庆大霉素菌渣微波强化碱预处理—厌氧消化—沼渣利用的效能及机制

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抗生素菌渣是微生物发酵产抗生素过程中产生的富含营养物质的有机废弃物。因其含有少量的抗生素残留和抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs,简称抗性基因),存在潜在的环境微生物抗性风险,于2008年被我国列为《国家危险废物名录》。然而抗生素菌渣含有的大量可利用有机质,进行资源化利用是其理想的处理方式。本文以庆大霉素菌渣为研究对象,结合庆大霉素及其菌渣性质特点,采用微波强化碱预处理工艺,研究预处理对庆大霉素菌渣解体和有机物溶出效能的影响;采用厌氧消化-沼渣利用的菌渣综合资源化利用途径,研究秸秆、温度以及水力停留时间对菌渣厌氧消化性能影响、高温消化沼渣作为土壤改良剂对土壤肥效的影响;并对菌渣厌氧消化和沼渣利用过程中ARGs风险进行了分析和控制。旨在为以庆大霉素菌渣的资源化安全利用提供理论依据与技术支持。采用微波强化碱水解技术预处理庆大霉素菌渣,考查预处理对菌渣结构的破坏和有机物溶出效能,分析比较微波与传统加热(100℃)对碱预处理菌渣的强化效果。结果表明,微波强化碱预处理可有效破坏菌渣结构,释放胞内有机物;预处理后溶解性蛋白质和多糖含量显著增加,菌渣粒径减小。相较于传统加热(100℃),微波加热是更高效的碱预处理强化技术,微波的快速和均匀加热等特性与碱处理产生协同作用,显著提高菌渣解体和有机物溶出效能。预处理后菌渣厌氧消化甲烷产率比未处理菌渣最多提高近50%。三维荧光光谱(Threedimensional excitation-emission matrixes,3D-EEMs)分析表明,当预处理p H>12时,Maillard反应生成了大量腐殖酸类物质类黑素,导致菌渣甲烷产率显著降低。结合菌渣解体和有机物溶出效果,以及菌渣产甲烷性能,确定工艺参数为:p H=12,在微波辐射下控制菌渣样品温度为100℃维持3 min。采用小麦秸秆作为外加碳源,提出连续搅拌反应器厌氧消化处理庆大霉素菌渣工艺,并将高温消化沼渣作为土壤改良剂进行土壤模拟实验。考查不同CSTR运行条件对菌渣厌氧消化性能的影响,确定厌氧消化工艺参数为:菌渣:秸秆为1:1(VS计)、温度55℃、停留时间15 d;甲烷产率与VS去除率分别为342.88m L/g VS和71.99%,较菌渣中温消化分别提高22.05%和20.17%。秸秆投加和高温消化可促进水解效率、消除氨氮抑制、提高减量化和产甲烷性能,并具有良好的抗冲击负荷能力。沼渣作为土壤改良剂可显著提升土壤养分含量;基于随机森林与3D-EEMs-平行因子分析(Parallel factor analysis,PARAFAC)表明,腐殖酸类物质对提高土壤酶活性有积极促进作用。采用厌氧消化-沼渣土地利用的菌渣处理利用模式,可实现抗生素菌渣的综合利用。基于微生物群落演替、庆大霉素降解规律和ARGs丰度变化,探究菌渣厌氧消化与沼渣利用过程中微生物作用机制,研究ARGs控制和作用机制、ARGs传播风险,分析菌渣资源化利用安全性。结果表明,搅拌和高温使优势产甲烷菌从甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)转变为甲烷八叠球菌(Methanosarcina),缩短水力停留时间后甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)丰度增加;沼渣对土壤微生物群落结构产生明显影响。沼渣的施用增加了革兰氏阴性菌的竞争力,提高了与土壤肥效有关的微生物如溶杆菌(Lysobacter)和酸杆菌属(RB41)丰度。庆大霉素在在厌氧消化系统以及土壤环境中通过糖苷键断裂而降解,降解率为98.63±0.05%,其降解与钝化酶修饰无关,对微生物耐药性不产生选择压;采用共消化、高温、缩短水力停留时间有利于降低ARGs及其宿主丰度,降低通过接合和转化进行基因水平转移的风险;在避免频繁施肥的前提下(如不超过1年2次),沼渣作为土壤改良剂不会造成ARGs在土壤环境中的持续积累。通过厌氧消化条件的调控以及沼渣土地利用频率的控制,可降低ARGs丰度和ARGs垂直和水平传播风险,提高菌渣资源化利用安全性。
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