處理廚余垃圾的高溫菌劑研制及其降解性質(zhì)研究

廚余垃圾是家庭、賓館、飯店及機(jī)關(guān)企事業(yè)等飲食單位拋棄的剩余飯菜的通稱。我國每天廚余垃圾的產(chǎn)生量超過2萬ｔ，僅上海市每天廚余垃圾產(chǎn)生量就達(dá)1200ｔ，北京市為1600ｔ[1]。隨著餐飲業(yè)的發(fā)展，廚余垃圾的產(chǎn)量正在快速地增長，但處理方式仍然是混合后填埋或直接用于喂養(yǎng)生豬，這種方式很容易造成人畜之間疫病的交叉感染[2]。這種傳統(tǒng)的處理方式已經(jīng)不能滿足目前人們對(duì)健康、環(huán)境和衛(wèi)生的要求。我國部分城市已經(jīng)開始禁止未經(jīng)處理的廚余垃圾直接喂豬，而是集中收集后采用好氧堆肥或厭氧消化制沼氣[3，4]等生物技術(shù)進(jìn)行處理。但這種處理方式不能充分回收利用廚余中富含的營養(yǎng)成分，會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且經(jīng)濟(jì)效益較差；同時(shí)由于廚余垃圾的高含水率、高含鹽率和高油脂含量，還會(huì)導(dǎo)致堆肥品質(zhì)不良以及二次污染等問題[5，6]。
飼料化是處理廚余垃圾的主要發(fā)展方向之一[1，7]。高溫菌在高溫條件下降解酶活性高，代謝能力強(qiáng)，可以縮短廚余垃圾生物轉(zhuǎn)化的周期，提高有機(jī)物降解效率，同時(shí)可以耐受高鹽[8]。因此高溫菌在廚余垃圾微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)微生物蛋白領(lǐng)域具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和潛能，在廚余垃圾資源化利用方面具有廣泛的前途。利用微生物的特性和有機(jī)物好氧分解的基本原理，課題組前期從垃圾處理系統(tǒng)中分離篩選到若干株高溫菌（分離溫度60～70℃）[9]，本文從中篩選6株能產(chǎn)生淀粉酶、脂肪酶、蛋白質(zhì)酶及纖維素酶的高溫高效菌種，組成高溫復(fù)合菌劑，用于廚余垃圾的高溫處理，力求使垃圾的降解速率大幅度提高，并將殘留物轉(zhuǎn)化為高效的動(dòng)物飼料。
1材料、方法
1.1材料
菌種來源：從廚余垃圾微生物處理系統(tǒng)中分離篩選得到6株高溫菌。
培養(yǎng)基[10]：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，LB培養(yǎng)基，淀粉酶培養(yǎng)基，脂肪酶培養(yǎng)基，蛋白質(zhì)酶培養(yǎng)基，纖維素酶培養(yǎng)基。
廚余垃圾來源和主要成分：主要收集于徐匯區(qū)各餐飲業(yè)的廚余垃圾，其主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動(dòng)植物油和肉骨等，從化學(xué)組成上，有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類和無機(jī)鹽。其中以有機(jī)組分為主，同時(shí)含有一定量的鈣、鎂、鉀和鐵等微量元素。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1菌株分離純化
將樣品系列稀釋后涂布于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基平板上，置于65℃高溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，并分離純化，單個(gè)純化菌株接種在斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)，待出現(xiàn)豐滿的菌體細(xì)胞后，置于4～6℃低溫保存。
1.2.2菌株產(chǎn)酶能力的測(cè)定
將分離得到的各菌株分別點(diǎn)接于4種產(chǎn)酶初篩平板上，65℃培養(yǎng)1d，觀察菌落周圍有無透明圈，并測(cè)定透明圈直徑（D）與菌落直徑（d）的比值以及對(duì)各菌株的產(chǎn)酶能力進(jìn)行半定量測(cè)定。蛋白質(zhì)酶平板可直接觀察透明圈；淀粉酶平板需用碘液熏蒸后觀察；脂肪酶平板觀察底部是否出現(xiàn)紅色小球，如有則說明脂肪被水解，為陽性反應(yīng)，記為“+”，否則為陰性，記為“-”。纖維素酶平板需用剛果紅染色1h，再用適量的1mol?L-1 NaCl漂洗1h后觀察。
1.2.3菌劑制備
斜面菌株接種于液體牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基中，在65℃、130r?min-1振蕩培養(yǎng)24h，得到菌液。以玉米粉和酒糟粉作為吸附劑吸附菌液，并在65℃下保濕增殖8h后烘干。
1.2.4廚余垃圾降解試驗(yàn)
在處理機(jī)中裝入60％容積的分揀后廚余垃圾，調(diào)節(jié)水分，使物料含水率為（55±5）％，加入5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）菌劑攪拌均勻，升溫至65℃運(yùn)行48h。
1.2.5高溫菌劑安全性檢測(cè)
高溫菌劑安全性檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[11，12]。
2結(jié)果與討論
2.1菌株的分離鑒定
對(duì)廚余廢棄物進(jìn)行了菌種分離，并通過生理生化性質(zhì)測(cè)定，其結(jié)果見表1。由表1可看出，所分離得到的高溫菌株都有芽孢，對(duì)照伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)[13]，均為“芽孢形成性細(xì)菌”，都是兼性細(xì)菌，沒有厭氧細(xì)菌，無溶血性；除菌株HB3外，其它都能產(chǎn)生氧化酶和接觸酶。芽孢桿菌內(nèi)生芽胞，繁殖能力強(qiáng)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，不污染環(huán)境[14，15]，因此，耐高溫的芽胞桿菌將具有廣泛的應(yīng)用前景。
2.2菌株產(chǎn)酶能力的分析
按照1.2.2方法，對(duì)分離到的6株高溫菌種進(jìn)行了產(chǎn)酶能力的測(cè)定，其產(chǎn)酶情況如表2所示。投加高溫菌劑，在24h內(nèi)對(duì)廚余垃圾中粗脂肪和粗纖維降解比較明顯的，分別降解了30.7％和11.3％。粗蛋白沒有減少，反而增加了9.5％；投加常溫菌劑，粗脂肪和粗纖維分別降解了3.7％和0.7％，粗蛋白增加了5.7％；而空白對(duì)照組，粗脂肪和粗纖維分別只降解了1.4％和0.46％，粗蛋白幾乎不變。這主要是由于高溫菌能夠代謝的有機(jī)物的范圍廣，可以將多種形式氮素轉(zhuǎn)化為微生物蛋白，從而將低蛋白的廚余垃圾高效轉(zhuǎn)化為高蛋白的動(dòng)物飼料，使得產(chǎn)品中粗蛋白含量增加。繼續(xù)對(duì)廚余垃圾處理48h，其有機(jī)物分解率幾乎沒有得到提高，說明大部分有機(jī)物在24h內(nèi)即可被分離出的高溫菌劑降解。在廚余垃圾微生物好氧發(fā)酵過程中，接種高溫菌劑和空白對(duì)照組相比較接種常溫菌劑有著許多的優(yōu)勢(shì)，高溫菌具有熱穩(wěn)定性的降解酶，具有更高的活性和更快的代謝速率，可以將發(fā)酵溫度維持在60～70℃或更高的溫度，可以更加有效地殺死病原微生物，達(dá)到衛(wèi)生化的要求，同時(shí)高溫菌酶不僅耐熱，而且對(duì)不良化學(xué)環(huán)境也具有高度的耐受性，抵抗一些有毒害作用的污染物或代謝產(chǎn)物的抑制作用，可以加快有機(jī)物質(zhì)的降解速率，提高處理效率，縮短生產(chǎn)周期。3結(jié)論
從廚余垃圾處理系統(tǒng)中分離篩選到6株在65℃能產(chǎn)生淀粉酶、脂肪酶、蛋白質(zhì)酶及纖維素酶的高溫高效菌種，經(jīng)鑒定所分離得到的高溫菌株都有芽孢，屬于兼氧性細(xì)菌。經(jīng)安全性檢測(cè)6株高溫菌及高溫菌劑中未檢測(cè)到沙門氏菌、志賀氏菌和金黃色葡萄球菌等致病菌，說明分離到的高溫菌及制備的高溫菌劑不存在致病性因素。通過最佳菌株組合后對(duì)廚余垃圾進(jìn)行降解試驗(yàn)，最終確定第1組4株（HB1，HB2，HB4，HB6）制成高溫菌劑。將該菌劑在100kg廚余垃圾處理機(jī)上進(jìn)行降解試驗(yàn)，一次性投入5％菌劑后升溫至65℃，24h內(nèi)對(duì)廚余垃圾中粗脂肪和粗纖維有明顯的降解效果，降解效率分別為30.7％和11.3％，粗蛋白含量增加了9.5％。繼續(xù)對(duì)廚余垃圾處理48h，其有機(jī)物分解率幾乎沒有得到提高，說明大部分有機(jī)物在24h內(nèi)即可被分離出的高溫菌劑所降解。因此，用高溫菌劑發(fā)酵將廚余垃圾處理后制成飼料是一種極具潛力的技術(shù)，對(duì)于消除環(huán)境污染、緩解我國飼料原料緊張、保證人畜健康等方面有著重要的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
[參考文獻(xiàn)]略