微生物技術(shù)在城市生活垃圾處理中的應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： 本文結(jié)合堆肥化、衛(wèi)生填埋兩種現(xiàn)行的城市生活垃圾處理工藝，主要介紹了城市生活垃圾生物處理過程中的微生物種群，以及通過分析開發(fā)出的新的微生物技術(shù)，指出了應(yīng)用于城市生活垃圾處理的高效的微生物技術(shù)的研究方向。
關(guān)鍵字：城市生活垃圾 微生物 強(qiáng)化微生物處理技術(shù) 基因工程

隨著城市化進(jìn)程在全球范圍的加速，城市化帶來的環(huán)境污染和人類聚居狀況惡化等問題，已成為世界各國(guó)共同關(guān)心的問題。城市生活垃圾（Municipal solid waste, 簡(jiǎn)稱MSW）是在城市日常生活及為城市生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢棄物，是城市環(huán)境的主要污染物之一。目前，城市生活垃圾處理處置的方法主要包括衛(wèi)生填埋（Sanitary landfill）、堆肥化(Composting)、焚燒(Incineration)三種，其中前兩種處理方式均屬于生物處理技術(shù)。具體來說，MSW生物處理技術(shù)就是城市生活垃圾中固有的或外添加的微生物，在一定控制條件下，進(jìn)行一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，使得MSW中的不穩(wěn)定的有機(jī)物代謝后釋放能量或轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞物質(zhì)，從而MSW逐步達(dá)穩(wěn)定化的一個(gè)生化過程。

1. 城市生活垃圾生物處理中主要的微生物

MSW生物處理技術(shù)主要包括好氧和厭氧生物處理。好氧生物處理如：好氧堆肥、生物反應(yīng)器填埋等，其工藝中的微生物主要有細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物種群。厭氧生物處理，如：厭氧消化、厭氧填埋等，其工藝中的微生物又稱“瘤胃微生物”，主要有水解細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群等。

1.1 城市生活垃圾好氧生物處理中的微生物

1.1.1 細(xì)菌

在MSW好氧生物降解過程中，細(xì)菌憑借強(qiáng)大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中，進(jìn)行胞內(nèi)代謝。總的來說，其數(shù)量要比放線菌和真菌多得多。當(dāng)然，在不同的環(huán)境中分離的細(xì)菌在分類學(xué)上具有多樣性，主要有假單胞菌屬（pseudomonas）、克雷伯氏菌屬（klebsiella）以及芽孢桿菌屬（bacillus）的細(xì)菌^[1]。在堆肥過程中，細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢(shì)是高-低-高。堆肥初期，有機(jī)廢物中攜帶有的大量細(xì)菌分解有機(jī)物質(zhì)釋放能量，使堆體溫度上升，此時(shí)，常溫細(xì)菌受到抑制，嗜溫細(xì)菌活躍；當(dāng)堆溫升至高溫階段，只有少量的嗜熱細(xì)菌可以活動(dòng)；高溫期過后，隨著有機(jī)成分的減少，堆體溫度降低，嗜溫及常溫細(xì)菌又開始活躍，使細(xì)菌總數(shù)上升。整個(gè)好氧降解過程中，嗜溫細(xì)菌是堆肥系統(tǒng)中最主要的微生物。

1.1.2 放線菌

放線菌具有多細(xì)胞菌絲，可以分解一些纖維素,并溶解木質(zhì)素。它比真菌能夠忍受更高的溫度和pH值,在垃圾生物降解的高溫階段是分解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢(shì)菌群。研究表明，諾卡氏菌（nocardia）、鏈霉菌（streptomyces）、高溫放線菌（thermoactinomyces）和單孢子菌（micromonospora）等在MSW好氧堆肥中占優(yōu)勢(shì)^[1]。

1.1.3 真菌

在MSW生物降解過程中，真菌對(duì)垃圾有機(jī)成分的分解和穩(wěn)定化起著重要的作用。真菌不僅能分泌胞外酶，水解有機(jī)物質(zhì)，而且由于其菌絲的機(jī)械穿插作用，還對(duì)物料起一定的物理破壞作用，促進(jìn)生化反應(yīng)。溫度是影響真菌生長(zhǎng)的重要因素之一，堆肥過程中隨著溫度的升高,真菌的菌落數(shù)開始減少,在64℃左右,嗜熱性真菌幾乎全部消失。當(dāng)溫度下降到60℃以下時(shí),嗜溫性真菌和嗜熱性真菌又都會(huì)重新出現(xiàn)在堆肥中^[2]。

1.2 厭氧生物處理微生物

MSW的厭氧生物處理依次分為水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三個(gè)階段，每個(gè)階段各有其獨(dú)特的微生物類群起生物降解作用。

1.2.1 水解細(xì)菌

水解階段水解細(xì)菌利用胞外酶對(duì)有機(jī)物進(jìn)行體外酶解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的物質(zhì)，然后細(xì)胞將其吸收，水解成不同產(chǎn)物，該階段起作用的細(xì)菌為水解細(xì)菌。Hungate分離出了以下幾種水解菌：（1）產(chǎn)琥珀酸擬桿菌屬,（2）湖生(lochheadii)芽孢菌屬,（3）柱孢梭菌屬,（4）生黃瘤胃球菌,（5）白色瘤胃球菌落,（6）溶纖維丁酸弧菌。同時(shí)還分離出纖維酶B—1,4—葡聚糖酶,外B—1,4—葡聚糖酶和纖維素二糖酶^[3]。

1.2.2 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群是將第一階段發(fā)酵產(chǎn)物如丙酸等三碳以上有機(jī)酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸和醇類等氧化分解成乙酸和分子氫。在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中已分離出產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌布氏甲烷桿菌屬和G株布氏甲烷桿菌屬等^[3]。

1.2.3 產(chǎn)甲烷菌群

甲烷菌利用H₂/CO₂、醋酸和甲醇甲酸等C類化合物為基質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為甲烷。在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中,產(chǎn)甲烷菌群分桿狀菌、球狀菌和八疊球菌三類。桿狀產(chǎn)甲烷菌通常呈彎曲、鏈狀或絲狀,此類細(xì)菌有史密斯甲烷短桿菌屬、甲酸甲烷桿菌屬、巴氏甲烷桿菌屬、反芻甲烷短桿菌屬、史密斯甲烷桿菌屬、嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌等；球狀產(chǎn)甲烷細(xì)菌直徑為0.3～5微米,球形細(xì)胞呈正圓形或橢圓形,成對(duì)排列成鏈狀。此類細(xì)菌有巴氏甲烷八疊球菌、范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌、馬氏產(chǎn)甲烷球菌、海生產(chǎn)甲烷球菌及嗜熱無機(jī)營(yíng)養(yǎng)甲烷球菌等。八疊球狀產(chǎn)甲烷菌,其細(xì)胞繁殖成規(guī)則、大小一致的類似砂粒的堆積物,有227巴氏甲烷八疊球菌、巴氏甲烷八疊球菌、嗜熱甲烷八疊球菌等^[3]。

2. 微生物技術(shù)在MSW處理過程中的應(yīng)用

MSW的生物處理主要是利用微生物在一定控制條件下，使有機(jī)物發(fā)生生物化學(xué)降解，形成一種穩(wěn)定的化合物的過程。因此，微生物對(duì)垃圾中有機(jī)物降解的快慢、對(duì)有機(jī)成分降解的程度直接決定著處理周期的長(zhǎng)短和處理效果的好壞，在MSW處理過程中起著決定性的作用。故MSW生物處理的優(yōu)劣取決于微生物自身的結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境下的代謝狀況。目前有很多學(xué)者在此方面做出了很大的努力，通過分析某種處理環(huán)境下微生物的特性、采用多種方式改變工藝中微生物的數(shù)量，質(zhì)量等，開發(fā)出了多種MSW生物處理技術(shù)，如：強(qiáng)化微生物（純種分離、強(qiáng)化接種、添加微生物菌劑、微生物固定化）以及基因誘變等技術(shù)。

2.1 強(qiáng)化微生物處理技術(shù)

強(qiáng)化微生物處理技術(shù)是從改變工藝中單位反應(yīng)器空間內(nèi)微生物的質(zhì)量或數(shù)量的角度來增強(qiáng)MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期。

2.1.1 純種分離

自然界中的微生物總是雜居在一起，即使一粒土或一滴水中也生存著多種微生物。為了提高工藝中某種有效微生物的質(zhì)量（純度），提高處理效率，必須進(jìn)行微生物的純種分離技術(shù)。常見的純種微生物的分離方法有平板劃線分離、液體稀釋法分離、利用選擇培養(yǎng)基進(jìn)行分離以及菌絲尖端切割分離^[4]。

（1） 平板劃線分離

將已經(jīng)熔化的培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中制成平板，用接種環(huán)沾取少量待分離的材料，在培養(yǎng)基表面平行或分區(qū)劃線(圖1)，然后，將培養(yǎng)皿放入恒溫箱里培養(yǎng)。在線的開始部分，微生物往往連在一起生長(zhǎng)，隨著線的延伸，菌數(shù)逐漸減少，最后可能形成純種的單個(gè)菌落。

圖1 幾種劃線方法示意圖

（2） 液體稀釋法

將待分離的樣品經(jīng)過大量稀釋后，取稀釋液均勻地涂布在培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基表面，培養(yǎng)后就可能得到單個(gè)菌落。

（3） 利用選擇培養(yǎng)基進(jìn)行分離

不同的微生物對(duì)不同的試劑、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用這些特點(diǎn)可配制出適合某種微生物生長(zhǎng)而限制其他微生物生長(zhǎng)的選擇培養(yǎng)基。用這種培養(yǎng)基來培養(yǎng)微生物就可以達(dá)到純種分離的目的。

（4） 菌絲尖端切割

這種方法適于絲狀真菌。用無菌的解剖刀切取位于菌落邊緣的菌絲的尖端，將它們移到合適的培養(yǎng)基上培養(yǎng)后，就能得到新菌落。

2.1.2 強(qiáng)化接種處理技術(shù)

純種分離后還要將微生物接種到垃圾中進(jìn)行生物處理，但由于接種微生物的生存環(huán)境發(fā)生了變化，故在微生物適應(yīng)周圍環(huán)境前，處理效率達(dá)不到理想的效果，因而直接在垃圾中進(jìn)行微生物接種的處理效果則應(yīng)好于微生物純種分離后再接種的處理效果。直接在垃圾中進(jìn)行微生物接種可采用多種方式，如：垃圾滲濾液循環(huán)、加入一定比例的垃圾腐熟物等。

微生物對(duì)垃圾的降解是在多種微生物的協(xié)同作用下完成，在適宜的條件下，微生物協(xié)同作用能力的大小取決于微生物種群的大小與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般說來，生物的種群越大，其自動(dòng)調(diào)控能力越好，適應(yīng)性就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。經(jīng)垃圾滲濾液循環(huán)或向待處理的新鮮垃圾中加入一定比例的垃圾腐熟物進(jìn)行強(qiáng)化接種培養(yǎng)后，微生物的種群擴(kuò)大，且循環(huán)次數(shù)越多，微生物的數(shù)量和種群就越大，這樣就會(huì)更有利于對(duì)垃圾的降解。

2.1.3 添加微生物菌劑

研究表明,單一的細(xì)菌、真菌、放線菌群體,無論其活性多高,在加快垃圾生物降解進(jìn)程中的作用都比不上復(fù)合微生物菌群的共同作用^[5]。微生物菌劑是采用分離、篩選的有效微生物，配合一定的處理工藝和設(shè)備，通過合理地調(diào)配各種有效微生物的含量，進(jìn)行篩選、培育MSW生物處理的高效復(fù)合微生物菌劑，進(jìn)而來調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物降解活性，提高微生物降解有機(jī)成分的效率。復(fù)合微生物菌群中既有分解性細(xì)菌，又有合成性細(xì)菌；既有纖維素分解菌、真菌，又有放線菌。向工藝中添加復(fù)合微生物菌劑，不僅增加了工藝中微生物初始濃度，而且改善了工藝中微生物的種群結(jié)構(gòu)。作為多種細(xì)菌共存的一種生物群落，依靠相互間共生增殖及協(xié)同作用，代謝出抗氧化物質(zhì)，生成穩(wěn)定而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，使得整個(gè)生物降解過程中微生物數(shù)量保持相對(duì)穩(wěn)定，處理效果較佳^[6]。

2.1.4 固定化技術(shù)

固定化微生物技術(shù)是將微生物固定在載體上，使其高密度密集并保持其生物功能，在適宜的條件下還可增殖，以滿足處理工藝的要求^[7]；實(shí)質(zhì)上是從增加單位反應(yīng)器內(nèi)微生物數(shù)量的角度來提高微生物的活性，使得細(xì)胞密度高，微生物流失少、不需分離，就能純化和保存高效菌株等優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，從而節(jié)約運(yùn)行成本，提高M(jìn)SW的處理效率。固定化微生物技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，方法也多種多樣，主要有載體結(jié)合固定化（吸附法）、交聯(lián)固定化、包埋固定化和共價(jià)結(jié)合法，各種固定化方法和載體都各有特點(diǎn),見表1。其中，微生物細(xì)胞的固定化方法以包埋法和吸附法最為常用。包埋法是將微生物封閉在天然高分子多糖類或合成高分子凝膠的網(wǎng)絡(luò)中，從而使微生物固定化；其特點(diǎn)是可以將固定化微生物制成各種形狀(球狀、塊狀、圓柱狀、膜狀、布狀、管狀等)，但包埋法制得的固定化微生物對(duì)傳質(zhì)有一定的影響。吸附法是將微生物細(xì)胞附著于固體載體上，微生物細(xì)胞與載體之間不起化學(xué)反應(yīng)，并且具有操作簡(jiǎn)單、固定化條件溫和、細(xì)胞活性損失小、載體可以反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用和深入研究^[8]。

表1 各種固定化方法的比較

2.2 基因工程

基因工程技術(shù)在MSW處理中應(yīng)用的基本原理是通過基因分離和重組,將對(duì)某種污染物可高效降解的微生物的基因片段轉(zhuǎn)移到受體生物細(xì)胞中并表達(dá),使受體生物具有該高效降解污染物的特性,從而達(dá)到治理污染，去除有機(jī)物的目的^[9]。如可找到特定污染的抗性基因,轉(zhuǎn)基因后構(gòu)建高效基因工程菌，則可顯著提高污染物的降解效率。利用微生物來治理污染快速高效，因此利用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效菌種來治理污染，特別是環(huán)境中復(fù)雜的或難以降解的有毒有害廢棄化合物，如人工合成物塑料、除草劑、殺蟲劑等必將成為環(huán)境生物技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

3.結(jié)論

1.無論是厭氧生物處理垃圾工藝還是好氧生物處理垃圾工藝中，都存在著各種各樣的微生物種群，正是這些微生物種群相互協(xié)調(diào)，互生互克，組成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，從而去除了使得MSW不穩(wěn)定的有機(jī)成分，使MSW穩(wěn)定化，甚至成為可再生利用的資源。該生態(tài)系統(tǒng)中的微生物還有待進(jìn)一步研究，進(jìn)而分離出降解某種特定污染物的特定微生物種群。

2.對(duì)于城市生活垃圾的各種生物處理技術(shù)正方興未艾，無論是從強(qiáng)化微生物種群的角度，還是從基因工程的角度，都具有較大的發(fā)展?jié)摿ΓΩ鶕?jù)MSW中存在的微生物種群的特性，開發(fā)出高效的MSW生物處理技術(shù)。

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