本發(fā)明涉及微生物技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可生物降解的微生物緩釋劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的河道治理停留在以水利施工為主的方法，例如清淤、換水等，這些方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且往往效果不夠持久，并沒(méi)有從根本上解決河道的問(wèn)題。近年來(lái)，生物修復(fù)(尤其是微生物強(qiáng)化修復(fù))技術(shù)在水治理的環(huán)境友好性和持效性方面具有突出表現(xiàn)，常用的生物修復(fù)技術(shù)包括向污水投加微生物菌劑、人工復(fù)氧、水利循環(huán)、旁流凈化、種植水生植物、放養(yǎng)水生動(dòng)物等，通過(guò)這些處理手段來(lái)提高水體自?xún)裟芰?，并取得了一定的成效?/p>

生物修復(fù)技術(shù)中，微生物菌劑對(duì)污染水體凈化的作用越來(lái)越受到重視，其根本原因在于微生物的氮代謝是地球自然氮素循環(huán)中極為重要的環(huán)節(jié)，尤其是微生物脫氮作用是已知氮素離開(kāi)地球生物圈的最重要途徑，當(dāng)然也是城市河道富氮污染水體中氮素脫除的最重要和最根本的途徑。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的凈水菌劑主要包括硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌兩大類(lèi)，產(chǎn)品劑型以水劑和粉劑為主。凈水菌劑的主要投加方式是直接流加到污染水體中或向河道底部噴灑，這種方式在養(yǎng)殖水體應(yīng)用效果最為突出，在封閉黑臭城市河道治理上也有不俗表現(xiàn)，但在流速較快的河道上應(yīng)用效果則不夠突出，且投菌頻次和投菌量均非常高，人力和物料成本高。此外，由于河道污水體量巨大和人工投放的菌種生理適應(yīng)性處劣勢(shì)等原因，通常人工投加菌劑量遠(yuǎn)達(dá)不到改變主要土著菌群結(jié)構(gòu)的程度，更無(wú)法成長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)菌群(按菌數(shù)計(jì)算，人工投加菌量通常為土著菌總量的0.3‰左右)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而提供一種能通過(guò)緩釋碳源而使微生物有效增長(zhǎng)的可生物降解的微生物緩釋劑及其制備方法。

本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而提供一種上述微生物緩釋劑的制備方法。

本發(fā)明所要解決的第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而提供一種上述微生物緩釋劑在污水治理中的應(yīng)用。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種可生物降解的微生物緩釋劑，其特征在于，包括微生物菌粉、碳源緩釋體以及水凝膠狀菌劑載體，所述微生物菌粉和碳源緩釋體均懸浮在該水凝膠狀菌劑載體中，且上述碳源緩釋體與水凝膠狀載體的質(zhì)量比為1:1～1000。

作為優(yōu)選，所述碳源緩釋體包括以下原料及其質(zhì)量份數(shù)：固體碳源30～70份，聚乳酸20～40份、聚苯乙烯5～30份以及可德膠5～20份。采用高分子材料來(lái)包埋碳源，這樣在混合和注射成型過(guò)程中通過(guò)高分子材料的大分子鏈之間的互相纏結(jié)和滲透，可以形成有一定空隙的致密結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳源的可控釋放。此外，可通過(guò)調(diào)節(jié)聚乳酸、聚苯乙烯以及可德膠與碳源之間的質(zhì)量比例來(lái)調(diào)節(jié)碳源的環(huán)境釋放速度，從而獲得碳源釋放有明顯差異的系列碳源緩釋體；具體地，提高聚乳酸、聚苯乙烯和可德膠的質(zhì)量百分含量，則獲得的碳源緩釋劑的成型性較好，同時(shí)固體碳源的釋放速度也會(huì)降低，反之成型性就變差且固體碳源的釋放速度就會(huì)加大。

進(jìn)一步，所述固體碳源包括質(zhì)量比為2～4:1～3的檸檬酸鈉和醋酸鈉。以檸檬酸鈉和醋酸鈉兩種碳源的混合物作為固體碳源，既降低了成本又可為微生物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)對(duì)碳源的需求，從而提高碳源的利用效率。

作為優(yōu)選，所述碳源緩釋體的外形為圓盤(pán)狀、方塊狀、圓球狀或長(zhǎng)條狀中的一種。將碳源緩釋體加工成上述形狀，不僅方便碳源緩釋體的加工，同時(shí)也方便碳源緩釋體與水凝膠狀載體的混合。

作為優(yōu)選，所述水凝膠狀菌劑載體包括以下原料及其質(zhì)量份數(shù)：載體材料10～100份，交聯(lián)劑0.75～5.0份，去離子水100～200份。

進(jìn)一步，所述載體材料為γ-聚谷氨酸或殼聚糖中的至少一種。

進(jìn)一步，所述交聯(lián)劑為質(zhì)量比為1/3～3:1的乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的混合物。

作為優(yōu)選，所述微生物菌粉為枯草芽孢桿菌bs或地衣芽孢桿菌atcc14580中的至少一種，且水凝膠狀菌劑載體中微生物菌粉的總活菌數(shù)為1.0×10⁷～1.0×10⁹cfu/g。

本發(fā)明解決第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：上述微生物緩釋劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)碳源緩釋體的制備：將固體碳源、聚乳酸、聚苯乙烯以及可德膠均勻混合得混合物，該混合物中固體碳源、聚乳酸、聚苯乙烯以及可德膠的質(zhì)量比為30～70:20～40:5～30:5～20；然后將該混合物進(jìn)行注塑成型，注塑成型的溫度為140～190℃，注塑成型后，室溫下自然冷卻，即得所需的碳源緩釋體；

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將載體材料溶解在去離子水中，配成濃度為100～500mg/ml的載體材料水溶液，30～40℃下恒溫?cái)嚢?～16h，使其充分溶脹并溶解，上述載體材料為γ-聚谷氨酸或殼聚糖中的至少一種；

然后向該載體材料水溶液加入交聯(lián)劑和菌粉，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)0.5～2h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀菌劑載體，交聯(lián)劑為質(zhì)量比為1/3～3:1的乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的混合物，所述微生物菌粉為枯草芽孢桿菌bs或地衣芽孢桿菌atcc14580中的至少一種；

(3)微生物緩釋劑的制備：將上述制備的碳源緩釋體投入水凝膠狀菌劑載體中，混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑。

本發(fā)明解決第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：所述的微生物緩釋劑的應(yīng)用，其特征在于，所述微生物緩釋劑在污水治理中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明通過(guò)將微生物菌粉和碳源緩釋體懸浮在該水凝膠狀菌劑載體中的方式，提供了一種菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑碳源緩釋效果顯著，釋放50％碳源的釋放周期為2.0～12.0個(gè)月，微生物菌粉的包埋率高，可達(dá)94.5％～99.2％，并且微生物菌粉緩釋顯著，釋放90％包埋菌粉的周期為1.0～9.0個(gè)月，這樣可通過(guò)碳源的緩慢釋放不斷地向外周的菌粉提供能源物質(zhì)，使得菌粉中的環(huán)境友好菌群得以高活性增長(zhǎng)，避免環(huán)境微生物菌群對(duì)碳源的利用。

此外，該微生物緩釋菌劑制備方法簡(jiǎn)單，選用可生物降解的材料為原料，避免二次污染，并且采用高分子材料來(lái)包埋碳源，這樣在混合和注射成型過(guò)程中通過(guò)高分子材料的大分子鏈之間的互相纏結(jié)和滲透，可以形成有一定空隙的致密結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳源的可控釋放。

將本發(fā)明中的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中，通過(guò)碳源的緩釋?zhuān)苡行П苊馑w流動(dòng)對(duì)碳源造成的浪費(fèi)，從而提高微生物對(duì)碳源的利用效率，提高其脫氮效率，氨氮降低率可達(dá)80％以上，總氮的降低率可達(dá)20％，取得較好的質(zhì)量效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中微生物緩釋劑的立體模型結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為水凝膠狀菌劑載體，2為菌粉，3為碳源緩釋體；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中微生物緩釋劑的立體模型剖面圖，圖中1為水凝膠狀載體，2為菌粉，3為碳源緩釋體；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中碳源緩釋體的實(shí)物圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中微生物緩釋劑的實(shí)物圖(裝載于無(wú)紡布袋狀態(tài)下)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

(1)碳源緩釋體的制備：將20g檸檬酸鈉，10g醋酸鈉，20g聚乳酸，30g聚苯乙烯和20g可德膠(食品級(jí)，山東中科生物科技股份有限公司)均勻混合得混合物。然后將混合物投入注射成型機(jī)的料筒中，注塑成型的溫度為140℃，一次注塑成型后，室溫下自然冷卻后即得碳源緩釋體。

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將γ-聚谷氨酸溶解在去離子水中，配成濃度為100mg/ml的γ-聚谷氨酸(γ-pga)200ml水溶液，溫度調(diào)節(jié)至40℃，恒溫?cái)嚢?0h，使其充分溶脹，并溶解。然后將γ-聚谷氨酸溶液置于三頸燒瓶中，加入1.5g的乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物和0.1g的菌粉，上述乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物中乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的質(zhì)量比為1:3，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)0.5h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀菌劑載體。

將上述制備的碳源緩釋體和水凝膠狀菌劑載體按質(zhì)量比1:1000比例混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑具有類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。由圖1和圖2可見(jiàn)，微生物菌粉和碳源緩釋體懸浮在水凝膠狀菌體載體，呈類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。如圖3所示，本實(shí)施例中碳源緩釋體的外形呈長(zhǎng)條狀，當(dāng)然碳源緩釋體的外形也可以是其他可行的形狀，如圓盤(pán)狀、方塊狀、圓球狀等。

將上述制得的微生物緩釋劑置于加厚加密每平方60克聚丙稀無(wú)紡布(15×20cm)抽繩無(wú)紡布袋中，然后將該無(wú)紡布袋投放于待處理污水中，從而將本發(fā)明中制備的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中。如圖4所示為微生物緩釋劑裝載于無(wú)紡布袋中后的實(shí)物圖。

上述菌粉中包含枯草芽孢桿菌bs和地衣芽孢桿菌atcc14580，并且兩者的活菌數(shù)均為1.0×10¹⁰cfu/g?？莶菅挎邨U菌bs或地衣芽孢桿菌atcc14580單一菌粉也可用于本發(fā)明，本實(shí)施例中以二者等比例混合菌粉為例進(jìn)行敘述。其中，草芽孢桿菌bs拉丁學(xué)名：bacillussubtilis，編號(hào)：gim1.255，購(gòu)于廣東省微生物菌種保藏中心。地衣芽孢桿菌atcc14580，分類(lèi)命名：地衣芽孢桿菌atcc14580，拉丁學(xué)名：bacilluslicheniformisatcc14580，保藏號(hào)：atcc14580，保藏單位：美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心，購(gòu)自江南大學(xué)工業(yè)微生物資源和信息中心。

本實(shí)施例中菌粉的制備方法為：將上述兩個(gè)保存菌株分別涂布于馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(環(huán)凱微生物科技公司生產(chǎn))上，待菌落形成后，挑取單菌落接種于液體bys培養(yǎng)基中，于30℃下振蕩培養(yǎng)36小時(shí)，然后收集菌體烘干即得所需菌粉。其中，bys培養(yǎng)基配方為(1l)紅糖5g，酵母抽提物3g，可溶性淀粉10g，硅藻土10g，米糠粉5g，121℃滅菌30分鐘。此外該菌粉也可以是市售枯草芽孢桿菌菌粉或地衣芽孢桿菌菌粉，活菌數(shù)高于1000億cfu/g，主要輔料為硅藻土或淀粉均可。

實(shí)施例2～5中所用的菌粉組成與實(shí)施例1相同，不再贅述，當(dāng)然本發(fā)明中的菌粉除選用上述的枯草芽孢桿菌bs和地衣芽孢桿菌atcc14580外，還可以是其他的現(xiàn)有具有水質(zhì)凈化功能的菌種，如沼澤紅假單胞菌(rhodopseudanonaspalustris)gim1.167、施氏假單胞菌(pseudomonasstutzeri)gim1.273、熒光假單胞菌(pseudomonasfluorescens)gim1.344等，但不限于上述菌種。

實(shí)施例1中，水凝膠菌劑載體中總活菌數(shù)為1.0×10⁷cfu/g，固體碳源的包封率為97.6％，釋放50％的碳源的周期為4.0個(gè)月，釋放90％的菌粉的周期為1.0個(gè)月。在200l初始氨氮10mg/l的河道污水中投加500g該菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載物，在水溫30℃、溶氧4mg/l情況下，24小時(shí)氨氮降低率達(dá)到50％以上，72小時(shí)氨氮降低率達(dá)到80％以上，總氮降低20％以上。

實(shí)施例2

(1)碳源緩釋體的制備：將30g檸檬酸鈉，20g醋酸鈉，20g聚乳酸，10g聚苯乙烯和5g可德膠均勻混合得混合物。然后將混合物投入注射成型機(jī)的料筒中，注塑成型的溫度為160℃，一次注塑成型后，室溫下自然冷卻后即得碳源緩釋體。

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將γ-聚谷氨酸溶解在去離子水中，配成濃度為200mg/ml的γ-聚谷氨酸200ml水溶液，溫度調(diào)節(jié)在50℃，恒溫?cái)嚢?4h，使其充分溶脹，并溶解。然后將γ-聚谷氨酸溶液置于三頸燒瓶中，加入3.0g的乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物和1.0g的菌粉，上述乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物中乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的質(zhì)量比為1:3，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)1.0h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀菌體載體。

將上述制備的碳源緩釋體和水凝膠狀載體按質(zhì)量比1:500比例，混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑具有類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。

將上述制得的微生物緩釋劑置于加厚加密每平方60克聚丙稀無(wú)紡布(15×20cm)抽繩無(wú)紡布袋中，然后將該無(wú)紡布袋投放于待處理污水中，從而將本發(fā)明中制備的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中。

本實(shí)施例中，水凝膠菌劑載體總活菌數(shù)為1.0×10⁸cfu/g，固體碳源的包封率為92.6％，釋放50％碳源的周期為2.0個(gè)月，釋放90％的菌粉的周期為3.0個(gè)月。在200l初始氨氮10mg/l的河道污水中投加500g該菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載物，在水溫30℃、溶氧4mg/l情況下，24小時(shí)氨氮降低率達(dá)到50％以上，72小時(shí)氨氮降低率達(dá)到80％以上，總氮降低20％以上。

實(shí)施例3

(1)碳源緩釋體的制備：將36.0g檸檬酸鈉，27.0g醋酸鈉，30.0g聚乳酸，5g聚苯乙烯和5g可德膠均勻混合得混合物。然后將混合物投入注射成型機(jī)的料筒中，注塑成型的溫度為180℃，，一次注塑成型后，室溫下自然冷卻后即得碳源緩釋體。

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將γ-聚谷氨酸溶解在去離子水中，配成濃度為400mg/ml的γ-聚谷氨酸200ml水溶液，溫度調(diào)節(jié)至60℃，恒溫?cái)嚢?6h，使其充分溶脹，并溶解。然后將γ-聚谷氨酸溶液置于三頸燒瓶中，加入5.0g的乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物和2.0g的菌粉，上述乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物中乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的質(zhì)量比為3:1，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)2.0h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀菌體載體。

將上述制備的碳源緩釋體和水凝膠狀菌劑載體按質(zhì)量比1:1比例，混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑具有類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。

將上述制得的微生物緩釋劑置于加厚加密每平方60克聚丙稀無(wú)紡布(15×20cm)抽繩無(wú)紡布袋中，然后將該無(wú)紡布袋投放于待處理污水中，從而將本發(fā)明中制備的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中。

本實(shí)施例中，水凝膠狀菌劑載體中總活菌數(shù)為1.0×10⁹cfu/g，固體碳源的包封率為87.2％，釋放50％碳源的周期為3.0個(gè)月，釋放90％的菌粉的周期為6.0個(gè)月。在200l初始氨氮10mg/l的河道污水中投加500g該菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載物，在水溫30℃、溶氧4mg/l情況下，24小時(shí)氨氮降低率達(dá)到50％以上，72小時(shí)氨氮降低率達(dá)到80％以上，總氮降低20％以上。

實(shí)施例4

(1)碳源緩釋體的制備：將30.0g檸檬酸鈉，20.0g醋酸鈉，40.0g聚乳酸，20.0g聚苯乙烯和15.0g可德膠均勻混合得混合物。然后將混合物投入注射成型機(jī)的料筒中，注塑成型的溫度為190℃，一次注塑成型后，室溫下自然冷卻后即得碳源緩釋體。

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將γ-聚谷氨酸溶解在去離子水中，配成濃度為500mg/ml的γ-聚谷氨酸200ml水溶液，溫度調(diào)節(jié)在80℃，恒溫?cái)嚢?4h，使其充分溶脹，并溶解。然后將γ-聚谷氨酸溶液置于三頸燒瓶中，加入5.0g的乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物和3.0g的菌粉，上述乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物中乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的質(zhì)量比為3:1，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)0.5h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀菌體載體。

將上述制備的碳源緩釋體和水凝膠狀菌劑載體按質(zhì)量比1:100比例，混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑具有類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。

將上述制得的微生物緩釋劑置于加厚加密每平方60克聚丙稀無(wú)紡布(15×20cm)抽繩無(wú)紡布袋中，然后將該無(wú)紡布袋投放于待處理污水中，從而將本發(fā)明中制備的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中。

本實(shí)施例中，水凝膠狀菌劑載體中總活菌數(shù)為1.0×10⁸cfu/g，固體碳源的包封率為97.1％，釋放50％的碳源的周期為7.0個(gè)月，釋放90％的菌粉的周期為6.0個(gè)月。在200l初始氨氮10mg/l的河道污水中投加500g該菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載物，在水溫30℃、溶氧4mg/l情況下，24小時(shí)氨氮降低率達(dá)到50％以上，72小時(shí)氨氮降低率達(dá)到80％以上，總氮降低20％以上。

實(shí)施例5

(1)碳源緩釋體的制備：將27.0g檸檬酸鈉，22.0g醋酸鈉，28.0g聚乳酸，15.0g聚苯乙烯和8.0g可德膠均勻混合得混合物。然后將混合物投入注射成型機(jī)的料筒中，注塑成型的溫度為170℃，一次注塑成型后，室溫下自然冷卻后即得碳源緩釋體。

(2)含菌粉水凝膠狀菌劑載體的制備：將殼聚糖溶解在去離子水中，配成濃度為200mg/ml的殼聚糖200ml水溶液，溫度調(diào)節(jié)在80℃，恒溫?cái)嚢?2h，使其充分溶脹，并溶解。然后將殼聚糖溶液置于三頸燒瓶中，加入3.0g的乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物和2.0g的菌粉，上述乙二醇縮水甘油醚/季戊四醇的混合物中乙二醇縮水甘油醚和季戊四醇的質(zhì)量比為2:1，調(diào)節(jié)ph至5.0，保持反應(yīng)0.5h，制得具有一定粘彈性的含有菌粉的水凝膠狀載體。

將上述制備的碳源緩釋體與水凝膠狀菌劑載體按質(zhì)量比1:800比例，混合均勻，即得所需的微生物緩釋劑，該微生物緩釋劑具有類(lèi)似果粒果凍狀結(jié)構(gòu)。

將上述制得的微生物緩釋劑置于加厚加密每平方60克聚丙稀無(wú)紡布(15×20cm)抽繩無(wú)紡布袋中，然后將該無(wú)紡布袋投放于待處理污水中，從而將本發(fā)明中制備的微生物緩釋劑應(yīng)用于污水治理中。

本實(shí)施例中，水凝膠狀菌劑載體中總活菌數(shù)為1.0×10⁹cfu/g，固體碳源的包封率為98.3％，釋放50％的碳源的周期為12.0個(gè)月，釋放90％的菌粉的周期為9.0個(gè)月。在200l初始氨氮10mg/l的河道污水中投加500g該菌粉/固體碳源協(xié)同負(fù)載物，在水溫30℃、溶氧4mg/l情況下，24小時(shí)氨氮降低率達(dá)到50％以上，72小時(shí)氨氮降低率達(dá)到80％以上，總氮降低20％以上。