超高温堆肥去除污泥微塑料及其微生物—化学耦合机制

发布时间：2020-07-03 03:06

【摘要】：微塑料(Microplastics,MPs)是指尺寸小于5 mm的塑料颗粒,是一种新型的污染物。污水处理厂被认为是陆地微塑料污染物的主要接收体,大部分微塑料最终都通过污水处理阶段滞留在污水厂污泥中。城市污泥肥料化被许多国家推广利用,然而当前的污泥处置方式都不能有效减少城市污泥中微塑料的含量。污水厂污泥中仍含有高浓度的微塑料,城市污泥的施用可能会导致微塑料在环境中积累,造成严重生态危害。因此,发展一种新型的高效处置污泥微塑料的技术迫在眉睫。本研究探索了利用超高温堆肥技术原位去除微塑料的方法及其超嗜热微生物降解污泥中微塑料的性能及其生物、化学机制,为解决城市污泥中的微塑料污染提供了一种新思路,对控制微塑料污染扩散及其对生态环境的危害具有重要的实践意义。论文主要结论如下:1、分析了城市污泥中微塑料的数量、类别、尺寸、分布和形态。堆肥原料中,微塑料含量约为7.41×10~4 n/kg干污泥。堆肥原料中的微塑料含有多种形状(纤维状、杆状、薄膜状等)、颜色(白色、黄色、黑色等)与类别(聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等)。进一步研究了超高温堆肥(hyperthermophilic composting,h TC)对污泥中微塑料的降解性能研究。结果发现,经过超高温堆肥处理45 d后污泥中微塑料含量下降了43.70%,其去除效率是传统堆肥(conventional thermophilic composting,cTC)的10倍多。2、以堆肥浸提液为接种物,以聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)为典型研究对象,在70℃温度下探究了实验条件下超高温堆肥中超嗜热菌群对PS-MPs的降解效果。在无额外碳源液体培养基中降解56 d后,超嗜热菌群使PS-MPs重量损失了约7.30%,是传统堆肥菌群的6.60倍。同时,PS-MPs分子量的明显下降、物理化学性质的变化以及液体中低分子中间产物的生成,都证实了超高温菌群可以通过生物氧化作用加速PS-MPs的降解。利用高通量测序技术分析了超高温堆肥组的细菌种群,发现其中占据主导地位的可降解PS-MPs的3个属是嗜热菌属Thermus(54.22%),杆菌属Bacillus(24.79%)和地杆菌属Geobacillus(19.59%)。3、在以上实验基础上,在无额外碳源的70℃条件下,从城市污泥超高温堆肥样品中分离获得2株具有PS-MPs降解效果的超嗜热菌株FAFU003和FAFU011。16S rRNA基因鉴定结果表明,FAFU003菌株为地杆菌Geobacillus sp.,命名为Geobacillus sp.FAFU003;FAFU011菌株为地杆菌Geobacillus stearothermophilus,命名为Geobacillus stearothermophilus FAFU011。同时,探索研究了超嗜热菌FAFU003和FAFU011对PS-MPs的降解效果并研究其降解机制。在无额外碳源的液体培养基中培养56 d后,菌株FAFU003和FAFU011分别使PS-MPs的重量损失了约4.22%和3.96%。PS-MPs分子量的下降、物理化学性质的变化以及液体中低分子中间产物的生成,都证实了FAFU003和FAFU011具有降解PS-MPs的能力,可以通过生物氧化作用加速PS-MPs的降解。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;X172
【图文】：

石油基,世界产量,塑料,百万吨

2002-2017 年之间，世界塑料年总产量从 204 百万吨增长到了 299 百万吨（图1-1）。图 1-1 石油基塑料世界产量[2-7]Fig.1-1 Petroleum-based plastics world production图1-2所示为2017年石油基塑料产量的地区分布。亚洲的塑料年总产量大于174百万吨，占比超过50%，其中中国的塑料产量大于100百万吨，占世界总产量的29.40%，排在全球首位。欧洲和NAFTA诸国的塑料年产量分别占世界产量的18.50%和17.70%，位列第二位和第三位。然而，当人们在享受合成塑料带来的巨大便利时，塑料废弃物给环境生态也带来了不曾预料的影响。大部分石油基塑料都是难以分解的，即便是能够小部分分解，在分解的过程中也会释放出大量的有毒物质，如邻苯二甲酸酯、多氯联苯、双酚等。

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图 1-2 2018 年石油基塑料产量的地区分布[7]Fig.1-2 Regional distribution of petroleum-based plastics production in 2018塑料的大量使用也导致了废弃塑料物的急剧增加，并且由于其不易降解、抗环境腐蚀等特性，最终造成了大面积的白色污染[8-10]。自 19 世纪 50 年代塑料被推广使用以来，塑料废弃物在陆地以及海洋公开海域大面积堆积聚集，甚至在深海或是远离人烟的小岛上也可以发现塑料的痕迹[11]。海洋无疑是地球上最大的污染物受纳体。每年有数千万吨的垃圾倒入海洋，仅塑料垃圾就有数百万吨[11,12]。2013 年，Eriksen 等人[13]报道了对南太平洋亚热带 2,424 海里（4,489 km）断面48 个位置漂浮塑料垃圾密度的调查报告结果。研究结果发现，该海域的平均塑料垃圾密度为 26,898 n/km2，其中最高浓度达到了 396,342 n/km2。2015 年，Jambeck 等人[14]在《Science》上报道了全球沿海国家和地区每年对海洋输入废弃塑料的估值研究结果。他们计算出，2010 年全球 192 个沿海国家共产生了总量为 2.75 亿吨的塑料废弃物，其中有 4.80-12.70 百万吨塑料废弃物进入了海洋，造成了海洋的大面积污染。大量的海洋生物由于缠绕或摄取等方式，受到了来自塑料碎片的伤害，甚至威胁它们的生命[15]。

【参考文献】