微生物技术在城市垃圾处理中的应用？
随着世界城市化进程的加快，城市化带来的环境污染和人居环境恶化已成为世界各国共同关注的问题。城市生活垃圾是日常生活和为城市生活提供服务的活动中产生的固体废物，是城市环境的主要污染物之一。目前城市生活垃圾的处理处置方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧，其中前两种处理方式属于生物处理技术。具体来说，生活垃圾生物处理技术是城市生活垃圾中固有的或添加的微生物在一定的控制条件下进行一系列生化反应，使生活垃圾中不稳定的有机物经过代谢释放能量或转化为新的细胞物质，从而使生活垃圾逐渐稳定的生化过程。
1.城市生活垃圾生物处理中的主要微生物
生活垃圾生物处理技术主要包括好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理，如好氧堆肥、生物反应器填埋等，主要包括细菌、放线菌、真菌等微生物种群。在厌氧生物处理中，如厌氧消化和厌氧填埋，过程中的微生物又称为“瘤胃微生物”，主要包括水解细菌、产氢醋酸菌和产甲烷菌。
1.1城市生活垃圾好氧生物处理中的微生物
1.1.1细菌
在垃圾好氧生物降解过程中，细菌凭借其强大的比表面积，可以快速将可溶性底物吸收到细胞内进行细胞内代谢。一般来说，它的数量比放线菌和真菌多得多。当然，不同环境中分离的细菌在分类学上是多样的，主要包括假单胞菌、克雷伯氏菌和芽孢杆菌[1]。在堆肥过程中，细菌总数的变化趋势是高-低-高。堆肥初期，有机废弃物中携带的大量细菌分解有机物并释放能量，使堆体温度上升。此时，室温下的细菌受到抑制，嗜温细菌具有活性。当反应器温度上升到高温阶段，只有少量嗜热菌可以活动；高温期过后，随着有机组分的减少，反应器温度降低，中温菌和常温菌又开始活跃，使细菌总数增加。在整个好氧降解过程中，中温细菌是堆肥系统中最重要的微生物。
1.1.2放线菌
放线菌有多细胞菌丝，能分解部分纤维素，溶解木质素。它能耐受比真菌更高的温度和pH值，是垃圾生物降解高温阶段分解木质纤维素的优势菌群。研究表明，诺卡氏菌属、链霉菌属、高温放线菌属和小单孢菌属在垃圾好氧堆肥中占优势[1]。
1.1.3真菌
在垃圾生物降解过程中，真菌对垃圾中有机成分的分解和稳定起着重要作用。真菌不仅可以分泌胞外酶和水解有机物，而且由于其菌丝的机械穿插作用，可以物理破坏物质，促进生化反应。温度是影响真菌生长的重要因素之一。随着堆肥过程中温度的升高，真菌菌落数开始减少，在64℃左右几乎所有嗜热真菌消失。当温度降至60℃以下时，中温真菌和嗜热真菌都会重新出现在堆肥中[2]。
1.2微生物的厌氧生物处理
城市生活垃圾的厌氧生物处理分为水解、产氢、产酸和产甲烷三个阶段，每个阶段都有其独特的微生物群落进行生物降解。
1.2.1水解细菌
在水解阶段，水解细菌在体外利用胞外酶水解有机物，使固体物质变成水溶性物质，然后被细胞吸收并水解成不同的产物。在这个阶段起作用的细菌是水解细菌。Hungate分离出以下水解细菌:(1)琥珀酸拟杆菌，(2) lochheadii杆菌，(3)圆柱形梭菌，(4)黄色乳球菌，(5)白色乳球菌，(6)溶纤维弧菌。同时分离出纤维素酶B-1，4-葡聚糖酶、外切-B-1，4-葡聚糖酶和纤维二糖酶[3]。
1.2.2产氢产乙酸菌群
产氢产乙酸菌群是将丙酸等三碳以上有机酸、长链脂肪酸、醇类等一级发酵产物氧化分解为乙酸和分子氢。在卫生填埋场中，已经分离出布鲁氏甲烷杆菌和布鲁氏甲烷杆菌菌株G[3]。
1.2.3产甲烷菌群
甲烷杆菌利用碳化合物如H2/CO2、乙酸和甲醇甲酸作为底物将其转化为甲烷。在卫生填埋场中，产甲烷细菌可分为三种类型:棒状细菌、球形细菌和阿奇霉素。杆状产甲烷菌通常呈弯曲状、链状或丝状，如史密斯短杆菌、甲酸甲烷杆菌、巴斯德甲烷杆菌、反刍短杆菌、史密斯甲烷杆菌、嗜热自养甲烷杆菌等。球形产甲烷菌直径为0.3 ~ 5微米，球形细胞呈圆形或椭圆形，成对排列成链状。这类细菌包括巴斯德甲烷八叠球菌、范氏甲烷球菌、金刚狼甲烷球菌、马氏甲烷球菌、海洋甲烷球菌和嗜热甲烷球菌。方位角球形产甲烷菌，其细胞繁殖成规则的、大小相同的沙状沉积物，包括227石棺巴氏杆菌、石棺巴氏杆菌和石棺嗜热菌[3]。
2.微生物技术在垃圾处理中的应用。
城市生活垃圾的生物处理主要是微生物在一定的控制条件下对有机物进行生化降解，形成稳定化合物的过程。因此，微生物降解垃圾中有机物和有机成分的速度和程度直接决定了处理周期的长短和处理效果的好坏，对垃圾处理起着决定性的作用。因此，垃圾生物处理的质量取决于微生物的结构和在环境中的代谢状况。目前很多学者在这方面做了很大的努力。他们通过分析一定处理环境中微生物的特性，以各种方式改变处理过程中微生物的数量和质量，发展了多种垃圾生物处理技术，如:强化微生物(纯分离、强化接种、添加微生物菌剂、微生物固定化)、基因突变等。
2.1强化微生物处理技术
强化微生物处理技术是从改变过程中单位反应器空间内微生物的质量或数量的角度来增强垃圾的降解速率，从而提高处理效率，缩短处理周期。
2.1.1纯种分离
自然界中的微生物总是生活在一起，即使在一粒土壤或一滴水中，也有许多微生物。为了提高工艺中某一有效微生物的质量(纯度)，提高处理效率，有必要进行微生物的纯分离技术。分离纯微生物的常用方法包括平板划线分离、液体稀释分离、选择性培养基分离和菌丝尖端切割分离[4]。
(1)板划线分离
将融化的培养基倒入培养皿中制成平板，用接种环蘸取少量待分离物质，在培养基表面平行或分区域画线(图1)，然后将培养皿放入恒温箱中培养。在线的开始，微生物经常一起生长。随着线的延伸，细菌数量逐渐减少，最后可能形成一个纯粹的单菌落。
图1几种标记方法示意图
(2)液体稀释法
将待分离样品大量稀释后，将稀释液均匀涂布于培养皿中的培养基表面，培养后可获得单菌落。
(3)用选择性培养基分离。
不同的微生物对不同的试剂、染料、抗生素等有不同的抗性。这些特征可用于制备适合一种微生物生长并限制其他微生物生长的选择性培养基。用这种培养基培养微生物可以达到纯分离的目的。
(4)切去菌丝顶端
这种方法适用于丝状真菌。一个新的菌落可以通过用无菌手术刀在菌落边缘切下菌丝尖端，并将其转移到合适的培养基上进行培养而获得。
2.1.2强化孕育处理技术
纯种分离后，将微生物接种到垃圾中进行生物处理。但由于接种微生物的生存环境发生了变化，在微生物适应周围环境之前，处理效率达不到理想的效果。因此，直接接种垃圾中的微生物的处理效果应优于纯种分离微生物后接种。直接在垃圾中接种微生物的方法有很多，如回收垃圾渗滤液，添加一定比例的垃圾分解产物等。
微生物对垃圾的降解是在多种微生物的协同作用下完成的。在适宜的条件下，微生物的协同能力取决于微生物种群的大小和结构的稳定性。一般来说，生物种群越大，自我调节能力越好，适应能力越强，结构越稳定。垃圾渗滤液循环利用或在待处理的新鲜垃圾中加入一定比例的垃圾分解产物进行强化接种培养后，微生物种群会扩大，循环次数越多，微生物的数量和种群越大，将更有利于垃圾的降解。
2.1.3添加微生物制剂
研究表明，单一的一组细菌、真菌和放线菌，无论多么活跃，都不能比组合的微生物菌群更好地起到加速垃圾生物降解的作用[5]。微生物菌剂是一种用于生活垃圾生物处理的高效复合微生物菌剂，采用分离筛选的有效微生物，配合一定的处理技术和设备，合理筛选培养各种有效微生物的含量，以调整菌群结构，提高微生物降解活性，提高微生物降解有机成分的效率。复杂的微生物菌群中既有分解菌，也有合成菌；有分解纤维素的细菌、真菌和放线菌。在工艺中加入复合菌剂不仅提高了工艺中微生物的初始浓度，而且改善了工艺中微生物的种群结构。作为多种细菌共存的生物群落，依靠相互增殖和协同作用代谢抗氧化物质，生成稳定复杂的生态系统，使微生物数量在整个生物降解过程中保持相对稳定，处理效果更好[6]。
2.1.4固定化技术
固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，使其高密度地保持生物功能，并在适宜的条件下增殖，以满足处理技术的要求[7]；本质上是从增加单位反应器中微生物数量的角度来提高微生物的活性，使得细胞密度高，微生物损失小，高效菌种无需分离即可纯化保存，反应速度快，运行稳定可靠，从而节约运行成本，提高城市生活垃圾的处理效率。目前国内外对固定化微生物技术没有统一的分类标准，方法多种多样，包括载体结合固定化(吸附法)、交联固定化、包埋固定化和* * *价结合固定化。每种固定化方法和载体都有自己的特点，如表1所示。其中，微生物细胞的固定化方法有包埋法和吸附法。包埋法是将微生物封闭在天然高分子多糖或合成高分子凝胶的网络中，从而固定微生物；其特点是固定化微生物可以制成各种形状(球形、块状、圆柱形、膜状、布状、管状等。)，但包埋法制备的固定化微生物对传质有一定影响。吸附法是将微生物细胞附着在一种固体载体上，微生物细胞与载体之间不发生化学反应，具有操作简单、固定化条件温和、细胞活性损失小、载体可重复使用等优点，因此得到广泛应用和深入研究。
2.2基因工程
基因工程技术在垃圾处理中应用的基本原理是将能够高效降解某种污染物的微生物的基因片段转入受体生物细胞中并表达，使受体生物具有高效降解污染物的特性，从而达到控制污染和去除有机物的目的[9]。如果能够找到特定的抗污染基因，并构建转基因后高效的基因工程菌，那么污染物的降解效率可以显著提高。利用微生物治理污染快速高效，构建高效菌株治理污染，尤其是环境中复杂或难降解的有毒有害废物化合物，如合成塑料、除草剂、农药等，必将成为环境生物技术的热点之一。
3.结论
1.在厌氧和好氧垃圾处理过程中存在各种微生物种群。正是这些微生物种群相互协调，形成了复杂的生态系统，从而去除了使生活垃圾不稳定的有机成分，使生活垃圾变得稳定，甚至成为可再生资源。这个生态系统中的微生物需要进一步研究，然后才能分离出降解某一特定污染物的特定微生物种群。
2.城市生活垃圾的各种生物处理技术方兴未艾，无论从强化微生物种群的角度，还是从基因工程的角度，都有很大的发展潜力。根据生活垃圾中微生物种群的特点，应努力开发高效的生活垃圾生物处理技术。
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