技术有干化焚烧、厌氧发酵、好氧发酵等。其中，干化焚烧能够将餐厨垃圾中的有机物彻底氧化分解，减量率高达50％-80％，但由于餐厨垃圾含水率高、成分复杂，因此焚烧热值低，并且会产生大量温室气体、有害气体及粉尘，不仅破坏生态环境，而且危害人类健康，同时焚烧也违背了干、湿垃圾分类的初衷；厌氧发酵是利用厌氧微生物将餐厨垃圾中的有机物转化为沼气的过程，也是目前餐厨垃圾处理的主流技术，由于厌氧发酵会产生甲烷等易燃易爆气体，因此对安全性要求较高，适合大型集中化处置，不适合学校、企事业单位食堂、农贸市场等地的就近就地分散式处理，而且厌氧发酵会产生目前尚无法资源化利用的二次污染物——沼液和沼渣，不符合清洁和资源化利用的目标。相比而言，以减量化和资源化为核心的好氧发酵技术受到广泛关注，好氧发酵是利用好氧微生物对餐厨垃圾中的有机质进行腐殖化或矿质化转化，最终形成具有较高应用价值的资源化产品，如土壤调理剂或生物有机肥。该技术简单易行、规模灵活、便于推广、减量明显、资源化利用率高，近几年得到了较为广泛的应用。

好氧发酵的核心是筛选具有适应餐厨垃圾高油高盐特殊环境，且能够高效降解有机物的菌种，并开发微生物强化的餐厨垃圾好氧发酵处理技术。因此，根据我国餐厨垃圾原料特点挖掘适合的高效微生物菌种，并将其应用到餐厨垃圾生物处理中势在必行。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自产热高温好氧菌种及其在餐厨垃圾生物处理中的应用，用于解决现有技术中的问题。

本发明的第一方面提供一种可用于餐厨垃圾生物处理的自产热高温好氧菌种，经鉴定为Priestia aryabhattai，保藏于中国典型培养物保藏中心CCTCC，菌种名称为Priestia aryabhattai SN5，保藏日期为2022年10月31日，保藏编号为CCTCC NO：M20221700，保藏地址为中国.武汉.武汉大学。

所述Priestia aryabhattai SN5含有如SEQ ID NO.1所示的基因序列。

所述Priestia aryabhattai SN5为革兰氏阴性菌，短杆状，菌落形态为奶白色圆形，边缘整齐，表面光滑湿润。

所述Priestia aryabhattai SN5自产热最高温度达到77℃。

所述Priestia aryabhattai SN5能够耐受的最高盐浓度为120g/LNaCl。

所述Priestia aryabhattai SN5对餐厨垃圾的挥发性固体(VS)降解率最高达78.2％。

VS降解率＝(VS₀-VS_i)/VS₀×100％公式(1)

VS₀：发酵前物料的VS质量，g；VS_i：发酵过程中任一时刻物料的VS质量，g。

本发明的第二方面提供一种Priestia aryabhattai SN5液体菌剂的制备方法，包括如下步骤：将Priestia aryabhattai SN5的纯菌种接种于液体培养基中培养14～18h，即可获得Priestia aryabhattai SN5液体菌剂。

液体培养基配方：蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、NaCl 10g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L。

作为进一步的方案，液体菌剂中Priestia aryabhattai SN5的浓度至少为1×10⁸cfu/mL。

本发明的第三方面提供一种Priestia aryabhattai SN5固体菌剂的制备方法，包括如下步骤：将Priestia aryabhattai SN5液体菌剂与载体混合、干燥制备而成，其中载体与液体菌剂的质量比为1:(1～5)；载体包括木屑、稻壳、秸秆等中的一种或多种。

本发明的第四方面提供一种Priestia aryabhattai SN5在餐厨垃圾处理中的应用。

作为进一步的方案，所述的餐厨垃圾包括餐饮垃圾、厨余垃圾、果蔬垃圾等易腐有机垃圾。

作为进一步的方案，所述的应用包括如下步骤：

(1)将待处理的餐厨垃圾进行分拣，去除塑料、骨头、筷子等杂物；

(2)向分拣后的餐厨垃圾中加入Priestia aryabhattai SN5固体菌剂，固体菌剂的加入量为餐厨垃圾质量的0.1％～20％；

(3)将餐厨垃圾和固体菌剂搅拌均匀，在通风好氧条件下进行生物处理，过程中需定期通风搅拌，以保证热量均匀且在好氧条件下进行。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的Priestia aryabhattai SN5，具有耐受高油、高盐的能力，能够适应我国餐厨垃圾的原料特点；

2.本发明所述的Priestia aryabhattai SN5，自产热能力强，自产热最高温度能达到77℃，可使物料快速升温并快速启动餐厨垃圾中各类有机物的降解；

3.本发明所述的Priestia aryabhattai SN5，具有高产蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶的能力，可高效降解餐厨垃圾中的蛋白质、淀粉和油脂等有机物，餐厨垃圾VS降解率最高达78.2％。

综合以上特点，Priestia aryabhattai SN5应用于餐厨垃圾处理，可实现餐厨垃圾的快速、高效生物减量化和稳定化，并能显著降低餐厨垃圾好氧处理中的外部加热能耗，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为菌株SN5的系统进化树；

图2为菌株SN5对餐饮垃圾自产热好氧发酵的堆体温度变化；

图3为菌株SN5对餐饮垃圾自产热好氧发酵的VS降解率变化；

图4为菌株SN5对厨余垃圾自产热好氧发酵的堆体温度变化；

图5为菌株SN5对厨余垃圾自产热好氧发酵的VS降解率变化。

具体实施方式

通过以下具体实施例对本发明的技术方案做进一步描述。目的是为了更好地解释本发明，但本发明并不局限于下述实施方式，本领域一般技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化，均在本发明的保护范围内。

实施例1：自产热高温好氧菌的筛选及性能测定

所用到的培养基配方如下：

液体培养基：蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、NaCl 10g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L。

固体培养基：蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、NaCl 10g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L、琼脂15g/L。

蛋白酶筛选培养基：干酪素10g/L、蛋白胨5g/L、酵母提取物2.5g/L、NaCl 5g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2 g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L、琼脂15g/L。

淀粉酶筛选培养基：可溶性淀粉10g/L、蛋白胨5g/L、酵母提取物2.5g/L、NaCl 5g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2 g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L、琼脂15g/L。

脂肪酶筛选培养基：乳化橄榄油10mL/L、蛋白胨5g/L、酵母提取物2.5g/L、NaCl5g/L、MgCl₂0.2 g/L、CaCl₂0.2 g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01g/L、琼脂20g/L。

以上培养基配制好后，均在115℃下高压蒸汽灭菌20min，备用。

分离纯化：试验样品采集自某餐厨垃圾处理厂好氧发酵罐中，取适量样品加入无菌水混匀后，进行梯度稀释，将不同梯度的稀释液取100μL涂布于固体培养基平板上，于50℃恒温培养箱中培养24h后，挑取形态大小不同的单菌落，划线纯化后编号保藏，经分离纯化共得到10株高温好氧菌。

初筛：将分离纯化得到的纯菌株，采用点接的方法接种到蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶筛选培养基上，根据菌株的产酶能力进行初筛。将点接好的蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶筛选平板在50℃下培养48～72h后，测量各菌落直径(d)和透明圈直径(D)，计算D/d，挑选出具有较强蛋白质、淀粉和脂肪降解能力的高温好氧菌株，共3株。

复筛：将初筛得到的3株菌分别接种至100mL液体培养基中，在37℃、200r/min培养16h。以5％的接种量，取60mL菌液接种至1000g餐厨垃圾原料和200g木屑辅料组成的混合物料中搅拌均匀，物料置于无外加热但可以保温的反应器中，不间断通风，每12h对物料搅拌一次，进行餐厨垃圾自产热好氧发酵处理，根据餐厨垃圾的VS降解率来复筛获得自产热高温好氧菌。结果表明接种菌株SN5对餐厨垃圾VS降解率影响最大，在48h时VS降解率达到78.2％。

菌株SN5的其他性能验证：除了在复筛过程中对菌株SN5进行了餐厨垃圾VS降解率性能验证以外，还验证了菌株SN5的自产热、耐盐、耐油能力，具体如下：

(1)菌株SN5自产热性能验证：餐厨垃圾自产热好氧发酵处理方法同上述复筛中的方法，发酵过程中每12h测定物料的中心温度，即为菌种发酵过程中的自产热温度。结果显示，菌株SN5自产热最高温度能够达到77℃。

(2)菌株SN5耐盐性能验证：用划线法将菌株SN5接种至不同NaCl浓度(50-140g/L)的固体培养基平板上，在37℃培养箱中好氧培养48h，定期观察菌株的生长情况。结果发现菌株SN5在含有120g/LNaCl固体培养基平板上生长良好，其菌落大小为2-3mm，在含有130g/LNaCl固体培养基平板上不生长，表明菌株SN5生长良好的最高盐耐受浓度为120g/LNaCl。

(3)菌株SN5耐油性能验证：用划线法将菌株SN5接种至不同食用油浓度(60-140g/L)的固体培养基平板上，在37℃培养箱中好氧培养48h，定期观察菌株的生长情况。结果发现菌株SN5在含有120g/L食用油固体培养基平板上生长良好，其菌落大小为2-3mm，在含有130g/L食用油固体培养基平板上不生长，表明菌株SN5生长良好的最高油脂耐受浓度为120g/L食用油。

实施例2：菌株SN5的鉴定

提取菌株SN5的基因组DNA，并以此为模板，利用一对通用引物(27F，1492R)扩增菌株16S rDNA。上游引物为27F(5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCA-3’)，下游引物为1492R(5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’)。PCR反应体系(20μL)如下：模板DNA0.5μL，PCR Taqmix 10μL，上下游引物各0.6μL，加ddH₂O至反应体系为20μL。PCR程序：94℃预变性5min，94℃变性30s、55℃退火30s、72℃延伸1min 30s，以上共循环30次，72℃延伸10min，最后在4℃保存。由上海杰李生物技术有限公司进行PCR产物的纯化和测序，得到菌株的16S rDNA序列，如SEQ IDNO.1所示。在NCBI提交通过测序获得的16S rDNA序列，通过软件与GenBank进行同源性序列比对分析，应用MEGAX软件构建该菌株系统发育树(图1)。测序得到菌株SN5的16S rDNA基因有效序列长度为1476bp，见基因序列表SEQ ID NO.1。经过比对，该序列与NCBI数据库的Priestia aryabhattai(NCBI登录号为：CP041519.1)同源，一致性达97.69％。

综合菌株SN5的其他生物学特性，革兰氏阴性菌，短杆状，菌落形态为奶白色圆形、边缘整齐、表面光滑湿润。鉴定该菌株为Priestia aryabhattai，最终将其命名为Priestiaaryabhattai SN5。并将该菌株保藏于中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，菌种名称为Priestia aryabhattai SN5，保藏日期为2022年10月31日，保藏编号为CCTCC NO：M20221700，保藏地址为中国.武汉.武汉大学。

实施例3：菌株SN5的菌剂制备

液体菌剂的制备：将SN5纯菌接种于100mL液体培养基中，于37℃、200r/min的恒温摇床中培养14～18h，然后再将其以5％的接种量接入到同样的液体培养基中，同样的培养条件下多级扩大培养，即可得到该菌株的液体菌剂。液体菌剂中Priestia aryabhattaiSN5的浓度至少为1×10⁸cfu/mL。

固体菌剂的制备：将该菌株的液体菌剂与木屑、稻壳、秸秆等载体中的一种或多种混合、干燥至含水率为10％以下，制备而成固体菌剂。固体菌剂中载体与液体菌剂的质量比为1:(1～5)。

实施例4：自产热高温好氧菌SN5对餐饮垃圾好氧发酵的处理效果

餐饮垃圾取自山东某食堂的剩饭、剩菜，将餐饮垃圾进行分拣，去除塑料、骨头、筷子等杂物，分拣后餐饮垃圾的TS含量22.5％，VS含量为20.6％，pH值为5.9。

实验设置实验组和对照组，实验组向餐厨垃圾好氧生物处理机中加入分拣后的餐饮垃圾100kg，再加入SN5固体菌剂20kg，固体菌剂的添加量为餐饮垃圾质量的20％，搅拌均匀后进行自产热好氧处理，过程中需要不间断的通风，通风速率为0.2L·kg^-1·min^-1，搅拌频率为5min/h，以保证物料受热均匀且在好氧条件下进行。对照组用固体菌剂的载体木屑替代固体菌剂，其他参数和条件与实验组一致。每12h测定一次菌种自产热的物料中心温度，并对物料进行称重和VS含量测定，按照公式(1)计算得到餐饮垃圾的VS降解率，菌种SN5自产热效果如图2所示。从图2中可以看出，添加SN5菌剂的实验组比未添加菌剂的对照组一直呈现较高的物料中心温度，实验组在48h时达到自产热最高温度77℃，而对照组在72h时才达到最高温度60.3℃，实验组自产热最高温度比对照组提高16.7℃。菌种SN5对餐饮垃圾中有机物的降解效果如图3所示。从图3中可以看出，添加SN5菌剂的实验组比未添加菌剂的对照组一直呈现较高的VS降解率，实验组在48h时达到最高的VS降解率78.2％，而对照组在72h时才达到最高VS降解率45.6％，实验组的VS降解率比对照组提高71.5％。由此可知，接入SN5可显著的提高餐饮垃圾的自产热效果，实现餐饮垃圾的快速生物减量化和稳定化。

实施例5：自产热高温好氧菌SN5对厨余垃圾好氧发酵的处理效果

厨余垃圾取自山东某居民小区的餐前剩余物，将厨余垃圾进行分拣，去除塑料、骨头等杂物，分拣后厨余垃圾的TS含量24.1％，VS含量为19.8％，pH值为5.5。

实验设置实验组和对照组，实验组向餐厨垃圾好氧生物处理机中加入分拣后的厨余垃圾100kg，再加入秸秆辅料20kg，SN5固体菌剂0.12kg，固体菌剂的添加量为厨余垃圾和秸秆总质量的0.1％，搅拌均匀后进行自产热好氧处理，过程中需要不间断的通风，通风速率为0.4L·kg^-1·min^-1，搅拌频率为5min/h，以保证物料受热均匀且在好氧条件下进行。对照组用辅料秸秆替代固体菌剂，其他参数和条件与实验组一致。每12h测定一次菌种自产热的物料中心温度，并对物料进行称重和VS含量测定，按照公式(1)计算得到厨余垃圾的VS降解率，菌种SN5自产热效果如图4所示。从图4中可以看出，添加SN5菌剂的实验组比未添加菌剂的对照组一直呈现较高的物料中心温度，实验组在48h时达到自产热最高温度75℃，而对照组在60h时才达到最高温度62℃，实验组自产热最高温度比对照组提高13℃。菌种SN5对厨余垃圾中有机物的降解效果如图5所示。从图5中可以看出，添加SN5菌剂的实验组比未添加菌剂的对照组一直呈现较高的VS降解率，实验组在48h时达到最高的VS降解率76.4％，而对照组在72h时才达到最高VS降解率49.5％，实验组的VS降解率比对照组提高54.3％。由此可知，接入SN5可显著的提高厨余垃圾的自产热效果，实现厨余垃圾的快速生物减量化和稳定化。

Claims

1.一种PriestiaaryabhattaiSN5，其特征在于，保藏于中国典型培养物保藏中心CCTCC，保藏日期为2022年10月31日，保藏编号为CCTCCNO：M20221700。

2.根据权利要求1所述的PriestiaaryabhattaiSN5，其特征在于，所述PriestiaaryabhattaiSN5含有如SEQ ID NO.1所示的基因序列。

3.根据权力要求1所述的PriestiaaryabhattaiSN5，其特征在于，包含以下特征中的一项或多项：

(1)所述PriestiaaryabhattaiSN5自产热最高温度达到77℃。

(2)所述PriestiaaryabhattaiSN5能够耐受的最高盐浓度为120g/LNaCl。

(3)所述PriestiaaryabhattaiSN5能够耐受的最高油脂浓度为120g/L食用油。

(4)所述PriestiaaryabhattaiSN5对餐厨垃圾的挥发性固体VS降解率最高达78.2％。

4.一种PriestiaaryabhattaiSN5液体菌剂的制备方法，其特征在于，将权利要求1-3任一所述PriestiaaryabhattaiSN5的纯菌种接种于液体培养基中培养14～18h获得液体菌剂。

5.根据权利要求4所述的PriestiaaryabhattaiSN5液体菌剂的制备方法，其特征在于，所述液体菌剂中PriestiaaryabhattaiSN5的浓度至少为1×10⁸cfu/mL。

6.一种PriestiaaryabhattaiSN5固体菌剂的制备方法，其特征在于，将权利要求4或5所述的PriestiaaryabhattaiSN5液体菌剂与载体混合、干燥制备而成，其中载体与液体菌剂的质量比为1:(1～5)；载体包括木屑、稻壳、秸秆中的一种或多种。

7.一种如权利要求1-3任一所述PriestiaaryabhattaiSN5在餐厨垃圾处理中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的餐厨垃圾包括易腐有机垃圾：餐饮垃圾、厨余垃圾、果蔬垃圾。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将待处理的餐厨垃圾进行分拣，去除杂物；

(2)向分拣后的餐厨垃圾中加入PriestiaaryabhattaiSN5固体菌剂，固体菌剂的加入量为餐厨垃圾质量的0.1％～20％；