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1、(10)申请公布号 CN 103111037 A (43)申请公布日 2013.05.22 CN 103111037 A *CN103111037A* (21)申请号 201310073748.X (22)申请日 2013.03.08 A62D 3/02(2007.01) A62D 101/28(2007.01) (71)申请人 中国农业科学院农业环境与可持续 发展研究所 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 12 号中国农业科学院农业环境与可持 续发展研究所 申请人 李艳菊 (72)发明人 杨正礼 李艳菊 张爱平 杨世琦 张晴雯 (54) 发明名称 一种金霉素固体废弃物的无害化处理方。
2、法 (57) 摘要 本发明涉及一种利用微生物对金霉素固体废 弃物进行无害化处理的方法, 属于环境微生物与 固体废弃物处理技术领域。本发明选用金霉素降 解微生物, 以金霉素菌渣为主原料, 添加特定的适 量辅料, 通过发酵处理, 使菌渣中金霉素等生物毒 性物质降解而达到菌渣无害化的效果。本发明具 有成本低、 反应条件温和、 操作简单、 能耗低、 发酵 过程容易控制、 绿色环保、 降解效率高等优点。本 发明解决了金霉素菌渣的生物脱毒问题, 对该固 废的无害化处理和资源化利用提供了方法与基 础。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产。
3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103111037 A CN 103111037 A *CN103111037A* 1/2 页 2 1. 一种金霉素固体废弃物的无害化处理方法, 其特征在于, 通过如下操作步骤实现 : (1) 降解菌株选用与活化培养 根据金霉素新鲜菌渣特点, 选用对金霉素具有降解能力、 且能耐受强酸性和高浓度金 霉素的菌株, 菌株活化使用马丁氏培养基或马铃薯葡萄糖培养基, 活化条件为 : 温度 28-30, 150-180r/min 震荡培养 24-48h, 然后转接到更大容器中继 续培养, 如此操作 2-4 代。 (。
4、2) 菌渣原料预处理 金霉素新鲜菌渣外形呈不规则的大块颗粒状, 生物处理前, 需将菌渣进行破碎处理, 然 后, 可根据需要对破碎后菌渣进行高温或不经过高温处理。 (3) 辅料选择与预处理 选择农副产品作辅料, 121灭菌 20-30min。 (4) 原辅材料混合 以破碎处理后的金霉素新鲜菌渣为主要原料, 添加少量预处理后的辅料共同组成发酵 底物。 (5) 接种与发酵处理 将活化后的菌种 1 种或多种接种到菌渣发酵底物中, 搅拌均匀, 然后放入发酵设备中 进行发酵处理, 定期测定金霉素残留量、 pH 值以及水分等指标。 (6) 菌渣的生物毒性测定 采用生物指示法测定菌渣毒性, 以微生物作为毒性测。
5、试菌, 通过比浊法测定菌渣毒性, 具体操作为 : 在 III 号培养基中, 加入用磷酸盐缓冲液提取的菌渣提取液, 并以添加相同量 的磷酸盐缓冲提取液做对照 (CK), 然后分别加入测试菌, 在 28-35的摇床中培养, 定期取 样测定培养液的吸光值 (OD600), 并计算抑制率 : 抑制率 ( ) ( 对照 OD600- 处理 OD600)/ 对照 OD600100 经测定得知, 添加浓度为 0.1-30.0mg/ml 的原菌渣提取液, 培养 16h, 各浓度对测试菌 生长的抑制率均在 80以上, 而添加 0.1-30.0mg/ml 发酵处理后菌渣的提取液, 培养 16h, 对测试菌的生长没。
6、有抑制作用。 2. 根据权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 步骤 (1) 所述金霉素新鲜菌渣的初始 pH 值 为 2.0-3.0, 金霉素含量为 0.5-2.5 ( 占干基 ), 含水量为 60-80。 3. 根据权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 步骤 (1) 所述金霉素降解微生物包括哈 茨木霉 (Hypocrea lixii), 草酸青霉 (Penicillium oxalicum), 桔青霉 (Penicillium citrinum) 和小刺青霉 (Penicillium spinulosu) 等菌种, 以桔青霉 LJ318、 哈刺木霉 LJ245, 草酸青霉 LJ302 和小。
7、刺青霉 LJ220 作为优选菌株, 这些菌株均已保藏于中国微生物 菌种保藏管理委员会普通微生物中心 (CGMCC), 菌种活化培养基 : 马丁氏培养基配方 : 蛋白胨 6.0g, 葡萄糖 10.0g, KH2PO41.0g, MgSO47H2O0.5g, 溶于 1000ml 蒸馏水中。 马铃薯葡萄糖培养基配制 : 将马铃薯洗净去皮, 称取 200g 切成小块, 加水 1000ml, 煮沸 20-30 分钟, 用纱布过滤, 加入 20g 葡萄糖, 补足水分至 1000ml。 4.根据权利要求1所述方法, 其特征在于, 步骤(2)所述菌渣预处理方法中的破碎处理 后的颗粒大小为 1-5mm, 菌渣高。
8、温处理为 121, 20-30min。 权 利 要 求 书 CN 103111037 A 2 2/2 页 3 5.根据权利要求1所述方法, 其特征在于, 步骤(3)所述农副产品辅料, 主要指麦片、 麸 皮、 糠皮、 木屑、 秸秆等。 6. 如权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 步骤 (4) 所述原辅材料混合, 是指以金霉素菌 渣为主要原料, 占比例为87.5-95.0(按湿基量计算), 辅料占比例5.0-12.5, 辅料种类 可选择 1-3 种。 7. 根据权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 步骤 (5) 所述接种与发酵处理, 接种量为 2-15, 发酵温度为 18-35, 优选 28。
9、-30, 相对湿度为 90-95。发酵期间要进行搅拌或 通空气处理。 8.根据权利1要求所述方法, 其特征在于, 金霉素含量测定采用高效液相色谱法, pH值 测定采用酸度计测定。 9. 根据权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 步骤 (6) 所述生物毒性测定, 选择的测试微 生物, 以金黄色葡萄球菌、 藤黄微球菌菌种为优选菌种。 III 号培养基配方为 : 蛋白胨 5.00g, 牛肉浸出粉 1.50g, 酵母浸出粉 3.00g, 氯化钠 3.50g, 磷酸氢二钾 3.68g, 磷酸二氢钾 1.32g, 葡萄糖 1.00g, 水 1000ml。 磷酸缓冲液配方 : 磷酸氢二钾 2.00g, 磷。
10、酸二氢钾 8.00g, 蒸馏水 1000ml。 10. 根据权利要求 1-9 所述方法, 其特征在于, 生物发酵处理后的金霉素菌渣中粗蛋白 含量为54-61(占干基), 粗灰分含量为12-15(占干基), 水分含量为14-30, 菌渣pH 值可由发酵前的 2.0-3.0 上升为发酵后的 7.1-8.4, 菌渣中金霉素降解率可达 98以上。 权 利 要 求 书 CN 103111037 A 3 1/5 页 4 一种金霉素固体废弃物的无害化处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种利用微生物对含金霉素的固体废弃物进行无害化处理的方法, 属 于环境微生物与固体废弃物处理技术领域。 背景技术 000。
11、2 金霉素 (Chlortetracycline) 属于四环素类抗生素, 是一种广谱性抗生素, 对多 种革兰氏阳性和阴性菌、 螺旋体、 立克次氏体、 支原体、 衣原体等具有抑制作用, 广泛应用于 畜禽养殖和水产养殖等产业当中。该类抗生素经过畜禽代谢后, 大部分以原形或母核的形 式随着畜禽粪便排入环境, 会对环境和人体健康构成潜在危害。畜禽粪便中残留抗生素的 环境污染及其控制日益受到关注。另一方面, 金霉素在发酵生产过程中会产生大量的固体 废弃物, 如金霉素菌渣, 它是金霉素发酵液经过预处理后, 过滤剩余的残渣, 主要由菌丝体、 发酵剩余的培养基原料、 生产菌中间代谢产物、 水分以及残留的金霉素。
12、等物质组成。 其营养 成分丰富, 尤其是蛋白质含量较高, 约占干重 45-55, 同时还含有脂肪、 淀粉、 纤维素和多 种矿质元素等物质, 是一种潜在利用价值较高的固体废弃物。 然而, 由于金霉素菌渣中含有 金霉素残留等生物毒性物质, 被我国列为危险固体废弃物, 只能通过焚烧或填埋方法进行 处置。目前, 生产企业大多采用焚烧方法处置, 处理成本高, 难度大, 弃之可惜, 而且存在二 次污染的潜在风险。 0003 利用生物方法降解环境中的污染物, 具有成本低、 效率高、 无二次污染等优点, 具 有很好的发展前景。畜禽粪便中残留的金霉素通过堆肥方法进行生物处理已有研究报道, 而针对金霉素菌渣这种高。
13、毒性和强酸性(pH值为2-3)的固体废弃物, 通过生物方法对其进 行无害化处理的相关研究, 目前尚未见报导。 在全球面临资源和能源匮乏挑战的今天, 如果 能找的一条安全、 经济、 环保的生物处理金霉素固体废弃物的方法, 不仅对防治固体废弃物 中残留金霉素的环境污染问题具有现实意义, 而且对未来的菌渣资源化利用和循环经济发 展具有重要科学价值与应用前景。 发明内容 0004 针对金霉素菌渣固体废弃物中金霉素残留量高、 生物毒性强、 降解难度大和目前 所用方法处理成本高等问题, 本发明旨在提供一种利用微生物对金霉素菌渣进行无害化处 理的方法。 0005 本发明所述的一种含金霉素的固体废弃物的无害化。
14、处理方法, 是以金霉素菌渣为 主要原料, 添加特定的适量辅料, 接种金霉素降解微生物, 在特定培养条件下, 对菌渣进行 生物降解处理, 使菌渣中残留金霉素等生物毒性物质降解而达到对菌渣无害化处理的系统 化方法。 0006 本发明所提供的技术方案是通过以下步骤实现的 : 0007 1、 降解菌株选用与活化培养 0008 金霉素菌渣初始 pH 值为 2.0-3.0, 金霉素含量为 0.5-2.5 ( 占干基 ), 属于一种 说 明 书 CN 103111037 A 4 2/5 页 5 金霉素残留浓度高且酸性强的固体废弃物。因此, 菌渣生物降解处理必需选用能耐受强酸 性和高浓度金霉素的菌株, 同时对。
15、金霉素具有降解能力的菌株。本发明中选用微生物为小 刺青霉、 桔青霉、 哈刺木霉和草酸青霉等金霉素降解菌种, 尤其以桔青霉 LJ318、 哈刺木霉 LJ245, 草酸青霉 LJ302 和小刺青霉 LJ220 作为优选菌株, 这些菌株均已保藏于中国微生物 菌种保藏管理委员会普通微生物中心 (CGMCC)。菌株活化使用马丁氏培养基或马铃薯葡萄 糖培养基, 活化条件为 : 温度 28-30, 150-180r/min 震荡培养 24-48h, 然后转接到更大容 器中继续培养, 如此操作 2-4 代。 0009 2、 菌渣原料预处理 0010 本发明所述新鲜菌渣初始含水量为 80 ( 重量比 ), 新鲜。
16、菌渣的外形呈不规则 的大块颗粒状, 生物处理前, 需将菌渣破碎成 1-5mm 大小的颗粒, 可根据需要选择高温或不 经过高温处理。 0011 3、 辅料选择与预处理 0012 选择麦片、 麸皮、 糠皮、 木屑、 秸秆等农副产品作辅料, 121灭菌 20-30min。 0013 4、 原辅材料混合 0014 以破碎后的金霉素新鲜菌渣为主要原料, 添加少量辅料共同组成发酵底物, 金霉素菌渣所占比例为 87.5-95.0 ( 按湿基量计算 ), 辅料添加比例为菌渣重量的 5.0-12.5, 辅料种类可选择 1-3 种。 0015 5、 接种与发酵处理 0016 按原料重 2-15的接种量, 将活化后。
17、的菌液 (1 种或多种 ) 接种到菌渣培养底 物中, 搅拌均匀, 放入发酵容器或设备中。发酵容器或设备的温度设置为 18-35, 优选 28-30, 相对湿度为 90-95。根据菌渣发酵进展情况, 进行搅拌或通空气处理, 并定期取 样, 测定金霉素残留量、 pH 值以及水分等指标。 0017 生物发酵处理后的金霉素菌渣中粗蛋白含量为54-61(占干基), 粗灰分含量为 12-15 ( 占干基 ), 水分含量为 14-30。菌渣 pH 值可由发酵前的 2.0-3.0 上升为发酵后 的 7.1-8.4, 菌渣中金霉素降解率最高可达 98以上。 0018 6、 菌渣的生物毒性测定 0019 本发明采。
18、用生物指示法测定菌渣毒性, 选用微生物作为毒性测试菌, 以金黄色葡 萄球菌和藤黄微球菌作为优选菌种, 采用比浊法对菌渣的生物毒性进行测定。发现添加 0.1-30.0mg/ml 的原菌渣提取液, 培养 16h 时, 对测试菌生长的抑制率在 80以上, 而添加 0.1-30.0mg/ml 发酵处理后的菌渣提取液, 在相同培养条件下, 对测试菌生长没有抑制作 用, 甚至对测试菌的生长具有一定的促进作用。 0020 本发明提供的利用微生物发酵生物降解菌渣中金霉素残留的方法, 操作简便, 能 耗低, 发酵过程容易控制, 绿色环保。 0021 本发明的有益效果 : 0022 1、 利用本发明提供的方法, 。
19、可降解菌渣中残留的金霉素等生物毒性物质, 减少金 霉素残留对环境造成的污染与危害。 0023 2、 用本发明提供的方法处理金霉素菌渣, 不需要对酸性极强的新鲜菌渣进行 pH 值调节, 可直接对新鲜菌渣进行生物降解处理。通过生物发酵过程, 使菌渣 pH 值由处理前 的 2.0-3.0 提高到处理后的 7.1-8.4, 即由强酸性转变到中性到微碱性, 减少了新鲜菌渣对 说 明 书 CN 103111037 A 5 3/5 页 6 容器的酸性腐蚀, 同时使处理后的菌渣便于储存、 运输和资源再利用。 0024 3、 用本发明提供的方法处理金霉素菌渣, 其处理后菌渣含水量由原菌渣的 60-80变为处理后。
20、的 14-30, 起到了固废减量化的目的。 0025 4、 本发明提供的利用生物降解处理菌渣的方法, 与目前采用的焚烧与填埋处理菌 渣方法相比, 具有成本低、 反应条件温和、 操作简单、 能耗低、 发酵过程容易控制、 绿色环保、 降解金霉素效率高等优点。菌渣经生物降解处理后, 其金霉素含量大幅度降低。处理后的 金霉素菌渣有望作为一种新的潜在蛋白质资源进行资源回用和深度开发利用。 0026 5、 本发明提供的生物降解方法可望应用于四环素和土霉素菌渣的生物降解处理, 以及畜禽粪便和周边土壤污染环境的生物修复处理, 对于发酵制药行业其他菌渣的处理也 具有较好的借鉴价值。 附图说明 0027 图 1 。
21、为金霉素高效降解菌株对菌渣中金霉素的降解率曲线。 0028 图 2 为添加菌渣提取液培养 16h 对金黄色葡萄球菌生长的抑制率曲线。 具体实施方式 0029 本发明的具体实施方式由以下实例加以说明, 但本发明不局限于这些实施例。 0030 实施例 1 金霉素新鲜菌渣的主要成分测定 0031 对金霉素新鲜菌渣的初始含水量、 pH 值和金霉素残留量进行了测定, 由测定结果 得知金霉素新鲜菌渣初始含水量 80 (60-80 )( 重量比 ), pH 为 2.0-3.0, 金霉素含量 为 0.5-2.5 ( 占干基 )。 0032 含水量测定方法 : 采用 105烘干法。 0033 pH 值测定方法 。
22、: 采用酸度计测定。 0034 金霉素含量测定方法 : 采用高效液相色谱 (HPLC) 法。具体操作为 : 准确称取 2.0000g 菌渣, 研磨, 加 20mL 丙酮提取液, 超声 30min, 用 0.22m 滤膜过滤。利用高效液相 色谱仪测定滤液中金霉素含量并计算出的降解率。 0035 HPLC 条件为 : 0036 填充剂 : 十八烷基硅烷键合硅胶 ; 流动相 : 乙二酸溶液(0.01mol/L)乙腈甲醇 体积比为 10 3 2 ; 流速 : 1.0ml/min ; 柱温 : 35 ; 进样量 : 10L ; 检测波长 : 375nm。 0037 实施例 2 一种金霉素菌渣生物处理方法。
23、 0038 该方法主要包括如下步骤 : 0039 1、 降解菌株选择与菌株活化培养 0040 根据金霉素新鲜菌渣 pH 值低和金霉素残留量高的特征, 选用哈茨木霉 (Hypocrea lixii), 草酸青霉 (Penicillium oxalicum), 桔青霉 (Penicillium citrinum) 和小刺 青霉 (Penicillium spinulosu) 等金霉素降解菌种, 以哈刺木霉 (Hypocrea lixii) LJ245(CGMCC NO.5753), 桔青霉 (Penicillium citrinum)LJ318(CGMCC NO.5850), 草酸青 霉(Peni。
24、cillium oxalicum)LJ302(CGMCC NO.7019)和小刺青霉(Penicillium spinulosu) LJ220(CGMCC NO.5754) 作为优选菌株。配制马丁氏培养基或马铃薯葡萄糖培养基, 对菌株 进行活化培养, 培养条件为 28-30, 150-180r/min 震荡培养 24-48h, 然后转接到体积更大 说 明 书 CN 103111037 A 6 4/5 页 7 容器中继续培养, 如此操作 2-4 代。 0041 马丁氏培养基配制 : 蛋白胨 6.0g, 葡萄糖 10.0g, KH2PO41.0g, MgSO47H2O0.5g, 溶 于 1000m。
25、l 蒸馏水中, 分装, 115灭菌 15-20min。 0042 马铃薯葡萄糖培养基配制 : 将马铃薯洗净去皮, 称取 200g 切成小块, 加水 1000ml, 煮沸 20-30 分钟, 用纱布过滤, 加入 20g 葡萄糖, 补足水分至 1000ml, 分装, 115灭菌 15-20min。 0043 2、 菌渣原料预处理 0044 金霉素新鲜菌渣原料外形为不规则的大块颗粒, 在生物处理之前, 需将菌渣破碎 成 1-5mm 大小的小颗粒。 0045 3、 辅料选择与预处理 0046 选择麦片、 麸皮、 糠皮、 木屑、 秸秆等农副产品等作辅料, 121灭菌 20-30min。 0047 4、 。
26、原辅材料混合 0048 以破碎后的金霉素新鲜菌渣为主要原料, 添加少量辅料共同组成发酵底物, 金霉素菌渣所占比例为 87.5-95.0 ( 按湿基量计算 ), 辅料添加比例为菌渣重量的 5.0-12.5, 辅料种类可选择 1-3 种。 0049 5、 接种与发酵处理 0050 将活化后菌液 (1 种或多种 ) 按 2-15接种量接种到菌渣培养底物中, 搅拌均匀 后, 放入发酵容器或设备中。 发酵温度设置为18-35, 优选28-30, 相对湿度为90-95。 根据菌渣发酵进展情况, 进行搅拌或通空气处理, 定期取样测定金霉素残留量。 0051 6、 成分测定 0052 采用高效液相色谱法对菌渣。
27、中金霉素残留量进行测定, 并计算金霉素降解率。 图1 为高效降解菌株对菌渣中金霉素的降解率曲线。由图 1 可知, 在前 7 天金霉素降解速率较 快, 在发酵的第 7 天金霉素降解率可达到 80以上, 在发酵 30-40 天, 降解率在 98以上。 0053 另外, 对发酵处理后菌渣中的水分和粗蛋白含量等指标进行了测定。由测定结果 得知, 发酵处理后菌渣中水分含量为 14-30, 粗蛋白含量为 54-61 ( 占干基 ), 粗灰分含 量为12-15(占干基)。 由此可知, 发酵处理后菌渣是一种潜在利用价值高的蛋白质资源。 0054 7、 菌渣的生物毒性测定 0055 本发明采用生物指示法测定菌渣。
28、毒性, 选用微生物作为毒性测试菌, 以金黄色葡 萄球菌和藤黄微球菌作为优选菌种。根据我国 2010 年版 中华人民共和国兽药典 附录 XI 中介绍的抗生素微生物检定法, 采用比浊法, 测定菌渣对受试菌如金黄色葡萄球菌和藤黄 微球菌毒性程度。 0056 具体操作方法为 : 用磷酸盐缓冲液提取菌渣, 获得菌渣提取液。在 III 号培养基 中, 分别加入不同梯度的菌渣提取液, 并以添加相同量的磷酸盐缓冲液做对照 (CK), 分别加 入测试菌, 在 28-35的摇床中培养, 定期取样测定培养液的吸光值 (OD600), 并计算 OD600抑 制率。抑制率计算公式为 : 0057 抑制率 ( ) ( 对。
29、照 OD600- 处理 OD600)/ 对照 OD600100 0058 图 2 为添加菌渣提取液培养 16h 对金黄色葡萄球菌生长的抑制率。由图 2 可知, 在培养基中分别添加浓度为 0.1-30.0mg/ml 的原菌渣提取液, 培养 16h, 各浓度对金黄色葡 萄球菌生长均有较大抑制作用, 抑制率均在 80以上 ; 而添加 0.1-30.0mg/ml 发酵处理后 说 明 书 CN 103111037 A 7 5/5 页 8 菌渣的提取液, 培养 16h, 其对金黄色葡萄球菌生长没有抑制作用, 反而表现出一定的促进 生长作用。 0059 III号培养基配方为 : 蛋白胨5.00g, 牛肉浸出。
30、粉1.50g, 酵母浸出粉3.00g, 氯化钠 3.50g, 磷酸氢二钾 3.68g, 磷酸二氢钾 1.32g, 葡萄糖 1.00g, 水 1000ml。 0060 磷酸缓冲液配方 : 磷酸氢二钾 2.00g, 磷酸二氢钾 8.00g, 蒸馏水 1000ml。 0061 实施例 3 一种金霉素菌渣生物处理方法 0062 该方法主要包括如下步骤 : 0063 1、 菌种制备 0064 将降解金霉素的微生物菌种如小刺青霉、 桔青霉、 哈刺木霉和草酸青霉等, 分别接 种于马丁氏培养基或马铃薯葡萄糖培养基中, 置于 28-30, 150-170r/min 震荡条件下培 养24-48h, 然后转接入体积。
31、更大容器中继续培养, 如此操作2-4代。 马丁氏培养基与马铃薯 葡萄糖培养基配制方法同实施例 2。 0065 2、 菌渣原料预处理 0066 将金霉素新鲜菌渣由大块颗粒, 破碎成 1-5mm 大小的颗粒。然后放入高压蒸汽灭 菌锅中, 在 121处理 20min-30min。以不经过高温处理菌渣作对照。 0067 3、 辅料准备等后面步骤同实施例 2。 0068 采用高效液相色谱对菌渣中金霉素残留量进行测定。由测定结果得知, 菌渣经高 温处理后, 菌渣中的金霉素含量降低。 以高温处理和未处理菌渣为主要原料, 接种微生物进 行发酵处理, 发现经高温处理后菌渣中金霉素残留量低于未经过高温处理的菌渣。。
32、高温处 理后的菌渣经发酵后, 金霉素残留量可降低到检出限 0.1mg/Kg 以下。 0069 实施例 4 金霉素菌渣发酵过程中 pH 值变化 0070 对菌渣生物发酵过程中的 pH 值进行了测定, 由测定结果 ( 见表 1) 得知, 新鲜原菌 渣的初始 pH 值为 2.0-3.0, 随着发酵进程, 菌渣 pH 值可升高至 7.1-8.4。 0071 表 1 菌渣发酵过程中 pH 值变化 0072 0073 pH值的测定方法 : 精密称量取样品2.0000g, 加入蒸馏水10ml, 超声30min, 取上清 液, 用酸度计测定 pH 值。 说 明 书 CN 103111037 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103111037 A 9 。