添加微生物联合植物复合除臭剂对粪便恶臭气体控制效果研究

摘要

恶臭污染是国内外公共投诉的主要产生者，恶臭气体来源广泛，成分复杂，而评估主要恶臭物质是除臭的关键因素，目前评价主要恶臭物质方法主要有评价指标法、气味轮分析方法以及气味活性值(OAV)三种方法，而目前大部分文献采用OAV法。　　目前对于恶臭气体的研究主要集中在垃圾填埋场，畜禽养殖业和污水污泥处理系统，而缺乏对人类粪便除臭的研究，人类粪便中有机物的复杂性导致其恶臭高于大多数恶臭水平。中国人口按14亿计算，一年产生的粪便污染约为654.1亿千克，人类粪便是造成化粪池恶臭，公厕恶臭，粪便处理厂恶臭的关键因素，除此，粪便中的病毒能导致多种有害疾病，严重影响了身心健康。　　添加除臭剂进行前端处理被认为是有前景的恶臭气体处理方法，本文通过筛选微生物除臭剂，探究其最佳除臭比例以及和植物除臭剂联用时的稳定性，比对微生物联合植物除臭剂和单独使用微生物除臭剂、植物除臭剂对人类粪便的效果，探究其机理，为进一步的除臭研究提供方向。　　本文从化粪池粪便，葡萄园土壤中筛选出5株安全性高，除臭效果佳的菌株作为微生物除臭剂，并商购除臭效果好的丝兰提取物作为植物除臭剂，对其进行一系列研究，研究结果如下：　　①综合形态学观察，分子生物学鉴定，5株除臭菌株分别为巨大芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪素乳杆菌和酿酒酵母，5种菌株安全性极高，被广泛用于药剂和食物行业。　　②结合拮抗实验和曲面响应实验的结果，最终确定芽孢杆菌属：乳酸菌：酵母菌=3.6:1:4时除臭效果最佳，恶臭强度从4.8降至2.7。该比例的复合菌剂稳定性极高，几乎不会被10%浓度丝兰提取物溶液所抑制。　　③通过对实验数据进行拟合，发现NH3、H2S、恶臭浓度、恶臭强度间相关性差，通过公式分析理论恶臭和实际恶臭，发现NH3、H2S可能并不是引起恶臭的最主要原因，通过GC-MS对挥发性有机物进行表征，4-甲基苯酚和吲哚类(含粪臭素)物质分别占恶臭物质质量分数44.07%和41.20%，即4-甲基苯酚和吲哚类(含粪臭素)物质可能是粪便致臭的关键物质。　　④恶臭浓度不是评价恶臭最优秀的指标，由于k值的影响，会出现恶臭浓度高但感受不强烈的现象。恶臭强度法是结合恶臭浓度法和感官属性k值的分析方法，是最适合评价恶臭的指标，但目前中国缺乏对k值的研究，建议从k值方向进行研究，并对k值较大的物质进行主要处理时收益最大。　　⑤感官属性k值是导致恶臭最关键的因素，简单的说，k值是人们对于一种物质的厌烦程度。如人们对粪臭味极度厌烦，所以导致粪臭味道的气体吲哚、粪臭素等k值较高。本文无论从主要无机恶臭物质NH3、H2S或主要有机恶臭气体4-甲基苯酚、吲哚类(含粪臭素)物质进行分析。碱性物质的k值均显著大于酸性物质的k值，因此通过复合菌剂降低pH是除臭效果好的重要机理之一。　　⑥对比复合除臭剂BY，微生物除臭剂B，植物除臭剂Y对不同时间人类粪便的除臭效果差异，发现在全程的复合除臭剂BY除臭效果最优，因为它能同时发挥微生物除臭剂B和植物除臭剂Y的作用。最佳除臭时间是12-24h，此时NH3从40ppm降至5ppm，H2S从0.5ppm降至检出限以下，恶臭强度OI从5降至2.6。　　⑦对粪便进行高通量测序，分析其微生物群落结构和功能酶预测，监测其12h-7d的变化。在除臭中期12h-2d，芽孢杆菌属、乳酸菌、酵母菌丰度极显著高于对照组，从丰度分析，酵母菌能最好的适应粪便环境，生存能力强，利用恶臭物质或前体作为细胞碳骨架快速生长，在1d-3d达到真菌相对丰度97%以上。同时复合除臭剂的加入能降低致病菌的丰度下降。通过PICRUSt2对功能酶基因进行预测，复合除臭剂BY能显著减少人类疾病相关通路(Cancer:Specific、Infectious diseases：Viral/Parasitic)的丰度，同时降低产臭酶如脲酶(Urease)，色氨酸脱氢酶(Tryptophanase)，脲基甲酸酯水解酶(Allophanate hydrolase)基因相对丰度。降低程度酵母菌高于芽孢杆菌属、乳酸菌。酵母菌菌体大，蛋白含量高，酶系统丰富，抑制效果佳，可能是一种极具潜力的除臭微生物。

目录

1 绪 论

1.1 国内外恶臭气体污染控制现状

1.1.1 国外恶臭气体控制现状

1.1.2 我国恶臭气体控制现状

1.2.1 恶臭气体的来源

1.2.2 恶臭气体的种类和成分

1.2.3 恶臭气体的臭味特征

1.2.4 恶臭气体的影响

1.3 恶臭气体分析方法

1.3.1 恶臭仪器分析技术

1.3.2 恶臭感官分析技术

1.3.3 结合仪器/感官组合分析

1.4 恶臭控制方法

1.4.1 后端处理

1.4.2源头处理

1.5.1 研究课题提出及意义

1.5.2 研究内容

1.5.3技术路线

2 微生物-植物除臭剂潜在机理和比选

2.1 引言

2.2 微生物除臭剂的比选

2.2.1 芽孢杆菌属

2.2.2 乳酸菌(LAB)

2.2.3 酵母菌

2.2.4 其他除臭菌

2.2.5 对比国内外销量口碑商用除臭微生物清洁产品

2.2.6 微生物除臭剂比选结果

2.3 植物除臭剂比选

2.3.1 植物除臭剂除臭机理

2.3.2 植物除臭剂比选结果

2.4 本章小结

3 复合除臭菌剂的筛选鉴定

3.1.1 试验材料

3.1.2实验仪器

3.1.3 培养基及试剂

3.2.1菌株的初筛与纯化

3.2.2改良版六级恶臭强度感官嗅觉法

3.2.3菌株的复筛

3.2.4菌株的鉴定

3.2.5菌株的生长曲线

3.3.1菌株的初筛与分离

3.3.2嗅辨员的确定

3.3.3菌株的复筛

3.3.4菌株的鉴定

3.3.5菌株的生长曲线

3.4 本章小结

4 微生物除臭剂的效果优化及复合除臭剂构建

4.1 引言

4.2 实验材料

4.2.1实验样品来源

4.2.2复合除臭剂的来源

4.2.3培养基和设备仪器

4.3 实验方法

4.3.1恶臭浓度测量

4.3.2拮抗实验

4.3.3曲面响应法优化

4.3.4探讨恶臭强度/恶臭浓度/NH3/H2S关系及最合适指标

4.3.5复合除臭剂构建及稳定性

4.4.1拮抗实验

4.4.2曲面响应法

4.4.3探讨恶臭强度/恶臭浓度/NH3/H2S关系及最合适指标

4.4.4复合菌剂构建及稳定性

4.5本章小结

5 复合除臭剂对粪便除臭的影响分析和功能预测

5.1 引言

5.2 实验材料

5.2.1 实验样品来源

5.2.2 复合除臭剂来源

5.2.3 实验试剂及设备

5.3.1 复合除臭剂对粪便除臭效果研究

5.3.2 挥发性有机物成分分析

5.3.3粪便微生物群落组成及多样性研究

5.4 结果与讨论

5.4.1 复合除臭剂对粪便除臭效果研究

5.4.2 挥发性有机物成分分析

5.4.3粪便微生物群落组成及多样性研究

5.5本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

附 录

A.菌株测序结果

B 学位论文数据集

致谢