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一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置

2021-03-02 19:21:00

一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置

　　技术领域

　　本发明涉及微生物领域，具体地说是一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置。

　　背景技术

　　厨余垃圾是生活垃圾中不可回收垃圾的其中一部分，主要指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃不用的菜叶、果皮、蛋壳、茶渣、骨头、剩菜、剩饭等，其主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。由于厨余垃圾产生量大、成分复杂、含水率高、营养物质含量丰富，使其极易成为微生物滋生的有利场所，从而腐败发臭。在垃圾分类实施以前，厨余垃圾与其他生活垃圾混合在一起，由于分拣困难，无法真正实现资源化利用，往往被直接填埋或者焚烧，但由于含水率高，容易腐烂，热值偏低，给填埋或者焚烧带来了很多问题。同时当前垃圾集中式处理中，垃圾清运工作量大，清运成本高；垃圾清运不及时，天气炎热时，容易腐败变质，产生恶臭，成为生活垃圾处置的难点。

　　另一方面，厨余垃圾一种放错地方的资源。厨余垃圾主要来源于家庭厨房中果蔬残体的剩余物，富含大量有机物和氮、磷、钾、钙以及各种微量元素，经过一定的处理可以做成有机肥料、营养土等，用于果蔬、花卉等农作物的种植，可以改良土壤，促进农作物的增产增效，实现资源循环利用，解决厨余垃圾处理不当所引发的环境问题，节省投资、保护环境，对土壤、食品安全及人体健康都是大有裨益。

　　在当前我国大力推行垃圾分类的背景下，针对厨余垃圾问题，筛选厨余垃圾处置的安全高效微生物、建立微生物处置技术设备显得尤为重要。其可实现小区厨余垃圾的就地就近减量和腐熟，腐熟产物就近用于小区阳台、绿化栽培，将厨余垃圾的集中式处置转变成分散式处置，创建厨余垃圾处置新模式，减少厨余垃圾的收集与储运成本，为城市生活垃圾的处理与处置探寻新出路，减轻城市生活垃圾处置压力。

　　发明内容

　　本发明提供了一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置。

　　本发明的目的是解决现有厨余垃圾处理不当，清运工作量大，清运成本高，垃圾容易腐败变质、产生恶臭，成为生活垃圾处置难点的问题。

　　本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种副干酪乳杆菌，所述副干酪乳杆菌的保藏编号为18630，名称为副干酪乳杆菌Lactobacillus paracasei YX1，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。

　　副干酪乳杆菌的制备方法至少包括以下步骤，

　　A、采样：从杭州市天子岭生活垃圾填埋厂采集自然腐败的厨余垃圾样品，采样时间为2019年2月；

　　B、菌株选择：(1)称取5g样品到50ml无菌水中，在摇床上振荡30分钟；(2)按照10倍稀释，连续稀释到10-3，10-4、10-5、10-6稀释度，并将10-3，10-4、10-5、10-6稀释度的溶液各取100μl分别涂布到乳酸菌选择性培养基上；(3)在30度培养箱中培养，每天观察涂布平板的变化，观察到涂布平板上有菌落生长，而且使涂布平板中的乳酸菌选择性培养基由蓝色变成黄色的为乳酸菌；(4)最终，通过乳酸菌选择性培养基，从10-5稀释度涂布平板上挑取5个形态存在一定差异，同时能够使培养基颜色由绿色变成黄绿色的微生物，将它们分别用接种针挑取到新的乳酸菌选择性培养基上进一步进行观察，选择生长速度最快的菌株用于后续的研究；

　　乳酸菌选择性培养基组成如下：蛋白胨10.0g；牛肉膏10.0g；酵母膏5.0g；柠檬酸氢二铵[(NH4)2HC6H5O7]2.0g；葡萄糖(C6H12O6·H2O)20.0g；吐温801.0mL；乙酸钠(CH3COONa·3H2O)5.0g；磷酸氢二钾(K2HPO4·3H2O)2.0g；硫酸镁(MgSO4·7H2O)0.58g；硫酸锰(MnSO4·H2O)0.25g；溴甲酚绿0.1g，琼脂18.0g；蒸馏水1000mL；pH 6.2～6.6；

　　C、菌株鉴定：对筛选出的菌株进行16S rDNA测序，确定了该菌株为副干酪乳杆菌，将其命名为Lactobacillus paracasei YX1。

　　基于副干酪乳杆菌的厨余垃圾处置装置包括机体，机体内设有厨余垃圾容腔，厨余垃圾容腔内设有搅拌桨，厨余垃圾容腔底面上铺设有通气管，机体外设有电机、空气泵，电机与搅拌桨相连接，空气泵与通气管相连通，所述厨余垃圾容腔底部还设有加热装置。

　　本发明的有益效果是：本发明所述的副干酪乳杆菌能够用于厨余垃圾发酵降解处理，可以实现厨余垃圾的快速减量和腐熟。与副干酪乳杆菌相耦合的厨余垃圾处置装置利用副干酪乳杆菌对厨余垃圾进行快速发酵，实现厨余垃圾在5天内减量化达到95％以上，将厨余垃圾转变成养分含量丰富、无异味的腐殖土，用于小区绿化栽培，将厨余垃圾由集中式处理转变成分散式处理，减少了小区厨余垃圾的储运量，化整为零，就地就近实现厨余垃圾减量和自循环资源化利用，提出了城市小区厨余垃圾自循环系统的构想，为减轻垃圾围城的困境提供一种新的解决方案，具有显著的社会和经济效益。

　　附图说明

　　图1为从厨余垃圾中分离到的乳酸菌图片。

　　图2为菌株YX1在不同温度下的生长情况。

　　图3为菌株YX1分解厨余垃圾效果分析中的厨余垃圾对照组和实验组图片。

　　图4为菌株YX1分解厨余垃圾效果分析中的厨余垃圾对照组和实验组在8天后的图片。

　　图5为菌株YX1分解厨余垃圾效果分析中的厨余垃圾对照组和实验组在12天后的图片。

　　图6为菌株YX1分解厨余垃圾效果分析中的对照组和实验组样品重量变化曲线。

　　图7为利用菌株YX1分解厨余垃圾条件建立中的对照组、实验组1、实验组2、实验组3和实验组4的图片。

　　图8为利用菌株YX1分解厨余垃圾条件建立中的对照组、实验组1、实验组2、实验组3和实验组4在8天后的图片。

　　图9为利用菌株YX1分解厨余垃圾条件建立中的对照组、实验组1、实验组2、实验组3和实验组4样品重量变化曲线。

　　图10为本厨余垃圾处置装置的立体图。

　　图11为本厨余垃圾处置装置的前视图。

　　图12为本厨余垃圾处置装置的机体的结构示意图。

　　图13为本厨余垃圾处置装置的搅拌桨的结构示意图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

　　如图所示，提供了本发明一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置的实施例。

　　一种副干酪乳杆菌，所述副干酪乳杆菌的名称为副干酪乳杆菌Lactobacillusparacasei YX1，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为18630，保藏日期为2019年9月26日。

　　所述副干酪乳杆菌能够在厨余垃圾发酵处理中进行应用。

　　一、所述的副干酪乳杆菌的制备方法至少包括以下步骤：

　　A、采样：从杭州市天子岭生活垃圾填埋厂采集自然腐败的厨余垃圾样品，采样时间为2019年2月。

　　B、菌株选择：(1)称取5g样品到50ml无菌水中，在摇床上振荡30分钟；(2)按照10倍稀释，连续稀释到10-3，10-4、10-5、10-6稀释度，并将10-3，10-4、10-5、10-6稀释度的溶液各取100μl分别涂布到乳酸菌选择性培养基上；(3)在30度培养箱中培养，每天观察涂布平板的变化，观察到涂布平板上有菌落生长，而且使涂布平板中的乳酸菌选择性培养基由蓝色变成黄色的为乳酸菌。最终，通过乳酸菌选择性培养基，从10-5稀释度涂布平板上挑取5个形态存在一定差异，同时能够使培养基颜色由绿色变成黄绿色的微生物，将它们分别用接种针挑取到新的乳酸菌选择性培养基上进一步进行观察，如图1所示。分离到的五个乳酸菌中，1号、3号和5号乳酸菌生长后使乳酸菌选择性培养基的颜色变黄最明显，说明它们产生的乳酸量较大，同时5号乳酸菌的生长速度最快，说明它的活性较强，因此选择5号乳酸菌用于后续的试验。

　　C、菌株鉴定：对筛选出的5号菌株进行16S rDNA测序，确定了该菌株为副干酪乳杆菌，将其命名为Lactobacillus paracasei YX1，以下简称菌株YX1。

　　二、菌株YX1最适生长温度分析：

　　(1)将固体培养基上的YX1菌株接种到乳酸菌液体培养基中培养1天，获得菌株YX1的液体种子液；(2)取该液体种子液3ml接种到新的100ml乳酸菌液体培养基中，将接种有菌株YX1的4瓶乳酸菌液体培养基分别放到20℃、30℃、40℃、50℃摇床上进行培养；(3)培养24h后，通过分光光度计分别测定4瓶乳酸菌液体培养基的吸光度值OD560，如图2所示，测得40℃培养的乳酸菌液体培养基产生最大的吸光度值，即该温度下菌株具有最大的活性。

　　乳酸菌液体培养基组成如下：蛋白胨10.0g；牛肉膏10.0g；酵母膏5.0g；柠檬酸氢二铵[(NH4)2HC6H5O7]2.0g；葡萄糖(C6H12O6·H2O)20.0g；吐温801.0mL；乙酸钠(CH3COONa·3H2O)5.0g；磷酸氢二钾(K2HPO4·3H2O)2.0g；硫酸镁(MgSO4·7H2O)0.58g；硫酸锰(MnSO4·H2O)0.25g；蒸馏水1000mL；pH 6.2～6.6。

　　三、菌株YX1分解厨余垃圾效果分析：

　　为了验证分离到的菌株YX1对厨余垃圾分解是否具有显著效果，进行了模拟实验。(1)利用乳酸菌液体培养基进行YX1菌液培养，在40℃振荡培养箱培养后获得生长良好的YX1菌液；

　　(2)对厨余垃圾设置1个对照组和1个实验组：将包心菜用菜刀切成长度约为3cm左右的小块，在2个21L烧杯中分别加入300g切好的包心菜，其中对照组不添加YX1菌，而实验组添加1％的培养好的YX1菌液，如图3所示，图3中左边的为对照组，右边的为实验组。试验过程中主要考察厨余垃圾的颜色变化和减量化情况，实验开始后每天观察记录实验组和对照组的厨余垃圾颜色体积变化，称量重量变化。

　　8天后，对照组体积约为初始体积的2/3，而实验组体积约为初始体积的1/4，如图4所示，图4中左边的为对照组，右边的为实验组；12天后，对照组开始腐败变质，而实验组仅剩余少量残体，但是对照组和实验组的含水率仍均较高，如图5所示，图5中左边的为对照组，右边的为实验组。测定试验过程中对照组和实验组样品重量的变化如下。试验开始后，对照组与实验组的样品重量均逐渐减少，但是实验组样品重量减轻速率要高于对照组，8天后，对照组的重量为141.65g，比初始时减少了158.35g，减量比例为52.78％，而实验组的重量为76.27g，比初始时减少了223.73g，减量比例为74.58％，比对照组减少21.8％。实验组的平均减量速率为9.3％/天，对照组的平均减量速率为6.6％/天，如图6所示。

　　四、利用菌株YX1分解厨余垃圾条件建立：

　　单一YX1菌剂分解厨余垃圾效率仍然较低，为进一步优化厨余垃圾的生物发酵处理技术工艺，试验比较了通气及不通气条件和不同温度下添加YX1菌剂对厨余垃圾处理的影响，总共设置1个对照组和4个实验组，对照组只加入1％的YX1菌剂；4个实验组均加入1％的YX1菌剂，并且通入空气，空气流量为2L/min，其中实验组1不进行控温；实验组2、实验组3和实验组4分别设置温度为30℃、40℃和50℃，如图7所示，从左到右依次为对照组、实验组1、实验组2、实验组3和实验组4。

　　试验开始2天后，对照组和实验组1及实验组2的颜色稍有改变，但仍然呈绿色，实验组1和实验组2的体积比对照组减少，而实验组3和实验组4的样品体积快速减少，同时样品的颜色呈现浅棕色；到4天时，对照组和实验组1及实验组2的体积均大幅下降，颜色呈现灰色，失去新鲜菜叶的绿色，而实验组3和实验组4样品体积较对照组和其他实验组更加减小，其中实验组3的样品颜色变深，实验组4呈干化态，颜色比2天时有所加深；到6天时，对照组和实验组1的样品体积进一步减少，但实验组3和实验组4的体积变化减少，其中实验组3的颜色进一步加深；至第8天时，如图8所示，对照组和实验组的样品体积变化趋势减少，但是对照组的颜色继续加深，同时明显见到水分析出，而实验组1、实验组2、实验组3和实验组4已经呈现干化状态。

　　测定试验过程中，对照组和各实验组样品重量的变化如图9所示。试验开始后，对照组与实验组的样品重量均逐渐减少。在通气条件下，实验组2的重量减少速率要大于对照组，第8d时，剩余重量为18.9g，而对照组为76.27g，实验组1的减量率达到了91.14％，而对照组仅为74.58％；实验组2、实验组3和实验组4为相同通气量不同温度下的变化情况，从重量变化曲线可以看到，与对照组和实验组1相比较，随着处理温度的增加，处理样品的减重速率明显加快，实验组5的减重速率最快，在第4天时已经趋向于稳定。8天后，实验组2的样品重量为17.25g，比初始时减少了282.75g，减量比例为94.25％，实验组3的重量为10.69g，比初始时减少了289.31g，减量比例为96.44％，实验组4的重量为16.24g，比初始时减少了283.76g，减量比例为94.59％。

　　以上试验结果说明与单一添加YX1菌剂相比较，增加通气和通氧量可加速厨余垃圾的减量化。在通气基础上，提高处理温度，可进一步促进厨余垃圾的减量化和腐熟，其中处理温度为40度时，最终的样品重量最少，减量化最多，而且样品的颜色呈深色，呈现腐熟状态，这与菌株YX1的最适生长温度相对应，以上结果说明通过创造适合于有益微生物的生长条件，可以实现厨余垃圾的快速减量和腐熟。

　　五、与菌株YX1相耦合的厨余垃圾处置装置

　　在开展以上菌株降解厨余垃圾试验过程中发现，利用微生物实现降解厨余垃圾快速减量与多个因素有关，除了微生物本身具备厨余垃圾降解和减量的作用外，温度、通气量等均与厨余垃圾的分解和减量速度相关，同时为了能够应用于小区，做到整洁、方便，实现厨余垃圾的快速降解，必须设计和开发一个与微生物菌株降解功能相耦合的处置装置。

　　本厨余垃圾处置装置包括机体1，机体1内设有厨余垃圾容腔2，厨余垃圾容腔2内设有搅拌桨3，厨余垃圾容腔2底面上铺设有通气管4，机体1外设有电机5、空气泵6，电机5与搅拌桨3相连接，空气泵6与通气管4相连通，所述厨余垃圾容腔2底部还设有加热装置。所述加热装置为加热垫，加热垫设置在厨余垃圾容腔底部的外侧面，加热垫可以控制加热温度在30℃-60℃。

　　所述机体1表面设有投料口8。

　　所述空气泵6的通气速率为8L/min。所述电机5每分钟的转速为30转。

　　所述机体1上还设有尾气过滤装置，其包括设置在机体1表面的尾气过滤管7，尾气过滤管7与厨余垃圾容腔2连通，尾气过滤管7内设有e-PTFE膜。

　　本厨余垃圾处置装置的核心作用是利用高效降解微生物YX1菌剂在最适条件下快速实现厨余垃圾的减量和腐熟。其工作原理如下：在厨余垃圾容腔中预投加了吸附高效降解微生物YX1菌剂的一定量的基础有机物质填料，当开始运行后，接通装置电源，电机带动搅拌桨运动对厨余垃圾容腔内的物料进行搅拌；空气泵工作为厨余垃圾容腔进行通气并将通气速率控制在8L/min；加热装置开始加热将厨余垃圾容腔内的温度控制在40℃。然后打开投料口，投加经过切割破碎的厨余垃圾，新投加的厨余垃圾在搅拌桨的作用下快速与吸附有高效降解微生物的填料相混匀，其中的微生物YX1菌剂在接触新鲜的厨余垃圾后快速生长并分解厨余垃圾。装置开始运行后，可每天向装置中投加新鲜的厨余垃圾，但投加量应小于处理容量，当腐熟产物大于装置容量时，应将腐熟产物转移出装置，用于园区绿化或者阳台果蔬花卉种植。尾气过滤管中采用e-PTFE膜，实现选择性透过，允许水分子透过，而异味分子无法透过，减少异味气体的排放。

　　应用效果：在处置装置中投入厨余垃圾后，通电启动加热、通气以及搅拌功能，并投入家庭收集的经适当切碎的厨余垃圾。初次投入3天后，后续每天投入1kg新鲜的厨余垃圾，10天时间中，累计投入厨余垃圾8kg厨余垃圾，15天后产生腐熟产物1.2kg。运行过程中无废水产生，没有显著的恶臭气体产生。产生的腐殖土按照20％的用量添加到吊兰种植上，吊兰能够长势较好。

　　序列表

　　<110> 杨煦

　　<120> 一种副干酪乳杆菌及其制备方法与厨余垃圾处置装置

　　<130> 2019

　　<160> 1

　　<170> SIPOSequenceListing 1.0

　　<210> 1

　　<211> 1412

　　<212> DNA

　　<213> 副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei YX1)

　　<400> 1

　　acgagttctc gttgatgatc ggtgcttgca ccgagattca acatggaacg agtggcggac 60