利用牛糞濃漿水為原料的光合細菌發酵研究

趙 芹, 胡 佩, 喻 鵬, 陳舒平, 劉 詠

(四川師范大學 化學與材料學院, 四川 成都 610066)

利用牛糞濃漿水為原料的光合細菌發酵研究

趙 芹, 胡 佩*, 喻 鵬, 陳舒平, 劉 詠

(四川師范大學 化學與材料學院, 四川 成都 610066)

畜禽養殖污染是造成我國農村面源污染的主要原因之一.傳統的畜禽糞便處理方式是通過一系列處理方法使其達標排放,浪費了其中大量的有機物、氨氮等物質.以牛糞水為處理對象,首先篩選破膠劑對其進行預處理,再將其作為微生物培養基,進行光合細菌培養.實驗結果表明:在牛糞水中加入破膠劑JP-1處理后得到的上清液作為培養基原料,在溫度為35.5 ℃、pH值為7.67～7.98、最佳光照時間為48 h的條件下培養光合細菌,其菌液吸光度達到2.185.;因此,以牛糞水為原料的光合細菌培養方法具有可行性.

畜禽糞便; 破膠劑; 光合細菌; 資源化利用

隨著經濟和社會的發展,畜牧業由傳統的分散養殖轉向集約化養殖,集約化畜牧業在提高產能產量的同時,也產生了大量的畜禽糞便[1].畜禽養殖污染是造成我國農村面源污染的主要原因之一[2],不僅嚴重制約農業和畜牧業的可持續發展,同時也嚴重影響社會和諧[3].如何對畜禽糞便進行高效合理的處理和利用,顯得至關重要.

由于畜禽糞便產生量大、含水率高、運輸和貯存困難,因此國內外都投入了大量的人力、物力、財力來解決此項問題.現有的畜禽糞便處理技術主要采用固液分離處理,以期達到減量化的效果[4-10];然而這一技術的弊端在于產生了更難處理的牛糞濃漿水,進而需對牛糞濃漿水進行再一步的處理.在現有工藝中,牛糞濃漿水有2個處理方法.一是進入污水處理廠,經處理后達標排放;此方法消耗大量經濟成本,同時牛糞水中富含的有機物、氨氮等物質最終轉化成二氧化碳、氮氣和水等排放至環境中,無疑浪費牛糞水中的資源物質.二是采用沼氣處理工藝,利用微生物厭氧發酵、沼氣凈化,產生新能源沼氣達到資源化利用[11-12];但沼氣化利用也是一把“雙刃劍”,該工藝中會產生大量活性污泥,造成嚴重的二次污染,同時產生的沼液、沼渣也處于難處理狀態;目前,大量的跟蹤研究數據顯示,沼液、沼渣并不能達到排放標準,長期持續施用會不同程度的造成土壤重金屬的積累[13-14].

近年來,一類具有光能合成系統的原核微生物——光合細菌的研究,受到了世界各界人士的關注.光合細菌被廣泛地應用于污水處理、養殖種植業、酸性土壤改良等研究中[15-30],對環境污染物的原位生物修復具有重要的環境意義;因此對光合細菌的研究具有重要的科學理論指導意義.

光合細菌的生長主要受pH、營養物質(碳源和氮源等)、溫度、光照、厭氧等[31-33]的影響.畜禽糞便中含有大量可供微生物生長利用的營養物質,如豐富的C、N等元素,且能滿足光合細菌對營養物質的要求;牛糞水pH值為7.67～7.98,呈弱堿性,符合光合細菌生產條件對pH的要求;此外,溫度和厭氧條件亦處于可控制條件.因此,本實驗利用難處理的牛糞水作為培養基培養光合細菌,解決牛糞水處理難的問題,應用于微生物培養過程中,獲得有價值的產品,達到資源化利用.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 牛糞水試樣 實驗選用新希望示范牧場的新鮮牛糞水,其主要理化性質如表1所示.

1.1.2 預處理藥品 實驗選用自制絮凝劑JP-1、殼聚糖(KJT)和自制絮凝劑LSR作為預處理試劑.

表 1 牛糞水理化性質

1.1.3 實驗用菌種及培養基 本實驗選用市面購買的紅螺菌科紅假單細胞菌光合細菌菌液,利用牛肉膏蛋白胨固體培養基(牛肉膏5.0 g,氯化鈉5.0 g,蛋白胨10.0 g,瓊脂粉25.0 g,蒸餾水1 000.0 mL)進行分離提純,得到光合細菌菌種;再用擴大培養基(檸檬酸鈉4.0 g,磷酸二氫鉀0.9 g,硫酸銨1.0 g,微量元素1.0 g,酵母膏1.0 g,硫酸鎂0.4 g,蒸餾水1.0 L)培養得到光合細菌種子液.本實驗所用到的光合細菌種子液均由此得到.

1.2 實驗方法

1.2.1 牛糞水預處理 取100 mL牛糞水于潔凈燒杯中,按照破膠劑聚沉質量濃度計算出破膠劑最大添加量,再加入稀釋水,調節牛糞水體積分數至50%.用玻璃棒快速攪拌3 min,取100 mL混合液體于潔凈離心管,放于高速離心機中以4 000 r/min轉速離心4 min,取上層清液,作為培養基原料,備用以接種光合細菌.

1.2.2 光合細菌培養 選用市面購買的紅螺菌科紅假單細胞菌光合細菌菌液,經分離提純得到光合細菌菌種.分離提純的培養基選擇牛肉膏蛋白胨培養基,分離純化的方法采用澆注平板法.將純種光合細菌接種至擴大培養基中,培養得到光合細菌種子液.

取牛糞水預處理后得到的上清液至潔凈透明聚乙烯瓶,自然條件接種光合細菌種子液,控制光照、pH值(7.67～7.98)、溫度(35.5 ℃)和培養時間等,采用OD660值法[34]測定光合細菌吸光度,得到第一代光合細菌產品;同時以光合細菌擴大培養基作為對照實驗.

再以光合細菌第一代產品作為接種液,連續接種光合細菌,培養得到第二代產品;同理培養第三代產品,測定菌液吸光度.

1.2.3 光合細菌檢測 光合細菌生產過程中產生的色素能使菌液顏色產生明顯變化,菌體繁殖越多,則產生的色素越多,菌液的顏色相應加深.本實驗采用OD660值法[34]測定光合細菌生長質量濃度.

2 實驗結果及分析

2.1 不同的破膠劑對牛糞濃漿水處理效果

2.1.1 破膠劑初篩選 3種破膠劑對牛糞水的處理效果如圖1所示.加入JP-1處理后,上清液清晰透亮,將離心管倒立放置,固體物質保持穩定,液體不渾濁.加入KJT處理后,離心效果相對JP-1處理效果渾濁,將離心管倒立放置,固體部分稍有流動.加入LSR處理后,離心也有分層效果,但固體物質從體積上多余前2種處理中的固體物質,將離心管倒立放置,固體物質流動性強,液體重現渾濁.

2.1.2 牛糞水預處理后水質分析 調節3種破膠劑添加量,對牛糞水處理效果如表2所示.根據實驗數據知:

1) 破膠劑JP-1處理效果:對比實驗編號JP-1-1～JP-1-8,當破膠劑JP-1添加質量分數由1.00%減至0.40%時,離心后平均出水量為91 mL,色度均達到128倍,濁度為51 ～75 FTU,依次有所增加,平均值為62 FTU.當JP-1質量分數減少至0.20%時,濁度增加至251 FTU.繼續減少JP-1用量,質量分數從0.16%減少至0.10%時,出水量減少,平均值為85 mL,色度為256倍,濁度范圍為333～756 FTU.對比實驗編號JP-1-9～JP-1-13,當破膠劑JP-1質量分數同為1.00%時,依次減少稀釋水用量,離心后出水量相應減少,平均值為85 mL;隨著稀釋水用量減少,牛糞水體積分數增大,色度增大,牛糞水體積分數為50%時色度為128倍,后4組實驗色度值為256倍;濁度也呈遞增趨勢,稀釋水用量降為0時,濁度達到225 FTU.

表 2 3種破膠劑對牛糞水色度、濁度的降低效果

2) 破膠劑KJT處理效果:對比實驗組KJT-1～KJT-6,牛糞水體積分數為50%時,破膠劑KJT質量分數從0.40%依次減少至0.04%,出水量平均值為83 mL;KJT質量分數為0.40%和0.20%時,色度均為128倍,濁度分別為52和69 FTU,繼續減少KJT用量,色度增大為256倍,濁度也隨用量減少而依次增大,范圍是214～774 FTU.

3) 破膠劑LSR處理效果:對比實驗組LSR-1～LSR-4,牛糞水體積分數為50%,破膠劑LSR質量分數從2.00%減少至0.08%,出水量平均值為65 mL;色度從128倍上升至 256倍;濁度值從320增加至796 FTU.

綜上分析,JP-1處理后的出水量高于其余2種破膠劑處理后的出水量;3種處理中色度和濁度均有降低效果,其中按質量分數為0.01%的比例加入破膠劑JP-1處理效果最佳.為探究3種破膠劑處理對后期光合細菌培養有無影響,分別選取3種破膠劑處理中的最佳添加量,繼續下一步實驗.

2.2 選定的處理劑對光合細菌生長情況的影響 分別取3種破膠劑預處理最佳效果(即試驗編號JP-1-1、KJT -1、 LSR-1)得到的上清液,接種質量分數10%菌種,觀察光合細菌生長情況.以牛肉膏蛋白胨固體培養基作對比實驗,結果見表3.

表 3 光合細菌生產情況

注：√表示出現生產跡象,×表示無生長跡象.

實驗表明,經過JP-1處理后的牛糞水接種光合細菌,在36 h后出現明顯的生長情況,而另外2種處理均無光合細菌生長現象.在牛糞水中加入破膠劑KJT和LSR可能對光合細菌的生長產生抑制作用,因此本實驗最終選定JP-1作為牛糞預處理有效試劑,進行下一步實驗.

2.3 光合細菌擴大連續培養生長情況 用JP-1處理后的牛糞水作為培養基,接種光合細菌,連續培養,測定其吸光度,得到數據如表4所示.以牛糞水為原料,接種光合細菌菌種,前12 h無生長,生長速率為零;24 h后出現生長跡象,吸光度增加0.536;時間達到36 h后吸光度值達到1.924,增長量為1.358,生長速率為3.77%;48 h后吸光度為2.185,增長量為1.619,生長速率為3.37%;72 h后菌液菌液吸光度為2.243,增加1.677,生長速度為2.33%;96 h后菌液吸光度達到2.267,增長量為1.701,生長速率為1.77%.綜上,菌液的生長在48 h時達到穩定期,48 h為最佳培養時間.對比用牛肉膏蛋白胨培養基培養得到的光合細菌,牛糞水培養基培養得到的光合細菌產品OD660值更高.光合細菌在連續倍增培養過程中,OD660值增長趨勢與第一代產品相同,表明其生長特性穩定,適合進行部分循環連續培養.

表 4 光合細菌吸光度測定

3 結論

1) 本研究利用破膠劑對牛糞水進行預處理,成功打破牛糞水膠體狀態,在干濕分離的基礎上,將牛糞水二次分離.

2) 實驗表明破膠劑JP-1處理后的牛糞水可以作為培養基原料進行光合細菌培養,而另外2種破膠劑(LSR和KJT)處理后的牛糞水不能用于培養光合細菌.以JP-1處理后的牛糞水上清液為培養基,在溫度為35.5 ℃、pH值為7.67～7.98、光照時間為48 h的條件下培養光合細菌,其菌液吸光度達到2.185;且在相同條件下,以牛糞水為培養基可以進行光合細菌部分循環連續培養.

3) 本實驗利用牛糞水為原料進行光合細菌培養的方法具有可行性.

[1] 中華人民共和國環境保護部,中華人民共和國國家統計局,中華人民共和國農業部. 第一次全國污染源普查公報[A]. 國家統計局,2010-02-11.

[2] 國家統計局. 中國統計年鑒2015[M]. 北京:中國統計出版社,2015.

[3] 廖新俤. 我國畜禽糞便創新性處置影響因素分析[J]. 中國家禽,2012,34(5):1-4.

[4] 李瑜,付海冬,姚慧敏. 集約化畜禽養殖場畜禽糞便資源化利用途徑[J]. 現代農業科技,2009(5):241-242.

[5] 黃宏坤. 規模化畜禽養殖場廢棄物無害化處理及資源化利用研究[D]. 北京:中國農業科學院,2001.

[6] 范梅華,張建華. 環境友好型社會下如何處理畜禽糞便[J]. 中國禽業導刊,2006(24):18-21.

[7] 程紹明,馬楊暉,姜雄暉. 我國畜禽糞便處理利用現狀及展望[J]. 農機化研究,2009(2):222-224.

[8] VUKINA T. The relationship between contracting and livestock waste pollution[J]. Applied Economic Perspectives and Policy,2003,25(1):66-88.

[9] MARTINEZ J. Livestock waste treatment systems for environmental quality, food safety, and sustainability[J]. Bio Resource Technology,2009,100(22):5527-5536.

[10] 王士杰. 規模化養殖場污水治理模式分析[J]. 民營科技,2014(7):248-248.

[11] 張田,卜美東,耿維. 中國畜禽糞便污染現狀及產沼氣潛力[J]. 生態學雜志,2012(5):1241-1249.

[12] 田宜水. 中國規模化養殖場畜禽糞便資源沼氣生產潛力評價[J]. 農業工程學報,2012(8):237-241.

[13] 夏訓峰,吳文良,王靜慧. 用沼氣法處理規模化養殖場畜禽糞便的優點及存在問題[J]. 可再生能源,2003(2):26-28.

[14] FISCHER G. Livestock production planning under environmental risks and uncertainties[J]. J Systems Science and Systems Engineering,2006,5(4):399-418.

[15] 韓梅,陳錫時,張良,等. 光合細菌研究概況及其應用進展[J]. 沈陽農業大學學報,2002,33(5):387-389.

[16] 何劍丹,龍炳清,劉長根,等. 光合細菌的應用現狀與前景[J]. 四川師范大學學報(自然科學版),2005,28(1):114-116.

[17] 黃鳳蓮,張寒冰,夏北成,等. 光合細菌在環境治理中的作用[J]. 廣州環境科學,2004,19(3):2-8.

[18] 黃翔峰,李春鞠,章非娟. 光合細菌法處理高濃度有機廢水工藝探討[J]. 中國給水排水,2005,21(2):27-30.

[19] 丁成. 生物流化床固定化光合細菌處理含酚廢水試驗[J]. 四川師范大學學報(自然科學版),2009,32(4):513-517.

[20] 艾翠玲. 光合細菌對高濃度味精廢水處理效果的影響[J]. 環境科學與管理,2008,33(10):123-126.

[21] 謝冰,史家梁,徐亞同. 有機廢水的復合光合細菌法處理及機理初探[J]. 應用與環境生物學報,1999,5:88-90.

[22] 馬杰,呂躍鋼,何亞明. 光合細菌處理豆制品廢水影響因素的探討[J]. 北京輕工業學院學報,2000,18(1):5-8.

[23] TSYGANKOV A S. Hydrogen photoproduction by three different nitrogenases in whole cells of Anabaena variabilis and the dependence on Ph[J]. International J Hydrogen Energy,1997,22(9):859-867.

[24] 尤希鳳,崔巖,師玉忠,等. 光合細菌黑暗好氧條件下處理豬糞污水效果的影響因素研究[J]. 河南農業大學學報,2007,41(6):677-679.

[25] 劉如林. 光和細菌及其利用[M]. 北京:中國農業科學出版社,1991:163-164.

[26] 龍思思,謝數濤. 光合細菌及其應用現狀[J]. 生態科學,2002,21(1):91-94.

[27] 劉磊,金梅,許波,等. 全價飼料中添加有益光合細菌在仔豬生產中的應用[J]. 中國農學通報,2011,27(20):45-50.

[28] 吳小平,呂川冰,陳鋒. 光合細菌在種植業上的應用研究[J]. 江西農業大學學報,2004,26(2):278-281.

[29] 吳小平,鄭耀通,曹榕彬,等. 大豆田間施用光合細菌的效果[J]. 福建農林大學學報(自然科學版),2002,32(1):117-119.

[30] 權小芳,馬曉豐,田維熙. 光合細菌對動物的營養作用及對動物疾病的防治作用[J]. 中國動物保健,2011,13(2):27-30.

[31] 徐麗麗,莊傳東,賈友敦,等. 光合細菌最佳生長條件篩選[J]. 生物技術,2007,17(2):77- 82.

[32] 李朝霞,丁成. 富營養化水體中光合細菌的分離、鑒定與生長條件研究[J]. 四川師范大學學報(自然科學版),2007,30(6):794-798.

[33] 張道南,孫其煥,陳乃松,等. 紅螺菌科光合細菌的分離、培養及其作為魚蝦類餌料添加劑的初步研究[J]. 水產學報,1988,12(4):367-369.

[34] 師玉忠,張全國,王毅,等. 生物質制氫的光合細菌連續培養技術實驗研究[J]. 農業工程學報,2008,24(6):218-221.

(編輯 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

四川省教育廳自然科學重點基金(15ZA008)

X172

A

1001-8395(2017)03-0352-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.014

*通信作者簡介:胡 佩(1965—),男,副教授,主要從事環境微生物學的研究,E-mail:1020968458@qq.com