一种循环式富集微生物菌群的装置及方法与流程

本发明属于微生物培养，特别涉及一种循环式富集微生物菌群的装置及方法。

背景技术：

1、微生物修复能将土壤中的有机污染物转化为无毒无害的co2和h2o，且成本低廉、无二次污染，具有极高的应用价值。但是在实际修复过程中，微生物菌剂往往环境适应性差，修复效果不稳定。如何保持微生物在修复过程中的稳定性和高效性是微生物修复技术的瓶颈。究其主要原因，一方面是对微生物菌种资源开发不足，自然界中可培养的微生物种类不足土壤微生物的百分之一，而且土壤修复微生物很多属于共代谢类型，微生物的共代谢作用对难降解污染物的彻底分解起着重要作用；另一方面是对微生物与微生物、微生物与环境之间的相互作用关系理解不够深入，微生物通过相互作用形成稳定的群落结构，影响微生物修复效果的因素不仅是微生物本身，还包括其所处的环境条件。因此，要想提高微生物的修复能力，其关键在于提高微生物特性并改善其生长环境。

2、微生物所处的环境条件，如营养物质、o2、电子受体、ph、温度、湿度、污染物浓度、有机质含量等等都能影响微生物的生长和代谢活性，通过改善环境因子已形成了多种修复技术，其中最常用的是生物刺激和生物强化。生物刺激是指通过采用一些可促进微生物繁殖与生长的手段如添加营养物质或通气等，来增加本土微生物活性从而增强土壤对石油污染物的降解能力。生物强化是指将筛选培养出来的高效降解微生物投加到污染环境中，并提供其生长所需的营养，丰富污染土壤中的降解微生物从而达到去除污染物的目的。

3、在微生物培养方面，目前最常用的微生物修复菌剂筛选方法是：分离筛选出高效降解的单一菌株，将单一菌株作为菌剂；或者将筛选出来的不同的降解微生物株相互组合，形成混合菌剂。这种方法的优点是相对来说简单，容易操作；缺点是遗漏了不可培养菌株，忽略了菌株之间的相互作用关系，因此采用该方法得到的微生物菌剂往往环境适应性差，修复效果不稳定。近年来，单一微生物的特性研究逐渐转向微生物群落的特性研究，其研究思路是：在具有某种特定功能微生物的环境中，对功能微生物菌群进行富集，分析表型和生物量，最终得到高度整合的多物种微生物群落。这种方法的优点是菌群结构越来越简单，而且保留了菌株在自然界中的相互作用关系，能包含不可培养菌株，在污染物去除过程中更稳定更高产。因此如何培养得到高度整合的多物种微生物群落是关键。

4、对于微生物菌群富集和微生物修复技术，国内外均已开展相应研究。但是研究的侧重点在于单一微生物的筛选或者污染土壤修复技术的工艺改进，很少有将微生物群落富集和土壤修复相结合的技术。例如：专利文献 201610458330.4公开了一种污染物的异位生物修复装置及方法利用通风机构提高了土壤通风效率，具备加药机构，但是不具备微生物菌群富集功能；专利文献201720663498.9公开了一种循环流化床污染土壤修复装置，仅仅通过搅拌、加热、净化处理，不具备微生物在土壤-液体循环培养的功能，也没有设备自控系统；专利文献201810789998.6公开了一种快速富集苯酚高效降解微生物装置及使用方法，实现苯酚降解细菌的大批量和多批次的自动化富集，且富集过程不需要使用苯酚，但该技术属于污水处理技术领域，并不适用于土壤。

5、国内外目前针对群落研究主要有两方面，一方面通过单一微生物特性研究，再到两种和多种微生物组合研究，这种研究需要大量的基础实验数据支撑，目前才刚刚起步。另一方面，有研究利用计算机模拟微生物群落代谢通路，设计微生物群落，然而这种设计得到的微生物群落依然存在环境适应性问题。2021年，有学者从物种进化的角度，提出直接从污染环境中人工选择微生物群落，以得到高度整合的微生物群落，使微生物在修复过程中更高效和稳定，但是并未明确说明如何进行人工选择。

6、目前，微生物菌群的培养难度大，难以通过人工选择实现。亟须提供一种能有效富集微生物菌群的装置，培育高度整合的多物种微生物群落，达到对修复污染土壤的目的。

技术实现思路

1、针对微生物处理技术高效性和稳定性瓶颈问题，本发明以微生物菌群而不是传统的单一微生物为研究对象，提供了一种循环式富集微生物菌群的装置及方法。依托本发明的装置，可以快速获得微生物群落；通过控制o2含量和湿度，可提高微生物群落的生长和代谢活性。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种循环式富集微生物菌群的装置，所述装置包括：

4、培养单元：用于将土壤与培养基混合，在曝气条件，培养得到培养液，将所述培养液分为孵育液和种子溶液；

5、孵育单元：用于将所述孵育液与土壤混合，控制湿度和曝气条件，进行孵育；

6、富集单元：用于将所述种子溶液、土壤和培养基混合，在曝气条件下富集得到新的培养液；

7、循环单元：用于将所述新的培养液分为孵育液和种子溶液，重复孵育和富集过程，实现土壤微生物的循环式富集；

8、所述孵育单元和所述富集单元是同时操作的。

9、进一步地，所述富集单元与所述培养单元共用。

10、进一步地，所述循环单元包括彼此连接的孵育单元、培养单元，还包括空压机、废气处理槽、药箱和泵，

11、所述空压机分别与孵育单元和培养单元连接，

12、所述废气处理槽与孵育单元连接，

13、所述泵一端与药箱和培养单元连接，一端与孵育单元连接。

14、进一步地，所述培养单元包括培养罐，培养罐底部设置有磁力搅拌器，靠近培养罐底部设置有培养罐的曝气管和出口，培养罐外侧或上端设置有培养罐的取样口，培养罐上端设有进药口，培养罐内部底部有磁力搅拌子；

15、所述孵育单元包括降解罐，所述降解罐下部有排液口，侧边或顶部设置有取样口，降解罐侧边或顶部还设置有加药口和废气出口，降解罐内部底部从下至上依次设置有曝气盘、尼龙网和石英砂垫，曝气盘处有降解罐的曝气管，所述降解罐内部还设置布药器，布药器位于加药口处；

16、所述培养罐的曝气管和降解罐的曝气管与空压机相连；

17、所述培养罐的进药口与降解罐的排液口相连；

18、所述废气处理槽与降解罐的废气出口相连；

19、所述药箱与泵连接，所述泵一端与加药口连接，一端与培养罐的出口连接。

20、进一步地，所述培养罐的出口的还设置过滤器。

21、进一步地，所述降解罐和/或培养罐的外侧还设置有检测传感器。

22、进一步地，降解罐的曝气管和/或培养罐的曝气管的进口处设置有电动阀、止回阀和气体流量计。

23、本发明还提供了一种循环式富集微生物菌群的方法，所述的方法步骤如下：

24、培养：将土壤与培养基混合，在曝气条件，培养得到培养液，将所述培养液分为孵育液和种子溶液；

25、孵育：将所述孵育液与土壤混合，控制湿度和曝气条件，进行孵育；

26、富集：将所述种子溶液、土壤和培养基混合，在曝气条件下富集得到新的培养液；

27、循环：将所述新的培养液分为孵育液和种子溶液，重复孵育和富集过程，实现土壤微生物的循环式富集；

28、所述孵育和所述富集是同时操作的。

29、进一步地，所述培养中，土壤和培养基的质量比为(0.5～2)：(5～10)，所述曝气条件为，溶解氧含量为0.3～5mg/l。

30、进一步地，所述孵育中，孵育液和土壤的质量比为(1～3)：(3～6)，所述湿度为10％～80％，所述曝气条件为，土壤氧气含量18％～21％。

31、进一步地，所述富集中，种子溶液、土壤和培养基的质量比为(1～3)：(1～3)： (5～10)。

32、进一步地，所述循环为孵育和富集过程重复3～5次。

33、进一步地，所述培养、孵育和所述富集的时间均为3～7天。

34、进一步地，所述培养基配方为kh2po4 1.00g/l，k2hpo4 1.00g/l， nh4no3 1.00g/l，mgso4.7h2o 0.20g/l，溶剂为无菌水。

35、本发明相对于现有技术，具有如下的优点和有益效果：

36、(1)现有技术在土壤微生物富集过程中，通常采用添加外源污染物的方式，该方式不可避免的改变了土壤固有污染物组分，富集得到的微生物功能会受影响，本发明以土壤中固有污染物为碳源，富集过程不需要外源添加污染物有效避免了这个问题。

37、(2)本发明以微生物群落特征而非单一微生物特征为对象，利用固-液循环体系获得高度整合的微生物群落，使微生物群落具有更高的稳定性和环境适应能力。

38、(3)现有技术在群落富集方面主要是在液体中开展，这种方式培养出来的微生物能适应液体环境，在土壤环境中存在适应性问题。本发明将土壤中功能微生物在液体中培养，加快菌群的生长速度，培养之后再投加到土壤中孵育，适应土壤环境。如此反复，实现功能微生物群落的快速富集，提高环境适应能力。

39、(4)现有技术有利用循环式流化床开展污染土壤修复研究，侧重点在于流化床的“搅拌、加热、净化”等工艺设计，不具备菌群富集功能。本发明的循环式富集装置能够实现土壤曝气、补充水分、控制ph和温湿度、将微生物投加到土壤中，将生物刺激和生物强化技术耦合，不仅能促进微生物群落降解特性而且还能改善土壤环境条件，实现微生物菌群富集和土壤修复的同步进行。