郭新愿,祁光霞,王永京,李雨橋,張 希,李 冬,任連海*(.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京000；.北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 00048)

餐廚垃圾廢水制備液態(tài)解磷菌劑研究

郭新愿1,2,祁光霞2,王永京2,李雨橋2,張 希2,李 冬1,任連海2*(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京100022；2.北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 100048)

本研究探討了餐廚垃圾廢水用作發(fā)酵基質(zhì)生產(chǎn)液態(tài)解磷巨大芽孢桿菌菌肥的可行性.結(jié)果表明,餐廚垃圾廢水培養(yǎng)的巨大芽孢桿菌經(jīng)過(guò)3～4d的調(diào)整期即進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第6～7d活菌數(shù)達(dá)到最大,而經(jīng)過(guò)濕熱預(yù)處理得到的II類(lèi)廢水較I類(lèi)廢水更適宜用作巨大芽孢桿菌的培養(yǎng)基質(zhì),其菌液活菌數(shù)是I類(lèi)廢水培養(yǎng)的活菌數(shù)的5倍(4.8×1015CFU/mL).廢水中的鹽分對(duì)巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng)代謝影響顯著：活菌數(shù)隨著NaCl含量的增加先升高后快速降低,最利于菌種培養(yǎng)的NaCl濃度為10g/L.pH值和溫度極顯著影響巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng),而搖床轉(zhuǎn)速和接種量對(duì)菌株培養(yǎng)影響不顯著,正交試驗(yàn)確定的較優(yōu)培養(yǎng)條件為pH=8、T=35℃、轉(zhuǎn)速80r/min、接種量2%(V/V).餐廚垃圾廢水制備的解磷菌肥可實(shí)現(xiàn)土壤中固化磷的有效磷化：施用 0.025‰～2.5‰質(zhì)量比例解磷菌劑的土壤生長(zhǎng)的黃豆苗干重可達(dá)到按照 5‰質(zhì)量比例施加無(wú)機(jī)復(fù)合肥生長(zhǎng)的黃豆苗的70.7%～84.5%,其中微生物菌肥的最佳施用量為0.25‰.

餐廚垃圾廢水；液態(tài)菌肥；解磷菌；巨大芽孢桿菌；資源化

餐廚垃圾廢水指餐廚垃圾經(jīng)過(guò)固液分離并去除大部分廢棄油脂的高濃度有機(jī)廢水[1],其高效、低成本妥善處理對(duì)于實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的無(wú)害化和資源化具有重要意義[2].目前,針對(duì)全球能源短缺的現(xiàn)狀,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)餐廚垃圾廢水主要采用生物處理法,包括厭氧消化[3-8]、MBR工藝[9-13]等,由此卻帶來(lái)了厭氧消化沼液的處理難題.事實(shí)上,餐廚垃圾廢水有機(jī)質(zhì)含量高(COD 60～120g/L),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富(TN 1000～4000mg/L, TP 9～350mg/L)[1,6],重金屬和毒性有機(jī)物含量低,可為微生物生長(zhǎng)代謝提供優(yōu)質(zhì)碳源和能源,可用于微生物菌劑生產(chǎn),如木霉微生物肥料[14].目前,微生物菌肥多以富含有機(jī)質(zhì)的固體或液體為載體,通過(guò)接種高效菌株進(jìn)一步發(fā)酵獲得,利用餐廚垃圾制備微生物菌肥已經(jīng)多有嘗試[15-17],但利用餐廚垃圾廢水生產(chǎn)液態(tài)菌肥的研究還鮮有報(bào)道.結(jié)合我國(guó)土壤大面積缺磷的現(xiàn)狀(2/3～3/4)[18-19],而利用微生物活化土壤中的固化磷是現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)提高土壤肥力[20]、防治病原菌[21]、增加作物產(chǎn)量[21-24]、降解有機(jī)農(nóng)藥[25]的新途徑,本研究旨在探究餐廚垃圾廢水用作發(fā)酵基質(zhì)生產(chǎn)液態(tài)解磷菌肥的可行性,優(yōu)化培養(yǎng)條件,同時(shí)驗(yàn)證液態(tài)菌肥的土壤有效磷化效果和促進(jìn)作物生長(zhǎng)效果,為餐廚垃圾廢水的低成本、高附加值資源化利用提供一條新思路,從而規(guī)避餐廚垃圾廢水傳統(tǒng)生物處理帶來(lái)的厭氧消化沼液處理難題.

1 材料與方法

1.1 材料

解磷巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)購(gòu)自中國(guó)微生物保藏中心,于4℃保存?zhèn)溆?

餐廚垃圾取自北京工商大學(xué)東區(qū)和西區(qū)食堂,根據(jù)餐廚垃圾目前常用的處理工藝,獲得兩類(lèi)餐廚垃圾廢水：(1)將餐廚垃圾經(jīng) 20目不銹鋼孔徑濾網(wǎng)過(guò)濾,固液分離,分離出的液體再經(jīng)3000r/min離心 20min(20℃),撇除浮油取液體部分,記作I類(lèi)廢水;(2)將餐廚垃圾破碎后加入濕熱反應(yīng)器,在100℃水熱反應(yīng)3h.將濕熱處理后的樣品經(jīng)3000r/min離心20min(20℃),撇除浮油取液體部分,記作II類(lèi)廢水.廢水經(jīng)121℃高壓蒸汽滅菌20min備用,其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 餐廚垃圾廢水基本理化性質(zhì)參數(shù)Table 1 The physicochemical parameters of wastewater produced from food waste recycling

盆栽試驗(yàn)所用土壤取自北京工商大學(xué)花園,分揀出石頭磚塊、植物殘根等,混合均勻,風(fēng)干,過(guò)20目篩備用.土壤pH 值為6.92,土壤總磷、有效磷、總氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量依次分別為438.5,2.64,527.5,35.6,1072.6mg/kg.

盆栽作物為超市購(gòu)買(mǎi)黃豆,選取大小均一、顆粒飽滿(mǎn)的黃豆備用.

(NH4)2SO4·Fe2(SO4)3·12H2O、NaOH、H3BO3、濃HCl和AgNO3購(gòu)自北京化工廠(chǎng),甲基紅和溴甲酚綠購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所,濃 HNO3購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.所有化學(xué)試劑均為分析純.試驗(yàn)用去離子水由 ZYpure-EDla-100-UP型高純水系統(tǒng)一體機(jī)(北京中揚(yáng)永康環(huán)?？萍加邢薰?制備得到.

種子培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：蛋白胨10.0g,牛肉膏 3.0g,NaCl 5.0g,瓊脂 20.0g,去離子水 1000mL,pH 7.0;液體有機(jī)磷培養(yǎng)基：MnS04·H2O 4.0g,MgSO4·7H2O 0.5g,(NH4)2SO41.0g,葡萄糖20.0g,NaCl 0.3g,FeSO40.03g,酵母膏1.5g,去離子水1000mL,卵磷脂大量,pH值7.5.

1.2 儀器與設(shè)備

KDC-160HR型離心機(jī),科大創(chuàng)新股份有限公司;LRH-250型生化培養(yǎng)箱,上海恒科技術(shù)有限公司;VD-1320型超凈工作臺(tái),哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)公司;SQ510WGC型立式壓力蒸汽滅菌器,日本YAMATO公司;PHS-3D型pH計(jì),上海三信儀表廠(chǎng);UV-5200型紫外分光光度計(jì),上海精密儀器儀表有限公司;BX41型顯微鏡,日本OLYMPUS公司;H2Q-C型恒溫振蕩器,金壇市科析儀器有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

解磷巨大芽孢桿菌解磷能力測(cè)定：將經(jīng)活化的巨大芽孢桿菌接種到液體有機(jī)磷培養(yǎng)基中,空白接入滅活菌液,于30℃振蕩培養(yǎng)5d(200r/min),離心得到的上清液采用鉬銻抗比色法測(cè)定其中有效磷的含量[26],扣除空白即可得到解磷菌的解磷量.實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組平行.

解磷巨大芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)繪制：在無(wú)菌條件下,將經(jīng)活化的巨大芽孢桿菌菌種由種子培養(yǎng)基按照2.5%接種量(V/V)接種至液體培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng) 24h,于接種后每隔 2h用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定OD600值,實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行.

解磷巨大芽孢桿菌在餐廚垃圾廢水的生長(zhǎng)曲線(xiàn)繪制：在無(wú)菌條件下,將經(jīng)活化的巨大芽孢桿菌菌種由種子培養(yǎng)基按照 2%接種量(V/V)接種至餐廚垃圾廢水于 35℃培養(yǎng) 10d,搖床轉(zhuǎn)速100r/min,于接種后每隔1d記錄活菌數(shù)量.實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組平行.

培養(yǎng)條件正交試驗(yàn)：選擇pH值(A,pH 6、7、8、9)、溫度(B,25℃、30℃、35℃、40℃)、搖床轉(zhuǎn)速(C,80,100,120,140r/min)和接種量(D, V/V=1%、1.5%、2%、2.5%)四個(gè)因素,通過(guò) 4因素4水平正交試驗(yàn)確定II類(lèi)餐廚垃圾廢水培養(yǎng)巨大芽孢桿菌的適宜條件,固定發(fā)酵時(shí)間為5d,因素水平見(jiàn)表2.實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組平行.

培養(yǎng)條件單因素試驗(yàn)：在正交試驗(yàn)確定的較優(yōu)培養(yǎng)條件基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究培養(yǎng)pH值(4～12)和NaCl含量(1.19/1.76～20g/L)對(duì)巨大芽孢桿菌生長(zhǎng)過(guò)程的影響,從而進(jìn)一步獲得優(yōu)化的培養(yǎng)條件.

盆栽試驗(yàn)：在最佳的溫度、pH值、接種量(V/V)、搖床轉(zhuǎn)速和發(fā)酵時(shí)間條件下,以餐廚垃圾廢水培養(yǎng)解磷巨大芽孢桿菌,得到液態(tài)解磷菌劑(I類(lèi)廢水和II類(lèi)廢水培養(yǎng)分別對(duì)應(yīng)I-P和II-P),測(cè)定菌劑中活菌數(shù).

將風(fēng)干土壤樣品按照一盆 2.0kg裝盆,每盆播種10粒黃豆.盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)置5種處理方式：空白1(CT1),施加500mL去離子水;空白2(CT2),施加500mL質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2%的液態(tài)無(wú)機(jī)復(fù)合肥;處理3(PB1),施加500mL按照1：100稀釋的液態(tài)解磷菌劑,施用經(jīng)稀釋的I-P和II-P分別對(duì)應(yīng)PB1(I)和PB1(II);處理4(PB2),施加500mL 按照1：1000稀釋的液態(tài)解磷菌劑,施用經(jīng)稀釋的I-P和 II-P分別對(duì)應(yīng) PB2(I)和 PB2(II);處理 5(PB3),施加500mL按照1：10000稀釋的液態(tài)解磷菌劑,施用經(jīng)稀釋的I-P和II-P分別對(duì)應(yīng)PB3(I)和PB3(II).每種處理設(shè)置 3個(gè)平行.盆栽條件為：室溫條件(20～25℃),每隔3d澆灌去離子水50mL,種植25d后將黃豆拔起,于 50℃烘干至恒重后稱(chēng)重,而土壤樣品經(jīng)烘干測(cè)定有效磷含量.

表2 優(yōu)化培養(yǎng)條件的L16(44)正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of L16(44) orthogonal experiments for the optimization of culture conditions

1.4 分析方法

活菌數(shù)量測(cè)定采用平板計(jì)數(shù)法,涂布平板設(shè)置3個(gè)平行.

發(fā)酵液中有效磷測(cè)定：發(fā)酵液經(jīng) 10000r/min離心 10min(4℃)得到上清液,鑒于其高有機(jī)質(zhì)含量,采用鉬銻抗比色法測(cè)定其中有效磷含量[26].

土壤有效磷測(cè)定：取5.00g風(fēng)干土壤樣品,放入干燥的血清瓶中,加入100mL Mehlich-3萃取溶液,充分振蕩120min,3000r/min離心20min,取上清液按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)總磷的測(cè)定》[27]的鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測(cè)定.

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS Statics 20軟件進(jìn)行處理,以巨大芽孢桿菌活菌數(shù)為因變量,以 pH值、溫度、搖床轉(zhuǎn)速和接種量(V/V)為自變量,進(jìn)行單因變量多因素方差分析,識(shí)別對(duì)巨大芽孢桿菌培養(yǎng)影響較為顯著的關(guān)鍵參數(shù),同時(shí)獲得較優(yōu)的培養(yǎng)條件組合.

2 結(jié)果與討論

2.1 解磷巨大芽孢桿菌理化性能

市售巨大芽孢桿菌在種子培養(yǎng)基上培養(yǎng)(活

化),其形態(tài)如圖 1所示.巨大芽孢桿菌細(xì)胞為桿狀的革蘭氏陽(yáng)性菌,呈鏈狀排列,直徑大于 1 μm,芽孢為圓形,孢囊不膨大.菌落為淡黃色,邊緣整齊,表面光滑,為凸?fàn)盥∑?

圖1 巨大芽孢桿菌菌株形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of Bacillus megaterium strain

圖2 巨大芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)Fig.2 Growth curve of Bacillus megaterium

圖3 巨大芽孢桿菌對(duì)有機(jī)磷的增溶效果Fig.3 The effect of Bacillus megaterium on the solubilization of organic phosphorus

巨大芽孢桿菌培養(yǎng) 6h進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,在10～14h后進(jìn)入穩(wěn)定期,隨后進(jìn)入衰亡期(圖 2);在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中,巨大芽孢桿菌的解磷能力在最初72h快速增加,而72h以后菌種解磷能力僅呈現(xiàn)邊際增加,發(fā)酵液中有效磷含量維持在 150mg/L左右(圖3).因此,在純培養(yǎng)條件下該市售解磷巨大芽孢桿菌的解磷能力為 150mg/L,這與已見(jiàn)報(bào)導(dǎo)的解磷巨大芽孢桿菌解磷能力相當(dāng)[19].

2.2 解磷巨大芽孢桿菌在餐廚垃圾廢水中的生長(zhǎng)曲線(xiàn)

經(jīng)種子培養(yǎng)基活化后的巨大芽孢桿菌接種至餐廚垃圾廢水后的活菌數(shù)隨時(shí)間變化如圖 4所示.從圖中可看出,經(jīng)過(guò)3～4d的調(diào)整期后,巨大芽孢桿菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第6～7d活菌數(shù)達(dá)到最大 (I類(lèi) 廢 水 9.4×1014CFU/mL,II類(lèi) 廢 水4.8×1015CFU/mL),7d以后由于廢水中碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗進(jìn)入消亡期,這種消亡過(guò)程在經(jīng)過(guò)濕熱處理得到的II類(lèi)廢水中表現(xiàn)得尤為明顯,第10d其活菌數(shù)較第7d下降了75.1%.

圖4 巨大芽孢桿菌數(shù)在餐廚垃圾廢水中隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation curve of the numbers of Bacillus megaterium inoculated into the food waste-recycling wastewater as a function of incubation time

值得注意的是,II類(lèi)廢水較 I類(lèi)廢水更適宜用作巨大芽孢桿菌的培養(yǎng)基質(zhì),其菌液活菌數(shù)是I類(lèi)廢水培養(yǎng)的活菌數(shù)的5倍.II類(lèi)廢水的COD僅比I類(lèi)廢水高33.2%,因此其原因可能在于餐廚垃圾經(jīng)濕熱處理后,其中的大分子有機(jī)物的溶解度、液化程度增加,一定比例的微溶性淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)解聚轉(zhuǎn)化為小分子可溶性還原糖、氨基酸和脂肪酸等,這種轉(zhuǎn)化更有利于微生物菌體的消化和吸收.

2.3 解磷巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的正交試驗(yàn)優(yōu)化

鑒于影響微生物培養(yǎng)的條件參數(shù)較多,因此選擇更適宜制備解磷菌劑的II類(lèi)廢水為基質(zhì),通過(guò)正交試驗(yàn)及方差分析考察溫度、pH值、搖床轉(zhuǎn)速和接種量(V/V)對(duì)巨大芽孢桿菌培養(yǎng)影響的顯著性程度[28].正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3,pH值和溫度極顯著影響巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng),而搖床轉(zhuǎn)速和接種量對(duì)菌株培養(yǎng)影響不顯著,影響的顯著程度依次為 pH≈溫度＞＞接種量＞搖床轉(zhuǎn)速.而通過(guò)極差分析,初步確定較優(yōu)的培養(yǎng)條件為A3B3C1D3,即pH=8、T=35℃、轉(zhuǎn)速80r/min、接種量2%(V/V).

表3 條件參數(shù)對(duì)巨大芽孢桿菌數(shù)量影響的方差分析Table 3 Variance analysis of the effect of conditional parameters on the numbers of Bacillus megaterium strain

2.4 pH值對(duì)解磷巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的影響

根據(jù)第 2.3節(jié)結(jié)果,在培養(yǎng)溫度一定條件下,餐廚垃圾廢水pH極顯著影響解磷巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng)代謝,因而需要進(jìn)一步研究解磷菌可耐受的pH范圍.

圖5顯示具有不同pH值的II類(lèi)廢水按2%體積比接種解磷菌后,其中的解磷菌活菌數(shù)量變化.由圖可知,過(guò)酸或過(guò)堿的 pH值均對(duì)解磷菌的生長(zhǎng)代謝和繁殖不利,最適于解磷巨大芽孢桿菌生長(zhǎng)的pH值為8.在pH=4和pH=12的條件下,II類(lèi)廢水中的解磷菌活菌數(shù)分別僅 6.3× 105CFU/ mL和3.7×106CFU/mL,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到《農(nóng)用微生物菌劑》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[29]關(guān)于菌劑產(chǎn)品的活菌數(shù)要求(2.0×108CFU/mL),但在 pH=5～11范圍內(nèi),活菌數(shù)均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求.對(duì)比第2.2節(jié)未調(diào)節(jié)pH值的餐廚垃圾II類(lèi)廢水培養(yǎng)5d的解磷巨大芽孢桿菌活菌數(shù),發(fā)現(xiàn)通過(guò)NaOH調(diào)節(jié)至pH=6的廢水的活菌數(shù)僅為未調(diào)節(jié)pH值廢水(pH=5.6)中活菌數(shù)的48.2%,猜測(cè)除了pH以外,調(diào)節(jié)溶液pH值額外引入的鹽分等可能是抑制解磷菌正常生長(zhǎng)繁殖的不利因素.

圖5 pH值對(duì)巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的影響Fig.5 The influence of pH on the culture of Bacillusmegaterium

2.5 NaCl含量對(duì)解磷巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的影響

我國(guó)餐廚垃圾具有高含水率、高含油以及高含鹽率的特點(diǎn)[30-32],鹽分主要是 NaCl,含量高達(dá)0.23～5%[32-34],而大部分存在于液相(餐廚垃圾廢水),因而需要重點(diǎn)探究廢水含鹽量對(duì)巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的影響.

圖6 NaCl含量對(duì)巨大芽孢桿菌培養(yǎng)的影響Fig.6 The influence of NaCl content on the culture of Bacillus megaterium

以?xún)深?lèi)餐廚垃圾廢液為基質(zhì),巨大芽孢桿菌活菌數(shù)均隨著NaCl含量的增加呈現(xiàn)先升高后快速降低的趨勢(shì)(圖 6),最利于菌種培養(yǎng)的 NaCl濃度為

10g/L,這與已有的研究結(jié)論一致[35].當(dāng)某些地區(qū)的餐廚垃圾廢水含鹽量達(dá)到5000～7000mg/L時(shí)[8],市售巨大芽孢桿菌的可以正常生長(zhǎng).以《農(nóng)用微生物菌劑》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[29]關(guān)于菌劑產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),巨大芽孢桿菌活菌數(shù)達(dá)標(biāo)的 NaCl濃度不可超過(guò)18g/L.因此,在此情況下,馴化、篩選并分離出高效的耐鹽解磷巨大芽孢桿菌是促成后續(xù)大規(guī)模高密度液態(tài)菌肥生產(chǎn)的重要措施.

2.6 液態(tài)解磷菌劑的土壤有效磷化效果

按不同稀釋倍數(shù)施用解磷菌肥的土壤,其總磷含量基本無(wú)變化(＜5%,數(shù)據(jù)未展示),而有效磷濃度隨著菌肥中巨大芽孢桿菌的活菌數(shù)增加而增加(圖 7),二者呈現(xiàn)了較好的線(xiàn)性相關(guān)性(R2＞0.87),說(shuō)明餐廚垃圾廢水源解磷菌劑可實(shí)現(xiàn)土壤中固化磷的有效磷化,提高土壤的速效磷水平,增加土壤肥力.

餐廚垃圾廢水培養(yǎng)的解磷菌劑按照不同稀釋比施用至土壤后,10粒黃豆苗生長(zhǎng)25d的干重統(tǒng)計(jì)如圖8所示.與不施肥的土壤相比,施加無(wú)機(jī)復(fù)合肥和解磷菌劑均能不同程度促進(jìn)黃豆苗的生長(zhǎng),黃豆苗干重增加了 95.2%～176.2%,這與土壤缺乏有效磷的理化性質(zhì)相一致(表 2).根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查對(duì)有效磷豐缺的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),添加餐廚垃圾廢水培養(yǎng)的巨大芽孢桿菌菌劑后,土壤由極缺有效磷(＜3mg/kg)的水平上升至有效磷豐富的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水平(＞40mg/kg),土壤有效磷的改善效果顯著.

值得注意的是,按照0.025‰～2.5‰質(zhì)量比例添加解磷菌劑的土壤,黃豆苗干重達(dá)到按照 5‰質(zhì)量比例施加無(wú)機(jī)復(fù)合肥土壤栽培黃豆苗的70.7%～84.5%,由此可以大幅減少農(nóng)用土壤的化肥使用量,有助于土壤結(jié)構(gòu)及功能的恢復(fù)和重建.然而,黃豆苗的生長(zhǎng)并不隨著解磷菌劑施用量增加而增加,按照 0.25‰質(zhì)量比例施用解磷菌劑的土壤其黃豆苗干重最大,說(shuō)明解磷菌劑存在一個(gè)最佳施用量,低于此最佳施用量土壤由于有效磷濃度水平較低不能有效促進(jìn)作物生長(zhǎng),而高于此施用量,解磷菌數(shù)量過(guò)高會(huì)對(duì)土壤原有微生物群落造成沖擊,不利于作物生長(zhǎng).因此,餐廚垃圾廢水源解磷菌劑施用至不同作物生長(zhǎng)土壤時(shí),需要確定最佳施用比例.

圖7 解磷巨大芽孢桿菌數(shù)量與土壤有效磷濃度相關(guān)性Fig.7 The correlation of the number of phosphatesolubilizing Bacillus megaterium and the available phosphorus concentration in soil

圖8 黃豆在不同施肥條件下的生長(zhǎng)情況Fig.8 The growth status of soybeans under different fertilization conditions

3 結(jié)論

3.1 本研究購(gòu)買(mǎi)的巨大芽孢桿菌細(xì)胞為桿狀的革蘭氏陽(yáng)性菌,呈鏈狀排列,直徑大于 1μm,菌落為淡黃色的光滑凸?fàn)盥∑?該菌株對(duì)有機(jī)磷的解磷能力為150mg/L.

3.2 以餐廚垃圾廢水為基質(zhì),巨大芽孢桿菌經(jīng)過(guò)3～4d的調(diào)整期即進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,第6～7d活菌數(shù)達(dá)到最大(I類(lèi)廢水 9.4×1014CFU/mL,II類(lèi)廢水4.8×1015CFU/mL),而經(jīng)過(guò)濕熱預(yù)處理得到的II類(lèi)廢水較I類(lèi)廢水更適宜用作巨大芽孢桿菌的培養(yǎng)基質(zhì),其菌液活菌數(shù)是I類(lèi)廢水培養(yǎng)活菌數(shù)的5倍.

3.3 正交試驗(yàn)及方差分析結(jié)果表明,pH值和溫度極顯著影響巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng),而搖床轉(zhuǎn)速和接種量對(duì)菌株培養(yǎng)影響不顯著,影響顯著程度依次為溫度 pH≈溫度＞＞接種量＞搖床轉(zhuǎn)速.較優(yōu)的培養(yǎng)條件為 pH=8、T=35℃、轉(zhuǎn)速 80r/min、

接種量2%(V/V).

3.4 餐廚垃圾廢水中的鹽分顯著影響巨大芽孢桿菌的生長(zhǎng)代謝,活菌數(shù)均隨著 NaCl含量的增加先升高后快速降低,最利于菌種培養(yǎng)的 NaCl濃度為 10g/L,而要使巨大芽孢桿菌活菌數(shù)達(dá)到《農(nóng)用微生物菌劑》(GB20287-2006)關(guān)于菌劑產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo),NaCl濃度不可超過(guò)18g/L.

3.5 巨大芽孢桿菌的活菌數(shù)與施肥土壤的有效磷濃度呈現(xiàn)了較好的線(xiàn)性相關(guān)性,可實(shí)現(xiàn)土壤中固化磷的有效磷化,提高土壤的有效磷水平.

3.6 按照0.025‰～2.5‰質(zhì)量比例添加解磷菌劑的土壤,黃豆苗干重達(dá)到按照 5‰質(zhì)量比例施加無(wú)機(jī)復(fù)合肥土壤栽培黃豆苗的 70.7%～84.5%,由此可以大幅減少農(nóng)用土壤的化肥使用量.解磷菌劑存在一個(gè)最佳施用量(0.25‰),在施用時(shí)需要根據(jù)土壤和作物類(lèi)型確定最佳施用比例.

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Preparation of liquid bacterial fertilizer of phosphate-solubilizing bacteria from food waste-recycling wastewater.

GUO Xin-yuan1,2, QI Guang-xia2, WANG Yong-jing2, LI Yu-qiao2, ZHANG Xi2, LI Dong1, REN Lian-hai2*(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China；2.Department of Environmental Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China). China Environmental Science, 2016,36(11)：3422～3428

The feasibility of using food waste-recycling wastewater as fermentation substrate for producing liquid phosphate-solubilizing bacillus megaterium fertilizer was investigated. The results showed that bacillus megaterium cultured in the food waste-recycling wastewater reached logarithmic growth stage in as short as 3～4 days of adaptation period, and the number of strains reached the maxima on the 6～7th day. The wastewater II generated from hydrothermal pre-treatment was more suitable to be the fermentation substrate than wastewater I. The strain numbers cultured in wastewater II was 5times of what was cultured in wastewater I (4.8×1015CFU/mL). Salt concentration in the wastewater had great influence on the growth and metabolism of Bacillus megaterium： the strain numbers first increased and then steeply decreased with the increase of NaCl concentration, indicating that the optimal NaCl concentration for bacterial culture was 10g/L. The variation of pH and temperature affected the growth of bacillus megaterium significantly, while shaking speed and strain inoculation volume were not key influencing factors. The optimal culture conditions were pH 8, T=35℃, shaking speed 80r/min, and inoculums of 2%(V/V) as determined by orthogonal experiment. Phosphatesolubilizing fertilizer prepared by food waste-recycling wastewater was able to achieve effective phosphating of immobilized phosphorus： the dry weight of soy beans grown in soils amended with 0.025‰～2.5‰ of phosphatesolubilizing fertilizer was 70.7%～84.5% of that grown in the soil amended with 5% of inorganic fertilizer on weight basis. Moreover, the optimal amended ratio of the microbial fertilizer was 0.25‰.

food waste-recycling wastewater；liquid bacterial fertilizer；phosphate-solubilizing bacteria；Bacillus megaterium；reutilization

X703.5

A

1000-6923(2016)11-3422-07

郭新愿(1976-),女,河南原陽(yáng)人,北京工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)閺U水處理及資源化.發(fā)表論文5篇.

2016-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578008);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAC27B01-03);北京工商大學(xué)兩科基金培育項(xiàng)目(LKJJ2016-17).

* 責(zé)任作者, 教授, renlh@th.btbu.edu.cn