CN103920706A - 一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土污染的修复技术，具体地说是一种修复稀土污染土壤的固定化混合菌剂及其制备方法。该方法是选用巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌为修复稀土污染土壤的混合菌种，通过固定化技术可以混合菌种长期保持活性，并使其在复杂环境中也可稳定地发挥高效性能。此技术选用的两种菌不仅可以高效吸附稀土离子，还可以解钾、解磷、固氮，增加土壤肥力；防止土壤板结；防止土壤水分快速蒸发。采用农作物副产品为固定化载体，来源广，费用低，操作简单。不仅可以“废物”利用，而且可以作为一种生物肥料，为植物提供各种营养物质。此技术不仅可以有效修复稀土污染土壤，还可以使被修复的土壤更适合植物等生长。

Description

一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种修复稀土污染土壤的技术，具体的说是一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的技术及制备方法。

背景技术

中国是世界上稀土资源最丰富的国家，在世界上占有资源储量、稀土产量、稀土销售量和稀土用量4个第一。近年来，随着科技以及经济的快速发展，尤其是各种高精尖材料的迅速发展，使得人类对于稀土矿物的需求越来越大，稀土矿产的开发的步伐也逐渐加大，仅包头市近10年稀土企业的数量就增加了20家左右。 

随着稀土矿藏的开采，在稀土采选区、冶炼区等环境中造成了一定程度的稀土污染，其中土壤环境中的累积最为突出。稀土元素可通过食物链富集于人体内，且不属于人体必要的生命元素，目前也尚未发现稀土元素会在人体内进行转化。多种生物毒理学效应研究表明，长期低剂量摄入稀土对脑、肝、骨、内分泌和免疫功能等具有非常广泛的生物学毒效应谱，能导致多种毒害和病变。因此，治理稀土矿藏开采所造成的土壤环境污染，不仅关系到土壤环境的健康与否，更关系到与土壤环境健康息息相关的人体健康，已经成为了一个急需被重视并解决的问题。

稀土元素性质稳定，对稀土污染修复比对有机农药污染修复还要困难。目前，针对土壤中稀土污染的修复，按原理大致分为：物理修复、化学修复、植物修复和微生物修复等几种类型。不同的修复技术，有各自的优缺点，物理修复方法周期最短、见效最快、修复最彻底，但是原土的变动大，所需工程量也大，成本高；化学修复效果明显，能在保持土壤原样的情况下进行，但是化学修复不能使污染源从土壤中移除，化学试剂的使用对环境可能造成二次污染；植物修复相对来说是低碳、环保，环境友好，并且对原生地不造成破坏，但超累积植物生长周期较长，并且需要多茬种植；微生物作为一种新兴的修复方法，特点是成本低廉、环境友好，但微生物生存生长受到环境影响大，在应用过程中受到限制。

稀土污染土壤修复技术的核心是高效吸附对稀土的吸附作用，但能否将高效的吸附菌的吸附能力发挥出来是关键。将固定化技术应用到稀土污染土壤修复中，即可以使微生物长期保持活性，并使其在复杂环境中也可稳定地发挥高效性能。

为解决上述问题，发明人发明了一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的技术。以巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌两种硅酸盐细菌为混合菌种，以农作物副产品为固定化载体，制备固定化混合菌剂用以修复稀土污染土壤。

发明内容

本发明的目的是提供一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的技术及其制备方法。利用硅酸盐混合菌体为修复菌剂，农作物副产品为固定化载体的技术。

对位于内蒙古草原生态系统的白云鄂博矿区、包头尾矿库区以及由白云鄂博矿区通往包头选矿厂的铁路沿线土壤中稀土元素的污染地区来说，它们同属内陆干燥气候区，土壤类型以栗钙土为主，低温少雨，干旱多风。而且包头稀土尾矿区周边土壤的严重污染，使得耕地严重退化，粮食减产甚至绝产。所以在选择修复稀土污染土壤的微生物时，不仅要选取吸附稀土离子能力强的菌种，还应考虑到当地的地域特点。故本发明选用巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌两种硅酸盐细菌为混合菌剂，硅酸盐细菌具有解磷、解钾、固氮能力等，上述两种菌不仅可以吸附稀土离子而且均具备硅酸盐细菌的特征。故两种菌还可以分解土壤中的不溶性钾，增加土壤肥力。在土壤中通过其生命活动，分泌植物生长刺激素等多种酶，能够增强作物对一些病害的抵抗力。其中的胶质芽孢杆菌能分泌生长素物质和赤霉素物质等促生长物质，增根壮苗，直接增强植株抗旱能力。而胶质芽孢杆菌分泌的胞外多糖物质还可作为一种保水剂，能促进土壤团粒结构形成，防止土壤板结；破坏土壤毛细现象，防止土壤水分蒸发。

为了克服投加到修复现场中的游离高效吸附微生物与土著菌的恶性竞争或难以适应环境的问题，本发明采用固定化技术，并选用农作物副产品为载体，该载体的特点是来源广，价格便宜，操作简单，不会造成二次污染。对混合菌种的吸附速度快、增值效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种修复稀土污染土壤的方法，以巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌作为修复稀土污染土壤的混合菌剂，以20-30%麦麸、15-20%糠、40-45%废糖蜜、2-3%豆饼粉、0.05-0.1% K₂HPO₄、0.03-0.05% MgSO₄·7H₂O作为固定化载体，

所述方法包括以下步骤：

（1）混合菌剂的富集、驯化，制备一级种子液；

（2）固定化载体的预处理；

（3）修复稀土污染土壤的固定化混合菌剂的固定；

所述混合菌剂的富集、驯化的步骤还包括菌种母液的制备，

（1-1）配制培养基：葡萄糖10.0 g，KH₂PO₄ 0.2g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，NaCl 3g，CaSO₄·2H₂O 0.2 g，CaCO₃ 5.0 g，牛肉膏3g，蛋白胨5g，去离子水1000 mL，pH7.2，121 ℃灭菌20 min；

（1-2）配制含稀土离子的富集培养基：在上述培养基中加入1.5-2 ml的稀土溶液，使稀土离子总浓度为200-300 mg/L；

（1-3）将菌种按重量比2:1比例接种于上述含有稀土离子的富集培养基中，28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天，待用；

所述一级种子液的制备还包括以下步骤，

（1-4）配制无机培养基：NaCl 1g，NH₄SO₄ 1g，K₂HPO₄ 1g，MgSO₄·7H₂O 0.1g，

1000 mL去离子水，pH 7.2，121 ℃灭菌20 min；

（1-5）按10%的接种量将上述菌种母液接种到90 mL无机盐培养基的250 mL三角瓶中，其中稀土离子总浓度为200-300 mg/L，在28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天，以此重复三次即为硅酸盐混合菌液，使菌液为对数生长期，即制备得到一级种子液；

所述固定化载体的预处理还包括以下步骤，

按比例：20-30%麦麸、15-20%糠、40-45%废糖蜜、2-3%豆饼粉、0.05-0.1% K₂HPO₄ 、0.03-0.05% MgSO₄·7H₂O，混合后加水，含水量50-55%；放置12-18小时，调节pH 7.2，装在耐高温的塑料袋中，110 ℃灭菌1小时；

所述固定化混合菌剂的固定还包括以下步骤，

将上述一级种子液按比例1:10（v/w）接入处理好的固定化载体中，保持水分50-55%，在28-30℃条件下吸附、固定、增值3-5天；按上述方法增值3次，即得固定化混合菌剂。

本发明具有如下的有益效果： 

（1）本发明选用两种硅酸盐细菌为修复菌种，不仅可以修复稀土污染土壤，而且还可以解钾、解磷、固氮，增加土壤肥力。其中选用的胶质芽孢杆菌，还可作为一种保水剂，能促进土壤团粒结构形成，防止土壤板结；破坏土壤毛细现象，防止土壤水分蒸发。

（2）本发明选用固定化混合菌修复稀土污染土壤，固定化技术可以使菌种长期保持活性，使其在复杂环境条件下能稳定地发挥高效性。

（3）本发明用农作物副产品为固定化载体，来源广，价格便宜，操作简单，不产生二次污染，吸附效果好，菌种增值速度快。而且还可作为肥料，为植物提供各种营养物质。

（4）本发明采用微生物修复污染土壤，比物理化学法：处理费用低、对环境影响小、效率高，而且不会造成二次污染

（5）本发明的工艺简单，生产成本低。

具体实施方法

（1）制备菌种母液

培养基（g/L）：葡萄糖 10.0 g， KH₂PO₄ 0.2g, MgSO₄·7H₂O 0.2g, NaCl 3g, CaSO₄·2H₂O 0.2 g，CaCO₃ 5.0 g，牛肉膏 3g，蛋白胨 5g，

去离子水1000 mL，pH 7.2，121 ℃灭菌20 min

含稀土离子的富集培养基：在上述培养基中加入1.5-2 ml的稀土溶液，使稀土离子总浓度为200-300 mg/L。

     将菌种按重量比2:1比例接种于含有稀土离子的富集培养基中，在上述培养基中加入10g稀土污染土壤，28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天，待用。

（2）制备一级种子液

无机培养基：NaCl  1g，NH₄SO₄  1g，K₂HPO₄  1g，MgSO₄·7H₂O  0.1g ，

1000 mL去离子水，pH 7.2，121 ℃灭菌20 min

按10%的接种量将上述菌种母液接种到90 mL无机盐培养基的250 mL三角瓶中，其中稀土离子总浓度为200-300 mg/L。与28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天。以此重复三次即为硅酸盐混合菌液，使菌液为对数生长期，即一级种子液

（3）固定化载体的预处理

将按比例：20-30 % 麦麸、15-20 % 糠、40-45 % 废糖蜜、2-3 % 豆饼粉、0.05-0.1 % K₂HPO₄ 、0.03-0.05 % MgSO₄·7H₂O。混合后加水，含水量50-55%。放置12-18小时，调节pH 7.2。装在耐高温的塑料袋中，110 ℃灭菌1小时。

（4）固定化混合菌剂的制备：

将上述一级种子液按比例1:10（v/w）接入处理好的固定化载体中，保持水分50-55%，28-30℃ 条件下吸附、固定、增值3-5天。按上述方法增值3次，即得固定化混合菌剂。

（5）固定化混合菌剂修复稀土污染土壤

    取稀土污染土壤中（稀土总量为267.20mg/kg），加入5%的上述固定化菌剂，保持土壤含水量为25-30%，28-30℃条件下静止放置。以同样的方法做对照组试验，即污染土壤中加入空载体。定期取样测定稀土的残留量。

（6）稀土污染土壤修复效果

    当土壤中的稀土重量为267.20 mg/kg时，经过50d的处理，浓度降低到101.95 mg/kg，吸附率达到61.84 %。在同样的时间内，对照组吸附达到54.72 %。实验结果说明本发明的农作物副产品载体对土著菌体也有较好作用。本发明制备的固定化混合菌剂对修复稀土污染土壤效果是很好的。

（7）固定化混合菌剂的解钾效果

    土壤中原来的速效钾含量占全钾的1.8%，而上述修复的土壤中速效钾的含量占全钾的48.2%，对照组的速效钾的含量占全钾的20.5%。本实验结果说明本发明选用的混合菌种可以释放土壤中的不溶性钾和农作物副产品中残留的钾元素。

（8）胶质芽孢杆菌的保水效果

    在保持土壤含水量为25-30%时，施加水的总量为，加混合菌剂的土壤可比对照组节约50%的水。本实验结果说明，相同条件下，对照组的水分散失的要比加固定化菌剂的快。本发明混合菌剂具有一定的保水作用。

Claims (6)

1.一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：利用硅酸盐混合菌体作为修复稀土污染土壤的混合菌剂，农作物副产品为固定化载体；

所述混合菌体为巨大芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌，所述固定化载体为20-30%麦麸、15-20%糠、40-45%废糖蜜、2-3%豆饼粉、0.05-0.1% K₂HPO₄、0.03-0.05% MgSO₄·7H₂O，

所述方法包括以下步骤：

（1）混合菌剂的富集、驯化，制备一级种子液；

（2）固定化载体的预处理；

（3）修复稀土污染土壤的固定化混合菌剂的固定。

2.根据权利要求1所述的一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：混合菌剂的富集、驯化的步骤还包括菌种母液的制备，

（1-1）配制培养基：葡萄糖10.0 g，KH₂PO₄ 0.2g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，NaCl 3g，CaSO₄·2H₂O 0.2 g，CaCO₃ 5.0 g，牛肉膏3g，蛋白胨5g，去离子水1000 mL，pH7.2，121 ℃灭菌20 min；

（1-2）配制含稀土离子的富集培养基：在上述培养基中加入1.5-2 ml的稀土溶液，使稀土离子总浓度为200-300 mg/L；

（1-3）将菌种按重量比2:1比例接种于上述含有稀土离子的富集培养基中，28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天，待用。

3.根据权利要求1所述的一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：一级种子液的制备还包括以下步骤，

（1-4）配制无机培养基：NaCl 1g，NH₄SO₄ 1g，K₂HPO₄ 1g，MgSO₄·7H₂O 0.1g，

1000 mL去离子水，pH 7.2，121 ℃灭菌20 min；

（1-5）按10%的接种量将上述菌种母液接种到90 mL无机盐培养基的250 mL三角瓶中，其中稀土离子总浓度为200-300 mg/L，在28-30 ℃，160 rpm/min恒温摇床中培养5-7天，以此重复三次即为硅酸盐混合菌液，使菌液为对数生长期，即制备得到一级种子液。

4.根据权利要求1所述的一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述固定化载体的预处理还包括以下步骤，

按比例：20-30%麦麸、15-20%糠、40-45%废糖蜜、2-3%豆饼粉、0.05-0.1% K₂HPO₄ 、0.03-0.05% MgSO₄·7H₂O，混合后加水，含水量50-55%；放置12-18小时，调节pH 7.2，装在耐高温的塑料袋中，110 ℃灭菌1小时。

5.根据权利要求1所述的一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述固定化混合菌剂的固定还包括以下步骤，

将上述一级种子液按比例1:10（v/w）接入处理好的固定化载体中，保持水分50-55%，在28-30℃条件下吸附、固定、增值3-5天；按上述方法增值3次，即得固定化混合菌剂。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种固定化混合菌剂修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述固定化混合菌剂对于土壤中稀土的吸附率达到61.84 %，修复后土壤中速效钾的含量占全钾的48.2%。