Isolatie en Screening van Geurreducerende Microben uit Varkensmest en hun Rol bij het Verminderen van Ammoniakuitstoot in Combinatie met Oppervlakteactieve Schuim

 

door Rishikesh Bajagain 1,†ORCID, Prakash Gautam 1,†ORCID, Thi Tuyet Nhan Le 2, Ram Hari Dahal 3ORCID, Jaisoo Kim 2,* en Seung-Woo Jeong 1,*ORCID

1 Afdeling Milieutechniek, Kunsan Nationale Universiteit, Gunsan 54150, Korea

2 Afdeling Levenswetenschappen, Kyonggi Universiteit, Suwon 16227, Korea

3 Afdeling Microbiologie, Medische Faculteit, Kyungpook Nationale Universiteit, Daegu 41944, Korea

Auteurs aan wie correspondentie moet worden gericht.

† Deze auteurs hebben gelijk bijgedragen aan dit werk.

Appl. Sci. 2022, 12(4), 1806; https://doi.org/10.3390/app12041806

Ingediend: 6 december 2021 / Herzien: 30 januari 2022 / Geaccepteerd: 8 februari 2022 / Gepubliceerd: 10 februari 2022

(Dit artikel behoort tot het Speciale Nummer Bioremediatie in Milieutechniek)

 

Samenvatting

Varkenshouderijen hebben de productie van stinkende gassen doen toenemen, wat een negatieve invloed heeft op mensen. Daarom hebben we een nieuwe, haalbare bio-schuimtechnologie ontwikkeld waarbij langdurig oppervlakteactief schuim, inclusief bacteriën, op varkensmest werd gespoten. Het oppervlakteactieve schuim fungeerde als een fysieke barrière die NH3-uitstoot onderdrukte, en de in de waterfase aanwezige bacteriën die na het breken van het schuim ontstonden, infiltreerden in de mest en degradeerden NH3. In deze studie isoleerden we eerst NH3-degraderende bacteriën uit varkensmest. Een bacterieel consortium werd samengesteld met de effectieve NH3-degraderende stammen Saccharomyces cerevisiae NRRL Y-12632 (99,88%) (TP1), Lactococcus lactis subsp. hordniae NBRC100931T (99,93%) (TP3), en Lactobacillus argentoratensis DSM 16365T (100%) (TP5). Het in deze studie gebruikte oppervlakteactieve schuim was een droog schuim (schuimkwaliteit 98,5–99,0% en schuimdichtheid 0,025–0,026 g/cm³), met een schuimexpansie van 110–112 en een hoge schuimbaarheid. Grote bellen werden gegenereerd met een bellendichtheid van 1 bel/cm² en een lameldikte van 0,12 mm. In een laboratoriumstudie werd schuim gespoten op met NH3-verontreinigde grond of echte varkensmest, wat de NH3-emissie uit de bron (grond/mest) bijna volledig verminderde (97–100%), maar NH3 werd opnieuw uitgestoten na het breken van het schuim (5 uur: open reactor, 7 uur: gesloten reactor). Na het beladen van de bacteriën op het schuim was de initiële NH3-geuronderdrukking vergelijkbaar met die van het schuim alleen. Echter, NH3 werd effectief gereduceerd door microbiële afbraak zelfs na het breken van het schuim. Volledige geurafbraak werd waargenomen na 3 dagen (72 uur; 90–100% reductie) voor de met NH3-verontreinigde grond, en 97,7% NH3 in de varkensmest werd gereduceerd in 24 uur. Bovendien waren de reagentiakosten voor het bereiden van stabiel schuim redelijk, wat de mogelijke uitbreiding naar het veld aangeeft.

 

Trefwoorden: stank; oppervlakteactief schuim; geuronderdrukking; bio-afbraak; haalbaarheid; infiltratie; oppervlakteactieve stof; stabiliteit; oppervlaktespanning; schuimapplicatie; schuimdekkingtechnologie

 

1. Inleiding

De varkenshouderij neemt jaarlijks toe; varkens worden voornamelijk gebruikt voor menselijke consumptie, naast het leveren van huid, vet en andere materialen voor gebruik als kleding, ingrediënten voor bewerkte voedingsmiddelen, cosmetica en medicijnen【1,2,3】. Een belangrijke zorg van de varkensindustrie zijn de geuren die voornamelijk afkomstig zijn van mest en van rottend voer en kadavers, wat een negatieve invloed heeft op mensen die in de nabijheid van varkensboerderijen wonen (bijv. hoofdpijn)【4,5】.

De stinkende gassen uit mest bevatten over het algemeen zwavel (bijv. H2S en mercaptanen), stikstof (bijv. amines en ammoniak (NH3)), alcoholen, fenolen en vluchtige organische zuren. Deze stinkende gassen in varkensmest hebben nadelige effecten op mensen, zoals irritatie van de ogen en neus, verstikking bij hoge concentraties, misselijkheid, hoofdpijn, duizeligheid, bewusteloosheid en zelfs de dood【6,7,8,9】. Daarom is er een dringende noodzaak om geuren te voorkomen, wat wereldwijd een ernstig volksgezondheidsprobleem is geworden【10】.

In de afgelopen jaren zijn er veel innovatieve strategieën beschikbaar gesteld aan boeren om de geuren afkomstig van veemest te beheersen. Deze technologieën kunnen worden gecategoriseerd als fysieke, chemische of biologische geurbestrijdingstechnologieën【8】. Enkele goed gevestigde fysieke technologieën zijn de adsorptie, maskering en verdunning van de gassen die vrijkomen uit faciliteiten. De eerste technologie, adsorptie en maskering, is duur, en de tweede betreft het proces van luchtverdunning, waarbij stinkende gassen uit mest worden verdund door andere gassen toe te voegen, zoals kamfer en indool-coumarine. Deze op fysieke principes gebaseerde technologieën zijn buitengewoon nuttig voor de behandeling van lage concentraties gassen uit mest, maar lijken ineffectief voor hoge concentraties【11,12】.

Chemische methoden voor geurreductie omvatten natte reiniging van planten, fotokatalytische oxidatie, extractverneveling, verbranding en niet-thermisch plasma【13,14,15】. Deze chemische technologieën zijn effectief, met een verwijderingspercentage van meer dan 90%. Echter, geurbestrijding door deze technologieën wordt alleen efficiënt bereikt nadat alle stinkende gassen adequaat zijn verzameld van de geurbron en in het chemische systeem zijn geïntroduceerd【16,17,18,19】. Biologische methoden daarentegen gebruiken micro-organismen om geuren te verwijderen. Ze hebben weinig of geen kans op secundaire vervuiling van de faciliteiten en vertonen een laag energieverbruik【20】. Biofiltratie, bio-trickling en bio-scrubbing zijn de meest gebruikte biologische behandelingen in de literatuur. Dit zijn meestal ex situ behandelingen (extractie van de bron en behandeling met behulp van een speciaal ontworpen technologie) die worden uitgevoerd door speciale instrumenten te ontwerpen, terwijl in situ behandeling (behandeling ter plaatse) voor geurverwijdering een uitdagende taak blijft voor experts. De benodigde biologische tijd voor volledige reductie is relatief lang en volledige verwijderingsefficiëntie kan mogelijk niet worden bereikt bij een hoge concentratie van de gassen die door mest worden geproduceerd.

In de afgelopen jaren wordt eenvoudige oppervlakkige schuimsproeitechnologie beschouwd als een veelbelovende methode voor het fysiek onderdrukken van geur en de daaropvolgende afbraak door bacteriën【21】. Gautam en Mohanty【22】gebruikten oppervlakteactief schuim om aanvankelijk vluchtige organische verbindingen (VOCs) van de bron te onderdrukken door fysieke processen. Park et al. (2006) gebruikten een stabiel bacterieel schuim voor geurreductie in varkensmest. Schuim kan in dit geval niet alleen fungeren als een fysieke barrière, maar ook als een biologisch actieve tussenstof die stinkende combinaties omzet in niet-stinkende producten. Het gebruik van oppervlakteactief schuim voor geurreductie is in de meeste laboratoriumexperimenten beperkt gebleven vanwege de onstabiele schuimstructuur en de hoge kosten van de stabilisatoren. Langdurig schuim is vereist om de afgifte van geurige gassen te blokkeren. Hoewel verschillende stabilisatoren zijn getest om de schuimuitbraak te beoordelen, kan de toevoeging van een verhoogde hoeveelheid schuimstabilisatoren de schuimbaarheid van het oppervlakteactieve middel verminderen【23】. Bovendien kunnen dure stabilisatoren een obstakel vormen voor de veldtoepassing van schuimtechnologie.

Daarom was het eerste doel van dit onderzoek om geurverminderende bacteriën uit varkensmest te isoleren, die efficiënt geuren uit mest kunnen verminderen. Dit is de eerste studie die geurafbrekende bacteriën screent uit echte varkensmest (behalve drijfmest). Het tweede doel was om de haalbaarheid te testen van de toepassing van bio-schuim (inclusief bacteriën) bij het verminderen van geuren van de bron, wat een effectieve fysieke en biologische methode is voor geuronderdrukking en economisch haalbaar is voor daaropvolgende veldtoepassingen.

 

2. Materialen en Methodes

2.1. Reagentia en Materialen
Alle chemische reagentia die in deze studie werden gebruikt, waren van analytische kwaliteit. Natrium C14-16 alfa olefine sulfonaat (AOS) werd gebruikt om schuim te genereren en gelatine als schuimstabilisator. AOS werd gekocht bij AK Precision Chemical Co., Ltd. (Seoul, Korea). Gelatine werd gekocht bij Gelita (Berlijn, Duitsland). NH3-oplossing werd gekocht bij Daejung (Seoul, Korea). R2A-, MRS- en Sabouraud-media werden verkregen van Deoksan Science Co., Ltd. (Seoul, Korea). Oplossingen werden bereid met kraanwater. Experimentele grond werd verkregen van een veld nabij Kunsan National University (Gunsan-si, Korea), terwijl varkensmest werd verkregen van een varkenshouderij in Seocheon-gun, Chungcheongnam-do, Korea.

 

2.2. Voorbereiding van het Geurreducerende Microbieel Consortia (Isolatie en Screening)
De ammoniak-afbrekende bacteriën werden geïsoleerd uit varkensmestafval verzameld in Yongin, Korea. Ammoniak-afbrekende bacteriën werden geïsoleerd met behulp van een aangepaste kweekmethode in Transwell-platen die R2A-, MRS- en Sabouraud-media bevatten. Micro-organismen werden verrijkt in een Transwell-plaat met 1 g grond of mest en 3 mL R2A, MRS (voor bacteriën) en Sabouraud (voor gisten) medium. Na 2 weken kweken bij 28 °C werd de cultuur serieel verdund en 100 μL van elke verdunning werd uitgespreid op R2A-, MRS- en Sabouraud-agarplaten. Kolonies werden geselecteerd en afzonderlijk gestreept op mediaplaten totdat zuivere kolonies werden verkregen, waarna ze werden doorgekweekt voor een geurafbraakt test en opgeslagen bij -70 °C in mediabouillon aangevuld met 20% (v/v) glycerol.

Het vermogen van elke bacteriestam om ammonium om te zetten in nitriet werd bepaald met behulp van een colorimetrische methode met Griess-reagens en vervolgens gescreend. Van de verschillende geïdentificeerde stammen (52 stammen) werden 16 stammen geselecteerd op basis van hun nitrificatiecapaciteit. Onder hen werden stammen met een verbeterd vermogen om NH3-gas te verminderen opnieuw gescreend met behulp van colorimetrische Gastec-buizen (Gastec Inc., Tokyo, Japan), waarbij de NH3-concentratie varieerde van 10 tot 1000 ppm.

Screening werd uitgevoerd in 250 mL Erlenmeyer-kolven met daarin met NH3-oplossing bevochtigd tissuepapier. De bacteriële isolaten werden toegevoegd aan het NH3-bevattende tissuepapier. Elke kolf werd stevig afgesloten en onbeweeglijk gelaten voor afbraak. Afbraakexperimenten werden uitgevoerd in een gesloten systeem bij kamertemperatuur (22 °C) en 30 °C. Het NH3-bevattende tissuepapier werd gespiëkt met 10 mL bacteriële oplossing. De NH3-gasconcentratie werd op verschillende tijdstippen (0, 1, 12, 24, 36 en 48 uur) gemeten. Uiteindelijk werden drie bacteriestammen met verbeterde NH3-reductiecapaciteiten geselecteerd voor verdere experimenten.

De stammen werden gekozen op basis van hun maximale effectiviteit bij de verwijdering van ammoniak en de invloed van oppervlakteactief schuim op hun groei. Het 16S rRNA-gen van bacteriën werd geamplificeerd met behulp van PCR (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) met voorwaartse en achterwaartse primers 27F en 1492R respectievelijk, en het 18S rRNA-gen van gist werd geamplificeerd met behulp van PCR (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) met voorwaartse en achterwaartse primers NS1 en NS8 respectievelijk. Na sequencing werden alle 16S rRNA- en 18S rRNA-gensequenties van fylogenetisch nauwste buren geïdentificeerd en opgehaald van de EzBioCloud-server (https://www.ezbiocloud.net/identify, geraadpleegd op 1 december 2021) en de NCBI GenBank-database (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi, geraadpleegd op 1 december 2021) respectievelijk.

De drie efficiënte NH3-afbrekende stammen die uit het gesloten systeem waren geselecteerd, werden in een gelijke verhouding (1:1:1) gemengd, en NH3-reductie werd opnieuw uitgevoerd in het open systeem. Het NH3-bevattende tissuepapier werd gespiëkt met een oplossing van het microbiële consortia (10 mL). De NH3-gasconcentratie in de open kolf werd op verschillende tijdstippen (0, 1, 12, 24, 36 en 48 uur) bepaald.

 

2.3. Selectie van een Optimaal Verhouding van AOS/Gelatinemengsel voor Stabiel Schuim
Verschillende concentratieratio's van AOS en gelatine werden bereid om een optimale concentratieratio te verkrijgen die een langdurig schuim kan creëren. Verschillende concentraties van AOS-oplossing (0,05–0,24%) werden bereid en de schuimstabiliteit werd voor elke concentratie getest. Schuimstabiliteit werd gedefinieerd in termen van schuim-halfwaardetijd, de tijd die nodig is om het schuim te laten desintegreren tot de helft van het oorspronkelijke volume. Om de schuimstabiliteit te bepalen, werd een vast volume schuimoplossing (100 mL) in een maatcilinder van 1000 mL geplaatst en voorzien van lucht met een debiet van 1000 mL/min via een capillair buisje. De luchttoevoer werd beëindigd wanneer het binnenin de cilinder gegenereerde schuim de 1000 mL-markering bereikte en de halfwaardetijd van het gegenereerde schuim werd bepaald. De optimale AOS-concentratie werd geselecteerd op basis van de schuimstabiliteit. Gelatine, als schuimstabilisator, werd toegevoegd aan de eerder geoptimaliseerde AOS-concentratie en goed gemengd totdat alle gelatine was opgelost. Dit werd bereikt door het te verwarmen en te roeren met een magnetische roerder bij 70 °C gedurende 1 uur, waarna de schuimstabiliteit werd getest om een optimale combinatie te selecteren.

 

2.4. Karakterisering van Oppervlakteactief Schuim
In deze studie werd oppervlakteactief schuim gekarakteriseerd door twee verschillende eigenschappen te bepalen, namelijk de algemene schuimeigenschappen en de individuele bel-eigenschappen. De algemene schuimeigenschappen, zoals schuimkwaliteit, schuimdensiteit, schuimbeldichtheid en schuimexpansieratio, werden bepaald door een groot volume schuim te verzamelen in de apparatuur met een specifiek volume/oppervlak. De schuimkwaliteit, die de hoeveelheid lucht in het totale schuimvolume weergeeft, werd bepaald door het schuim te verzamelen in een pot van 5 L. De schuimdensiteit werd berekend door de schuimmassa te wegen ten opzichte van het volume van de pot. Verder, na schuimuitbraak, werd de schuimkwaliteit bepaald door het totale vloeistofvolume te verzamelen【24】. Omdat de vloeistof werd verzameld na schuimuitbraak, werd de schuimexpansieratio (verhouding van schuimvolume tot vloeistofvolume) ook op dezelfde manier berekend. De individuele schuimeigenschap werd bepaald met behulp van een microscoop (Motic BA300, Hong Kong, China), waarbij het in een horlogeglas geplaatste schuim werd gefotografeerd vanuit de lens van de microscoop met behulp van een mobiele camera. Vervolgens werden het aantal bellen in een bepaald referentiegebied (schuimbeldichtheid), de vorm van de bellen, lamellalengte en -dikte en plateauhoek bepaald met behulp van de referentielengte van het gegradueerde horlogeglas.

 

2.5. Lab-Scale Geurreductietest

Een laboratoriumexperiment op kleine schaal werd uitgevoerd om de NH3-concentratie te verminderen op basis van oppervlakteactief schuimspuittechnologie. Deze studie werd uitgevoerd in een reactor (polystyreen doos met afmetingen: lengte, 60 cm; breedte, 60 cm; hoogte, 23 cm) die 3 kg NH3-gecontamineerde grond bevatte (Figuur S1), welke werd voorbereid door het mengen van de NH3-oplossing met de grond (10 mL NH3-oplossing/kg grond). Experimenten werden ook uitgevoerd met varkensmest. Voor elk van de toegepaste condities (grond en mest) werden drie verschillende experimenten uitgevoerd: controletest (alleen NH3-gecontamineerde grond/mest, geen behandeling), alleen schuim (oppervlakteactief schuim zonder bacteriën), en bio-schuim (oppervlakteactief schuim met bacteriën). Alle laboratoriumexperimenten werden uitgevoerd onder twee verschillende omstandigheden: één in de open reactor en de andere in de gesloten reactor. Een gesloten reactor werd voorbereid door de reactor met een deksel af te sluiten. Naast de grond in de reactor werden ook experimenten met varkensmest in de reactor uitgevoerd onder open omstandigheden, waarbij de omstandigheden van echte varkensfaciliteiten werden gesimuleerd. Het oppervlakteactieve schuim (met optimale concentraties AOS en gelatine) werd vervolgens in de doos gespoten die NH3-gecontamineerde grond/varkensmest bevatte.

 

Een rondbodemkolf met drie halzen werd gebruikt om schuim te genereren. De reagensoplossing werd via een van de halzen van de kolf toegevoerd, een andere hals werd gebruikt voor lucht, en de derde werd gebruikt voor het vrijgeven van het oppervlakteactieve schuim. De derde hals was gericht op de grond/mest in de reactor (15 cm boven de reactor). Het oppervlakteactieve schuim werd gegenereerd door lucht in de kolf met de schuimoplossing te injecteren via een capillaire buis die met een kurk was vastgezet. De vloeistof- en luchtstroomsnelheden werden respectievelijk op 10 en 1000 mL/min gehouden. Om het bio-schuim te bereiden, werd de oppervlakteactieve oplossing gemengd met de bacterieoplossing in een verhouding van 1 (bacteriën): 9 (oppervlakteactieve stof) vóór schuimgeneratie (de concentratie van oppervlakteactieve stof en stabilisator werd constant gehouden zoals hierboven). De schuimkwaliteit werd op 99% gehouden door een constante vloeistof- en luchtstroomsnelheid gedurende het experiment te handhaven.

 

Bemonstering werd uitgevoerd op vijf verschillende bemonsteringspunten in de reactor (vier hoeken en het midden) om de concentraties van stinkende gassen te meten. De gasconcentratie werd gemeten met een Gastec-pomp en Gastec-buizen (Gastec, Japan) zoals eerder beschreven. Gassen werden bemonsterd net boven het schuim na het schuimspuiten. Aanvankelijk werden drie verschillende gassen, NH3, H2S, en mercaptanen (R-SH), gemeten. De concentraties van H2S en R-SH waren aanzienlijk laag in de varkensmest. Daarnaast werd de achtergrondconcentratie van gassen die werden uitgestoten door de gecontamineerde grond of mest periodiek gemeten tijdens de experimentele periode, omdat een klein deel van de gassen die aanvankelijk vrijkwamen vóór het schuimspuiten zich verspreidden over het experimentele gebied, dat zich vanuit de controledoos verspreidde gedurende de gehele experimentele periode.

 

Een kostenvergelijkingsanalyse werd uitgevoerd door het huidige experiment te vergelijken met de literatuur met betrekking tot schuimtoepassing voor geurbeheersing. De geschatte kosten werden vergeleken op basis van de recepten die werden gebruikt om het schuimreagens voor geurvermindering voor te bereiden. De kosten van de voorbereiding van een 1 L oplossing werden gebruikt in de berekeningen. De praktische aannames waren vergelijkbaar met die in ons experimenteel ontwerp; dat wil zeggen, een studiereactor met een lengte van 60 cm, een breedte van 60 cm en een hoogte van 23 cm werd gebruikt (82.800 cm³ volume).

 

3. Resultaten en Discussie

 

3.1. Isolatie en Screening van Geurdegraderende Micro-organismen

Tweeënvijftig microbiële stammen werden geïsoleerd uit varkensmest met behulp van een aangepaste cultuurmethode in Transwell-platen die R2A, MRS en Sabouraud agar media bevatten. Hiervan werden 16 zeer efficiënte stammen geselecteerd op basis van hun vermogen om ammonium-stikstof te verwijderen en geïdentificeerd door middel van 16S rRNA-gen-sequencing. Van deze stammen werden er drie gekozen voor verder onderzoek: Saccharomyces cerevisiae (TP1), Lactococcus lactis (TP3) en Lactobacillus argentoratensis (TP5), op basis van hun NH3-verwijderingsefficiëntie en de invloed van schuim van oppervlakteactieve stoffen op hun groei. De 16S en 18S rRNA-gen-sequenties van deze stammen werden gedeponeerd in de GenBank-database onder de toegangsnummers SUB10993114 TP3 OM370997, SUB10993114 TP5 OM370998 en SUB10995932 TP1 OM417178. Fylogenetische analyse toonde hoge sequentiesimilariteiten: Saccharomyces cerevisiae NRRL Y-12632—TP1 (99,88%), Lactococcus lactis subsp. hordniae NBRC100931T—TP3 (99,93%) en Lactobacillus argentoratensis DSM 16365T—TP5 (100%).

 

Zoals weergegeven in Tabel S2, waren de NH3-verwijderingsefficiënties van de stammen TP1, TP3 en TP5 respectievelijk 45% (1000–550 ppm), 82% (1000–180 ppm) en 85% (1000–150 ppm) onder gesloten omstandigheden bij 22°C. Bij 30°C namen de efficiënties toe tot respectievelijk 49% (1000–510 ppm), 90% (1000–100 ppm) en 92% (1000–80 ppm) (Tabel S3).

Bij gemengd in een verhouding van 1:1:1, verminderde het microbiële consortium (TP1 + TP3 + TP5) de NH3-concentratie significant van 1000 ppm naar 3,33 ppm binnen 1 uur na toevoeging van 10 mL van het consortium, terwijl de controle (met 10 mL water) dit slechts tot 320 ppm verminderde. De NH3-concentratie in de open pot nam aanvankelijk toe maar daalde uiteindelijk tot 0 ppm met het microbiële consortium, vergeleken met 60 ppm in de controle na 48 uur (Tabel 1).

 

3.2. Optimale AOS/Gelatineconcentratie voor Stabiele Schuimgeneratie

De optimale concentraties voor AOS en gelatine werden bepaald op basis van schuimstabiliteit, gemeten als halfwaardetijd. De schuimstabiliteit nam toe met de AOS-concentratie en bereikte een halfwaardetijd van 32 minuten bij 0,20% AOS, maar nam niet verder toe bij hogere concentraties (Figuur S2A). Voor gelatine nam de stabiliteit scherp toe tot een concentratie van 0,30%, wat resulteerde in een halfwaardetijd van 120 minuten, zonder significante toename bij hogere concentraties (Figuur S2B). Daarom werden de optimale concentraties vastgesteld op 0,2% AOS en 0,3% gelatine, wat een schuimhalfwaardetijd van 2 uur opleverde.

AOS werd gekozen vanwege zijn superieure biocompatibiliteit, schuimeigenschappen, weerstand tegen waterhardheid en stabiliteit over een breed pH-bereik. Gelatine diende als een effectieve schuimstabilisator door de oppervlakteactieve bindingsverhouding te verminderen en de schuimstabiliteit te behouden zonder de biocompatibiliteit te compromitteren.

3.3. Karakterisering van Oppervlakteactieve Schuim

De kenmerken van het gegenereerde oppervlakteactieve schuim worden gedetailleerd in Tabel 2. De schuimbaarheid (tijd om een vat van 1 L te vullen) was 2,4 seconden. Schuimkwaliteit (verhouding van gasvolume tot schuimvolume) was 98,5–99% en schuimdichtheid was 0,025–0,026 g/cm³. De schuimuitbreidingsverhouding was 110–112. De gevormde bellen waren nonagonaal (negen kanten) met een grote belgrootte, aangegeven door een beldichtheid van 1 bel/cm² (Figuur 1). De lamellendikte was 0,12 mm, met een gemiddelde hoekenlengte van 0,45 cm en een plateauhoek van 131,5°.

3.4. Geurreductie met Oppervlakte Schuimdekking

3.4.1. Open Bodemreactorsysteem

In de open bodemreactor die mestopslag simuleerde, was de initiële NH3-concentratie 1000 ppm. Het spuiten van oppervlakteactieve schuim verminderde NH3-emissies aanzienlijk, met een 98% reductie in het eerste uur (tot 25 ppm), wat bleef totdat het schuim brak na 5 uur (Figuur 2). Na schuimafbraak nam de NH3-concentratie toe maar nam geleidelijk af over 72 uur, waarbij bio-schuim (met bacteriën) een eindconcentratie van 10 ppm bereikte, wat wijst op efficiënte NH3-afbraak door de bacteriën.

3.4.2. Gesloten Bodemreactorsysteem

In de gesloten reactor bleef de initiële NH3-concentratie gedurende 3 uur op 1000 ppm. Schuimspuiten verminderde de NH3-concentratie tot 30 ppm binnen een uur (Figuur 3). Na schuimafbraak nam de NH3-concentratie toe maar werd significant verminderd door bio-schuim, en bereikte 30 ppm binnen 72 uur.

3.4.3. Open Varkensmestreactor

In de open reactor met varkensmest werden vergelijkbare trends waargenomen (Figuur 4). Schuim voorkwam NH3-emissie gedurende 6 uur. Na schuimafbraak verminderde bio-schuim de NH3-emissie aanzienlijk, wat 10 ppm in 24 uur en 0 ppm in 48 uur bereikte. Dit wijst op effectieve bacteriële afbraak.

De bio-schuimmethode toonde een synergetisch effect tussen oppervlakteactieve schuim en geurdegraderende bacteriën, met een NH3-verwijderingsefficiëntie van 97–100% binnen 72 uur. Dit was superieur aan andere methoden, zoals biochar, die 53% efficiëntie behaalde over 30 dagen, en mestbehandelingen, die twee maanden duurden voor 80% efficiëntie. De kosten voor het bereiden van stabiel schuim met AOS en gelatine waren ook aanzienlijk lager dan andere methoden, waardoor het een haalbare optie is voor veldtoepassingen.

 

4. Conclusies

In deze studie werden 52 microbiële stammen (gebaseerd op 16S rRNA-gen sequencing) geïsoleerd uit varkensmest en gescreend om NH3-afbrekende microben te identificeren. Drie stammen werden geselecteerd voor geurvermindering: Saccharomyces cerevisiae NRRL Y-12632T (99,88%; TP1), Lactococcus lactis subsp. hordniae NBRC 100931T (99,93%; TP3), en Lactiplantibacillus argentoratensis DSM 16365T (100%; TP5). Uit deze studie bleek dat alle NH3 werd verwijderd door het microbiële consortium (1:1:1) na 48 uur, terwijl de controle 60 ppm bevatte. Tevens werden in deze studie de concentraties van oppervlakteactieve stoffen en schuimstabilisatoren bepaald om langdurig schuim te verkrijgen, waarbij de optimale concentraties van AOS en gelatine respectievelijk 0,2% en 0,3% waren, wat resulteerde in een schuimhalfwaardetijd van 2 uur.

 

In deze studie creëerde oppervlakteactief schuim een fysiek afdekking die de vrijgekomen geurgassen van de emissiebron vastlegde. Schuim van oppervlakteactieve stoffen verminderde met succes de NH3-concentratie in de omgeving met 97–100% (100% voor open reactor en 97% voor gesloten reactor). Echter, na het breken van het schuim na 6 uur werd NH3 opnieuw uitgestoten vanuit de NH3-grond en varkensmest.

 

Het bio-schuim (met NH3-afbrekende bacteriën beladen schuim) dat werd toegepast op dezelfde NH3-emissiebron, voorkwam ook fysiek de vrijlating van NH3, en NH3 werd geleidelijk opnieuw uitgestoten na het breken van het schuim tot 25 uur. Echter, na 25 uur, was de afbraak van NH3 door bacteriën (biodegradatie) dominant, en de afbraak van NH3 was voltooid na 72 uur in NH3-grond. In de echte varkensmest verminderde de met "bio-schuim" behandelde varkensmest de NH3-emissie significant, zelfs na het breken van het schuim, wat respectievelijk tot 10 en 0 ppm werd gereduceerd na 24 en 48 uur.

 

Het spuiten van oppervlakteactief schuim voorkwam volledig de emissie van stinkende gassen, en een significante daling in gasconcentratie (90–100% efficiëntie) werd bereikt na het breken van het schuim, binnen twee dagen. In de toekomst kunnen de resultaten van deze laboratoriumstudie helpen bij de mogelijke toepassing in het veld van dit onderzoek.

Aanvullende Materialen

De volgende zijn online beschikbaar op https://www.mdpi.com/article/10.3390/app12041806/s1:

• Tekst S1: Meting van bodemkenmerken
• Tekst S2: Reagentia en materialen
• Tabel S1: Afbraak van NH3 door verschillende microbiële stammen
• Tabel S2: Afbraak van NH3 in de afgesloten pot (uitgevoerd bij 22°C)
• Tabel S3: Afbraak van NH3 in de afgesloten pot (uitgevoerd bij 30°C)
• Figuur S1: Laboratoriumgeurreductietest:
  • (A) Experimentele opstelling met bodem/varkensmest in de polystyreen doos
  • (B) Initiële bemonstering vóór schuimspuiten
  • (C) Initiële NH3-concentratie (roze kleur veranderde naar geel)
  • (D) Bedekking van de mest met schuimspuittechnologie van oppervlakteactieve stoffen
  • (E) Bemonstering na schuimspuiten
  • (F) NH3-concentratie na schuimspuiten of laatste bemonstering (geen verandering in roze kleur, 0 ppm)
• Figuur S2: Effect van (A) AOS-concentratie en (B) AOS + gelatine concentratie op schuimstabiliteit (halfwaardetijd)

Auteursbijdragen

Conceptualisatie, J.K. en S.-W.J.; methodologie, R.B., P.G., T.T.N.L. en R.H.D.; validatie, R.B., P.G. en S.-W.J.; bronnen, S.-W.J.; schrijven - oorspronkelijke ontwerpvoorbereiding, R.B., P.G., T.T.N.L. en R.H.D.; schrijven - beoordeling en redactie, J.K. en S.-W.J.; visualisatie, R.B. en P.G.; supervisie, J.K. en S.-W.J.; projectadministratie, J.K. en S.-W.J.; fondsenwerving, S.-W.J. Alle auteurs hebben de gepubliceerde versie van het manuscript gelezen en goedgekeurd.

Financiering

Dit werk werd ondersteund door de Korea Smart Farm R&D Foundation, gefinancierd door het Koreaanse Ministerie van Landbouw, Voedsel en Plattelandszaken, het Koreaanse Ministerie van Wetenschap en ICT, en de Koreaanse Plattelandsontwikkelingsadministratie (subsidienummer: 421010-03).

 

Referenties

Referenties en tabellen klik hier voor de originele publicatie.