1、第九章第九章 微生物在农业固体废弃物资源化微生物在农业固体废弃物资源化中的应用中的应用第一节第一节 微生物特性微生物特性第二节第二节 微生物菌剂在农业固体废弃物资源化微生物菌剂在农业固体废弃物资源化中的应用中的应用第三节第三节 生物工程技术在农业固体废弃物资源生物工程技术在农业固体废弃物资源 化中的应用化中的应用第1页，共31页。第一节第一节 微生物特性微生物特性一、微生物的定义微生物是指生物界中一类个体微小、结微生物是指生物界中一类个体微小、结构简单甚至没有细胞结构的低等生物。构简单甚至没有细胞结构的低等生物。它们主要包括由原核细胞组成的细菌、它们主要包括由原核细胞组成的细菌、放线菌、蓝细菌
2、、支原体、衣原体、立克放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体和真核细胞所构成的真菌、藻类、次氏体和真核细胞所构成的真菌、藻类、原生动物以及无细胞结构的病毒和类病毒原生动物以及无细胞结构的病毒和类病毒等。等。第2页，共31页。二、微生物的主要特点第3页，共31页。第二节第二节 微生物菌剂在农业固体废弃物资源化微生物菌剂在农业固体废弃物资源化中的应用中的应用一、微生物菌剂的定义通过向传统的生物处理体系中加入具有通过向传统的生物处理体系中加入具有 特定功能的微生物，增强其对特定污染物特定功能的微生物，增强其对特定污染物的降解能力，从而改善整个处理体系，在的降解能力，从而改善整个处理体系，在处理过
3、程中投加的菌种或混合菌制剂就称处理过程中投加的菌种或混合菌制剂就称为微生物菌剂为微生物菌剂第4页，共31页。二、微生物菌剂在农业固体废弃物治理中的二、微生物菌剂在农业固体废弃物治理中的应用应用微生物菌剂发酵秸秆饲料原理通过有效微生物的生长繁殖使其分泌大通过有效微生物的生长繁殖使其分泌大量的酸。在酸的作用下，秸秆中的木聚糖量的酸。在酸的作用下，秸秆中的木聚糖链和木质素聚合物酯链被酶解，木质纤维链和木质素聚合物酯链被酶解，木质纤维素转化成糖类。从而促使饲料变软、变香素转化成糖类。从而促使饲料变软、变香而更加适口。而更加适口。第5页，共31页。发酵秸秆饲料的方法先将秸秆混合粉碎成先将秸秆混合粉碎成5
4、mm左右的草粉，左右的草粉，再按草粉再按草粉 水水 微生物菌剂微生物菌剂 红糖红糖=100 35 0.1 0.1的比例配的比例配料。先将红糖全都溶于水温为料。先将红糖全都溶于水温为35左右的水中，左右的水中，加入加入微生物菌剂后充分搅匀，即为微生物菌剂发酵液，然后微生物菌剂后充分搅匀，即为微生物菌剂发酵液，然后将草粉倒入发酵液中搅拌均匀，然后进行含水量测定。将草粉倒入发酵液中搅拌均匀，然后进行含水量测定。最后将调制好的发酵料装入事先备好的池或缸中，注意最后将调制好的发酵料装入事先备好的池或缸中，注意边装边压实，不让透气，密封贮藏备用。边装边压实，不让透气，密封贮藏备用。第6页，共31页。秸秆饲
5、料发酵质量好坏的鉴别方法若刚一开启贮料容器就有一股酒香味扑鼻而来，用舌头若刚一开启贮料容器就有一股酒香味扑鼻而来，用舌头舔尝时有甜酸味者为合格料；假若只甜不酸则系发酵不够；舔尝时有甜酸味者为合格料；假若只甜不酸则系发酵不够；如果只酸不甜则系含水量过高；但若有腐败臭味则系发酵如果只酸不甜则系含水量过高；但若有腐败臭味则系发酵失败，应找出失败原因，改进发酵工艺，将废料晾干重新失败，应找出失败原因，改进发酵工艺，将废料晾干重新发酵，直到将饲料发酵合格为止。发酵，直到将饲料发酵合格为止。第7页，共31页。微生物菌剂生产生物有机肥微生物菌剂生产生物有机肥1.成熟堆肥的因素农业废物主要来源于秸秆等禾本植物
6、，木质素含量较农业废物主要来源于秸秆等禾本植物，木质素含量较高。而木质素是复杂的芳香族高聚物，溶解性差，难以高。而木质素是复杂的芳香族高聚物，溶解性差，难以被酸水解，是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物被酸水解，是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物之一。故传统堆肥常因含有大量木质纤维素而致使堆肥之一。故传统堆肥常因含有大量木质纤维素而致使堆肥效果不佳，于是加强木质纤维转化为腐殖质便成为堆肥效果不佳，于是加强木质纤维转化为腐殖质便成为堆肥充分腐熟的关键。充分腐熟的关键。第8页，共31页。2.传统堆肥的弊端传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环境条件传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环境条件
7、的方法。的方法。传统堆肥法存在发酵时间长、产生臭味且肥效低传统堆肥法存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题。虽然有机废弃物堆肥可利用堆料初期存在等问题。虽然有机废弃物堆肥可利用堆料初期存在的微生物群落的微生物群落(细菌、放线菌、真菌细菌、放线菌、真菌)进行自然发酵，进行自然发酵，完成堆肥化过程，但堆肥初期有效微生物量少，完成堆肥化过程，但堆肥初期有效微生物量少，需需要一定时间才能繁殖起来要一定时间才能繁殖起来第9页，共31页。3.生物菌剂堆肥的办法 单独作用白腐真菌是降解木质素一类芳香化合物能力最强的微生白腐真菌是降解木质素一类芳香化合物能力最强的微生物，在堆料中接种白腐菌菌剂，一定程度上促进
8、了纤维素物，在堆料中接种白腐菌菌剂，一定程度上促进了纤维素的降解。从而加速堆肥过程，使堆肥中有机物降解得更为的降解。从而加速堆肥过程，使堆肥中有机物降解得更为彻底。因此，培养接种这类真菌用于堆肥，是处理固体废彻底。因此，培养接种这类真菌用于堆肥，是处理固体废物的一条有效途径，极具应用前景。物的一条有效途径，极具应用前景。第10页，共31页。协同作用高效纤维素分解菌和菌结合，依靠微生物相高效纤维素分解菌和菌结合，依靠微生物相互间协同作用，即菌的高效分解作用迅速将堆互间协同作用，即菌的高效分解作用迅速将堆料中的易分解有机物降解，放出能量，使堆料温度料中的易分解有机物降解，放出能量，使堆料温度迅速升
9、高，使纤维素软化，为纤维素分解菌提供有迅速升高，使纤维素软化，为纤维素分解菌提供有利的环境利的环境;同时高效纤维素分解菌快速降解纤维素等同时高效纤维素分解菌快速降解纤维素等大分子物质代谢为小分子物质，作为菌的营养大分子物质代谢为小分子物质，作为菌的营养物质。从而菌、纤维素分解菌形成良好的共生物质。从而菌、纤维素分解菌形成良好的共生代谢关系，提高了堆肥效率。代谢关系，提高了堆肥效率。第11页，共31页。生物菌剂堆肥的好处接种微生物菌剂进行堆肥，增加了堆肥初期微生接种微生物菌剂进行堆肥，增加了堆肥初期微生物的群体数目，提高了菌群质量，使微生物菌群各物的群体数目，提高了菌群质量，使微生物菌群各菌种之
10、间相互协同，形成复杂而稳定的生态系统，菌种之间相互协同，形成复杂而稳定的生态系统，使堆层中的微生物迅速繁殖，并维持在相对稳定的使堆层中的微生物迅速繁殖，并维持在相对稳定的较高水平之上。从而增强微生物的降解活性，使堆较高水平之上。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，提高堆肥效率。肥温度迅速升高并维持较长的时间，提高堆肥效率。因此，利用秸秆等作为原材料，接种混合菌剂进行因此，利用秸秆等作为原材料，接种混合菌剂进行堆肥，是固体废物资源化的一条有效的途径堆肥，是固体废物资源化的一条有效的途径。第12页，共31页。生物除臭生物除臭近年来，许多研究结果表明，在鸡粪堆近年来，许多研
11、究结果表明，在鸡粪堆制过程中添加适当的微生物能显著加速有制过程中添加适当的微生物能显著加速有机碳的分解，减少氮素损失和缩短堆肥时机碳的分解，减少氮素损失和缩短堆肥时间，还能明显减少堆制过程中臭味的挥发，间，还能明显减少堆制过程中臭味的挥发，提高肥效，保护环境。提高肥效，保护环境。第13页，共31页。三、微生物菌剂的研制三、微生物菌剂的研制微生物菌剂的研制是生物转化农业固体微生物菌剂的研制是生物转化农业固体废物、变废为宝的核心部分，因此，选育废物、变废为宝的核心部分，因此，选育高效的微生物菌种以及确定复合菌剂中的高效的微生物菌种以及确定复合菌剂中的各菌种组合成为其中的关键，高效菌种的各菌种组合成
12、为其中的关键，高效菌种的选育主要来自三个方面选育主要来自三个方面第14页，共31页。野生型菌种直接从被污染的环境或污泥中富集、筛直接从被污染的环境或污泥中富集、筛选。由于石油污染、海上油轮事故和来源选。由于石油污染、海上油轮事故和来源于大气沉降的多环芳烃，海底沉积了大量于大气沉降的多环芳烃，海底沉积了大量的石油组分，成为天然的富集驯化场所。的石油组分，成为天然的富集驯化场所。因此，可从海底沉积物中筛选到降解石因此，可从海底沉积物中筛选到降解石油组分特别是多环芳烃的高效降解菌株。油组分特别是多环芳烃的高效降解菌株。第15页，共31页。诱导驯化通过较长时间的驯化，诱导出自然界中通过较长时间的驯化，
13、诱导出自然界中已经存在的微生物产生能对特定化合物进已经存在的微生物产生能对特定化合物进行降解的代谢途径和代谢酶类，从而获得行降解的代谢途径和代谢酶类，从而获得这些物质的降解菌种。这些物质的降解菌种。第16页，共31页。基因工程改造通过基因改良技术改造微生物的降解特通过基因改良技术改造微生物的降解特性，可使其降解性能得到显著提高或者获性，可使其降解性能得到显著提高或者获得新的降解性能。通过定点基因突变技术得新的降解性能。通过定点基因突变技术提高降解菌株的底物范围和活性。目前，提高降解菌株的底物范围和活性。目前，已经筛选到了大量能降解难降解有机化合已经筛选到了大量能降解难降解有机化合物的菌株或混合
14、菌。物的菌株或混合菌。第17页，共31页。第三节第三节 生物工程技术在农业固体废弃生物工程技术在农业固体废弃物资源化中的应用物资源化中的应用一、生物工程的定义生物工程学生物工程学(Biotechnology)(Biotechnology)，也称生物技术或生物，也称生物技术或生物工艺学。由于基因重组，杂交瘤，固定化酶和动植物工艺学。由于基因重组，杂交瘤，固定化酶和动植物细胞大规模培养等技术的出现，人们运用生命科学的细胞大规模培养等技术的出现，人们运用生命科学的新成就，定向设计了组建具有特定性状的新物种或新新成就，定向设计了组建具有特定性状的新物种或新品系，结合发酵和生化工程原理，在医药、食品、化
15、品系，结合发酵和生化工程原理，在医药、食品、化工、能源、农业和环境保护等领域中为社会提供商品工、能源、农业和环境保护等领域中为社会提供商品和服务，形成现代生物工程学和服务，形成现代生物工程学第18页，共31页。二、环境生物技术二、环境生物技术环境生物技术的概念及范畴生物技术在环境治理和环境保护中的广泛应用，衍生生物技术在环境治理和环境保护中的广泛应用，衍生出一门新学科和新技术，即环境生物技术，也称环境生物出一门新学科和新技术，即环境生物技术，也称环境生物工程。其重点研究领域包括以生物传感器为代表的环境污工程。其重点研究领域包括以生物传感器为代表的环境污染监控技术，工业和生活废水中污染物的微生物
16、降解技术，染监控技术，工业和生活废水中污染物的微生物降解技术，生态环境生物防治和生物修复技术，环境友好可再生材料生态环境生物防治和生物修复技术，环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等。和能源的生物合成技术等。第19页，共31页。环境生物技术的特点及优势现阶段的环境生物技术的核心是微生物技术。它主现阶段的环境生物技术的核心是微生物技术。它主要采用现代分子生物学和分子生态学的原理和方法，要采用现代分子生物学和分子生态学的原理和方法，充分利用环境微生物的生物净化、生物转化和生物充分利用环境微生物的生物净化、生物转化和生物催化等特性，进行污染治理、清洁生产和可再生资催化等特性，进行污染治理、清洁生产
17、和可再生资源利用，多层面和全方位地解决工业和生活废水污源利用，多层面和全方位地解决工业和生活废水污染、石油和煤炭脱硫、农药残留、能源和材料短缺染、石油和煤炭脱硫、农药残留、能源和材料短缺等问题。等问题。第20页，共31页。环境生物技术具有如下的特点和优越性：具有效率高，成本低，反应条件温和以及无二次污染等显著优点。具有效率高，成本低，反应条件温和以及无二次污染等显著优点。是最安全和最彻底消除污染的方法，同时还可以增强自然环境的自是最安全和最彻底消除污染的方法，同时还可以增强自然环境的自我净化能力。我净化能力。是有机废物资源化的首选技术，将有机是有机废物资源化的首选技术，将有机(污染污染)物转化
18、为沼气、酒精、物转化为沼气、酒精、有机材料或原料、单细胞蛋白等。有机材料或原料、单细胞蛋白等。能改造传统生产工艺，实现清洁生产过程的生态化或无废化。能改造传统生产工艺，实现清洁生产过程的生态化或无废化。能大大降低环境友好生物材料和生物能源的生产成本，使其能大大降低环境友好生物材料和生物能源的生产成本，使其部分或完全取代化学材料和化石能源。部分或完全取代化学材料和化石能源。第21页，共31页。三、生物技术在农业固体废弃物治理中三、生物技术在农业固体废弃物治理中的应用的应用单细胞蛋白饲料的开发利用 单细胞蛋白饲料的定义单细胞蛋白饲料是指用工业化发酵法培养蛋白质含单细胞蛋白饲料是指用工业化发酵法培养
19、蛋白质含量高的微生物和酵母细胞，作为人类或动物的食物蛋白量高的微生物和酵母细胞，作为人类或动物的食物蛋白质来源。质来源。第22页，共31页。2.单细胞蛋白饲料的营养价值单细胞蛋白质饲料富含动物所必需的氨基酸，特单细胞蛋白质饲料富含动物所必需的氨基酸，特别是植物性饲料缺乏的赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸的别是植物性饲料缺乏的赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸的含量较多。同时它含有多种维生素和酶类，可以促含量较多。同时它含有多种维生素和酶类，可以促进动物生长发育，提高生产性能，是一种理想的新进动物生长发育，提高生产性能，是一种理想的新型蛋白质饲料，可消化率达型蛋白质饲料，可消化率达8595%。单细胞蛋白。单细胞蛋白不
20、但能充分满足人和动物的需要，有的还可以做为不但能充分满足人和动物的需要，有的还可以做为强化食品，保健品或药品。强化食品，保健品或药品。第23页，共31页。3.单细胞蛋白饲料的生产原料生产单细胞蛋白所用的原料丰富，可以利用农业废生产单细胞蛋白所用的原料丰富，可以利用农业废弃物如秸秆、糠、籽饼等为原料。甚至能把高浓度有弃物如秸秆、糠、籽饼等为原料。甚至能把高浓度有机废水及废糖蜜、酒糟、酱渣等利用起来，能把大量机废水及废糖蜜、酒糟、酱渣等利用起来，能把大量污染环境的有机废弃物变为优质蛋白。污染环境的有机废弃物变为优质蛋白。第24页，共31页。单细胞蛋白饲料的生产工艺单细胞蛋白饲料的生产采用液体深层发
21、酵工艺。单细胞蛋白饲料的生产采用液体深层发酵工艺。液体深层发酵工艺是利用细菌、酵母、真菌等微生液体深层发酵工艺是利用细菌、酵母、真菌等微生物在通风控温的罐中发酵，收获微生物细胞作为产物在通风控温的罐中发酵，收获微生物细胞作为产品。品。第25页，共31页。液体深层发酵工艺的特点机械化程度高，产品细胞数多，杂菌污染少，产品质机械化程度高，产品细胞数多，杂菌污染少，产品质量稳定，在发酵过程中对发酵工艺条件易监测和控制量稳定，在发酵过程中对发酵工艺条件易监测和控制第26页，共31页。液体深层发酵工艺存在的问题能耗高、设备投资大、可溶性营养物质损失多、产能耗高、设备投资大、可溶性营养物质损失多、产品回收
22、率低、发酵液中干物质含量低、后处理困难、有品回收率低、发酵液中干物质含量低、后处理困难、有工业废水污染等等，所得产品（单细胞蛋白，如饲料酵工业废水污染等等，所得产品（单细胞蛋白，如饲料酵母）成本高。母）成本高。第27页，共31页。液体发酵的原料可以是石油、甲醇、乙醇及天然气等碳氢化合物。可以是石油、甲醇、乙醇及天然气等碳氢化合物。我国在能源十分紧张的今天不可能利用这些原料进我国在能源十分紧张的今天不可能利用这些原料进行大规模的单细胞蛋白生产。行大规模的单细胞蛋白生产。还有利用糖蜜和淀粉生产单细胞蛋白，由于原料还有利用糖蜜和淀粉生产单细胞蛋白，由于原料来源及成本问题，用它们来发展单细胞蛋白也是行
23、来源及成本问题，用它们来发展单细胞蛋白也是行不通的。不通的。国内外的实践经验表明，由于液体深层发酵工艺存在国内外的实践经验表明，由于液体深层发酵工艺存在的问题，深层液体发酵生产单细胞蛋白的工艺难以推广的问题，深层液体发酵生产单细胞蛋白的工艺难以推广应用。应用。第28页，共31页。微生物蛋白饲料是以固体物料为培养基，接种酵母或混合菌种。利用是以固体物料为培养基，接种酵母或混合菌种。利用固态发酵工艺进行发酵，其产品包括发酵基质和酵母细固态发酵工艺进行发酵，其产品包括发酵基质和酵母细胞或混合菌种的混合物。它们与单细胞蛋白饲料有所不胞或混合菌种的混合物。它们与单细胞蛋白饲料有所不同，称为微生物蛋白饲料
24、。产品中包括微生物代谢产物、同，称为微生物蛋白饲料。产品中包括微生物代谢产物、可溶性和不可溶性营养物质。可溶性和不可溶性营养物质。第29页，共31页。固态发酵工艺优点固态发酵工艺的优点是设备投资少、工艺简单、产固态发酵工艺的优点是设备投资少、工艺简单、产品具有较高的生物活性（固体发酵时微生物的代谢产品具有较高的生物活性（固体发酵时微生物的代谢产物，如各种消化酶、维生素及未知促生长因子等）、物，如各种消化酶、维生素及未知促生长因子等）、无废水污染、产品成本低、易推广应用。近几年来固无废水污染、产品成本低、易推广应用。近几年来固态发酵蛋白饲料增产很快，年产量态发酵蛋白饲料增产很快，年产量10万吨左
25、右万吨左右。第30页，共31页。固态发酵原料发展微生物菌体蛋白饲料，必须要选择量大、来源广、发展微生物菌体蛋白饲料，必须要选择量大、来源广、价廉、经济效益好的培养基。以秸秆为原料，价廉来源广，价廉、经济效益好的培养基。以秸秆为原料，价廉来源广，但在目前的技术条件下，尚难以将其变成价廉的蛋白饲料。但在目前的技术条件下，尚难以将其变成价廉的蛋白饲料。近年来我国以有毒的饼粕如棉、菜籽饼脱毒后作为原料生近年来我国以有毒的饼粕如棉、菜籽饼脱毒后作为原料生产蛋白饲料。有毒的饼粕经微生物的发酵脱毒，不仅将毒产蛋白饲料。有毒的饼粕经微生物的发酵脱毒，不仅将毒素去除，解决了食用问题，而且部分植物蛋白变成营养价素去除，解决了食用问题，而且部分植物蛋白变成营养价值更高的动物蛋白或活性生物蛋白。值更高的动物蛋白或活性生物蛋白。第31页，共31页。
