利用牛粪浓浆水为原料的光合细菌发酵研究

赵 芹, 胡 佩, 喻 鹏, 陈舒平, 刘 咏

(四川师范大学 化学与材料学院, 四川 成都 610066)

利用牛粪浓浆水为原料的光合细菌发酵研究

赵 芹, 胡 佩*, 喻 鹏, 陈舒平, 刘 咏

(四川师范大学 化学与材料学院, 四川 成都 610066)

畜禽养殖污染是造成我国农村面源污染的主要原因之一.传统的畜禽粪便处理方式是通过一系列处理方法使其达标排放,浪费了其中大量的有机物、氨氮等物质.以牛粪水为处理对象,首先筛选破胶剂对其进行预处理,再将其作为微生物培养基,进行光合细菌培养.实验结果表明:在牛粪水中加入破胶剂JP-1处理后得到的上清液作为培养基原料,在温度为35.5 ℃、pH值为7.67～7.98、最佳光照时间为48 h的条件下培养光合细菌,其菌液吸光度达到2.185.;因此,以牛粪水为原料的光合细菌培养方法具有可行性.

畜禽粪便; 破胶剂; 光合细菌; 资源化利用

随着经济和社会的发展,畜牧业由传统的分散养殖转向集约化养殖,集约化畜牧业在提高产能产量的同时,也产生了大量的畜禽粪便[1].畜禽养殖污染是造成我国农村面源污染的主要原因之一[2],不仅严重制约农业和畜牧业的可持续发展,同时也严重影响社会和谐[3].如何对畜禽粪便进行高效合理的处理和利用,显得至关重要.

由于畜禽粪便产生量大、含水率高、运输和贮存困难,因此国内外都投入了大量的人力、物力、财力来解决此项问题.现有的畜禽粪便处理技术主要采用固液分离处理,以期达到减量化的效果[4-10];然而这一技术的弊端在于产生了更难处理的牛粪浓浆水,进而需对牛粪浓浆水进行再一步的处理.在现有工艺中,牛粪浓浆水有2个处理方法.一是进入污水处理厂,经处理后达标排放;此方法消耗大量经济成本,同时牛粪水中富含的有机物、氨氮等物质最终转化成二氧化碳、氮气和水等排放至环境中,无疑浪费牛粪水中的资源物质.二是采用沼气处理工艺,利用微生物厌氧发酵、沼气净化,产生新能源沼气达到资源化利用[11-12];但沼气化利用也是一把“双刃剑”,该工艺中会产生大量活性污泥,造成严重的二次污染,同时产生的沼液、沼渣也处于难处理状态;目前,大量的跟踪研究数据显示,沼液、沼渣并不能达到排放标准,长期持续施用会不同程度的造成土壤重金属的积累[13-14].

近年来,一类具有光能合成系统的原核微生物——光合细菌的研究,受到了世界各界人士的关注.光合细菌被广泛地应用于污水处理、养殖种植业、酸性土壤改良等研究中[15-30],对环境污染物的原位生物修复具有重要的环境意义;因此对光合细菌的研究具有重要的科学理论指导意义.

光合细菌的生长主要受pH、营养物质(碳源和氮源等)、温度、光照、厌氧等[31-33]的影响.畜禽粪便中含有大量可供微生物生长利用的营养物质,如丰富的C、N等元素,且能满足光合细菌对营养物质的要求;牛粪水pH值为7.67～7.98,呈弱碱性,符合光合细菌生产条件对pH的要求;此外,温度和厌氧条件亦处于可控制条件.因此,本实验利用难处理的牛粪水作为培养基培养光合细菌,解决牛粪水处理难的问题,应用于微生物培养过程中,获得有价值的产品,达到资源化利用.

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 牛粪水试样 实验选用新希望示范牧场的新鲜牛粪水,其主要理化性质如表1所示.

1.1.2 预处理药品 实验选用自制絮凝剂JP-1、壳聚糖(KJT)和自制絮凝剂LSR作为预处理试剂.

表 1 牛粪水理化性质

1.1.3 实验用菌种及培养基 本实验选用市面购买的红螺菌科红假单细胞菌光合细菌菌液,利用牛肉膏蛋白胨固体培养基(牛肉膏5.0 g,氯化钠5.0 g,蛋白胨10.0 g,琼脂粉25.0 g,蒸馏水1 000.0 mL)进行分离提纯,得到光合细菌菌种;再用扩大培养基(柠檬酸钠4.0 g,磷酸二氢钾0.9 g,硫酸铵1.0 g,微量元素1.0 g,酵母膏1.0 g,硫酸镁0.4 g,蒸馏水1.0 L)培养得到光合细菌种子液.本实验所用到的光合细菌种子液均由此得到.

1.2 实验方法

1.2.1 牛粪水预处理 取100 mL牛粪水于洁净烧杯中,按照破胶剂聚沉质量浓度计算出破胶剂最大添加量,再加入稀释水,调节牛粪水体积分数至50%.用玻璃棒快速搅拌3 min,取100 mL混合液体于洁净离心管,放于高速离心机中以4 000 r/min转速离心4 min,取上层清液,作为培养基原料,备用以接种光合细菌.

1.2.2 光合细菌培养 选用市面购买的红螺菌科红假单细胞菌光合细菌菌液,经分离提纯得到光合细菌菌种.分离提纯的培养基选择牛肉膏蛋白胨培养基,分离纯化的方法采用浇注平板法.将纯种光合细菌接种至扩大培养基中,培养得到光合细菌种子液.

取牛粪水预处理后得到的上清液至洁净透明聚乙烯瓶,自然条件接种光合细菌种子液,控制光照、pH值(7.67～7.98)、温度(35.5 ℃)和培养时间等,采用OD660值法[34]测定光合细菌吸光度,得到第一代光合细菌产品;同时以光合细菌扩大培养基作为对照实验.

再以光合细菌第一代产品作为接种液,连续接种光合细菌,培养得到第二代产品;同理培养第三代产品,测定菌液吸光度.

1.2.3 光合细菌检测 光合细菌生产过程中产生的色素能使菌液颜色产生明显变化,菌体繁殖越多,则产生的色素越多,菌液的颜色相应加深.本实验采用OD660值法[34]测定光合细菌生长质量浓度.

2 实验结果及分析

2.1 不同的破胶剂对牛粪浓浆水处理效果

2.1.1 破胶剂初筛选 3种破胶剂对牛粪水的处理效果如图1所示.加入JP-1处理后,上清液清晰透亮,将离心管倒立放置,固体物质保持稳定,液体不浑浊.加入KJT处理后,离心效果相对JP-1处理效果浑浊,将离心管倒立放置,固体部分稍有流动.加入LSR处理后,离心也有分层效果,但固体物质从体积上多余前2种处理中的固体物质,将离心管倒立放置,固体物质流动性强,液体重现浑浊.

2.1.2 牛粪水预处理后水质分析 调节3种破胶剂添加量,对牛粪水处理效果如表2所示.根据实验数据知:

1) 破胶剂JP-1处理效果:对比实验编号JP-1-1～JP-1-8,当破胶剂JP-1添加质量分数由1.00%减至0.40%时,离心后平均出水量为91 mL,色度均达到128倍,浊度为51 ～75 FTU,依次有所增加,平均值为62 FTU.当JP-1质量分数减少至0.20%时,浊度增加至251 FTU.继续减少JP-1用量,质量分数从0.16%减少至0.10%时,出水量减少,平均值为85 mL,色度为256倍,浊度范围为333～756 FTU.对比实验编号JP-1-9～JP-1-13,当破胶剂JP-1质量分数同为1.00%时,依次减少稀释水用量,离心后出水量相应减少,平均值为85 mL;随着稀释水用量减少,牛粪水体积分数增大,色度增大,牛粪水体积分数为50%时色度为128倍,后4组实验色度值为256倍;浊度也呈递增趋势,稀释水用量降为0时,浊度达到225 FTU.

表 2 3种破胶剂对牛粪水色度、浊度的降低效果

2) 破胶剂KJT处理效果:对比实验组KJT-1～KJT-6,牛粪水体积分数为50%时,破胶剂KJT质量分数从0.40%依次减少至0.04%,出水量平均值为83 mL;KJT质量分数为0.40%和0.20%时,色度均为128倍,浊度分别为52和69 FTU,继续减少KJT用量,色度增大为256倍,浊度也随用量减少而依次增大,范围是214～774 FTU.

3) 破胶剂LSR处理效果:对比实验组LSR-1～LSR-4,牛粪水体积分数为50%,破胶剂LSR质量分数从2.00%减少至0.08%,出水量平均值为65 mL;色度从128倍上升至 256倍;浊度值从320增加至796 FTU.

综上分析,JP-1处理后的出水量高于其余2种破胶剂处理后的出水量;3种处理中色度和浊度均有降低效果,其中按质量分数为0.01%的比例加入破胶剂JP-1处理效果最佳.为探究3种破胶剂处理对后期光合细菌培养有无影响,分别选取3种破胶剂处理中的最佳添加量,继续下一步实验.

2.2 选定的处理剂对光合细菌生长情况的影响 分别取3种破胶剂预处理最佳效果(即试验编号JP-1-1、KJT -1、 LSR-1)得到的上清液,接种质量分数10%菌种,观察光合细菌生长情况.以牛肉膏蛋白胨固体培养基作对比实验,结果见表3.

表 3 光合细菌生产情况

注：√表示出现生产迹象,×表示无生长迹象.

实验表明,经过JP-1处理后的牛粪水接种光合细菌,在36 h后出现明显的生长情况,而另外2种处理均无光合细菌生长现象.在牛粪水中加入破胶剂KJT和LSR可能对光合细菌的生长产生抑制作用,因此本实验最终选定JP-1作为牛粪预处理有效试剂,进行下一步实验.

2.3 光合细菌扩大连续培养生长情况 用JP-1处理后的牛粪水作为培养基,接种光合细菌,连续培养,测定其吸光度,得到数据如表4所示.以牛粪水为原料,接种光合细菌菌种,前12 h无生长,生长速率为零;24 h后出现生长迹象,吸光度增加0.536;时间达到36 h后吸光度值达到1.924,增长量为1.358,生长速率为3.77%;48 h后吸光度为2.185,增长量为1.619,生长速率为3.37%;72 h后菌液菌液吸光度为2.243,增加1.677,生长速度为2.33%;96 h后菌液吸光度达到2.267,增长量为1.701,生长速率为1.77%.综上,菌液的生长在48 h时达到稳定期,48 h为最佳培养时间.对比用牛肉膏蛋白胨培养基培养得到的光合细菌,牛粪水培养基培养得到的光合细菌产品OD660值更高.光合细菌在连续倍增培养过程中,OD660值增长趋势与第一代产品相同,表明其生长特性稳定,适合进行部分循环连续培养.

表 4 光合细菌吸光度测定

3 结论

1) 本研究利用破胶剂对牛粪水进行预处理,成功打破牛粪水胶体状态,在干湿分离的基础上,将牛粪水二次分离.

2) 实验表明破胶剂JP-1处理后的牛粪水可以作为培养基原料进行光合细菌培养,而另外2种破胶剂(LSR和KJT)处理后的牛粪水不能用于培养光合细菌.以JP-1处理后的牛粪水上清液为培养基,在温度为35.5 ℃、pH值为7.67～7.98、光照时间为48 h的条件下培养光合细菌,其菌液吸光度达到2.185;且在相同条件下,以牛粪水为培养基可以进行光合细菌部分循环连续培养.

3) 本实验利用牛粪水为原料进行光合细菌培养的方法具有可行性.

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(编辑 余 毅)

Thick Slurry of Cow Dung as Raw Material for Fermentation of Photosynthetic Bacteria

ZHAO Qin, HU Pei, YU Peng, CHEN Shuping, LIU Yong

(CollegeofChemistry&Materials,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan)

Agricultural non-point source pollution with livestock waste is a nationwide issue of major concern. To solve the problems in the current livestock excrements treatment process, such as the waste of organic materials and ammonia nitrogen, the cow dung thick slurry is used as the nutrient medium to cultivate photosynthetic bacteria in this paper. Before the bacterial culture, the gel breaker was used as a pretreatment agent to reduce the chromaticity of cow dung thick slurry. The results indicated that the photosynthetic bacteria is achieved under the condition of the temperature is 35.5 ℃, pH is 7.67 to 7.98 and the best illumination time is 48 hours, and the bacteria liquid absorbance is as high as 2.185. This method that using the cow dung thick slurry as the nutrient medium to cultivate photosynthetic bacteria is feasible.

livestock and poultry dung; gel breaker; photosynthetic bacteria; resource utilization

2016-07-18

四川省教育厅自然科学重点基金(15ZA008)

X172

A

1001-8395(2017)03-0352-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.014

*通信作者简介:胡 佩(1965—),男,副教授,主要从事环境微生物学的研究,E-mail:1020968458@qq.com