秸秆污泥堆肥产纤维素酶细菌的筛选及产酶条件优化

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大量城市生活污泥的处理处置成为目前我国亟待解决的环境问题。堆肥化处理污泥是使其无害化、资源化的一条有效途径,具有广阔的应用前景。堆肥过程中的调理剂的选择对堆肥效率和产品品质的影响尤为重要,当前普遍使用的调理剂是农作物秸秆。作物秸秆的主要组成有纤维素、半纤维素和木质素,而粗纤维素作为一类相当难降解的高分子物质,不利于堆肥化的高效进行及养分的资源化利用,因此要解决秸秆污泥的堆肥问题应先解决纤维素的降解问题。一直以来,纤维素的微生物降解受到很大重视,已有不少关于纤维素酶产生菌、酶结构及其应用方面的研究。但大多是直接从土壤环境中筛选分离或是针对秸秆堆肥为主体的纤维素降解菌的筛选,在应用到以污泥堆肥为主体的环境中时往往处理效果不佳。堆肥化过程中细菌是降解有机物及产热的主要微生物类群(至少80~90%的微生物活动产生于细菌)。鉴于此,本研究主要针对细菌进行筛选,从秸秆污泥两者混合发酵后的堆肥产品中筛选高效的产纤维素酶细菌,旨在为污泥堆肥的生物处理提供原始菌株。因此,本研究主要有以下几方面工作:(1)试验选取扬州市汤汪污水处理厂的脱水污泥为堆肥基质,同时以秸秆(辅加一定比例的菌菇渣)为调理剂,控制堆肥基本原料(污泥和秸秆)的湿重比为固定值(1:0.025),通过改变辅料菌菇渣的比例分别设置了3个处理(堆体A、堆体B和堆体C)进行堆肥。分别考察3个堆体堆肥过程中的温度、pH、含水率、有机质含量、总氮量、铵态氮和硝态氮的含量等7个方面的变化趋势,对污泥的堆肥效果作连续一个月的理化性质的监测。通过对3个处理的7个评价指标的综合分析,发现对比于其他2个堆体,堆体C的升温优势明显,达到最高温所需时间最短且温度最高,堆体微生物代谢旺盛,有机质充分降解,水分大量散失,有效实现了污泥的减量化,同时氮素损失量偏低,且pH、有机质含量均在适宜堆肥发酵进行的范围内,堆肥效果呈现最佳,故从该堆体中采取样品进行筛菌工作。(2)从堆体C的堆肥产品中取样,利用以羧甲基纤维素钠为唯一碳源的选择性培养基富集驯化,并加以刚果红平板染色的方法进行初筛,选取得到周围有透明圈及长势旺盛的细菌16株。对初步筛选的16株细菌分别作滤纸降解实验和纤维素酶活力测定,筛选得到1株相对高效的纤维素降解菌株S9,其发酵4天后羧甲基纤维素酶(CMCase)和滤纸酶(FPase)分别达到46.00U/mL和18.21U/mL。结合形态观察,并通过对菌株S9的16S rDNA基因序列进行基因库比对和进化树构建等一系列工作,发现菌株S9与Devosia sp.DDB001亲缘关系最近。(3)通过单因子实验,对细菌S9的产酶发酵条件进行优化。分别考察不同发酵时间、发酵温度、摇床转速、接种量和培养基初始pH对菌株生长量和纤维素酶活力的影响,结果表明其产酶发酵的最佳发酵时间为60h,培养温度30℃,转速130rpm、接种量在4%以及最适初始pH范围为7.2~7.5,且在该条件下其FPase和CMCase活力分别达到23.10U/mL和54.97U/mL。
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