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基于真菌处理啤酒废水-生物质生产和营养物质减少

1. Hultberg和H. Bodin

2016年12月24日收到，2017年1月29日修订，2017年2月7日接受，2017年2月17日发布在网络上。

作者于2017年将本文以开放访问方式在Springerlink网站上发表。

摘要：酿造啤酒的过程产生了大里的营养丰富的废水，而世界各地小啤酒厂数量不断增加，需要有创新的方法来处理这些废物。本文研究了合成啤酒废水中真菌的生物质生产、有机碳、氮和磷的去除。筛选了具有安全使用记录的不同丝状真菌进行培养，选择变色栓菌、糙皮侧耳菌和哈茨木霉进行进一步研究。。用糙皮侧耳菌进行处理时，生物质产量最高，干重为1.78plusmn;0.31gL^-1之间，而哈茨木霉去除营养物的能力最佳，最大可以降低初始化学需氧量的80%。这些真菌对总氮和总磷的去除没有明显差别，但是对铵的去除不一致。哈茨木霉可以最大去除66.1%的铵。结果表明，所有真菌在生长3天后能够大幅降低所有水质参数，从可以利用产生的生物质这方面考虑，在以生物为础的社会用丝状真菌处理啤酒废水具有潜在优势。

关键词 丝状真菌 酿酒厂 养分循环 糙皮侧耳菌 哈茨木霉 水质因素

前言

啤酒是世界上第五大消费饮料，啤酒酿造工业是世界上许多国家重要的经济组成部分（Fillaudeam等人，2006；Simateet等人，2011年)。近年来，由于个体消费者环境意识的提高，本地食品和饮料(Maier，2013)的需求增加，人们对小规模酿造的逐渐兴趣增长（Schnell和Reese，2003)。

酿造过程消耗大量的水，产生每1升啤酒产生3-10L的废水（Simate等人，2011年；Olajire，2012；Seluy和伊斯拉，2014)。这种废水通常含有非常高浓度的有机碳和磷，氮的含量与国内废水中的氮含量相似或更高（Hang等人，1975；欧洲啤酒，2002；Rao等人，2007；Simate 等人，2011年)。然而，与城市污水相比，啤酒废水含有高质量的营养物质，而不是像药物和肠道病原体这样的污染物质。

对于微型啤酒厂来说，每天的废水量从18到3000立方米不等，这取决于微型酿酒厂的规模（塔克，2007；杨和李，2002)。目前，微型啤酒厂可以将90%的废水直接排放到城市的下水道系统（邵等人，2008年），或者在污水处理系统欠发达国家的周围环境中（杨和李，2002；Simate等人，2011年），通常没有事先进行现场治疗。并且将酿酒厂废水排放到城市下水道系统中会产生气味，还有腐蚀管理问题，也增加了这些系统的温室气体排放（sudarjanand等人，2011年）。排放还将明显增加城市污水处理厂的可生物降解有机碳和营养物质的负荷，并在瑞典的几个废水处理厂（瑞典环境研究院，2002年）中也发现了与啤酒废水排放的有关问题。对于现有进行废水处理的大型啤酒厂，传统的处理方法是厌氧反应堆（UASB）和（或）活性污泥系统（Zheng等人，2015年；Simate等人，2011)这些处理系统通常不会导致废物中重要的营养物质的循环利用，但实际上产生了相对大量的低价值污泥，也因此产生了相关污泥的处理问题（Simate等人，2011年；Shao 等人，2008)。此外，还研究了利用微藻处理酿酒废水的问题（Mata et al，2012）。然而，由于啤酒废水中颗粒的低透光率的条件限制是微藻的收获（Uduman等人，2010年）的风险因素。

啤酒废水的营养成分是一种适宜的培养基，可用于真菌等异养微生物的培养。事实上，对真菌的次合并栽培是过去探索过的生物技术，其中液体培养基是通过孢子或菌丝体从某些真菌中接种的。例如利用这种技术在酿酒厂同时进行培养真菌生物质和废物处理可以大量去除废物中有机碳的，之前也有这种技术使用的报道（Shannon and Stevenson，1975年；航等人，1975)。然而，在过去的三十年中，子合并真菌生物量的培养受到的关注较少，尽管使用丝状真菌为污水处理被确定为一个有效益有趣的领域，例如生物提炼的概念的发展和简单的获取（Sankaran等人，2010）。

在处理酿酒厂废水过程中产生的真菌生物质也有一定应用价值。目前迫切需要确定新的饲料资源，以增加蛋白质的供应，从而提高在一个生产过程中的可持续性（Poppi和McLennan，2010）。真菌生物量富含蛋白质和纤维，因此，在控制的过程中，酿酒厂废水中的可食用的真菌可能有助于减少生物质的生物量。此外，某些真菌含有大量的生物聚合物，如几丁质（占干重生物量的40%-45%），这使它们适合作为生物材料中的成分（Kumirska等人，2010年；Kuktaite等人. 2011）另一种选择是利用栽培的真菌生物量来处理污染的水，这都是由于某些真菌类的酶的生产，因为有报道说真菌的生物质可以取代高成本的活性碳作为生物吸附剂（Parenti等人，2013年；Dhillon 等人，2016)。

在本研究中，主要的焦点是利用不同种类的真菌，通过浸入水中的真菌培养，将有机碳、磷和氮从酿酒厂废水中去除。从长远来看，考虑大规模的就地处理，重要的是使用无害的真菌种类以避免继发性健康或环境问题（Chanda等人，2016年）。在目前的研究中测试的真菌种类是可以食用的，或者有很长的安全使用记录。

材料和方法

微生物

在实验中选择了双孢菌、平菇和香菇,因为它们是众所周知的食用菌。T菌是一种可食用的，但与生物技术和药物应用相比（Damle和Shukla，2010 )，它是一种令人难以接受的、快速增长的物种。由于该物种在农业上有大里的大规模使用(Vinalea 等人，2008)，因此也包括了哈茨木霉。这些菌株是从美国型培养菌种集(ATCC)、菌丝BVBA、比利时M和荷兰CBS真菌生物多样性中心（CBS)购买的。所有菌株的长期储存都是在麦芽琼脂（MA）的室内温度下进行的，为了避免细菌的感染，在100克毫升的浓度下对链霉素进行了修正。对于真菌菌剂的生产，所有菌株（除了双孢蘑菇）放在20泰宁马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）板上传播10天，繁殖温度设置为27°C。双孢蘑菇在同一条件下培养20天，因为它比其他真菌生长慢。在所有的实验中，用PDA板上的圆形斜面（直径15毫米）作为真菌接种物。

啤酒废水

合成的酿酒厂废水（SBW）是根据玛塔等人（2012年）和在实验中使用的，模拟了酿酒厂的总废水的组合（Enitan等人，2015年）。啤酒废水的组成是1g/L麦芽提取物，0.5g/L酵母提取物，0.15g/L 蛋白胨，0.86g/L麦芽糖，0.22g/L（NH4）2SO4，0.08 g/L NaH2PO4和0.14g/LNa2HPO4。在高压灭菌之后，SBW被冷却，2毫升乙醇（96%）每升添加。准备好的SBW pH值是6.6 plusmn; 0.04。表1列出了化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH4 -N）和磷酸盐（PO₄^3--P）的初始值。

所有值都是mg/L

平均值plusmn;标准误差

实验装置

实验是在一个水平轨道振动器上（VWR，先进的5000调，美国，美国，美国）的100 mL 锥形玻璃烧瓶中进行的实验，每分钟150转，在27摄氏度。每个反应堆都有35 mL的啤酒废水。接种体（菌丝体和PDA）的干重，在60度的时候干燥，直到恒重为止，为每一种菌株进行了脱矿。

第一个实验装置由六种菌属组成：（1）双胞蘑菇M7215，（2）平菇ATCC，44309号，（3）平菇M2140，（4）香菇M3782，（5）哈茨木霉CBS 226.95，（6）T型菌M9912。在第一次试验中，在7天的生长后采集样本，以确定真菌的生物量生产。在这一试验中，有三种含有最高生物量产量的真菌被选为第二种实验装置（平菇M2140，哈茨木霉CBS 226.95，T型菌M9912)。在第二次试验中，在第0、3、6、10和13天进行了采样，以估算生物的生物量生产和养分随时间的推移。在这两个实验中，每个反应堆都添加了一种真菌接种物。

在第三个实验装置中，有一种混合的方法，即平菇M2140和哈茨木霉CBS 226.95的混合方法，分别是平菇M2140和哈茨木霉CBS 226.95的单一方法。在第三个实验装置中，每一个反应堆都添加了两种真菌接种物，这是在8天内进行的。

分析

真菌生物量生产

通过过滤（网大小为1米）的滤水器，收集了真菌的生物量，并用等量的蒸馏水清洗两次。过滤前后，过滤器在60度的烤箱中干燥，直到恒重，以确定所收集的真菌生物量的总干重。为了确定产生的真菌生物量，在实验结束时，在实验结束时，每一种真菌的干重都减去了接种体的干重。

营养成分分析

在啤酒废水的处理前后，当真菌的生物量从啤酒废水中被过滤掉时，啤酒废水的浓度、NH₄ -N、PO₄^3--P和COD的浓度都被终止了。所有的啤酒废水样本都被冻结，直到分析。总氮的浓度是由Hach Lange LCK 338（ISO 1997）决定的，NH₄ -N的浓度是由Hach Lange LCK 303（ISO 1984）确定的。磷化磷与Hach Lange LCK 350（ISO 2004）一起被终止。为了研究这种处理对有机碳的影响，用Hach Lange LCK 014（ISO 1989）来确定COD。

统计

在每一项实验中，每一种过程都是用三种方法进行的。每一个实验都重复一次。报告了平均值和标准偏差。对数据进行了分析，并对图基进行了多次比较试验。在Plt;0.05（Minitab，第16版，美国国立大学，美国）中，差异被认为是显著的。

结果

生物质生产

平菇M2140，哈茨木霉CBS 226.95和T型菌M9912显示最高的生物质生产后7天标准体重的增长(图1)，这些是全部选择了第二个实验。没有观察到显著不同生物质生产的大小。

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