CN103555336A - 削减作物中镉含量的土壤调理剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤学领域，特别是提供一种削减作物中镉含量的土壤调理剂，由以下重量份的原料混合制成：生物菌素6～14份，理化调节因子86～94份；所述生物菌素的有效成分为沼泽红假单胞菌；所述理化调节因子由白石粉、白泥粉、七水硫酸锌、氧化镁组成。本发明还提供制备所述削减作物中镉含量的土壤调理剂的方法。本发明具有以下优点：本发明的土壤调理剂中，生物菌素含有能吸附固化、钝化、螯合重金属离子镉Cd＋的微生物菌群，理化调节因子含有能显著提高土壤pH值，降低重金属离子镉Cd＋活性的成分，使得本法明的土壤调节剂使用后能使作物中的镉含量降低。
Description
技术领域
本发明涉及土壤学领域，特别是涉及一种削减作物中镉含量的土壤调理剂及其制备方法和应用。
背景技术
镉不是人体的必需元素。镉和锌是同族元素，在自然界中镉常与锌、铅共生。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。镉被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积肝、肾中。其中，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。其它脏器如脾、胰、甲状腺和毛发等也有一定量的蓄积。
镉污染土壤一是工业废气（如有色金属的冶炼、煅烧，矿石的烧结，含镉废弃物的处理等）中的镉随风向四周扩散，经自然沉降﹐蓄积于工厂周围土壤中；二是含镉工业废水灌溉农田。该镉污染源主要是铅锌矿及有色金属冶炼、电镀和用镉化合物作原料或触媒的工厂。2006年3至4月，广州中山大学生物科技学院联同香港浸会大学生物系抽查化验中港两地市面出售的杨桃，51%镉含量属严重超标；湖南省株洲市2006年1月，新马村发生震动全国的镉污染事件，有2人因不明原因死亡，150名村民经过体检被判定为慢性轻度镉中毒；如何有效地治理镉污染，寻找到正确的途径与方法是关键。
目前主要有两种：一种是将污染物镉清除；另一种是改变重金属镉在土壤中的存在形态，使其固定钝化，从而降低其移动性和生物可利用性[俄胜哲，杨思存等.我国土壤重金属污染现状及生物修复技术研究进展.安徽农业科学［J］.2009,37(19):9104-9106]。鉴于目前重金属镉污染土壤大多尚处在中轻度污染水平，研究采取快速有效的生物与理化综合修复技术，即可确保粮食质量安全又可继续维持生产，对缓解我国当前人口与耕地资源矛盾，具有十分重要的意义。
发明内容
为实现削减作物对重金属离子镉Cd＋的吸收，本发明提供一种削减作物中镉含量的土壤调理剂及其制备方法和应用。
本发明提供的一种削减作物中镉含量的土壤调理剂，由以下重量份的原料混合制成：生物菌素6～14份，理化调节因子86～94份；优选为由以下重量份的原料混合制成：生物菌素10份，理化调节因子90份。本发明的削减作物中镉含量的土壤调理剂是固体状剂型。
其中，所述生物菌素的有效成分为沼泽红假单胞菌（Rhodopseudanonas palustris），选自中国微生物菌种保藏管理委员会农业微生物中心ACCC10649、ACCC00309、ACCC00311中的一种或多种，作用是吸附固化、钝化、螯合重金属离子镉Cd+。
其中，所述生物菌素中沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonaspalustris）的总有效活菌数≥18.0×108，优选总有效活菌数≥22.0×108cfu/g。
其中，所述理化调节因子由以下重量份的原料粉碎过200目筛后混合而成：白石粉40～72份、白泥粉20～40份、七水硫酸锌3～5份、氧化镁3～7份。优选为白石粉61份、白泥粉30份、七水硫酸锌4份、氧化镁5份。白石粉中的CaCO3质量百分比＞90%；白泥粉为氨碱法生产纯碱时产生的废渣，pH值9.3～11.2，含CaCO320.3～28.5%、Ca(OH)24～4.9%、CaSO43.1～4.6%、Mg(OH)24.2～5.6%、Fe2O30.5～1%、SiO29.03-10.25%；氧化镁为食品级氧化镁。
所述生物菌素通过如下方法制备：将沼泽红假单胞菌的原始菌种在无菌条件下进行斜面培养、摇床培养、发酵罐培养后，将得到的发酵液经过浓缩干燥得到孢子粉，混合孢子粉即得到生物菌素。具体为：
1）斜面培养：将沼泽红假单胞菌的原始菌种在无菌条件下接种于斜面培养基上，在29±1℃条件下培养36-48h；
2）摇床培养：将步骤1培养的菌种在无菌条件下接种于液体培养基，在pH6.5-7.0、温度为30℃条件下，140-160r/min摇床培养36-48h；
3）发酵罐培养：将步骤2培养的菌种在无菌条件下接种于发酵罐培养基，在pH7.0～7.5、罐压0.5kg、温度为30℃、通风量1:0.8-1.1条件下，培养48-56h后，菌数大于1.0×1010/mL，80%菌体转成芽孢时下罐，得到发酵液；
4）将步骤3中得到的发酵液经过浓缩干燥制备成孢子粉，将各菌种的孢子粉按照所需比例混合即为生物菌素；
其中，步骤1所述的斜面培养基配方如下：NaH2PO45.5mg/L，苹果酸1.5mg/L，乙酸钠2mg/L，NaOH2mg/L，NH4Cl1mg/L，MgCl20.25mg/L，CaCl20.05mg/L，酵母膏1mg/L，微量元素1m1/L(微量元素溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锰、氯化锌、钼酸钠、五水亚硒酸钠复合溶液)，ph7.0。
上述步骤2所述的液体培养基配方如下：葡萄糖10g、牛肉膏5g、酵母粉5g、淀粉10g、豆饼粉5g、K2HPO40.5g、MgSO40.2g、水1000mL。
上述步骤3中的发酵罐培养基配方如下：玉米粉26kg、豆饼粉16kg、硫酸铵4kg、葡萄糖8kg、酵母粉2.5kg、蛋白胨1.7kg、加水至600kg。
本发明还提供制备所述削减作物中镉含量的土壤调理剂的方法，为将生物菌素和理化调节因子按比例混匀得到土壤调理剂。
本发明的另一目的是提供所述削减作物中镉含量的土壤调理剂在作物生产中的应用。具体应用方法为在翻耕整地时撒施所述削减作物中镉含量的土壤调理剂，用量为750kg～1500kg/hm2。
所述的作物优选为稻米。
本发明的有益效果在于：
1、本发明削减作物中镉含量的土壤调理剂中的微生物菌群综合功能强。本发明的生物菌素中的微生物能迅速在土壤中定植生长并形成强大菌落，能直接吸附重金属离子镉Cd+到微生物细胞璧或细胞内中加以固化、钝化[白红娟.张肇铭等.沼泽红假单胞菌去除镉的研究.微生物学通报.2007.34（4）.659～662]，降低了重金属离子镉Cd+的移动性和生物可利用性，从而达到削减作物对重金属离子镉Cd+的吸收。
2、本发明的削减作物中镉含量的土壤调理剂技术处在国际领先前沿。优势作用在于利用沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonaspalustris，属于光合细菌简称PSB菌中的一种）直接吸附固化、钝化以及代谢产生的S2-与重金属离子镉Cd+反应生成难溶的硫化物沉淀，起到使重金属离子镉Cd+钝化固化的双重作用：高价Cd+(H)→低价Cd+H+，PSB→SO4 2-+(H)→S2-+H2O，Cd2++S2-CdS↓。又因沼泽红假单胞菌表面带有一定的负电性,故对重金属离子镉Cd+有较强的吸附性以及较强的生物禁絮凝作用,使重金属镉硫化物得以很好地固化，难以移动，实现削减作物对重金属离子镉Cd+的吸收。
3、本发明中的白石粉和白泥粉呈较强的碱性，在镉污染的酸性土壤中施用能显著提高土壤的pH值，从而促使土壤中的活性镉向难溶态转化，最终降低土壤中镉的活性。本发明选用的白石粉和白泥粉中还含有一定浓度的氧化硅和氧化铁，均为强吸附性物质，能吸附土壤中的镉离子，降低镉离子在土壤溶液中的移动性；本发明选用的白石粉和白泥粉因采用200目以上过筛处理，故具有较大的比表面积，能进一步提高对土壤溶液中镉离子的吸附能力。
4、本发明选用的锌肥和氧化镁中的锌镁离子在土壤中可与镉离子一起竞争植物根际的吸附位点，削减作物对重金属离子镉Cd+的吸收。同时锌肥中的硫酸根离子易被还原为硫离子与镉离子形成难溶性的硫化镉沉淀，从而进一步降低镉离子在土壤中的移动性。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1制造本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂
沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonas palustris）为购自中国微生物菌种保藏管理委员会农业微生物中心的ACCC10649、ACCC00309、ACCC00311三种原始菌种，总有效活菌数≥20.0×108cfu/g。
制备生物菌素：
①斜面培养：将沼泽红假单胞菌的上述三种原始菌种在无菌条件下分别接种于斜面培养基上，在30℃条件下培养48h；
②摇床培养：将上述步骤①培养的菌种在无菌条件下分别接种于液体培养基，在pH7.0、温度为30℃条件下，160r/min摇床培养48h；
③发酵罐培养：将上述步骤②培养的菌种在无菌条件下分别接种于发酵罐培养基，在pH7.0、罐压0.5kg、温度为30℃、通风量1:1.1条件下，培养48后，菌数大于1.0×1010/mL，80%菌体转成芽孢时下罐，得到发酵液；
④将步骤③中得到的发酵液经过浓缩干燥制备成孢子粉。然后将三种孢子粉按照1:1:1的比例混合均匀既得混合孢子粉，即为生物菌素。
在上述孢子粉的制备中，步骤①中选用的斜面培养基的配方如下：成分为NaH2PO45.5mg/L，苹果酸1.5mg/L，乙酸钠2mg/L，NaOH2mg/L，NH4Cl1mg/L，MgCl20.25mg/L，CaCl20.05mg/L，酵母膏1mg/L，微量元素1m1（微量元素溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锰、氯化锌、钼酸钠、五水亚硒酸钠复合溶液），pH7.0。
上述步骤②中的液体培养基配方如下：葡萄糖10g、牛肉膏5g、酵母粉5g、淀粉10g、豆饼粉5g、K2HPO40.5g、MgSO40.2g、水1000mL。
上述步骤③中的发酵罐培养基配方如下：玉米粉26kg、豆饼粉16kg、硫酸铵4kg、葡萄糖8kg、酵母粉2.5kg、蛋白胨1.7kg、加水至600kg。
制备理化调节因子
所述理化调节因子为CaCO3质量百分比＞90%的白石粉（二氧化硅0.07-1%、三氧化二铝0.02-1%、三氧化二铁0.03-1%、氧化镁0.08-1%），购自湖南临湘市光华钙灰产；白泥粉（氨碱法生产纯碱时产生的废渣，pH值9.3～11.2，含CaCO320.3～28.5%，Ca(OH)24～4.9%，CaSO43.1～4.6%，Mg(OH)24.2～5.6%，Fe2O30.5～1%）购自广州市化工集团第一纯碱厂；七水硫酸锌和食品级氧化镁（市购即可）。
所述理化调节因子是按照白石粉：白泥粉：硫酸锌：氧化镁的重量比为51:30:4:5，粉碎过200目筛，均匀混合搅拌，制备而成。
将上述材料按照生物菌素10份、理化调节因子90份的重量比例充分混匀，制备得到本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂。
实施例2制造本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂
沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonas palustris）为购自中国微生物菌种保藏管理委员会农业微生物中心的ACCC10649、ACCC00309两种原始菌种，总有效活菌数≥20.0×108cfu/g。
制备生物菌素
制备生物菌素的方法参见实施1，最后ACCC10649、ACCC00309两种菌种的孢子粉按照1:1的比例混合得到生物菌素。
制备理化调节因子
所述理化调节因子的原料参见实施例1。
所述理化调节因子是按照白石粉：白泥粉：硫酸锌：氧化镁的重量比为43:33:3:5，粉碎过200目筛，均匀混合搅拌，制备而成。
将上述材料按照生物菌素14份、理化调节因子86份的重量比例充分混匀，制备得到本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂。
实施例3制造本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂
沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonas palustris）为购自中国微生物菌种保藏管理委员会农业微生物中心的ACCC10649，总有效活菌数≥20.0×108cfu/g。
制备生物菌素
制备生物菌素的方法参见实施1，由ACCC10649的孢子粉构成生物菌素。
制备理化调节因子
所述理化调节因子的原料参见实施例1。
所述理化调节因子是按照白石粉：白泥粉：硫酸锌：氧化镁的重量比为42:43:5:6，粉碎过200目筛，均匀混合搅拌，制备而成。
将上述材料按照生物菌素6份、理化调节因子94份的重量比例充分混匀，制备得到本发明所述削减作物中镉含量的土壤调理剂。
实验例1本发明所述削减作物中镉含量土壤调理剂的应用效果
1材料及方法
1.1采用盆栽试验，研究本发明对被重金属污染的不同稻田土壤离子镉Cd+的综合修复效果。试验设置2个处理，重复三次，随机排列。
处理①：施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂4.3g/盆（折合田间用量为750kg/hm2）；
处理②对照（CK）：不施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂。
1.2试验使用27cm×30cm（约0.057m2）的白色塑料盆钵，装盆前土壤经风干5目过筛，每盆装土层厚约20cm（土重11.5kg/盆），同时在每盆上施用45%复混肥(N:P:K=15:15:15)4.3g/盆(折合田间用量750kg/hm2)。水稻播种28天后再施尿素1.0g/盆(折合田间用量为180kg/hm2)，试验期间各处理栽培管理措施与田间管理一致。
1.3装盆土壤分别采自湖南省衡阳市衡南县向阳镇沙泥塘村的潮泥田和安福村的黄泥田，实验前的检测结果见下表1。
表1供试土壤实验前的检测结果
1.4土壤中重金属离子镉Cd+采用CaCl2浸提一原子吸收分光光度法(石墨炉)测定，水稻糙米和稻草中的重金属镉是采用硝酸一高氯酸混合酸消解后原子吸收分光光度法(石墨炉)测定消解后的镉含量。
2结果及分析
2.1试验结果表明，施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂对土壤中的重金属离子镉Cd+及水稻糙米和稻草中重金属镉含量的影响显著(见表2)。与对照相比，施用发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂能显著降低土壤中重金属离子镉Cd+含量。潮泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂后土壤重金属离子镉Cd+含量比对照降低了0.096；黄泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂后土中壤重金属离子镉Cd＋含量比对照降低了降低了0.042。
表2对土壤重金属离子镉Cd＋形态的影响结果
2.2土壤中重金属离子镉Cd＋为植物吸收利用的主要形态，其含量将明显影响植物的吸收累加。表3的结果显示，施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂能显著降低水稻糙米和稻草中重金属的镉含量，并且使糙米镉含量达到国家粮食卫生标准(GB2715-2005)。潮泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂后，水稻糙米和稻草中重金属镉含量分别比对照降低了49.1%和50.6%；黄泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂后，水稻糙米和稻草中重金属镉含量分别比对照降低了40.4%和59.5%。
表3对水稻糙米和稻草中重金属镉含量的影响
2.3由此可见，本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂对重金属镉Cd＋污染的土壤具有明显的生物修复效果，适量施用可显著降低土壤中镉Cd＋含量，达到减少水稻对重金属镉的累加吸收。
实验例2本发明所述削减作物中镉含量土壤调理剂的应用效果
1试验基本情况及材料
1.1采用田间小区试验，研究本发明对双季稻产区生产中的水稻糙米吸收累积镉Cd＋的影响及后效作用。试验地点分别选在湖南省衡南县向阳镇沙泥塘村和安福村进行，沙泥塘村土壤为河流冲积物形成的潮土，安福村土壤为黄泥田土，实验前检测结果见表4。
表4供试土壤试验前的化验结果
1.2试验采用大区对比法，共设三个处理，每个处理面积0.33hm2，不设重复，随机排列，3个处理总面积为0.99hm2。
①对照（CK）：不施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂;
②施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2;
③施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂750kg/hm2。
1.3第一季早稻施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂，第二季晚稻不施用。具体施用方法为分别在该镉污染潮土或黄泥土翻耕整地前，将本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂拌细黄土均匀撒施在土壤表面，或与施用基肥一起撒施，然后平整栽种。所有处理的化肥、农药施用和灌溉管理均一致。水稻糙米和稻草中的重金属镉含量采用硝酸一高氯酸混合酸消解后原子吸收分光光度法(石墨炉)测定。
2结果与分析
2.1对第一季早稻的作用效果明显利用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂对稻田土壤进行试验后，对第一季早稻的试验效果见表5，结果显示，潮泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理的水稻糙米中重金属镉含量分别比对照降低27.1%和50.6%；黄泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理的水稻糙米中重金属镉含量分别比对照降低23.2%和42.4%。其中施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理的水稻糙米中重金属镉含量均达到国家食品卫生标准(GB2715-2005)。因此，采用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂能显著降低水稻糙米中的重金属镉含量。说明对土壤镉污染的稻田土壤中的重金属镉Cd＋具有明显的修复效果。
2.2对第二季晚稻的后效明显利用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂对稻田土壤进行试验后，对第二季晚稻种植试验结果如表5，结果显示，第二季晚稻糙米中重金属镉含量仍显著低于对照。其中，潮泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理区中的晚稻糙米中重金属镉含量分别比对照降低28.3%和33.2%；黄泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理区中的晚稻糙米中重金属镉含量分别比对照降低28.2%和33.9%。说明在双季稻区施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂有较好的后效作用。
表5削减水稻糙米中镉含量的土壤调理剂的效果及后效作用
2.3试验结果表明，在潮泥田和黄泥田施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂600kg/hm2和750kg/hm2处理区中的晚稻糙米中重金属镉含量分别比对照均有降低，但用量为600kg/hm2的处理②其后效作用的糙米中重金属镉含量达不到国家食品卫生标准(GB2715-2005)。因此建议施用本发明实施例1的削减稻米中镉含量的土壤调理剂以750kg/hm2为宜。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种削减作物中镉含量的土壤调理剂，由以下重量份的原料混合制成：生物菌素6～14份，理化调节因子86～94份；
所述生物菌素的有效成分为沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonaspalustris），总有效活菌数≥18.0×108；
所述理化调节因子由以下重量份的原料粉碎过200目筛后混合而成：白石粉40～72份、白泥粉20～40份、七水硫酸锌3～5份、氧化镁3～7份。
2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述土壤调理剂由以下重量份的原料混合制成：生物菌素10份，理化调节因子90份。
3.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述沼泽红假单胞菌（Rhodop seudanonas palustris）选自ACCC10649、ACCC00309、ACCC00311中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述沼泽红假单胞菌的总有效活菌数≥22.0×108cfu/g。
5.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述理化调节因子由以下重量份的原料粉碎过200目筛后混合而成：白石粉61份、白泥粉30份、七水硫酸锌4份、氧化镁5份。
6.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物菌素通过如下方法制备：将沼泽红假单胞菌的原始菌种在无菌条件下进行斜面培养、摇床培养、发酵罐培养后，将得到的发酵液经过浓缩干燥得到孢子粉，混合孢子粉即得到生物菌素。
7.制备权利要求1-6任一项所述土壤调理剂的方法，其特征在于，为将生物菌素和理化调节因子按比例混匀得到土壤调理剂。
8.权利要求1-6任一项所述土壤调理剂在作物生产中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，为在翻耕整地时撒施土壤调理剂，用量为750kg～1500kg/hm2。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的作物为稻米。
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Denomination of invention: Soil conditioner for reducing cadmium content in crop and preparation method and application thereof Effective date of registration: 20180813 Granted publication date: 20160316 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd Xiangjiang New District sub branch Pledgor: Taigu ecological science and technology group Limited by Share Ltd Registration number: 2018430000056 |