微生物选育技术在生活垃圾堆肥处理中的应用
随着经济的高速发展，城市化水平和人民生活水平的不断提高，中国的城市生活垃圾产出量与日俱增。由此引起的环境污染问题日趋严重，城市垃圾的处理已成为直接影响城市经济建设、人民生活质量的重要因素。北京、沈阳、上海、西安等许多大城市都已出现垃圾包围城市的现象，大量随意堆放的垃圾不仅占用土地、破坏景观，而且还传播疾病，影响环境卫生和居民健康，因此垃圾的无害化、减量化、资源化处理是中国城镇亟需解决的重大环境问题之一。生活垃圾堆肥法处理是实现垃圾无害化、减量化、资源化的一条重要途径。生活垃圾中的被丢弃的有机物质，尤其是其中大量的厨余垃圾，通过生物处理技术可转变成优质的有机肥料，具有良好的环境效益和社会效益。而通过对微生物进行筛选和育种，可以得到降解能力强的高效菌种，将这些菌种应用于垃圾堆肥处理中，能够有效加快有机物的分解，缩短发酵周期，提高堆肥产品质量等。
1城市生活垃圾堆肥处理中微生物选育技术的意义与方法
1.1微生物选育的意义
垃圾中的有机物主要是纤维素、木质素、淀粉脂肪、蛋白质等，这些物质均可作为微生物的营养，而被微生物所分解利用。堆肥处理就是基于这一基点，才能实施。它依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地控制促进可生物降解有机物向稳定的腐殖质转化。微生物是堆肥法处理的工作主体，但各种微生物对不同物质分解能力和分解速率是不尽相同的，不同温度条件下堆肥过程中出现的微生物种群和数量也截然不同，因此堆肥处理是一个复杂的微生物混合种群生态系统的变化过程。只有掌握了微生物的基本生理特性、分离筛选、培育出高效优势菌种，才能获得较好的处理效果。但目前，对堆肥过程中的微生物种群及数量变化和高效优势菌种的研究不是很成熟。传统的厌氧堆肥发酵法，有机物分解慢，发酵周期长达4～6个月，占地面积大，蚊蝇孳生，污水四溢，二次污染严重。在某些处理装置中，由于对微生物的生理、生化特性掌握不好，或没有采用适宜的高效微生物菌种，难以达到预期的处理效果。而堆肥处理中通过添加单一的菌种或人工组合的微生物种群能有效加快有机物的分解，缩短发酵周期，提高堆肥制品质量等。
1.2微生物选育方法
菌种选育包括根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及根据遗传学基础理论和方法，人为引起的菌种遗传变异或基因重组，如诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等技术。
菌种选育的前提条件是从自然界获得相应的原始菌种。自然界中微生物资源极其丰富，但是，由于微生物领域的发展要比动植物慢得多，加上微生物种的分类和鉴定较为复杂和困难，所以，目前已确定的微生物种数仅10万种左右，而从生理类型、代谢产物和生态分布等角度分析，微生物种类应大大超过所有动植物之和，其代谢产物的多样性是动植物无法比拟的。因此，微生物领域是一个亟待开发和利用的宝地。从自然中分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、增殖培养、纯种分离、性能测定等步骤。
从自然界分离的野生菌分解污染物的能力往往很低，无法满足实际生产的需要，这就要求对它们进行菌种改造，即育种。早期人们认为微生物可“驯化”或驯养，出现一种定向培育技术，即在特定环境下长期处理某一微生物培养物，同时不断地移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变的古老的育种方法。由于自发突变的频率较低，变异程度不大，所以，用该法培养新菌种的过程十分缓慢。诱变育种是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的突变体。物理诱变主要采用辐射，如紫外线、x射线、γ射线、激光和快中子。化学诱变剂包括能与核酸碱基发生反应的化合物，如烷化剂、亚硝酸、羟胺，以及核酸碱基类似物，如5－溴尿嘧啶(5－BU)、5－氟尿嘧啶 (5－FU)、8－氮鸟嘌呤(8－NG)和2－氨基嘌呤(2－AP)等。核酸碱基类似物的分子结构与碱基结构类似，在DNA复制时，它们可以被错误掺入 DNA，引起诱变效应。诱变育种的基本过程如下：(1)选择合适的出发菌株；(2)制备待处理的菌悬液；(3)诱变处理；(4)筛选；(5)保藏和扩大培养。对微生物育种而言，有性重组的局限性很大，这是因迄今为止发现有杂交现象的微生物并不多，这就妨碍了杂交育种技术在微生物育种中的应用。
原生质体融合技术提供了充分利用遗传重组杂交的方法，原生质体融合技术首先是在动植物细胞融合研究的基础上发展起来的，然后才采用于真菌、细菌、放线菌。由于这一技术可以打破种属间的界限，提高重组频率，扩大重组幅度，而倍受关注。有报道，放线菌原生质体融合频率达10-2～10-1，丝状真菌达 10-3～10-2，细菌和酵母菌也可达10-6～10-5。
基因工程是用人为的方法将所需的某供体生物的遗传物质DNA分子提取出来，在离体条件下切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后导入某一受体细胞中，让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。自1973年第一个目的基因重组以来，已用微生物表达和生产了许多重组基因产物，但主要是用于疾病诊断和治疗，而在环境工程上的应用不多。目前，在环境工程方面的微生物选育中诱变育种仍是一个最有效、实用的方法，而通过分子生物学手段，定向构建基因工程菌应是垃圾堆肥微生物育种的重要发展趋势。
2微生物选育技术在城市生活垃圾堆肥处理中的应用
传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环境条件的方法，利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，大量资料表明，在堆肥腐熟过程中，纤维素分解作用是关键问题，但天然纤维素分解菌的活性低，降解速度慢，致使发酵时间长，降低了堆肥效率。纤维素是植物残体中最丰富的部分。它由β(1～4)糖苷键连结葡萄糖单元所组成，通常与半纤维素和木质素连接在一起，其非均质基团为各种已糖、戊糖、醛酸聚合体，它们在物料中常与一些更难分解的物质相结合，因此比较难分解，尽管自然界中存在着可以产生纤维素酶的微生物，诸如：假单胞菌(Psendomonas)、色杆菌(Chromobacterium)、芽孢杆菌 (Cytophaga)、木霉(Trichodema)、毛壳霉菌(Chacetomium)、青霉(Penicillium)等，可通过纤维素酶的作用分解纤维素，但由于在细胞壁中纤维素受到木质素的保护，而许多微生物不能分解木质素，因此纤维素的分解受到限制。木质素是以酚基丙烷为单元组成的复杂的芳香族高聚体，它是种子植物的主要结构物质之一，占木质化组织质量的1／5～1／3，起着黏结剂的作用，它将细胞壁中的多糖分子以物理、化学方式连接在一起，极大地增大了这些物质的强度。尽管木质素的生物合成目前已较清楚，但对木质素降解的生物学和生物化学知之甚少。由于木质素分子大，溶解性差，结构复杂，化学键链相互交织，因而微生物及其分泌的胞外酶不易于与之结合。木质素与植物残体的其他组分相比，降解难度大，普通的半知菌真菌，镰刀霉、曲霉、青霉等不能降解木质素，尽管它们能与土壤细菌、放线菌一道参与木质素降解过程的小分子中间产物的进一步分解，而放线菌、真菌中的某些种类如白腐担子菌 (P..chrysosporium)能对木质素进行有效的降解，国内外学者已就此展开了较广泛的研究。
早在1936—1938年我国学者彭家元和降禹平就从堆肥中分离筛选出好热性纤维素分解细菌，并扩大培养后制成菌剂，作为堆肥的接种剂应用。前东北农业科学研究所从厩肥、马粪中分离出来称之为札礼菌的好热性纤维素分解菌，将这种札礼菌进行培养，制成菌剂加入至堆肥原料后，可加速堆肥的腐熟。同济大学的陈世和等对城市生活垃圾堆肥过程中的微生物类群进行了分离鉴定，并提出在垃圾含有的原有自然微生物群体基础上，添加高效菌种或酶制剂，将增强对垃圾的分解和利用，对于缩短堆肥时间具有重要意义。中科院南京土壤研究所的顾希贤等从堆肥、畜类、土壤等22个样品中，分离得到纤维素分解菌198株，将其中2株生长快、粗纤维分解能力强的菌株制成菌剂，加入到二次发酵垃圾堆肥中。结果表明，接菌堆肥比不接菌堆肥升温快且高，高温维持时间长，真菌和纤维素分解菌数量增多，腐殖质含量提高21％～26％。肥效试验证明，施接菌堆肥比不接菌堆肥可使青菜增产9.9％，值得一提的是，他们所采用的二次发酵接种工艺极具参考价值。深圳大学的蒲一传等利用筛选出的一株自生固氮菌和一株纤维素分解菌进行混合培养，初步探索了在两种菌混合作用下对生活垃圾的降解作用及增肥效应。结果表明，两种菌在一定情况下能相互利用、相互依存，混合发酵液中的总氮量增高，菌数增加。在两种菌混合作用下可以加速有机垃圾的降解，同时可提高其含氮量，其降解物可作为高效的生物活性有机肥 Wakasaki，Akiyama，Matthur等进行的接种效应研究表明，一些从堆肥中分离出来的高温菌、中温菌、放线菌和真菌作为堆肥接种剂可加速细胞壁和木质素、纤维素的水解，促进腐殖化过程，避免堆肥早期pH值下降，提高堆肥氮素含量和促进堆肥过程中磷的可溶性。其中真菌对堆肥物料的分解和稳定起着重要的作用，真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机物质，而且由于其菌丝的机械穿插作用，还对物料施加一定的物理破坏作用，促进生物化学作用。放线菌利用纤维素能力较弱，但它们能容易利用半纤维素，并能在一定程度上分解木质素。中国环境科学研究院的席北斗等筛选出用于堆肥处理的高效复合微生物菌群，实验表明，高效复合微生物菌群可以加速生活垃圾和污泥的降解，堆肥时间缩短18d，同时成品堆肥中含有大量具有生活活性的微生物。席北斗等人还从堆肥、马粪、果园土、污泥等原料筛选出活性较高的纤维素分解菌，随后采用紫外线诱变技术培养出优良菌株，并与EM菌混合后进行对比试验，结果显示，混合菌种可以提高有益微生物群体数目和质量，使微生物群落之间相互协同，形成复杂而稳定的生态系统，从而增强微生物的降解活性，使堆肥温度迅速升高并维持较长的时间。
在垃圾堆肥过程中常常伴有恶臭，造成大气污染，针对这一问题，武汉市环境卫生科学研究所进行了垃圾快速无臭化发酵菌的筛选工作及中试研究，取得了初步的进展，分离获得37株脱臭效果较好的发酵菌株，其中常温菌17株，高温菌20株。实验结果表明，接种脱臭菌的垃圾与对照相比，恶臭有明显下降，且接种量越大，差异越明显。
有效微生物群(Effective Microorganisms)是由乳酸菌、酵母菌、放线菌和光合细菌等4大类80余种微生物组成的复合菌剂的通称，可用于农业、养殖业及环境保护等方面，其中在生活垃圾处理方面，日本已应用EM技术，将厨房垃圾变成有机肥料。日本歧阜县用这种方法处理生活垃圾后，有效地控制了垃圾带来的环境污染问题。
3结束语
城市生活垃圾的堆肥处理，是进行城市生活垃圾处理和资源可持续利用，以保护环境资源、满足社会经济可持续发展需求为目的的新兴产业。结合微生物选育技术在垃圾堆肥处理中的应用现状，今后应深入开展以下研究：
(1)堆肥过程中有效微生物群的种、属的鉴定；
(2)堆肥过程中微生物种群的比例、种间关系及其变化规律的研究；
(3)菌种特性——各种酶的活性、降解速率、发酵周期等的研究；
(4)运用诱变育种、基因工程等技术培育高效优势菌；
(5)高效复合微生物菌种的研究。
许多研究表明，单一的细菌、真菌、放线菌群体，无论其活性多高，在加快堆肥化进程中作用都比不上多种微生物群体的共同作用，因此有必要加强高效复合微生物菌种的研究。此外，安全性问题一直是微生物制剂，特别是基因工程菌推广使用的主要障碍，但仅仅因为基因工程菌可能存在一定的危险性就停止研究和使用，将使我们失去一个选育高效优势菌种的有力工具，在这方面还需加强管理和更深入的研究。在生活垃圾处理的安全性方面，关键要确保投放安全菌剂和排出无害残存物。例如可构建只适于垃圾处理系统的营养缺陷型菌株来保证其安全性等；同时要把握好垃圾“消化”过程的温度、湿度、通气状况等，确保处理后的残存物也是安全的。目前，用于生活垃圾处理的菌种都来源于自然界且绝大部分不是有害菌，从长远看，随着生物技术的发展，基因工程技术的研究也将越来越深入，它必将在环境污染治理中发挥重要作用。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
