一种用于污染水体光合细菌原位选择性培养的缓释扩培颗粒及其制备方法与应用

本发明涉及污染水体生物修复，具体涉及一种用于污染水体光合细菌原位选择性培养的缓释扩培颗粒及其制备方法与应用。

背景技术：

1、光合细菌（photosynthetic bacteria, psb）是一类能在厌氧光照条件下利用光能进行不产氧光合作用的原核微生物，以有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源。psb具有降解有机污染物、脱氮除磷、固氮产氢等多种代谢能力，广泛应用于有机废水生物处理、水体生态修复、水产养殖水质净化、土壤修复等环保领域。上述应用的核心前提是psb的大规模、低成本培养。

2、在psb培养的实际操作中，现有技术的一般做法是：在实验室或菌种车间内，将培养基配制后经高温高压灭菌（121℃，灭菌锅）或膜过滤除菌（0.22μm微孔滤膜）处理，冷却后在超净工作台内接种psb菌种，置于可控光照、可控温度的条件下进行纯种培养。培养完成后，将psb菌液运输至应用现场投加使用，或在具备条件的现场进行灭菌培养后直接投加。每次培养周期结束后，需重新配制培养基并重复上述灭菌—接种—培养流程。

3、然而，上述做法在工程化应用中面临核心矛盾：在实际应用现场，例如污水处理站需要就地培养psb菌液并直接投加至反应池，水产养殖塘需要在露天培养桶中现场扩培psb菌液，水体修复工程需要在移动式培养装置中现场制备psb菌液。但这些场景下既不具备灭菌锅等高压灭菌设备的操作条件，也不具备膜过滤的设备条件。在无法灭菌的开放环境中，假单胞菌属、芽孢杆菌属等快速生长的异养菌及大肠杆菌等兼性厌氧菌会与psb竞争培养基中的营养底物，导致psb生长受抑、菌液崩溃（变黑、变绿或变灰，产生异味，氨氮浓度急剧升高），培养失败。

4、现有解决方案均依赖外部设备或操作来控制污染，无法通过培养基配方本身实现选择性抑制。厌氧光照条件本身对好氧菌具有一定选择性，但不足以抑制兼性厌氧菌，后者在厌氧条件下仍可利用培养基中的有机营养繁殖。此外，现有培养基均为一次性使用，每次培养需重新配制和投加，操作繁琐、人工成本高。

5、在光合细菌的水污染治理应用端（黑臭水体治理、河湖生态修复、养殖尾水净化、底泥内源污染控制等），现有技术普遍采用菌剂投加路线，即先在实验室或工厂完成菌体培养，再将活菌经吸附、包埋等方式制成固定化菌剂后投加至污染水体。例如，cn109609406a公开了一种用于黑臭水体治理的缓释型微生物菌剂，将预先培养的混合菌液经吸附、冻干、pva-海藻酸钠-壳聚糖包埋交联制成缓释颗粒；cn113683277a公开了一种治理黑臭水体底泥的缓释崩解型微生物制剂，颗粒入水后15～60 min内崩解释放菌体。

6、cn121380051a公开了一种沉水缓释型水产养殖水质改良复合菌片，芯材含枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌冻干粉及光合菌复合制剂等固定化活菌，营养基质为糖蜜、酵母提取物等水溶性营养，外覆海藻酸钠-氯化钙微胶囊缓释层。

7、上述菌剂投加路线存在以下共同的不足：其一，菌量出厂即定，固定化菌剂中的活菌数量在生产时即已固定，投加至污染水体后菌体只衰减不增殖，需要周期性复投，长期运行成本高；其二，营养速释，该类菌剂的营养剂多为红糖、黑糖等水溶性糖类，入水后数日内即耗尽，难以支撑菌体长期定植；其三，定植失稳，光合细菌在复合菌剂中占比有限，投加至开放水体后与数量庞大的土著微生物竞争时缺乏选择性保障，菌体易随水流稀释或被竞争淘汰，定植效率与净化效果不稳定。

8、另一方面，cn110373355a公开了一种光合细菌选择性培养长效培养基，虽能在不灭菌条件下实现光合细菌的选择性培养，但其培养过程需在与外界隔离的培养容器内进行，无法直接应用于开放水体。因此，如何在不灭菌的开放污染水体中实现光合细菌的选择性培养，使其原位增殖成为优势菌群，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中菌剂投加路线菌量出厂即定、营养速释、定植失稳的不足，以及不灭菌选择性培养仅能在培养容器内实现、无法走向开放水体的问题，本发明的目的在于提供一种用于污染水体光合细菌原位选择性培养的缓释扩培颗粒及其制备方法与应用，在开放、不灭菌且含多种土著杂菌的污染水体环境中，利用缓释扩培颗粒本身实现光合细菌的选择性培养，使接种的或水体中固有的光合细菌原位增殖成为优势菌群。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于污染水体光合细菌原位选择性培养的缓释扩培颗粒，由包含以下重量份组分的原料经塑化挤出一体造粒制成：蛋白质粉40～90份、可降解脂肪族聚酯5～30份、凝胶剂1～5份、无机盐0～5份、密度调节剂5～30份、增塑剂1～5份、分散剂0.1～2份和润滑剂0.1～1份；所述颗粒不含固定化菌体，真密度为1.05～1.30 g/cm³，粒径为3～10 mm；所述颗粒投加至污染水体后沉降至底泥-水界面或悬浮于水体中，由蛋白质逐步水解释放营养、由可降解脂肪族聚酯骨架控制营养释放速率，使接种的或水体中固有的光合细菌在颗粒表面附着并增殖为优势菌群。

4、进一步地，所述蛋白质粉为大豆蛋白粉、玉米蛋白粉、小麦蛋白粉、棉籽蛋白粉和花生蛋白粉中的一种或几种，用量为55～90份。

5、进一步地，所述可降解脂肪族聚酯为聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸、聚己内酯和聚丁二酸丁二醇酯中的一种或几种，用量为8～20份。

6、进一步地，所述密度调节剂为重质碳酸钙、硅微粉和硫酸钡中的一种或几种，用量为5～20份；所述颗粒的真密度为1.10～1.30 g/cm³，投加至污染水体后沉降至底泥-水界面；或者所述颗粒的真密度为1.05～1.10 g/cm³，投加至污染水体后缓慢下沉或近似悬浮。

7、进一步地，所述颗粒入水不崩解，25℃静水浸泡30天的质量损失率≤50%，营养释放周期≥30天。

8、进一步地，所述凝胶剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、海藻酸钠和壳聚糖中的一种或几种；所述增塑剂为甘油、乙二醇、聚乙二醇、尿素、环氧大豆油和马来酸酐中的一种或几种；所述润滑剂为硬脂酸镁、白蜡和蜂蜡中的一种或几种；所述分散剂为轻质碳酸钙和硬脂酸单甘油酯中的一种或几种；所述无机盐为磷酸钙、硫酸钾和硫酸镁中的一种或几种。

9、本发明还提供上述缓释扩培颗粒的制备方法，包括以下步骤：

10、s1、将蛋白质粉磨碎，过150～200目筛，烘干至含水率1%以下；

11、s2、将烘干后的蛋白质粉与增塑剂加入高速混合机，在500～1000 rpm转速下升温至80～100℃塑化15～45 min，冷却至室温，得到塑化蛋白粉；

12、s3、向所述塑化蛋白粉中加入可降解脂肪族聚酯、凝胶剂、无机盐、分散剂、润滑剂及密度调节剂，高速混合15～30 min，得到混合料；

13、s4、将所述混合料经螺杆挤出机挤出造粒，三段温度依次为80～90℃、100～110℃、110～120℃，螺杆转速10～20 rpm，机头温度110～120℃；

14、s5、冷切或热切造粒，筛分取3～10 mm粒度区间，得到所述缓释扩培颗粒。

15、本发明还提供一种污染水体原位修复方法，包括以下步骤：向污染水体中投加上述缓释扩培颗粒，投加量为0.05～0.5 kg/m³水体；同时接种光合细菌菌液，接种量为污染水体的0.1%～5%（v/v），或者不接种光合细菌菌液、依靠所述缓释扩培颗粒缓释的营养自然富集污染水体中固有的光合细菌；在厌氧光照条件下，光合细菌在颗粒表面及周围水体中增殖为优势菌群，降解水中有机物、转化氨氮、氧化硫化物；营养释放周期≥30天，颗粒营养耗尽后补投。

16、进一步地，所述污染水体为黑臭水体，所述缓释扩培颗粒沉降至底泥-水界面，在底泥-水界面形成光合细菌微域，对底泥内源污染释放形成拦截与净化。

17、进一步地，按污染水体的污染负荷分区投加所述缓释扩培颗粒，对排污口下游、底泥富集区和死水区的重污染区域局部加密投放。

18、本发明的有益效果在于：

19、（1）本发明颗粒不含固定化菌体，菌量不因投加而固定，光合细菌在颗粒表面生物膜中随污染负荷自我调节式增殖，一次投加即可持续供菌，克服了现有固定化菌剂菌量出厂即定、投加后只衰减不增殖的不足。瓶内培养条件下，连续10个培养周期光合细菌浓度维持在10亿个/ml以上（见实施例1、2）。

20、（2）本发明的营养主体为塑化蛋白粉，释放速率由可降解脂肪族聚酯骨架降解与蛋白质逐步水解的耦合控制，营养释放周期≥30天，与水溶性糖类营养数日即耗尽的速释方式相比，可将选择压的维持时间延长至数周，使选择性培养的时间窗口与光合细菌优势菌群的建立周期相匹配。瓶内培养条件下，一次投加颗粒即可在连续10个培养周期（40天以上）内持续供给营养（见实施例1、2）；颗粒级释放行为测定见实施例3。

21、（3）颗粒缓释的蛋白质水解产物（肽、氨基酸）与水体中的有机酸、硫化物、氨构成光合细菌可高效利用、而杂菌在厌氧光照下难以利用的底物谱，与厌氧光照条件协同构成对光合细菌的双重选择压，使光合细菌在开放水体中于颗粒表面附着、形成生物膜并原位增殖为优势菌群，克服了现有菌剂投加后定植失稳的不足。不灭菌条件下维持光合细菌优势的能力已在瓶内培养条件下验证（见实施例1、2）；原位修复体系中光合细菌（异色菌属、thiobaca属、红假单胞菌属）合计相对丰度达52.84%，为群落的绝对优势类群，而未添加增塑剂直接造粒的对照体系中光合细菌未形成优势；尤为重要的是，该对照体系在接种等量光合细菌的条件下仍未形成优势，表明上述选择性培养效果并非来源于直接蛋白造粒的单纯投加，而是来源于颗粒缓释体系对选择压的持续维持（见实施例5）。

22、（4）本发明的选择性抑制能力来源于颗粒配方本身，无需灭菌锅、膜过滤、化学消毒剂或密闭式光生物反应器等外部设备投入和操作工序，使光合细菌的培养从实验室灭菌环境走向工程现场开放环境，显著降低培养成本和设备投入。实施例5数据显示，本发明颗粒体系中不动杆菌属、脱硫微菌属等杂菌的相对丰度分别仅为0.35%、0.03%，较未添加增塑剂直接造粒的对照体系（分别为15.11%、2.98%）大幅降低，选择性抑制效果明确。

23、（5）本发明颗粒各组分均为常规工业原料，可通过螺杆挤出机大批量连续化生产，制备工艺成熟、设备通用性强、加工成本低廉，有利于产业化推广。

24、（6）颗粒沉降至底泥-水界面持续缓释营养，支撑光合细菌在污染水体中原位增殖为优势菌群，同步降解有机物、转化氨氮、氧化硫化物，实现污染水体的原位修复（原位修复验证见实施例4）。

25、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。