用于处理食物垃圾的混合菌株及利用其处理食物垃圾的方法技术领域
本发明涉及用于处理食物垃圾的混合菌株,具体地,涉及一种用
于处理食物垃圾的混合菌株以及利用这种菌株处理食物垃圾的方法。
所述混合菌株在大范围的温度、pH值及盐度范围内对纤维素、淀粉、
蛋白质及脂肪具有高的降解活性,可以降解含水率高的食物垃圾,从
而能够有效降解食物垃圾。
背景技术
韩国每日产生的生活废弃物达50,346吨(以2007年为基准),
在过去20多年来随着人口的增长、城市产业化以及城市集中化,废
弃物的产量在急剧增加。从废弃物的处理现状来看,1991年生活废
弃物中的89.2%是经过填埋处理的,只有7.9%进行再利用,而2000
年得益于垃圾排放收费制度的实施及再利用政策,使得填埋处理率下
降为47.0%的同时,再利用率增长为41.3%。
其中食物垃圾的处理大部分依赖于填埋,食物垃圾因其含水量较
高而经过填埋后其本身将会成为渗滤污水的源头,在收集和运输过程
中也容易腐败而引发恶臭等诸多问题,因此直接填埋的方式从2005
年开始已被禁止。虽然随着食物垃圾直接填埋的禁止,实施了食物垃
圾分类收集,然而因人口的增长、收入的提高及生活方式的变化使食
物垃圾的产量由1999年的日平均11,577吨增长为2007年的日平均
14,452吨。
焚烧是另一种垃圾处理方式,然而水分含量的过高降低了焚烧效
率进而导致处理费用过高,而且还会释放出二恶英等对环境有害的物
质。为了解决上述问题,用堆肥化、饲料化、能源化等方式再利用食
物垃圾的方案正在紧锣密鼓地实施着。
厌氧性降解可以将潮湿的生物降解废弃物作为对象来回收能源,
在这一点上优于堆肥化,然而与堆肥化相比尚有设施规模过大、维修
保养费用过高等缺点。堆肥化方式的情况下,常用来设置、运营的代
表性的方法有消灭式、发酵式和干燥式等,其中消灭式是将水分调节
剂(锯末、谷壳、椰纤土等)和微生物加入到食物垃圾(有机物)中
使其分解的一种方式,存在水分调节剂的供需不平衡及价格上涨等问
题。干燥式是利用热风、加热器或间接蒸汽加热装置将食物垃圾加热
至70-120℃,使水分蒸发,并通过搅拌作用使粉碎干燥的内容物的重
量减少,然而从加热装置的经济性方面考虑,其在实用性方面效果差。
相反,无需外界的热供给而依靠微生物反应所产生的热能的高温好氧
型方式作为有机废水的一种净化处理方式被研究,但由于缺乏各种控
制技术而无法应用于现场。对嗜热微生物的活化是这种处理方法中至
关重要的环节,但因找不到保持恒定温度的方法而尚未达到像现有各
种废水处理方法一样的商业化阶段。
使用反应热的这种方法的优点是由于反应是在高温下进行,因此
有机物的去除速度快,并且对有机物负荷显示出稳定的处理效率,由
于是在高温下,因此不会发生硝化反应,从而可以有效地利用被供应
的氧气并得到稳定的处理物。
其中,在堆肥化和消灭化方式中需要锯末等膨胀剂(bulking
agent),相应地导致装置的体积变大,从而增加垃圾处理费用。此外,
在堆肥化过程中,大部分有机物会转化为二氧化碳、氨、在好氧和厌
氧状态下产生的硫醇、水、微生物细胞、热能及腐殖质(humus),
其中,氨和硫醇会产生刺鼻的气味,欲去除这种恶臭就要使用除臭剂
和铂催化剂,因而会产生额外的费用。近年来为了减少这种额外费用
而引进了废气再循环方式,但去除恶臭的铂催化剂仍然被普遍使用,
因此还是无法从根本上节省费用。
目前,在食物垃圾堆肥化及消灭化方式中所使用的具代表性的微
生物是那些已知能够分解纤维素的棒型(coryneform)、诺卡氏型
(nocardioform)、真性丝状菌(true filamentous bacteria)及放线菌类
(actinomycetes)等微生物种。这种细菌在碳氢化合物,残存植物和
土壤堆肥的分解中发挥了主要作用。属于这种群体的一些微生物还可
以分解杀虫剂。主要属于对链霉菌的丝状放线菌类会产生一种具有独
特泥土味道的土臭素味化合物(派克(Parker),2001)。在有机物的
处理方面,土壤微生物可根据如下两点进行分类,(1)对于容易或难
以使用的基质的偏好度,(2)所需基质的浓度。在高营养水平,假单
孢菌等微生物在糖或氨基酸等容易获得的基质中迅速发生反应。本源
微生物倾向于尽可能使用天然有机物。这种微生物包括节杆菌以及许
多土壤放线菌类。放线菌在水分含量为70%以下时生长较快,因此
建议在已被开发的堆肥化和消灭化方法中将水分含量均调整为40%
至60%之间。这些水分含量的调节在一些大型的垃圾处理设施中是
可行的,但在家庭、餐饮行业和大型流通市场等场所基本上是不可行
的,可以说这就是有效处理垃圾过程当中最大的失败原因。此外,减
少含水率需要加热,就会导致大量的能源消耗,为了维持较低的含水
率,存在不能正常使用去除降解产物所需的洒水系统的缺点。
韩国专利号0580857公开了一种使用史密斯杆菌(Bacillus
smithii)及嗜热酵母菌的混合菌株ATS-1(KCTC10637BP),在含水
率高的状态下也能维持高的降解活性,有效处理食物垃圾的方法。
然而食物垃圾显示出多种多样的pH值及盐度,为了更有效地处
理食物垃圾,在大范围的温度、pH值及盐度范围内能够有效降解食
物垃圾的微生物菌株的开发已迫在眉睫。
参考文献
派克M.M.,微生物的块生物学(第9版),2001,新泽西州:
普伦蒂斯(Parker M.M.,Block Biology of Microorganisms(Ninth
Edition),2001,New Jersey:Prentice Hall)
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明以提供用于处理食物垃圾的微生物菌株为技术课题,这种
菌株在大范围的温度、pH值及盐度范围内对纤维素、淀粉、蛋白质
及脂肪具有高的降解活性,因此可以有效降解食物垃圾。
解决技术问题的技术手段
为了实现上述目的,本发明提供包括波茨坦短芽孢杆菌
(Brevibacillus borstelensis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)
及特鲁利斯酿酒酵母菌(Kazachstania telluris)的用于处理食物垃圾
的混合菌株(KCTC 11585BP)。
此外,本发明还提供使用上述混合菌株处理食物垃圾的方法。
下面对本发明进行详细说明。
本发明的用于处理食物垃圾的混合菌株包括波茨坦短芽孢杆菌、
地衣芽孢杆菌及特鲁利斯酿酒酵母菌,并于2009年11月10日以保
藏号KCTC 11585BP保藏在韩国典型培养物保藏中心。
本发明中用于处理食物垃圾的混合菌株由作为细菌的波茨坦短
芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌及作为酵母菌的特鲁利斯酿酒酵母菌组成。
波茨坦短芽孢杆菌及地衣芽孢杆菌具有降解纤维素、淀粉、脂肪
及蛋白质的能力,并且在盐度高达4%的状态下也可以生存。波茨坦
短芽孢杆菌是革兰氏阳性菌,主要从土壤中分离得到,它被称为生产
D-立体选择性氨基酸酰胺酶(D-stereospecific amino acid amidase)的
嗜热微生物,这种酶可以水解含D-氨基酸的酰胺中氨基末端氨基酸。
地衣芽孢杆菌也是革兰氏阳性菌,主要从土壤中分离得到。它是
一种能够在50℃以上高温下生长的嗜热菌,具有在不利条件下以孢
子的形式存在,在有利条件下生长的特性。
适合特鲁利斯酿酒酵母菌生长的温度在37℃至45℃之间,具有
降解并发酵纤维素、淀粉及葡萄糖的能力。特鲁利斯酿酒酵母菌生长
速度很快,已知其可利用硝酸盐发酵各种碳水化合物。
目前尚无关于波茨坦短芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌及特鲁利斯酿酒
酵母菌可能对健康及环境有害的文献报道。而且这些菌被国际生物资
源中心(ATCC)分类为生物安全等级(biosafety level)1级,被分
类为非病原性细菌及酵母菌。因此本发明的用于处理食物垃圾的混合
菌株所包含的菌株都是安全的,不会对人体及环境带来问题。
本发明的另一方面,提供使用本发明的混合菌株(KCTC
11585BP)处理食物垃圾的方法。
本发明的食物垃圾处理方法可以在30℃至60℃实施,优选在
40℃至50℃实施。本发明的用于处理食物垃圾的混合菌株由嗜热型
细菌及嗜热型酵母菌组成,因此在上述高温范围内能够有效处理食物
垃圾。在高温下也能维持其降解活性是食物垃圾降解时的放热反应能
够使处理设备内部温度上升的重要因素之一。此外,在高温下的处理
不仅使食物垃圾的降解更加活跃而且还能防止被其他微生物污染,起
到继续维持菌群(flora)的作用。
为了便于运输或储存,本发明中的混合菌株(KCTC 11585BP)
可以制剂化为多种形态。例如,可与冷冻保护剂一起冷冻干燥以粉末
的形态使用,也可同保存载体混合吸附后使其干燥成固体状态使用。
只要是本领域通常使用的冷冻保护剂和及保存载体均可使用,没有特
殊的限制,例如甘油、脱脂乳、蜂蜜等可作为冷冻保护剂来使用,硅
藻土、活性炭、脱脂米糠等可作为保存载体来使用。
发明的效果
本发明的用于处理食物垃圾的混合菌株(KCTC 11585BP)在大
范围的温度、pH值及盐度范围内对纤维素,直链淀粉,蛋白质及脂
肪具有高的降解活性,可降解含水率高的食物垃圾,因此可以通过有
效降解多种多样的食物垃圾以较低的费用处理食物垃圾。混合菌株
(KCTC 11585BP)中包含的酵母菌可以稀释食物被降解过程中释放
出的特有的恶臭,通过酒精发酵来帮助食物降解,从而提高降解率。
因此,本发明可以解决填埋或焚烧等传统的食物垃圾处理方法所造成
的环境污染问题,以环保的方式处理食物垃圾。
附图说明
图1为将波茨坦短芽孢杆菌用显微镜放大1000倍拍摄的照片。
图2为将地衣芽孢杆菌用显微镜放大1000倍拍摄的照片。
图3为将特鲁利斯酿酒酵母菌用显微镜放大1000倍拍摄的照片。
图4为表示被酵母菌降解的葡萄糖(5mg/100mL)降解率的图表。
图5为表示被酵母菌降解的葡萄糖(10mg/100mL)降解率的图
表。
图6为表示被酵母菌降解的葡萄糖(20mg/100mL)降解率的图
表。
图7为示出nATS-AG根据温度的生长曲线的图。
图8为示出对照菌株根据温度的生长曲线的图。
图9为示出nATS-AG根据初始pH值的生长曲线的图。
图10为示出对照菌株根据初始pH值的生长曲线的图。
图11为nATS-AG根据盐度的生长曲线的图。
图12为示出对照菌株根据盐度的生长曲线的图。
图13为经过菌株处理24小时后,将胡萝卜用显微镜放大1000
倍拍摄的照片,图14为48小时后拍摄的照片(左侧:对照菌株,右
侧:nATS-AG)。
图15为经过菌株处理24小时后将海带用显微镜放大1000倍拍
摄的照片,图16为48小时后拍摄的照片(左侧:对照菌株,右侧:
nATS-AG)。
图17为经过菌株处理24小时后将韭菜用显微镜放大1000倍拍
摄的照片,图18为48小时后拍摄的照片(左侧:对照菌株,右侧:
nATS-AG)。
具体实施方式
下面通过实施例来具体说明本发明。但是,实施例仅用于帮助理
解本发明,本发明的范围并不仅限于以下实施例。
微生物的分离及选择
为了分离出对蛋白质、纤维素、淀粉和脂肪具有良好降解能力的
在高温下存活的菌株,在有机物降解非常活跃的落叶堆肥化现场进行
了样品采集。将采集回来的1克土壤和腐殖质样品分别加入到含有1
%羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)、1%淀粉(starch),1%
蛋白胨(peptone)及1%的橄榄油的液体培养基内,然后在45℃、
60℃及70℃下进行24小时的富集培养(enrichment culture)。将培养
上清液转移到固体培养基上利用平板表涂布法进行3次涂布后,选出
不同大小和形态的菌落(colony),并接种到营养培养基中培养48小
时,然后以OD600确认其生长。
为了测定分离到的菌株的物质降解能力,研究了淀粉酶、纤维素
酶、蛋白酶及脂肪酶的活性。在纤维素酶检测培养基(1%CMC、1%
胰蛋白胨、0.5%酵母提取物、1%NaCl及1.5%琼脂),淀粉酶检测
培养基(0.3%牛肉膏、2%可溶性淀粉、0.5%蛋白胨、0.5%NaCl、
1.5%琼脂),蛋白酶检测培养基(0.5%胰酶消化酪蛋白(pancreatic
digest ofcasein)、0.25%酵母提取物、0.1%葡萄糖、1%脱脂乳及1.5%
琼脂)及脂肪酶检测培养基(1%吐温80、1%蛋白胨、0.5%NaCl、
0.01%CaCl2H2O及1.5%琼脂)上形成的菌落中,以透明环的大小来
判断其活性。筛选出活性优异的菌株后,从其中选出显示为最佳组合
的2个菌株,对它们进行碱基序列分析并进行鉴定。
酵母菌样本是在江原道春川市附近的污秽处理场采集的,
然后在加入4μg/mL抗生素(氨苄青霉素(ampicillin))的YM培
养基(由0.3%酵母提取物、0.3%麦芽提取物、0.5%蛋白胨及1%
葡萄糖组成)中进行富集培养。培养之后用显微镜确认酵母菌的存
在,并在同一培养基中进行纯分离。
各菌株的降解活性是按照下列方法评价的。对培养出的菌落周围
环的大小进行了测定并进行了分裂,环的大小在6mm以上为+++,
3-5mm为++,3mm以下为+。
酵母菌的降解活性是根据还原糖的消耗率来评价的。还原糖浓度
是用苏木杰(Somogyi)法测定的。
微生物的鉴定
对筛选出的细菌进行16S rRNA碱基序列分析,将分析结果与
NCBI的BLAST进行比对,结果分别被确认为波茨坦短芽孢杆菌(同
源性为98%)、地衣芽孢杆菌(同源性为99%)。将酵母菌的18S rRNA
碱基序列分析结果与NCBI的BLAST进行比对,结果被确认为特鲁
利斯酿酒酵母菌(同源性为100%)。
物质降解能力的评价
被选细菌菌株在每种基质中的活性度测量结果如表1所示。
表1
菌株
纤维素酶
淀粉酶
蛋白酶
脂肪酶
波茨坦短芽孢杆菌
++
+
++
+
地衣芽孢杆菌
+
+
++
+
酵母菌起到降解和吸收作为有机物的降解产物的低分子物质的
作用,因此以还原糖的消耗率来测定酵母菌的活性。还原糖的浓度是
用苏木杰(Somogyi)法测定的。测定并比较特鲁利斯酿酒酵母菌、
韩国专利号第0580857号中使用的嗜热酵母菌(热带假丝酵母
(Candida tropicals))及从KCTC(韩国典型培养物保藏中心)购买
的嗜热酵母菌(安格斯毕赤酵母(Pichia angusta):菌株号17664)
这三种酵母菌的葡萄糖吸收降解率(图4-6)。
从图4-6可以确定在所有浓度中特鲁利斯酿酒酵母菌和韩国专利
号第0580857中被使用的嗜热酵母菌的还原糖消耗率是相似的,而从
KCTC购买的菌株(安格斯毕赤酵母)的还原糖消耗率则低于上述两
种。
混合菌株的制备
将波茨坦短芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的原液(stock)以1%的浓
度加入到筛选培养基(营养肉汤)中,在45℃培养箱中边搅拌边培
养24小时,将特鲁利斯酿酒酵母菌的原液以1%的浓度加入到筛选培
养基(YM肉汤)中,在37℃培养箱中边搅拌边培养24小时。将各
400mL细菌培养液与200mL酵母菌培养液进行混合,从而制备得到
1000mL的混合菌株。
将获得的混合菌株于2009年11月10日以保藏号KTCT 11585BP
保藏在韩国典型培养物保藏中心。(以下将上述混合菌株命名为
“nATS-AG”。)
实验例1:根据温度、初始pH值和盐度测定生长率
实验方法
根据不同的温度、初始pH值和盐度测定出nATS-AG的生长曲
线。培养基是由5g/L的蛋白胨、10g/L的凝胶、2.5g/L的酵母提取物、
5g/L的可溶性淀粉、3g/L的麦芽提取物、3g/L的纤维素、2g/L的牛
肉膏、5g/L的NaCl组成。个体数的增加是在分光光度计的600nm波
长下以吸光度的变化来表示的。
利用与上述方法同样的方法测定韩国专利号第0580857中公开
的史密斯杆菌(Bacillus smithii)和嗜热酵母菌的混合菌株ATS-1(以
下称“对照菌株”)的生长率,并与nATS-AG进行比较。
实验例1-1:根据温度的生长率
利用上述实验方法分别测定37℃,45℃,60℃及70℃下的
nATS-AG及对照菌株的生长率,然后将其结果分别显示在图7和图8
中。
和对照菌株不同的是nATS-AG在开始培养24小时后仍可充分生
长,甚至在45℃状态下也可生长。特鲁利斯酿酒酵母菌(Kazachstania
telluris)在37℃时生长很旺盛,与其它温度相比,显示出相当高的
OD值。
由上述结果可以看出nATS-AG在高温状态下的生长率远远超过
对照菌株。
实验例1-2:根据初始pH值的生长率
利用上述实验方法分别测定初始pH值为3、4、5、6及7时的
nATS-AG与对照菌株的生长率,然后将其结果分别显示在图9与图
10中。
对照菌株仅在初始pH值4的情况下表现出高的生长率,相反,
nATS-AG在初始pH值为4、5、6时表现出的生长率均远远超过对照
菌株。细菌在降解食物时随着产生有机酸,会使pH值下降,但pH
值一般不会降至4以下。nATS-AG在大范围的初始pH值状态下表现
出高生长率,由此可知在处理具有多种pH值的食物的过程中以及在
食物的降解过程中即使pH值下降nATS-AG也可有效被利用。
实验例1-3:根据盐度的生长率
利用上述实验方法分别测定0%、1%、2%、3%及4%的盐度下的
nATS-AG与对照菌株的生长率,然后将其结果分别显示在图11和图
12中。
nATS-AG在4%的盐度下也能维持生长。我国食物中盐的浓度一
般在3%以下,因此认为在食物垃圾的处理过程中通过与水的接触可
以去除其中的盐分,也就不会存在盐分所引发的问题。此外,24小
时后对照菌株的OD值增加而nATS-AG则显示出正常的生长曲线。
由此可见nATS-AG从食物处理初期开始就可以比对照菌株更为有效
地降解食物。
实验例2:降解活性的测定
实验例2-1:小规模处理
测定nATS-AG及对照菌株的食物降解活性。将米饭、生菜、猪
肉以1:1:1的重量比混合后作为样本进行实验。用微生物处理食物
垃圾的过程通常是接种菌株后以一定的时间间隔持续投入食物垃圾,
因此微生物菌落能够稳定地保持其降解活性尤为重要。所以在实验开
始前先将菌落稳定24小时。初始菌落的制作条件如下列表2所示。
表2
材料
量
食物(米饭,生菜,猪肉)
1,200g
菌株(nATS-AG或对照菌株)
50mL
然后,以6小时为间隔持续加入500克的食物并按下列公式计算
每个时间段的降解率:累计总投入量(干重)-最终残余食物量(干
重)/累计总投入量(干重)×100(%)并求其平均值。结果如下列
表3所示。
表3
从表3中的结果可以看出,nATS-AG的降解活性高于已知的对
食物具有高降解活性的对照菌株,从而可以更有效地处理食物垃圾。
实验例2-2:大规模处理
为了了解nATS-AG能否长时间有效地降解大量的食物垃圾而进
行了实验。将从江源大学学生食堂收集的1,000g食物垃圾投入到食
物垃圾处理设备中,然后分别接种10mL的nATS-AG与对照菌株。
12小时后又追加投入1,000g食物垃圾,之后以8小时及16小时为
时间周期将1,000g食物垃圾追加投入至84小时。第20,44,68和
96小时,在投入食物垃圾之前先测定降解后剩余的食物垃圾重量,
并按下列公式计算减重率。
(1-食物垃圾残留量/食物垃圾投入量)×100(%)
结果如下列表4。
表4
从表4可知,nATS-AG比对照菌株更为有效地降解食物,且还
能长时间保持其降解活性。
实验例3:难降解性食物的降解活性
对被公认为不易降解的食物进行降解活性测定。降解活性的高低
取决于菌株能否很好地吸附于食物中并渗透到其组织内部,为了探其
究竟从难降解食物中选出胡萝卜、海带、韭菜将它们经nATS-AG与
对照菌株处理24小时及48小时后,用DAPI对食物进行染色后,用
荧光显微镜(BX-60,奥林巴斯)进行拍摄并比较其结果(图13-18)。
从图13-18可以看出,nATS-AG远远比对照菌株容易吸附于食物
上,且更容易渗透到组织内。
实验例4:菌株的冷冻干燥及存活率试验
将nATS-AG接种到5L的培养基(0.5%酵母提取物、1%蛋白胨、
2%葡萄糖、0.8%营养肉汤及0.5%麦芽提取物)内培养后将10%(W
/V)脱脂乳作为冷冻保护剂加入其中并经过冷冻干燥回收得到
311.26g的粉末。将0.1g回收的冻干菌株悬浮在1×PBS中,向营养琼
脂和马铃薯葡萄糖琼脂培养基上进行平板涂布后在37℃培养箱中培
养24小时,然后对生成的菌落进行计数来测定存活率。其结果如下
列表4所示。
表5
从上述表5的结果可以看出本发明的nATS-AG在冷冻干燥之后
也能维持较高的存活率。
保藏的微生物或其它生物学物质的标志事项
(专利协作条约规则第13条第2款)
表P(T/RO/134(1998,7月;2004年1月再次印刷)