¿Aplicación de la tecnología microbiana en el tratamiento de residuos municipales?
Con la aceleración del proceso de urbanización mundial, la contaminación ambiental y el deterioro del entorno de vida causado por la urbanización se han convertido en temas de preocupación común para todos los países del mundo. Los residuos sólidos municipales son residuos sólidos generados en la vida diaria y en las actividades que prestan servicios a la vida urbana. Es uno de los principales contaminantes del medio urbano. En la actualidad, los principales métodos de tratamiento y disposición de los residuos domésticos urbanos incluyen el relleno sanitario, el compostaje y la incineración, de los cuales los dos primeros métodos de tratamiento pertenecen a la tecnología de tratamiento biológico. En concreto, la tecnología de tratamiento biológico de residuos domésticos consiste en que los microorganismos inherentes o añadidos a los residuos domésticos urbanos llevan a cabo una serie de reacciones bioquímicas bajo determinadas condiciones controladas, de modo que la materia orgánica inestable de los residuos domésticos pueda liberar energía a través del metabolismo o convertirse en en nuevas células, estabilizando así gradualmente el proceso bioquímico de los residuos domésticos.
1. Principales microorganismos en el tratamiento biológico de residuos sólidos urbanos
La tecnología de tratamiento biológico de residuos domésticos incluye principalmente el tratamiento biológico aeróbico y el tratamiento biológico anaeróbico. El tratamiento biológico aeróbico, como el compostaje aeróbico, el vertedero de biorreactores, etc., incluye principalmente poblaciones microbianas como bacterias, actinomicetos y hongos. En el tratamiento biológico anaeróbico, como la digestión anaeróbica y el vertedero anaeróbico, los microorganismos en el proceso también se denominan "microorganismos ruminales", que incluyen principalmente bacterias hidrolíticas, bacterias del ácido hidrogenacético y metanógenos.
1.1 Microorganismos en el tratamiento biológico aeróbico de residuos sólidos urbanos
1.1.1 Bacterias
En el proceso de biodegradación aeróbica de la basura, las bacterias dependen de sus potentes área de superficie, puede absorber rápidamente sustratos solubles en las células para el metabolismo intracelular. Generalmente es mucho más abundante que los actinomicetos y los hongos. Por supuesto, las bacterias aisladas de diferentes ambientes son taxonómicamente diversas e incluyen principalmente Pseudomonas, Klebsiella y Bacillus [1]. Durante el proceso de compostaje, la tendencia cambiante del número total de bacterias es alta-baja-alta. En las primeras etapas del compostaje, una gran cantidad de bacterias transportadas por los desechos orgánicos descomponen la materia orgánica y liberan energía, lo que hace que la temperatura de la pila aumente. En este momento, las bacterias a temperatura ambiente se inhiben y las bacterias mesófilas están activas. Cuando la temperatura del reactor aumenta a la etapa de alta temperatura, solo una pequeña cantidad de bacterias termófilas pueden estar activas después del período de alta temperatura, a medida que los componentes orgánicos disminuyen, la temperatura del reactor disminuye y las bacterias mesófilas y las bacterias mesófilas se vuelven activas nuevamente; , lo que hace que aumente el número total de bacterias. Durante todo el proceso de degradación aeróbica, las bacterias mesófilas son los microorganismos más importantes en el sistema de compost.
1.1.2 Actinomicetos
Los actinomicetos tienen hifas multicelulares que pueden descomponer parte de la celulosa y disolver la lignina. Puede tolerar temperaturas y valores de pH más altos que los hongos, y es el grupo bacteriano dominante que descompone la lignocelulosa en la etapa de alta temperatura de la biodegradación de residuos. Los estudios han demostrado que Nocardia, Streptomyces, Thermoactinomyces y Micromonospora son dominantes en el compostaje aeróbico de basura [1].
1.1.3 Hongos
En el proceso de biodegradación de residuos, los hongos juegan un papel importante en la descomposición y estabilización de los componentes orgánicos de los residuos. Los hongos no solo pueden secretar enzimas extracelulares e hidrolizar materia orgánica, sino también destruir físicamente sustancias y promover reacciones bioquímicas debido a la interpenetración mecánica de sus hifas. La temperatura es uno de los factores importantes que afectan el crecimiento de hongos. A medida que aumenta la temperatura durante el proceso de compostaje, el número de colonias de hongos comienza a disminuir y casi todos los hongos termófilos desaparecen alrededor de los 64°C. Cuando la temperatura desciende por debajo de los 60°C, tanto los hongos mesófilos como los termófilos reaparecen en el compost [2].
1.2 Tratamiento biológico anaeróbico de microorganismos
El tratamiento biológico anaeróbico de los residuos sólidos urbanos se divide en tres etapas: hidrólisis, producción de hidrógeno, producción de ácido y producción de metano. Cada etapa se ha Biodegradado por. su comunidad microbiana única.
1.2.1 Bacterias hidrolíticas
En la etapa de hidrólisis, las bacterias hidrolíticas utilizan enzimas extracelulares para hidrolizar la materia orgánica in vitro, convirtiendo sustancias sólidas en sustancias solubles en agua, que luego son absorbidas por células y se hidrolizan en diferentes productos. Las bacterias que trabajan en esta etapa son las bacterias hidrolíticas. Hungate aisló las siguientes bacterias hidrolíticas: (1) Bacteroides succiniformis, (2) Bacillus lochheadii, (3) Clostridium cylindricum, (4) Lactococcus flavus, (5) Lactococcus albicans, (6) Vibrio fibrinolyticus.
También se aislaron celulasa B-1,4-glucanasa, exo-B-1,4-glucanasa y celobiasa [3].
1.2.2 Bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno
Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno son la fermentación de primer nivel de ácidos orgánicos con más de tres átomos de carbono como el ácido propiónico, de cadena larga. ácidos grasos, alcoholes, etc. El producto se descompone oxidativamente en ácido acético e hidrógeno molecular. En rellenos sanitarios se han aislado Methanobacter brucei y Methanobacter brucei cepa G [3].
1.2.3 Metanógenos
Las metanobacterias utilizan compuestos de carbono como H2/CO2, ácido acético y ácido metanol-fórmico como sustratos para convertirlos en metano. En los rellenos sanitarios, las bacterias metanogénicas se pueden dividir en tres tipos: bacterias con forma de bastón, bacterias esféricas y azitromicina. Los metanógenos en forma de varilla suelen tener forma de curvas, cadenas o filamentos, como Brevibacterium smithii, Methanobacterium formicum, Methanobacterium pasteurianus, Brevibacterium ruminantium, Methanobacterium smithii, Methanobacterium thermoautotrophicum, etc. El diámetro de los metanógenos esféricos es de 0,3 a 5 micrones. Las células esféricas son redondas u ovaladas y están dispuestas en pares en una cadena. Dichas bacterias incluyen Methanosarcina pasturiensis, Methanococcus vanhardi, Methanococcus wolverinii, Methanococcus mazei, Methanococcus marineis y Methanococcus thermophilus. Los metanógenos azimutalmente esféricos, cuyas células se multiplican en sedimentos arenosos regulares del mismo tamaño, incluyen 227 Pasteurella sarcophagus, Pasteurella sarcophagus y Thermophilus sarcophagus [3].
2. Aplicación de la tecnología microbiana en el tratamiento de residuos.
El tratamiento biológico de residuos sólidos urbanos es principalmente un proceso en el que microorganismos degradan bioquímicamente la materia orgánica bajo determinadas condiciones controladas para formar compuestos estables. Por lo tanto, la velocidad y el grado de degradación microbiana de la materia orgánica y los componentes orgánicos de la basura determinan directamente la duración del ciclo de tratamiento y la calidad del efecto del tratamiento, y desempeñan un papel decisivo en la eliminación de basura. Por tanto, la calidad del tratamiento biológico de residuos depende de la estructura de los microorganismos y de su estado metabólico en el medio ambiente. En la actualidad, muchos estudiosos han realizado grandes esfuerzos en este ámbito. Al analizar las características de los microorganismos en un determinado entorno de tratamiento, cambian la cantidad y calidad de los microorganismos en el proceso de tratamiento de diversas maneras y desarrollan una variedad de tecnologías de tratamiento biológico de desechos, tales como: microorganismos mejorados (aislamiento puro, inoculación mejorada, adición de agentes microbianos, inmovilización de microorganismos), mutación genética, etc.
2.1 Tecnología de tratamiento microbiano mejorada
La tecnología de tratamiento microbiano mejorada consiste en mejorar la tasa de degradación de la basura desde la perspectiva de cambiar la calidad o cantidad de microorganismos en el espacio del reactor unitario durante el proceso. , mejorando así la eficiencia del tratamiento y acortando el ciclo de procesamiento.
2.1.1 Aislamiento puro de especies
Los microbios en la naturaleza siempre viven juntos, incluso en un grano de tierra o una gota de agua, hay muchos microorganismos. Para mejorar la calidad (pureza) de un determinado microorganismo eficaz en el proceso y mejorar la eficiencia del tratamiento, es necesario llevar a cabo una tecnología de separación pura de microorganismos. Los métodos comunes para aislar microorganismos puros incluyen el aislamiento por estrías en placas, el aislamiento por dilución líquida, el aislamiento por medio selectivo y el aislamiento por corte de punta de hifa [4].
(1) Separación en franjas en placa
Vierta el medio de cultivo derretido en una placa de Petri para hacer una placa plana, sumerja una pequeña cantidad del material a separar con un asa de inoculación, y colóquelo paralelo a la superficie del medio de cultivo. O dibuje líneas en diferentes áreas (Figura 1) y luego coloque la placa de Petri en la incubadora para su cultivo. Al comienzo de la línea, los microorganismos suelen crecer juntos. A medida que la línea se extiende, el número de bacterias disminuye gradualmente y, finalmente, puede formarse una única colonia pura.
Figura 1 Diagrama esquemático de varios métodos de etiquetado
(2) Método de dilución líquida
Después de diluir una gran cantidad de la muestra a separar, esparcir el diluyente uniformemente sobre el cultivo. En la superficie del medio de cultivo en el plato, se pueden obtener colonias individuales después del cultivo.
(3) Aislar utilizando medio selectivo.
Diferentes microorganismos tienen diferente resistencia a diferentes reactivos, colorantes, antibióticos, etc. Estas características se pueden utilizar para preparar medios selectivos que sean adecuados para el crecimiento de un microorganismo y restrinjan el crecimiento de otros. El uso de este medio para cultivar microorganismos puede lograr el propósito de aislamiento puro.
(4) Cortar la parte superior de las hifas
Este método es adecuado para hongos filamentosos.
Se puede obtener una nueva colonia cortando la punta de la hifa en el borde de la colonia con un bisturí estéril y transfiriéndola a un medio adecuado para el cultivo.
2.1.2 Tecnología de tratamiento de incubación reforzada
Después de separar las especies puras, se inoculan microorganismos en la basura para su tratamiento biológico. Sin embargo, debido a cambios en el entorno de vida de los microorganismos inoculados, la eficacia del tratamiento no puede lograr el efecto deseado hasta que los microorganismos se adapten al entorno circundante. Por lo tanto, el efecto del tratamiento de la inoculación directa de microorganismos en la basura debería ser mejor que el de la inoculación de microorganismos aislados puros. Hay muchas formas de inocular directamente microorganismos en la basura, como reciclar el lixiviado de la basura y agregar una cierta proporción de productos de descomposición de la basura.
La degradación de la basura por los microorganismos se completa bajo la acción sinérgica de una variedad de microorganismos. En condiciones adecuadas, la capacidad sinérgica de los microorganismos depende del tamaño y la estabilidad estructural de la población microbiana. En términos generales, cuanto mayor es la población biológica, mejor es la capacidad de autorregulación, mayor es la adaptabilidad y más estable es la estructura. Después de reciclar el lixiviado del vertedero o de agregar una cierta proporción de los productos de descomposición de la basura a la basura fresca para su procesamiento para inoculación y cultivo intensivos, la población microbiana se expandirá. Cuantos más ciclos haya, mayor será el número y la población de microorganismos. más propicio para el tratamiento de la degradación de la basura.
2.1.3 Adición de agentes microbianos
Las investigaciones muestran que un solo grupo de bacterias, hongos y actinomicetos, por muy activos que sean, no pueden funcionar mejor que una flora microbiana combinada. Desempeña un papel en acelerar la biodegradación de la basura [5]. El inoculante microbiano es un inoculante microbiano compuesto de alta eficiencia que se utiliza para el tratamiento biológico de desechos domésticos. Utiliza microorganismos eficaces separados y seleccionados y coopera con ciertas tecnologías y equipos de procesamiento para detectar y cultivar razonablemente el contenido de varios microorganismos eficaces para ajustar la estructura de la comunidad bacteriana. Mejorar la actividad de degradación microbiana y mejorar la eficiencia de la degradación microbiana de componentes orgánicos. La compleja flora microbiana incluye tanto bacterias descomponedoras como bacterias sintéticas; hay bacterias, hongos y actinomicetos que descomponen la celulosa. Agregar agentes microbianos compuestos al proceso no solo aumenta la concentración inicial de microorganismos en el proceso, sino que también mejora la estructura de la población de microorganismos en el proceso. Como comunidad biológica donde coexisten una variedad de bacterias, dependen de la proliferación mutua y la sinergia para metabolizar sustancias antioxidantes y formar un ecosistema estable y complejo, permitiendo que la cantidad de microorganismos permanezca relativamente estable durante todo el proceso de biodegradación y proporcionando mejores efectos de tratamiento. 6].
2.1.4 Tecnología de inmovilización
La tecnología de microorganismos inmovilizados consiste en inmovilizar microorganismos en portadores para que puedan mantener funciones biológicas a alta densidad y proliferar en condiciones adecuadas. [7]; esencialmente, mejora la actividad de los microorganismos desde la perspectiva de aumentar el número de microorganismos en el reactor unitario, de modo que la densidad celular sea alta, la pérdida de microorganismos sea pequeña, las cepas de alta eficiencia puedan purificarse y almacenado sin separación, y la velocidad de reacción es rápida, la operación es estable y confiable, ahorrando así costos operativos y mejorando la eficiencia del procesamiento de residuos domésticos urbanos. En la actualidad, no existe un estándar de clasificación unificado para la tecnología microbiana inmovilizada en el país y en el extranjero, y existen varios métodos, incluida la inmovilización por unión a portador (método de adsorción), la inmovilización por reticulación, la inmovilización por encapsulación y la inmovilización por unión de valencia. Cada método de inmovilización y portador tiene sus propias características, como se muestra en la Tabla 1. Entre ellos, los métodos de inmovilización de células microbianas incluyen el método de inclusión y el método de adsorción. El método de inclusión consiste en sellar los microorganismos en una red de polisacáridos poliméricos naturales o geles de polímeros sintéticos para inmovilizar los microorganismos. Su característica es que los microorganismos inmovilizados pueden adoptar varias formas (esféricas, de bloque, cilíndricas, de membrana, en forma de tela, etc.). tubular, etc.), pero los microorganismos inmovilizados preparados mediante el método de inclusión tienen un cierto impacto en la transferencia de masa. El método de adsorción une las células microbianas a un portador sólido. No hay reacción química entre las células microbianas y el portador. Tiene las ventajas de una operación simple, condiciones de inmovilización suaves, una pequeña pérdida de actividad celular y un portador reutilizable, por lo que es ampliamente utilizado. utilizados y una investigación profunda.
2.2 Ingeniería genética
El principio básico de aplicar la tecnología de ingeniería genética en el tratamiento de basura es transferir fragmentos de genes de microorganismos que pueden degradar eficientemente ciertos contaminantes a las células biológicas receptoras y la expresión permite al receptor organismos tengan las características de degradar eficientemente los contaminantes, logrando así el propósito de controlar la contaminación y eliminar la materia orgánica [9]. Si se pueden encontrar genes anticontaminación específicos y se pueden construir bacterias genéticamente modificadas altamente eficientes, la eficiencia de degradación de los contaminantes se puede mejorar significativamente.
El uso de microorganismos para controlar la contaminación de forma rápida y eficiente, y la construcción de cepas bacterianas eficientes para controlar la contaminación, especialmente compuestos de desechos tóxicos y nocivos complejos o difíciles de degradar en el medio ambiente, como plásticos sintéticos, herbicidas, pesticidas, etc. , seguramente se convertirá en uno de los puntos calientes de la biotecnología ambiental.
3. Conclusión
1. Existen varias poblaciones microbianas en los procesos de tratamiento de residuos anaeróbicos y aeróbicos. Son estas poblaciones microbianas las que se coordinan entre sí para formar un ecosistema complejo, eliminando así los componentes orgánicos que hacen que los desechos domésticos sean inestables y los hacen estables e incluso un recurso renovable. Los microorganismos de este ecosistema requieren más estudios antes de poder aislar poblaciones microbianas específicas que degradan un contaminante específico.
2. Diversas tecnologías de tratamiento biológico de residuos sólidos urbanos están en auge y tienen un gran potencial de desarrollo, tanto desde la perspectiva del fortalecimiento de las poblaciones microbianas como desde la perspectiva de la ingeniería genética. De acuerdo con las características de las poblaciones microbianas en los desechos domésticos, se deben realizar esfuerzos para desarrollar una tecnología eficiente de tratamiento biológico de desechos domésticos.
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