城市生活垃圾除臭微生物菌群的篩選

許麗娟，王 震，吳迎奔，陳 薇，許 雋，賀月林

(湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009)

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城市生活垃圾除臭微生物菌群的篩選

許麗娟，王 震，吳迎奔，陳 薇，許 雋，賀月林*

(湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009)

摘要：以氨和硫化氫的去除率為考評(píng)指標(biāo)，從生活垃圾中篩選出4株高效除臭菌株，根據(jù)各菌對(duì)氨和硫化氫去除能力的差異及菌株間功能互補(bǔ)作用，能動(dòng)地構(gòu)建了4個(gè)微生物除臭菌群，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了除臭試驗(yàn)及室內(nèi)垃圾除臭試驗(yàn)，結(jié)果表明：菌群1(由干酪乳桿菌和釀酒酵母組成)的除臭效果最好，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)氨的去除率達(dá)88.3%、硫化氫的去除率達(dá)75.3%；在垃圾除臭試驗(yàn)中，該菌群也有效地降低了垃圾的惡臭味。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾；除臭菌群；篩選

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的高度集中，城市生活垃圾也日益增多，人均年產(chǎn)垃圾為450 kg左右，并且以每年不低于8%的速度遞增[1]。我國(guó)城市生活垃圾年清運(yùn)量約為1.6億t[2]。而這些垃圾在轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的惡臭氣體，雖然不同地區(qū)產(chǎn)生的生活垃圾主要成分有所區(qū)別，但經(jīng)氣相色譜檢測(cè)表明，城市生活垃圾臭氣的主要成分為氨(NH3)和硫化氫(H2S)[1-3]。這些惡臭氣體除了對(duì)嗅覺(jué)產(chǎn)生心理厭惡等不愉快的感覺(jué)外，還會(huì)對(duì)人體呼吸、消化、心血管、內(nèi)分泌及神經(jīng)系統(tǒng)造成不同程度的毒害[4]。因此，臭氣污染治理也變得越來(lái)越迫切。以前常用的脫臭方法有液體吸收法、直接燃燒法、催化氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、吸附法、掩蔽法等[5]，但是這些方法都存在各種不足。而微生物除臭具有投資少、處理費(fèi)用低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)勢(shì)，對(duì)低濃度、大流量的惡臭氣體，尤其是水溶性較好的污染物有很好的除臭效果，無(wú)再生物和其他后處理，不會(huì)造成二次污染。因此微生物除臭已成為垃圾除臭發(fā)展的趨勢(shì)所在[6-7]。筆者從城市生活垃圾填埋場(chǎng)污泥及滲濾液中分離篩選出了4株高效除臭菌株，根據(jù)各菌株對(duì)氨和硫化氫的去除差異及各菌功能互補(bǔ)作用能動(dòng)地構(gòu)建了微生物除臭菌群，并研究了菌群對(duì)生活垃圾的除臭效果，以期為城市生活垃圾的微生物除臭提供參考，同時(shí)為臭氣污染治理提供菌種資源。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1菌種來(lái)源采用劃線法和涂布法，從城市生活垃圾填埋場(chǎng)污泥及滲濾液中分離篩選純化出高效的除臭菌株4株，并將各菌株進(jìn)行菌落及菌體形態(tài)學(xué)、生理生化和分子生物學(xué)方法鑒定，分別是干酪乳桿菌(LDJ)、枯草芽孢桿菌(BS-1)、釀酒酵母(JZ-6)、排硫硫桿菌(TS-1)，均由本實(shí)驗(yàn)室保藏。

1.1.2培養(yǎng)基MRS培養(yǎng)基：蛋白胨10 g，牛肉膏10 g，酵母膏5 g，檸檬酸氫二銨2.0 g，葡萄糖20 g，無(wú)水乙酸鈉5.0 g，磷酸氫二鉀2.0 g，硫酸鎂0.58 g，硫酸錳0.25 g，水1000 mL，pH 6.2～6.6。

PDA培養(yǎng)基：土豆200 g，蔗糖20 g，酵母膏2 g，磷酸二氫鉀2 g，硫酸鎂1 g，水1000 mL，pH 6.2～6.6。

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉膏3 g，蛋白胨10 g，氯化鈉5 g，水1000 mL，pH 7.2～7.4。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1除臭菌群的構(gòu)建根據(jù)各菌對(duì)氨和硫化氫去除能力的差異及菌株間功能互補(bǔ)作用，能動(dòng)地構(gòu)建了4個(gè)菌群，分別是菌群1(LDJ、JZ-6)、菌群2(LDJ、TS-1)、菌群3(BS-1、JZ-6)、菌群4(BS-1、TS-1)。菌群制備：按菌體活菌數(shù)1∶1進(jìn)行混配后用于后續(xù)除臭試驗(yàn)。

1.2.2除臭菌株間的拮抗試驗(yàn)將干酪乳桿菌(或其他菌株)稀釋后取1 mL稀釋液于滅菌的平皿中，倒入MRS培養(yǎng)基混勻待凝固后，(1)加上牛津杯，再往牛津杯中加入其他菌液，置于35 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)；(2)或直接將菌種接于凝固的平板上，將平板倒置于35 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，2 d后觀察試驗(yàn)結(jié)果。

1.2.3除臭菌群的篩選氨去除試驗(yàn)：取18 mL菌液于2 L大燒杯中，并加入500 mg/L的氨水2 mL；再往大燒杯中放入裝有20 mL 0.005 mol/L硫酸吸收液的50 mL小燒杯，蓋上雙層塑料薄膜密封。

硫化氫去除試驗(yàn)：取10 mL菌液于2 L大燒杯中，并加入10 mg/L的硫化氫溶液10 mL，再往大燒杯中放入裝有20 mL氫氧化鎘吸收液的50 mL小燒杯，蓋上雙層塑料薄膜密封[6]。

以上處理均以等量的無(wú)菌水作為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次，置于30 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。24 h后，取出小燒杯檢測(cè)氨或硫化氫的濃度。氨的測(cè)定采用納氏試劑比色法[8]，硫化氫的測(cè)定采用亞甲基藍(lán)比色法[9]。

1.2.4菌群pH值的測(cè)定用PHS-2F型數(shù)字pH計(jì)檢測(cè)各菌群的pH值。

1.2.5室內(nèi)垃圾除臭試驗(yàn)試驗(yàn)取城市生活垃圾填埋場(chǎng)的生活垃圾為惡臭源。將垃圾拌勻后分裝于20 L無(wú)蓋的塑料桶中(桶直徑為45 cm，高50 cm)，每桶裝量為7～8 kg，桶中垃圾高度為40 cm。接種量為10%，稀釋10倍后均勻噴施于垃圾中。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：菌群1(LDJ、JZ-6)、菌群2(LDJ、TS-1)、菌群3(BS-1、JZ-6)、空白對(duì)照(CK1)、加自來(lái)水對(duì)照(CK2)。各處理重復(fù)3次。置于室溫下，實(shí)測(cè)溫度為(30±2)℃。在距垃圾10 cm位置利用日本GASTEC公司生產(chǎn)的GV-100型便攜式惡臭氣體快速檢測(cè)儀檢測(cè)氨和硫化氫濃度，各試驗(yàn)組在處理前檢測(cè)氨和硫化氫的起始濃度后，按上述方法進(jìn)行處理，在處理后每隔2 h檢測(cè)氨和硫化氫濃度。

1.2.6菌劑使用量對(duì)除臭效果的影響將篩選出的菌群1(LDJ、JZ-6)活菌數(shù)為40×108CFU/mL，種間配比為3∶1時(shí)，以1%、3%、5%、8%、10%的接種量按上述試驗(yàn)方法均勻噴施于垃圾中，每個(gè)處理重復(fù)3次，考察菌劑使用量對(duì)氨和硫化氫去除效果的影響。

1.2.7菌劑間隔使用時(shí)間將菌群1以5%的接種量按上述垃圾除臭試驗(yàn)方法均勻噴施于垃圾中，連續(xù)22 h觀察惡臭變化情況，以不做任何處理的垃圾作空白對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次，摸索出菌劑間隔使用時(shí)間。

1.2.8去除率計(jì)算方法氨去除率=[(噴施前氨濃度-噴施后氨濃度)/噴施前氨濃度]×100%

硫化氫去除率=[(噴施前硫化氫濃度-噴施后硫化氫濃度)/噴施前硫化氫濃度]×100%

1.2.9數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05表明差異顯著。

2結(jié)果與分析

2.1除臭菌株間的拮抗試驗(yàn)

由圖1可知，4個(gè)菌株之間沒(méi)有出現(xiàn)抑菌圈，相互之間能生長(zhǎng)，因此拮抗試驗(yàn)表明各菌株間無(wú)拮抗作用。

2.2菌群的除臭效果

各處理的除臭效果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，菌群對(duì)氨和硫化氫的綜合去除效果要優(yōu)于單個(gè)菌株。而在4個(gè)菌群中，以菌群1(LDJ、JZ-6)的除臭效果最好，對(duì)氨的去除率達(dá)88.3%，硫化氫的去除率為75.3%；其次是菌群2(LDJ、TS-1)和菌群3(BS-1、JZ-6)。

2.3菌群的初始pH值

通過(guò)測(cè)定各菌群的pH值表明，菌群1的pH值為3.91，比菌群2、菌群3的pH值低。菌群1的低pH不利于雜菌生長(zhǎng)，因此有效地保證了菌劑的質(zhì)量。

2.4室內(nèi)垃圾除臭試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證菌群對(duì)生活垃圾的除臭效果，在實(shí)驗(yàn)室除臭的基礎(chǔ)上，將各菌群用于生活垃圾除臭處理。試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示(圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。

由空白組可知：氨和硫化氫濃度在一天中隨著氣溫的升高，臭氣濃度開(kāi)始回升；下午14:00左右，氣溫達(dá)到一天中的最大值，臭氣濃度也相應(yīng)達(dá)到最高點(diǎn)，之后氣溫逐漸下降，垃圾臭氣濃度也開(kāi)始降低；晚上20:00，氣溫下降，由于逆溫效應(yīng)的影響臭氣開(kāi)始匯聚，臭氣濃度升高,這與李元元[10]的研究結(jié)果基本一致。加施清水的對(duì)照組，只在噴水后很短時(shí)間內(nèi)惡臭味得到暫時(shí)緩解，但隨后回升，這可能是因?yàn)閲娝髳撼粑兜玫较♂審亩靡詼p弱，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，惡臭味開(kāi)始回升，并沒(méi)有減輕垃圾惡臭味。

圖1　除臭菌株間的拮抗試驗(yàn)

表1　各處理對(duì)氨和硫化氫的去除效果 %

注：同列數(shù)據(jù)后不同小字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

圖2　菌群的pH值

而在3個(gè)加菌的處理中，菌群1除臭效果要優(yōu)于其他菌群，這可能是由于該菌劑呈現(xiàn)較強(qiáng)酸性，在加菌后，NH3等堿性氣體被大量吸收，有效降低了釋放到環(huán)境中的惡臭氣體濃度[11]。同時(shí)，乳酸具有很強(qiáng)的殺菌能力，能有效抑制有害微生物的活動(dòng)和繁殖，減少有機(jī)物的急劇腐敗分解。而酵母菌則可利用氨基酸、糖類(lèi)及其他有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵，合成多種B族維生素和生理活性物質(zhì)促進(jìn)乳酸菌的增殖，為其提供重要的給養(yǎng)保障，增強(qiáng)有效菌的活性[12-13]，另外酵母菌本身會(huì)產(chǎn)生香味，可對(duì)臭氣起到掩蓋作用[14]。這種菌株間的協(xié)同作用提高了菌群的除臭效果。而菌群3在使用后臭味反而比空白高，這可能是該菌群的培養(yǎng)基反而激活了垃圾中的腐敗微生物而使得臭味更濃。另外，在氣溫較高的情況下，隨著垃圾放置時(shí)間的延長(zhǎng)，加清水的對(duì)照惡臭味也隨之增加，垃圾含水量的高低與惡臭濃度也有一定的關(guān)系，當(dāng)然，這還有待進(jìn)一步研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室除臭結(jié)果及垃圾除臭試驗(yàn)結(jié)果可知，菌群1的除臭效果好，且除臭性能穩(wěn)定。且菌群1(LDJ、JZ-6)是由乳酸菌與酵母菌組成，這與方向平等[15]認(rèn)為酵母菌與乳酸菌是生活垃圾脫臭的主要功能菌的研究結(jié)果基本一致。

2.5菌劑使用量對(duì)除臭效果的影響

通過(guò)對(duì)菌劑不同使用量的比較研究表明，使用量在5%、8%和10%時(shí)，均能有效地去除垃圾惡臭味。使用量在1%和3%時(shí)，使用效果明顯變差(圖5、圖6)。

2.6菌劑間隔使用時(shí)間

對(duì)菌劑連續(xù)22 h的除臭效果進(jìn)行了觀察，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。菌劑在使用12 h后，垃圾惡臭濃度持續(xù)升高，菌劑不能很好地控制垃圾惡臭，因此菌劑在使用12 h后，需補(bǔ)施1次。

圖3　氨濃度隨時(shí)間變化曲線

圖4　硫化氫濃度隨時(shí)間變化曲線

圖5　菌劑的使用量對(duì)氨的去除效果

圖6　菌劑的使用量對(duì)硫化氫的去除效果

3討論

由于臭氣成分復(fù)雜，不是一種微生物就能將臭氣全部去除，且試驗(yàn)結(jié)果也表明，菌群的除臭效果要優(yōu)于單個(gè)菌株的除臭效果[16-18]。本研究將高效去除氨和硫化氫且相互間無(wú)拮抗作用的菌株按去除效果進(jìn)行能動(dòng)地構(gòu)建，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室條件和室內(nèi)模擬垃圾除臭試驗(yàn)。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，菌群1對(duì)氨的去除率為88.3%，硫化氫的去除率為75.3%；在室內(nèi)模擬垃圾除臭試驗(yàn)中，在室溫為(30±2) ℃，菌劑使用量為5%，間隔使用時(shí)間為12 h時(shí)，菌群1的除臭效果最好。這可能是加入的微生物除臭菌劑強(qiáng)酸性(pH<4.0)抑制腐敗微生物的生理生化活動(dòng)，抑制惡臭產(chǎn)生的速度，使臭氣得到暫時(shí)控制，而隨著加菌時(shí)間的延長(zhǎng)，腐敗微生物適應(yīng)環(huán)境后，又開(kāi)始活動(dòng)，而有益微生物在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有大量繁殖，因此臭味又開(kāi)始回升。有益微生物隨著加入時(shí)間的延長(zhǎng)，在適宜的溫度下快速繁殖，菌量開(kāi)始增加，反過(guò)來(lái)又抑制了腐敗微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而使得臭氣產(chǎn)生少，臭氣濃度降低，以達(dá)到除臭的目的。當(dāng)然，菌群的除臭效果與環(huán)境條件(大氣溫度、垃圾濕度、垃圾成分等)也有著密切的關(guān)系。而且本次垃圾除臭試驗(yàn)雖監(jiān)測(cè)了22 h，更長(zhǎng)時(shí)間的除臭效果觀察與監(jiān)測(cè)值得研究。除臭菌群對(duì)腐敗微生物的抑制作用也有待進(jìn)一步研究。

圖7　氨濃度隨時(shí)間變化曲線

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

收稿日期：2016-01-06

基金項(xiàng)目：湖南省農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目(湘農(nóng)業(yè)計(jì)[2009]76號(hào))；湖南省科技廳重大專(zhuān)項(xiàng)(2009 FJ 1005)；湖南省生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系生豬產(chǎn)業(yè)規(guī)模養(yǎng)殖與環(huán)境控制崗位項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：許麗娟(1980─)，女，湖南岳陽(yáng)人，助理研究員，主要從事環(huán)境微生物的研究。*通訊作者：賀月林。

中圖分類(lèi)號(hào)：X172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)07-0087-05

Screening of Deodorizing Microorganisms from Municipal Solid Waste

XU Li-juan, WANG Zhen, WU Ying-ben, CHEN Wei, XU Juan, HE Yue-lin*

(Hunan Institute of Microbiology, Changsha 410009, China)

Abstract：Using the removal rate of ammonia and hydrogen sulfide as evaluation index, the author screened out four high-efficiency deodorizing microorganism strains from household garbage. According to the differences in deodorizing ability among various strains and their interactions, we actively constructed 4 deodorizing microorganism floras, and carried out deodorization experiments under laboratory conditions as well as deodorization tests for household garbage. The results showed that the flora 1, which was composed of Lactobacillus casei and Saccharomyces cerevisiae, exhibited the best deodorizing effect. Under laboratory conditions, the removal rate of ammonia and hydrogen sulfide by flora 1 reached 88.3% and 75.3%, respectively. In the deodorization tests for household garbage, flora 1 also effectively reduced the stench of garbage.

Key words：Municipal solid waste; Deodorant flora; Screening