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由于化学杀虫剂造成的环境污染与害虫种群的抗药性日益严重，采用微生物防治方法来控制农业与卫生害虫的策略越来越受重视。苏云金芽孢杆菌(Bt)是目前世界上应用最广泛的微生物杀虫剂，与化学杀虫剂相比，Bt制剂具有选择性强，对人畜无害，环境友好等优点，但其推广应用受到生产成本的限制，发酵原料价格过高是主要的制约因素之一。
本文从废弃资源再利用的角度出发，开发了一套基于城市污泥的苏云金杆菌生物杀虫剂完整制备工艺。研究表明：污泥所含营养物质可以支持Bt的生长代谢、芽孢形成与晶体蛋白合成，以含固率为3％、未经任何预处理的污泥为原料，经48h的摇瓶发酵，发酵液中的活菌数和芽孢数分别为6.23×108CFU/mL和5.67x108CFU/mL，晶体蛋白产量与发酵液毒效分别为820mg/L，与267IU/μL，均达到与常规培养基相当水平。
污泥中可溶性物质与可利用碳源含量较低，限制发酵液毒效的提高。本文采用污泥预处理与碳源补给两种方式优化培养基组成。预处理方法采用碱处理与超声处理，最佳条件分别为5g/LNaOH碱热灭菌与1.2×105kJ/kgTS超声破碎，在此条件下污泥培养基的Bt晶体蛋白产量及发酵液毒效可分别提高到1030mg/L、388IU/μL与1420mg/L、506IU/μL；从废弃资源综合利用角度出发，补充碳源采用制糖过程中产生的废糖蜜，通过改变废糖蜜添加比例得到最佳复配条件为原污泥(TS=3％)+1.5％废糖蜜，在此条件下Bt晶体蛋白产量与发酵液毒效可分别提高到1960mg/L和788IU/μL，是污泥单一发酵的3倍。选取培养基优化得到的最佳污泥.废糖蜜联合发酵组合进行发酵罐放大，摸索出基于污泥的Bt液体深层发酵条件为：消泡剂(丙三醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚)剂量0.15％、搅拌速率500rpm、通气量1.0L/(L·min)、温度30±1℃。在此条件下污泥.废糖蜜发酵液的Bt晶体蛋白产量和发酵液毒效可分别达到3410mg/L和1330IU/μL。
发酵液后处理中浓缩是保证毒效的关键步骤，本文采用高效切向流微滤膜浓缩工艺取得了成功，最佳膜浓缩条件为：透膜压力(TMP)0.15MPa、错流速度(v)2.0m/s、pH=4.0、聚丙烯酰胺高分子絮凝剂(PCM)添加量0.2％，常温操作。选用0.45μm的醋酸纤维素膜进行微滤膜浓缩，发酵液可被浓缩至100g/LMLSS，水分去除率75％，符合喷雾干燥要求。通过对过滤过程的分析，建立了污泥发酵液切向流膜浓缩的流体力学模型，该模型有助于在实际应用中测算瞬时通量与浓缩时间。切向流微滤膜浓缩可以在密闭条件下进行，有效防止污染，增效物质损失小，毒效回收率高。发酵液经浓缩、干燥与剂型化得到含污泥菌粉约50％的污泥生物杀虫剂可湿性粉剂，生物测定结果表明其毒力效价达14022IU/mg，接近国家标准的一级品水平。
污泥农用重金属污染问题深受关注。严格控制污水进水，城市污泥的重金属总量可以满足农用标准。另外，城市污泥中有效态重金属不足总量的10％，经Bt微生物转化过程的吸附作用，有效态重金属含量还会继续降低，因此在污泥生物杀虫剂的施用量仅为1～2kg/亩/年的情况下，基本不存在重金属污染风险。研究还发现Bt对重金属有良好的抗性，当培养基中有效态Cd与Pb分别达10mg/L与80mg/L时，Bt发酵几乎不受影响，Bt对两种重金属有不同程度的吸附，吸附位点主要为-OH，少量C=O与S=O也参与吸附反应生成氧化物或硫酸盐沉淀，有效降低重金属的生物有效性。
本文率先提出了污泥制备苏云金杆菌生物杀虫剂的完整工艺，不仅有效降低了微生物杀虫剂的生产成本，还为废弃资源提供了一条高值化利用与处置途径；后处理中以高效切向流微滤膜浓缩技术替代传统的离心、板框压滤等粗放工艺，实现了有效成分的高收率、低污染回收；另外本文还首次对Bt的重金属耐受性及吸附机理进行了分析，这对于掌握Bt的特性以及Bt生物杀虫剂的适用性很有帮助。