多杀菌素菌渣无害化处理与肥料化利用研究.pdf
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1、 环境综合整治 多杀菌素菌渣无害化处理与肥料化利用研究刘之豪,惠雪松,刘惠玲,关小红,戴小虎(同济大学,上海 200092)摘要:针对抗生素发酵生产残余菌渣所引发的环境危害问题,以多杀菌素菌渣为研究对象,通过好氧堆肥工艺探究其资源化的可行性,设定不同的初始 C/N,分析了反应过程中堆体 pH、电导率(EC)、三维荧光图谱(3D-EEMs)等指标变化规律,并用初始 C/N=20 组的堆肥样品进行土壤模拟试验,以评估多杀菌素菌渣肥在使用过程中对土壤环境和微生物的影响。堆肥实验结果表明:多杀菌素去除率达到 90%以上,堆体理化指标均处于适宜范围;3D-EEMs 表明:堆肥过程中色氨酸类物质被微生物充
2、分利用,腐殖酸类物质累积,堆体达到较好的腐熟效果;土壤模拟实验结果表明:1%和6%的抗生素残留低于检测限(多杀菌素 A 2.0 g/kg,多杀菌素 D 1.5 g/kg)。此外,投加了菌渣肥使土壤的微生物多样性提升。以上结果表明,多杀菌素菌渣经过堆肥化处理有助于改善土壤性能。关键词:多杀菌素;菌渣;好氧堆肥;安全性评估;土壤利用中图分类号:X787文献标志码:ADOI:10.16803/ki.issn.1004 6216.202306034Experimental study on composting for fertilization utilization and harmlesstre
3、atment of spinosad residuesLIU Zhihao,HUI Xuesong,LIU Huiling,GUAN Xiaohong,DAI Xiaohu(Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:To address the environmental hazards caused by fermentation residues from antibiotic fermentation production,thefeasibility of resource utilization of spinosad ferm
4、entation residue(SFR)by aerobic composting process with different initial C/Nwas investigated with the different pH,conductivity,three-dimensional fluorescence and other indicators.Soil simulation tests wereconducted subsequently with the product of the initial C/N=20 group to evaluate the impact of
5、 composted SFR on the soilenvironment and soil microorganisms.The results of composting experiments showed that the removal rate of spinosad reached morethan 90%,and the physical and chemical indexes of the pile were in the suitable range.The three-dimensional fluorescence patternshowed that tryptop
6、han substances were fully utilized by microorganisms during the composting process,humic acid substances wereaccumulated,and the pile achieved a good maturation effect.The results of soil simulation experiments showed that composted SFRat dosages of 1%and 6%were below the detection limits(2.0 g/kg f
7、or spinosad A and 1.5 g/kg for spinosad D).In addition,theoverall microbial diversity of the soils fertilized with composted SFR was increased.These results indicated that composite treatmentof SFR could improve various soil properties.Keywords:spinosad;fermentation residue;aerobic composting;safety
8、 assessment;soil utilizationCLC number:X787 多杀菌素是一种发酵产生的无公害农药1,属于农用抗生素,因其杀虫效率高,在农业上的应用前景广阔2。多杀菌素菌渣是抗生素发酵提取后残留菌丝体和培养基的混合物,若直接进入环境可能造成潜在环境危害。因此,多杀菌素菌渣在 2008年被列入中国的危险废物管理清单。考虑到菌渣有机物含量丰富3,有效地处理多杀菌素菌渣以实现无害化和资源化具有巨大潜力。抗生素发酵菌渣无害化方法很多,包括微波分解4 5、热水解6、高级氧化工艺7、厌氧堆肥8和好氧堆肥9,其中好氧堆肥处理以其低成本、技术成熟和可推广性受到企业的青睐。LIU et
9、al10将庆大霉 收稿日期:2023 01 15录用日期:2023 02 26基金项目:国家自然科学基金(51978497)作者简介:刘之豪(1997),男,硕士研究生。研究方向:固废无害化与资源化。E-mail:通信作者:刘惠玲(1964),女,博士、教授。研究方向:固体废物无害化处理与资源化利用。E-mail:引用格式:刘之豪,惠雪松,刘惠玲,等.多杀菌素菌渣无害化处理与肥料化利用研究J.环境保护科学,2023,49(4):50 56.第 49 卷 第 4 期 2023 年 8 月Environmental Protection ScienceVol.49 No.4Aug.2023素残留物
10、和洛伐他汀发酵残留物混合堆肥,实现了庆大霉素最大降解率 96.7%。YANG et al11将肉鸡粪便堆肥 42 d,去除粪便中 75.4%的诺氟沙星。因此,抗生素残留物的肥料化是一个很有前景的资源利用途径。目前,暂无关于多杀菌素菌渣无害化和资源化的相关研究。本文通过好氧发酵对多杀菌素菌渣进行无害化与稳定化处理,系统研究其堆肥化效能。通过土壤模拟试验,从土壤中多杀菌素残留降、土壤理化性质及微生物活性与多样性等多层面分析多杀菌素菌渣的肥料化应用效果,以期为多杀菌素菌渣的无害化与资源化提供理论与技术支持。1 材料与方法 1.1 实验材料实验用多杀菌素菌渣取自山东省某生物制药公司,经脱水处理,含水率
11、(5.610.71)%。菌渣样品采用已消毒的塑料桶收集,并在运回实验室后立刻放置于 4 冰箱内冷藏储存。实验用土壤取自江苏省某农场纯天然田园土。在进行土壤模拟实验前,已将土壤阴干 14 d,并过 2 mm 筛网以去除石块和植物根系。实验用菌渣和土壤的理化性质,见表 1和表 2。表 1 多杀菌素菌渣的理化性质Table 1 Physicochemical properties of SFR 参数数值pH7.930.02含水率/%5.610.71有机质/%41.523.15多杀菌素A/mgkg12.19103238多杀菌素D/mgkg12.89102196P/%(by P2O5)1.020.09K
12、/%(by K2O)0.250.05As/mgkg10.410.04Cd/mgkg10.0480.001Cr/mgkg148.610.12Hg/mgkg10.390.17Pb/mgkg115.473.84C/N6.450.66 1.2 好氧堆肥试验设计实验取稻草秸秆作为碳源,控制堆体 C/N 分别约为 15、20、25 进行堆肥,控制堆体含水率控制在60%。考虑到多杀菌素菌渣含有的微生物种类较为单一,单独堆肥难达理想效果,故投加约 2%的高效菌(即 EM 菌,属混合菌,含光合菌、乳酸菌、酵母菌等)。同时堆体内投加约 5%的腐殖酸,一方面能为堆体提供碳源,另一方面也能减少堆肥过程中的氮素损失。堆
13、体体积约为 15 L。机械曝气量为 0.4L/(minkg),采用间歇式曝气法,曝气2 h,暂停 1 h。与此同时,每天进行人工翻堆保证有机质能够被微生物充分利用。堆肥一共 42 d,取样日期分别为 0,1,2,3,4,6,8,10,14,18,22,32,42 d,每次取样均从堆体内上、中、下以及发酵罐相应截面的中心、四周均匀取样 50 g,取出样品装袋标记后立刻放进20 的冰箱内进行冷冻保存,以备后续指标检测。发酵设备见图 1。表 2 实验土壤的理化性质Table 2 Physicochemical properties of experimental soil 指标数值pH7.20.1电
14、导率/Scm1155.22.1含水率/%12.050.14土壤有机质含量/%1.60.1总磷含量/mgkg115.50.1总钾含量/mgkg1100.90.7 图 1 好氧堆肥装置Fig.1 Aerobic composting unit 1.3 土壤模拟试验设计本研究通过实验室土壤模拟试验法,研究了菌渣有机肥对土壤性能的影响。参考文献 12,本文设置 1%、6%、12%的质量比,并另设空白组和1%鲜菌渣投加组进行对比。每组土壤模拟实验使用土壤量约为 1 kg,设置 3 组平行对照,放置于直径 17.5 cm、高 16 cm 的花盆中培养,定期浇水保证土壤湿度约为 10%。在 0、3、7、12
15、、20、30、42 d取样(约 50 g)。每组样品分为 2 部分,一部分储存第 4 期刘之豪等:多杀菌素菌渣无害化处理与肥料化利用研究51于20 用于检测残留多杀菌素残留量,另一部分储存于 4 以检测相关理化性质。1.4 分析方法pH 和 EC 的检测分别参考土壤检测 第 2 部分:土壤 pH 的测定:NY/T 1121.22006和土壤电导率的测点 电极法:HJ 8022016。堆体三维荧光光谱检测:使用质量比 110 的超纯水提取土壤样品 5 g,在水平振动器中震荡 24 h,10 000 r/min离心 20 min 后过 0.45 m 滤膜,用于三维激发发射矩阵(3D-EEMs)荧光
16、光谱分析,检测数据进行拉曼归一化13。土壤酶活采用比色法进行测定14。利用生物工业微生物测序仪对细菌群落进行 16S 基因测序。GI 的检测参考了有机肥料:NY/T 5252021。抗生素残留检验检测方法:(1)流动相为甲醇:1%乙酸铵=73(V/V),流速 0.3 mL/min;(2)使用C18 柱色谱柱,柱温 30,进样量 10 L;(3)质谱选择采集多级反应监测模式,电喷雾离子源电压4.5 kV,雾化气流流速 700 L/h,锥孔气流流速 35 L/h;(4)多杀菌素 A 母离子质荷比(m/z)732.5,子离子质荷比(m/z)142.2;多杀菌素 D 母离子质荷比(m/z)746.5,
17、子离子质荷比(m/z)142.2。预处理方法:称取样品 2.0 g(精确至 0.01 g)于50 mL 离心管中,加入饱和氯化钙溶液 10 mL,同时再加入 2.0 mL 乙酸乙酯,将混合液摇匀后置于多管涡旋仪上以 2 000 r/min 的转速充分振荡 20 min,4 000 r/min 离心 10 min 之后,取 1.0 mL 乙酸乙酯相液体在氮吹仪上吹干,之后使用 1 mL 流动相复溶,过 0.22 m 滤膜待测。2 结果与分析 2.1 堆肥参数分析 2.1.1 理化参数变化 温度反映出好氧堆肥中微生物的新陈代谢水平,是判定堆肥成品达到无害化的重要指标。图 2 可知,3 组实验的初始
18、温度基本一致,在 03 d 内从室温快速升至 50 左右。在此阶段,水溶性糖类、淀粉类等易降解的可溶性有机物及大分子有机质被微生物利用,并产生热量上的累积。在 410 d,堆体温度维持在 50 以上,嗜热微生物大量繁殖,有效地分解大分子蛋白质、纤维素、木质素等在升温过程难分解的有机物。到了降温期(1142 d),嗜温性微生物开始进一步分解残余难降解有机物,温度进一步降低至室温。pH 是影响体系中微生物活性和堆肥性能的重要参数,大多数微生物最适宜生长代谢的 pH 环境为中性或弱碱性15,pH 过高或过低均会影响到堆肥腐熟的进程。图 3 可知,在堆肥过程中 A、B、C3 组的初始 pH 均为 6.
19、8 左右,这主要是因为添加物料中含有一定量的腐殖酸,中和了菌渣等物料本身的碱度。在 03 d 内堆体 pH 迅速上升,大量含氮有机物被微生物利用产生氨气16以及小分子有机酸的降解17。在 1022 d 进入降温期,功能微生物群落发生转变,堆体内有机物被进一步分解,小分子有机酸和部分盐基离子被合成大分子腐殖质(胡敏酸)18,3 组的 pH 缓慢下降并趋于稳定,这一点与图 3 中电导率后期呈现下降趋势相吻合。堆肥结束后,3 组的 pH 稳定在堆肥适宜的 7.58.519,EC 稳定在80%说明产品无植物毒性且达到腐熟状态,结果表明 3 组均达到了 GI 层面的腐熟状态,较为理想。2.1.5 Alp
20、ha 指数变化 作为一个生物反应过程,微生物群落结构的变化会直接影响堆肥过程中的物质转化以及堆体的稳定性。结合 2.1.1 至 2.1.4节数据分析,我们初步判断 B 组(C/N=20)堆肥较为理想,并对 B 组 0、6、14、22 d 的样品进行 16SrRNA 高通量测序。Alpha 多样性可以反映微生物群落的丰度和多样性。C/N=15、20、25 3 组的 Alpha指数变化见图 7。在整个堆肥过程中,Shannon 指数和 Shannoneven 指数呈上升趋势,Simpson 指数呈下降趋势,表明细菌多样性有所提高,同时群落分布均匀度有所提升。而 Chao 指数先下降后上升,说明群落
21、丰富度先下降后上升。原因可能在于堆肥使用的 EM 菌种较为复杂,其中存在一些不适于堆肥条件下生存的微生物种类。综合 C/N=20 组的微生物群落分析,可初步判定其达到理想的堆肥效果。第 4 期刘之豪等:多杀菌素菌渣无害化处理与肥料化利用研究53图 5 好氧堆肥过程中 C/N=15(A)、C/N=20(B)、C/N=25(C)的三维荧光图谱Fig.5 Three-dimensional fluorescence profiles of A(C/N=15),B(C/N=20)and C(C/N=25)during aerobic composting 表 3 荧光区域与对应物质类别Table 3
22、Fluorescence regions and correspondingsubstance classes 荧光区域对应物质类别Ex/nmEm/nm酪氨酸类200250250330色氨酸类200250330380富里酸类200250380500腐殖酸类250500380500溶解性微生物代谢产物250500250380 2.2 菌渣肥对土壤性能的影响 2.2.1 土壤酶活性变化 土壤酶作为一类在土壤中广泛存在的酶类物质,能够催化包括有机质分解、养分循环等过程在内的土壤中的化学反应。土壤酶活性可以用来衡量土壤生态系统功能,具有重要的意义和作用23。通过分析土壤酶活性的变化可以反映出菌渣肥对土
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