处理厨余垃圾的高温菌剂研制及其降解性质研究

厨余垃圾是家庭、宾馆、饭店及机关企事业等饮食单位抛弃的剩余饭菜的通称。我国每天厨余垃圾的产生量超过2万ｔ，仅上海市每天厨余垃圾产生量就达1200ｔ，北京市为1600ｔ[1]。随着餐饮业的发展，厨余垃圾的产量正在快速地增长，但处理方式仍然是混合后填埋或直接用于喂养生猪，这种方式很容易造成人畜之间疫病的交叉感染[2]。这种传统的处理方式已经不能满足目前人们对健康、环境和卫生的要求。我国部分城市已经开始禁止未经处理的厨余垃圾直接喂猪，而是集中收集后采用好氧堆肥或厌氧消化制沼气[3，4]等生物技术进行处理。但这种处理方式不能充分回收利用厨余中富含的营养成分，会造成资源浪费，而且经济效益较差；同时由于厨余垃圾的高含水率、高含盐率和高油脂含量，还会导致堆肥品质不良以及二次污染等问题[5，6]。
饲料化是处理厨余垃圾的主要发展方向之一[1，7]。高温菌在高温条件下降解酶活性高，代谢能力强，可以缩短厨余垃圾生物转化的周期，提高有机物降解效率，同时可以耐受高盐[8]。因此高温菌在厨余垃圾微生物转化生产微生物蛋白领域具有巨大的经济效益和潜能，在厨余垃圾资源化利用方面具有广泛的前途。利用微生物的特性和有机物好氧分解的基本原理，课题组前期从垃圾处理系统中分离筛选到若干株高温菌（分离温度60～70℃）[9]，本文从中筛选6株能产生淀粉酶、脂肪酶、蛋白质酶及纤维素酶的高温高效菌种，组成高温复合菌剂，用于厨余垃圾的高温处理，力求使垃圾的降解速率大幅度提高，并将残留物转化为高效的动物饲料。
1材料、方法
1.1材料
菌种来源：从厨余垃圾微生物处理系统中分离筛选得到6株高温菌。
培养基[10]：牛肉膏蛋白胨培养基，LB培养基，淀粉酶培养基，脂肪酶培养基，蛋白质酶培养基，纤维素酶培养基。
厨余垃圾来源和主要成分：主要收集于徐汇区各餐饮业的厨余垃圾，其主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油和肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐。其中以有机组分为主，同时含有一定量的钙、镁、钾和铁等微量元素。
1.2实验方法
1.2.1菌株分离纯化
将样品系列稀释后涂布于牛肉膏蛋白胨培养基和LB培养基平板上，置于65℃高温培养箱中培养，并分离纯化，单个纯化菌株接种在斜面培养基培养，待出现丰满的菌体细胞后，置于4～6℃低温保存。
1.2.2菌株产酶能力的测定
将分离得到的各菌株分别点接于4种产酶初筛平板上，65℃培养1d，观察菌落周围有无透明圈，并测定透明圈直径（D）与菌落直径（d）的比值以及对各菌株的产酶能力进行半定量测定。蛋白质酶平板可直接观察透明圈；淀粉酶平板需用碘液熏蒸后观察；脂肪酶平板观察底部是否出现红色小球，如有则说明脂肪被水解，为阳性反应，记为“+”，否则为阴性，记为“-”。纤维素酶平板需用刚果红染色1h，再用适量的1mol•L-1 NaCl漂洗1h后观察。
1.2.3菌剂制备
斜面菌株接种于液体牛肉膏蛋白胨培养基和LB培养基中，在65℃、130r•min-1振荡培养24h，得到菌液。以玉米粉和酒糟粉作为吸附剂吸附菌液，并在65℃下保湿增殖8h后烘干。
1.2.4厨余垃圾降解试验
在处理机中装入60％容积的分拣后厨余垃圾，调节水分，使物料含水率为（55±5）％，加入5％（质量分数）菌剂搅拌均匀，升温至65℃运行48h。
1.2.5高温菌剂安全性检测
高温菌剂安全性检测方法参照文献[11，12]。
2结果与讨论
2.1菌株的分离鉴定
对厨余废弃物进行了菌种分离，并通过生理生化性质测定，其结果见表1。由表1可看出，所分离得到的高温菌株都有芽孢，对照伯杰细菌鉴定手册[13]，均为“芽孢形成性细菌”，都是兼性细菌，没有厌氧细菌，无溶血性；除菌株HB3外，其它都能产生氧化酶和接触酶。芽孢杆菌内生芽胞，繁殖能力强，有利于工业化生产，不污染环境[14，15]，因此，耐高温的芽胞杆菌将具有广泛的应用前景。
2.2菌株产酶能力的分析
按照1.2.2方法，对分离到的6株高温菌种进行了产酶能力的测定，其产酶情况如表2所示。投加高温菌剂，在24h内对厨余垃圾中粗脂肪和粗纤维降解比较明显的，分别降解了30.7％和11.3％。粗蛋白没有减少，反而增加了9.5％；投加常温菌剂，粗脂肪和粗纤维分别降解了3.7％和0.7％，粗蛋白增加了5.7％；而空白对照组，粗脂肪和粗纤维分别只降解了1.4％和0.46％，粗蛋白几乎不变。这主要是由于高温菌能够代谢的有机物的范围广，可以将多种形式氮素转化为微生物蛋白，从而将低蛋白的厨余垃圾高效转化为高蛋白的动物饲料，使得产品中粗蛋白含量增加。继续对厨余垃圾处理48h，其有机物分解率几乎没有得到提高，说明大部分有机物在24h内即可被分离出的高温菌剂降解。在厨余垃圾微生物好氧发酵过程中，接种高温菌剂和空白对照组相比较接种常温菌剂有着许多的优势，高温菌具有热稳定性的降解酶，具有更高的活性和更快的代谢速率，可以将发酵温度维持在60～70℃或更高的温度，可以更加有效地杀死病原微生物，达到卫生化的要求，同时高温菌酶不仅耐热，而且对不良化学环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谢产物的抑制作用，可以加快有机物质的降解速率，提高处理效率，缩短生产周期。3结论
从厨余垃圾处理系统中分离筛选到6株在65℃能产生淀粉酶、脂肪酶、蛋白质酶及纤维素酶的高温高效菌种，经鉴定所分离得到的高温菌株都有芽孢，属于兼氧性细菌。经安全性检测6株高温菌及高温菌剂中未检测到沙门氏菌、志贺氏菌和金黄色葡萄球菌等致病菌，说明分离到的高温菌及制备的高温菌剂不存在致病性因素。通过最佳菌株组合后对厨余垃圾进行降解试验，最终确定第1组4株（HB1，HB2，HB4，HB6）制成高温菌剂。将该菌剂在100kg厨余垃圾处理机上进行降解试验，一次性投入5％菌剂后升温至65℃，24h内对厨余垃圾中粗脂肪和粗纤维有明显的降解效果，降解效率分别为30.7％和11.3％，粗蛋白含量增加了9.5％。继续对厨余垃圾处理48h，其有机物分解率几乎没有得到提高，说明大部分有机物在24h内即可被分离出的高温菌剂所降解。因此，用高温菌剂发酵将厨余垃圾处理后制成饲料是一种极具潜力的技术，对于消除环境污染、缓解我国饲料原料紧张、保证人畜健康等方面有着重要的环境效益、社会效益和经济效益。
[参考文献]略