一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法及应用

摘要

本发明公开了一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法及应用，本发明利用具有木质纤维素降解能力的优势真菌降解秸秆，对秸秆进行发酵后，再用于生物质炭制备，以此作为生物质炭改性手段，达到疏松天然秸秆微观结构的目的，随后对发酵后的秸秆进行热解炭化，并将产物用于染料和重金属等典型水体污染物的吸附去除。在强化秸秆炭吸附性能的同时，为秸秆的发酵残渣循环利用提供新思路。本发明制备的生物质炭特别适用于吸附水体或土壤中的染料和重金属等污染物。该手段成本低廉，兼具良好的环境和经济效益。同时为微生物发酵后的秸秆发酵残渣的处理提供二次利用的新方式。

说明书

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法及应用。

背景技术

废弃生物质包括农作物秸秆、畜禽干粪、林业废弃物和易腐垃圾等。我国废弃生物质量大面广，根据《第二次全国污染源普查公告》，我国农作物秸秆年产生量8.65亿吨。包括小麦秸秆在内的农林废弃生物质，因其来源广泛、原料价格低廉、可再生性、可持续性及利用方式多样性等特点一直被认为是资源转化的最佳原料。作为农业大国，农作物秸秆的转化及循环利用对于解决资源、环境、农村发展等紧迫问题具有十分重要的意义。

热解炭化是秸秆的有效利用途径之一。目前，大多研究将秸秆直接炭化，一定程度上造成了秸秆资源的损失，且所获得的生物质炭材料作为吸附剂使用时，吸附能力有限。为使生物质炭的吸附能力增强以更好地去除污染物，很多研究者会对生物质炭材料进行改性处理，而生物质炭的改性方法不统一，具有一定成本，且改性的效果也因原料本身性能和应用环境不同而具有较大差异。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，环境中存在许多微生物具有降解木质纤维素的能力。通过微生物发酵，秸秆可实现一定程度的转化和结构改变。微生物发酵后的秸秆残渣由废弃的生物质和废弃的微生物细胞组成，含有大量的蛋白质、脂类和其他碳水化合物以及微量元素，如磷(P)、钙(Ca)和铁(Fe)。发酵残渣的焚烧或处理会造成很大的资源浪费和环境污染。而发酵废弃物来源的生物质炭的潜在应用还有待探索。

发明内容

本发明针对小麦秸秆来源的生物质炭吸附性能低、改性成本高的应用问题，提供一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法及应用。

本发明是利用具有木质纤维素降解能力的优势真菌降解秸秆，达到疏松天然秸秆微观结构的目的，随后对发酵后的秸秆进行热解炭化，并将产物用于染料和重金属等典型水体污染物的吸附去除。在强化秸秆炭吸附性能的同时，为秸秆的发酵残渣循环利用提供新思路。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术手段：

一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取丝状真菌棘孢木霉T-1的成熟孢子悬液，接种于灭菌的小麦秸秆固态发酵培养基中，搅拌均匀后恒温培养，完成基于棘孢木霉T-1的小麦秸秆固态发酵，得到小麦秸秆发酵体系；

2)将柠檬酸缓冲液加入步骤1)中的小麦秸秆发酵体系，摇床恒温震荡，浸提清洗后，通过滤纸过滤或离心获得小麦秸秆发酵残渣；

3)将步骤2)所得小麦秸秆发酵残渣置于烘箱中烘干，研磨均匀后，将秸秆放入瓷舟中，置于管式炉中进行热解炭化，期间保持氮气气氛，最终获得高吸附性能的生物质炭。

步骤1)中，所述的棘孢木霉T-1为现有技术，已经在申请公布号为CN104450530A(申请号为201410578593.X)的中国专利中公开，已于2014年9月24日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其生物保藏号为：CGMCC No.9722；

所述的棘孢木霉T-1的孢子悬液接种浓度为10

步骤1)中，小麦秸秆固态发酵培养基采用Mandel培养液与小麦秸秆制成，所述的Mandel培养液与小麦秸秆的用量之比为3mL～4mL：1g(体积：质量)。

所述的Mandel培养液以1L计，由以下重量的原料制成：

该Mandel培养液的pH＝5～6。

步骤1)中，所述的恒温培养的条件为：25～30℃恒温培养4～6d。

步骤2)中，所述的柠檬酸缓冲液的pH为4～5。所述的柠檬酸缓冲液与小麦秸秆发酵体系的用量之比为12～20g：1mL(体积：质量)。

步骤2)中，所述的摇床恒温震荡的条件为：温度25～30℃，摇床转速为150～200转/min。

步骤3)中，所述的烘干的条件为：温度50～80℃，时间为48～96h。

步骤3)中，所述的热解炭化的条件为：热解温度为500～700℃，热解炭化时间为100～180min。

步骤3)中，保持氮气气氛的氮气输入流量为0.2～0.6L/min。

所述的方法制备的生物质炭在吸附水体或土壤中染料和重金属中的应用。

具体地，一种利用丝状真菌发酵技术强化小麦秸秆炭吸附性能的方法，包括以下步骤：

(1)将棘孢木霉T-1划线接种于马铃薯葡萄糖琼脂培养基上，28℃恒温培养5～7d，用灭菌的0.1％(v/v)Tween 80溶液将孢子洗下，经灭菌的三层擦镜纸过滤后收集孢子于灭菌的50mL离心管，离心收集孢子沉淀，加入10mL 0.1％Tween 80将孢子沉淀重新悬浮清洗一次，离心去上清后加入5mL无菌水重悬孢子，制成孢子悬液；

(2)制备小麦秸秆的固态发酵培养基：Mandel培养液与小麦秸秆以体积：质量比例为3:1～4:1(质量：体积)混合，并于121℃高温高压灭菌30min；

所述的Mandel培养液以1L计，由以下重量的原料制成：

该Mandel培养液的pH＝5.5。

(3)将步骤1中的孢子悬液以10

(4)将pH为4.8的柠檬酸缓冲液以12：1～20：1(体积：质量)的比例加入小麦秸秆发酵体系，混匀后至于恒温摇床震荡浸提和清洗，控制温度为25～30℃，摇床转速为150～200转/min。

(5)将步骤(4)中的产物进行过滤或离心，获得发酵后的小麦秸秆，置于50～80℃的烘箱烘干，时间为48～96h。

(6)将步骤(5)中的产物放入瓷舟，置于管式炉内进行热解炭化，期间以流量为0.2～0.6L/min输入氮气保证厌氧环境，热解炭化温度为300～600℃，热解炭化时间为60～200min。所得产物冷却至室温后取出，即可获得以微生物发酵后小麦秸秆为原料制备的高吸附性能的生物质炭。

为表征微生物发酵过程对生物质炭的改性效果，本发明用表面特征分析仪对生物质炭的比表面积进行分析。

更进一步的，本发明提供了所述生物质炭在水体中去除染料和重金属的应用。

利用本发明制备的生物质炭特别适用于吸附水体或土壤中的染料和重金属等污染物。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用具有木质纤维素降解能力的微生物对秸秆进行发酵后，再用于生物质炭制备，以此作为生物质炭改性手段。该手段成本低廉，兼具良好的环境和经济效益。同时为微生物发酵后的秸秆发酵残渣的处理提供二次利用的新方式。

本发明利用发酵后小麦秸秆所制备的生物质炭相较于利用未发酵小麦秸秆所制备的生物质炭，对水体中初始浓度为50mg L

附图说明

图1为未发酵或发酵后小麦秸秆制备的生物质炭吸附亚甲基蓝的效果对比图(a:亚甲基蓝初始浓度为50mg L

图2为未发酵或发酵后小麦秸秆制备的生物质炭吸附重金属Cd

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术特色更加明确，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例中如无特别说明，出现的百分数均为质量百分数。

本发明所使用的秸秆发酵菌株为棘孢木霉T-1，为现有技术，已经在申请公布号为CN104450530A(申请号为201410578593.X)的中国专利中公开，已于2014年9月24日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其生物保藏号为：CGMCC No.9722。

实施例1：天然小麦秸秆炭的制备(作为对比例)

小麦秸秆经粉碎后过20目筛，烘干后，将秸秆放入瓷舟，置于管式炉内进行热解炭化，期间以流量为0.3L/min输入氮气保证厌氧环境，控制热解炭化温度分别为600℃和800℃，热解炭化时间为120min。所得产物冷却至室温25℃后取出，即获得在热解温度分别为600℃和800℃条件下以天然小麦秸秆为原料制备的生物质炭。

实施例2：微生物发酵的小麦秸秆来源的生物质炭制备

将棘孢木霉T-1划线接种于马铃薯葡萄糖琼脂培养基上，28℃恒温培养5d，用灭菌的0.1％(v/v)Tween 80溶液将孢子洗下，经灭菌的三层擦镜纸过滤后收集孢子于灭菌的50mL离心管，离心收集孢子沉淀，加入10mL 0.1％Tween 80将孢子沉淀重新悬浮清洗一次，离心去上清后，加入5mL无菌水重悬孢子，制成孢子悬液；

制备小麦秸秆的固态发酵培养基：Mandel培养液与小麦秸秆以体积：质量比例为3.5:1(质量：体积)混合，并于121℃高温高压灭菌30min；

Mandel培养液以1L计，由以下重量的原料制成：

该Mandel培养液的pH＝5.5。

以10

将烘干的产物放入瓷舟，置于管式炉内进行热解炭化，期间以流量为0.3L/min输入氮气保证厌氧环境，控制热解炭化温度分别为600℃，热解炭化时间为120min。所得产物冷却至室温25℃后取出，即获得以微生物发酵后小麦秸秆为原料制备的生物质炭。

对比实施例3：小麦秸秆炭的比表面积对比分析

为探明温度及微生物发酵对生物质炭性能的影响，本发明使用表面特征分析仪(ASAP 2020Plus HD88)测定并对比了实施例1和2种以天然未发酵小麦秸秆和发酵后小麦为原料制得的生物质炭的比表面积。上机测定前，样品在流动气体脱气装置中进行预处理，以去除吸附的污染物。脱气条件为180℃，流动氮气条件下脱吸附12h。由表1可知，600℃热解温度下，以发酵后小麦秸秆为原料制备的生物质炭其比表面积是天然小麦秸秆炭的3.46倍；而将热解温度提高至800℃时，天然小麦秸秆炭的比表面积是600℃热解条件下获得生物炭的31.2倍,以上结果对生物炭吸附性能影响在对比实施例3和4中具体探究。

表1生物质炭比表面积对比

对比实施例3：亚甲基蓝的吸附效率对比

将实施实例1-2中的小麦秸秆炭用于去除水体中的亚甲基蓝，具体操作如下：分别取初始浓度为50mg L

不同生物质炭对亚甲基蓝的吸附效果如图1所示。天然小麦秸秆质炭在吸附过程中并未出现明显的吸附平衡，而发酵后小麦秸秆炭在吸附过程中出现明显的吸附上升期和平衡期。当亚甲基蓝的初始浓度为50mg L

对比实施例4：重金属Cd

将实施实例1-2中的小麦秸秆炭用于去除水体中的重金属离子Cd

不同生物质炭对Cd

由对比实施例2、3和4可知，以微生物发酵过的小麦秸秆为原料制备的生物质炭其吸附性能得到较大提高，且其提升作用远大于通过提高热解温度所达到的效果。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。