CN104028550B - 利用碱蓬与固定化微生物菌剂耦合修复稀土污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定化混合菌剂加上碱蓬的吸附污染物来修复稀土污染土壤的技术及制备方法。该方法是利用碱蓬对稀土的高吸附性与固定化微生物混合菌相互耦合，来吸附稀土达到修复被稀土污染土壤的效果。联合的固定化菌剂，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剂，采用农作物副产品为固定化载体。上述碱蓬与微生物菌剂联合对于土壤中稀土的吸附率达到68.91%。本发明选用植物与微生物菌剂耦合方式来吸附土壤污染，具有低碳、环保，环境友好，并且对原生地不造成破坏，可使用于大面积的污染治理等优点。

Description

利用碱蓬与固定化微生物菌剂耦合修复稀土污染的方法

技术领域

本发明涉及一种利用碱蓬与固定化微生物菌剂耦合来修复稀土污染土壤的技术，具体来说是一种固定化混合菌剂加上碱蓬的吸附污染物来修复稀土污染土壤的技术及制备方法。

背景技术

稀土金属又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE表示。在稀土农用方面，我国稀土农用始于1972年，30多年来取得了举世瞩目的成绩，首先,稀土能促进种子萌发，稀土能明显提高种子发芽力和活力,促进种子中的蛋白质和脂肪降解,促进胚芽对可溶性糖的吸收,提高种子淀粉酶活性,从而达到促进种子萌发的目的，另外，稀土还能促进植物根系的活力,还可以提高作物的抗病虫害能力，可使肥料利用效率提高34%以上,不仅极大地减少了农药的损失和浪费,还有效解决了农药残留导致的食品安全性问题。然而，稀土在带来经济效益的同时，也对稀土农用产生了一定的影响，虽然实验证明稀土能提高作物的抗逆性,并能减少重金属在作物体内的富集,但在使用不当的情况下,会引起稀土元素在作物、动物乃至人体中的富集和危害，这是因为稀土元素存在Hormesis现象,即低剂量时对生物体产生有益反应(刺激作用),而高剂量时则产生有害反应(抑制作用),也即“低促高抑”，而该地区正好处在稀土高含量区。实验证明，农作物吸收稀土的能力与土壤可给态稀土含量间呈正相关,作物体各部位稀土含量分布一般根>叶>茎>果实;单一稀土在根部的分布特征是La³⁺>Ce³⁺>Nd³⁺>Y³⁺>Gd³⁺,在叶、茎、果实的分布特征是Ce³⁺>La³⁺>Nd³⁺>Y³⁺>Gd3+,说明轻稀土较重稀土易被作物吸收;作物在不同生长期吸收稀土的能力为幼苗期>分枝期>成熟期。在稀土矿产开发方面，随着经济的日益增长和稀土价值的不断提升，工业上对稀土的开发也越来越扩大，所以，稀土矿产资源的污染也日趋严重，治理稀土污染迫在眉睫，首当其冲的就是治理被稀土污染的土壤。

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。而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。其中，微生物修复这种方法研究的最多,一般是根据土壤污染状况,富集、驯化污染土壤中的土著微生物,或人工接种具有降解能力的高效微生物,以研究土壤微生物受土壤污染的影响变化,及土壤的污染物含量变化。

在我们调研及取样的过程中发现，该地区的植被种类甚少，但是一种草本植物——碱蓬，却在该地区覆盖面积较广，生长趋势良好；碱蓬：藜科、碱蓬属一年生草本，茎直立，圆柱形，高达30～100厘米，花单生或2～3朵有柄簇生于叶腋的短柄上，呈团伞状，花被于果期呈五角星状，是典型盐生植物，其栽培技术比较粗放，主要分布于东北、西北、华北和河南、山东、江苏、浙江等地。

在微生物菌剂的选择方面，考虑到综合效应，我们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。这两种混合菌剂对于土壤中稀土的吸附率达到50.48%，修复后土壤中速效钾的含量占全钾的48.2%。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。

本发明采用的是利用碱蓬与固定化微生物菌剂耦合修复法，该方法是利用碱蓬对稀土的高吸附性与固定化之后的微生物混合菌相互耦合，来吸附稀土达到修复被稀土污染土壤的效果。

为解决上述问题，发明人发明了一种利用碱蓬与固定化混合菌剂耦合作用来修复稀土污染土壤的技术。植物以碱蓬作为标本植物，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，制备植物与固定化混合菌剂耦合用以修复稀土污染土壤。

发明内容

本发明为克服植物与微生物菌剂耦合程度上，植物生长时，通过根系提供了微生物旺盛的生活场所；反过来，微生物的旺盛生长，增强了对污染物的降解，促使植物有更加优越的生长空间，这样的植物－微生物联合体系就促进了污染物的快速降解、矿化。

一种利用碱蓬与微生物菌剂联合修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，

（一）采集尾矿库周边稀土污染的土壤，灭菌后，测量其中的稀土含量；

（二）取碱蓬幼苗若干，植株高低大体一致，等量分成9份，每份5株；

（三）取制作好的固定化混合菌，等量分成9份，待用；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，培养混合菌种一级种子液，将一级种子液按比例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、增殖3-5天；按上述方法增殖3次，即得固定化混合菌剂；

（四）将灭菌的箱子分成3组，每组3个，将步骤（一）中准备好的土壤装入箱子中；a组使用碱蓬与微生物菌剂耦合种植；b组仅种植碱蓬；c组仅使用经驯化过的固定化微生物菌剂；

（五）将步骤（四）的箱子放置在室温下培养，在培养过程中的第30、60、90天分别取样，取箱子中的土壤、植物、微生物，测量土壤中的稀土含量、植物中的稀土含量。

所述土壤优选为稀土污染的盐碱土。

本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明选用植物与微生物菌剂耦合方式来吸附土壤污染，其具有利用太阳能作驱动力；能量消耗和费用少；对环境的破坏小；可使用于大面积的污染治理等优点。

（2）本发明同时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。为碱蓬创造了更好的生活环境，促进其生长，从而提高吸附能力。

（3）本发明采用植物-微生物耦合修复污染土壤，比物理化学法的处理费用低、对环境影响小、效率高，而且不会造成二次污染。

（4）本发明的操作工艺简单，生产成本低。

附图说明

图1是本发明实施例1的碱蓬与固定化细胞耦合修复稀土污染土壤的效果。

图2是本发明实施例1的碱蓬与固定化细胞耦合吸附稀土离子的效果。

具体实施方式

实施例1：

a、将预处理好的稀土污染土壤装到宽80cm，长150cm的箱子中，取培养好的碱蓬幼苗（15cm左右），移植到稀土污染土壤中。每株幼苗间隔30cm，利于分支的生长。

b、将制备好的固定化菌剂1:10v/w撒到a步骤制备好的箱子中，保持水分20-30%，温度28℃，培养90天，每隔10天测定土壤中的稀土残余量，在幼苗期、分支期和成熟期测定碱蓬中的稀土总量。生长期间，无需施肥，因固定化载体为农作物副产品，而所选固定化混合菌还具有解磷，解钾的作用，可以释放载体中的磷和钾等元素，足够植物生长了。

实施例2：

a、取碱蓬的种子，培养至种子发芽，将发芽的种子移载到预处理好的稀土污染土壤中。保持水分20-30%，温度28℃。计算成活率。培养到幼苗生长到15cm左右。

b、将制备好的固定化菌剂1:10v/w撒到a步骤制备好的箱子中，保持水分20-30%，温度28℃，培养120天（培养时间加长主要是增加了碱蓬从发芽到长幼苗高15cm的时间），每隔10天测定土壤中的稀土残余量，在幼苗期、分支期和成熟期测定碱蓬中的稀土总量。生长期间，无需施肥，因固定化载体为农作物副产品，而所选固定化混合菌还具有解磷，解钾的作用，可以释放载体中的磷和钾等元素，足够植物生长了。

比较例1-1

将预处理好的稀土污染土壤装到宽80cm，长150cm的箱子中，取培养好的碱蓬幼苗（15cm左右），移植到稀土污染土壤中。每株幼苗间隔30cm，利于分支的生长。

比较例1-2

a、将预处理好的稀土污染土壤装到宽80cm，长150cm的箱子中。

b、将制备好的固定化菌剂1:10v/w撒到a步骤制备好的箱子中，保持水分20-30%，温度28℃，培养90天，每隔10天测定土壤中的稀土残余量，在幼苗期、分支期和成熟期测定碱蓬中的稀土总量。生长期间，无需施肥，因固定化载体为农作物副产品，而所选固定化混合菌还具有解磷，解钾的作用，可以释放载体中的磷和钾等元素，足够植物生长了。

比较例2-1

将预处理好的稀土污染土壤装到宽80cm，长150cm的箱子中。取碱蓬的种子，培养至种子发芽，将发芽的种子移载到箱子中。保持水分20-30%，温度28℃，培养到幼苗生长到15cm左右。计算成活率。

比较例2-2

a、将预处理好的稀土污染土壤装到宽80cm，长150cm的箱子中。

b、将制备好的固定化菌剂1:10v/w撒到a步骤制备好的箱子中，保持水分20-30%，温度28℃。培养120天（培养时间加长主要是增加了碱蓬从发芽到长幼苗高15cm的时间。）每隔10天测定土壤中的稀土残余量，在幼苗期、分支期和成熟期测定碱蓬中的稀土总量。生长期间，无需施肥，因固定化载体为农作物副产品，而所选固定化混合菌还具有解磷，解钾的作用，可以释放载体中的磷和钾等元素，足够植物生长了。

稀土污染土壤的修复效果：

（1）用ICP-MS测得土壤稀土总量为272.30mg/kg。

（2）按上述实施例和比较例的方法修复稀土污染土壤，修复结果如表1所示。

表1

组别	碱蓬成活率	处理90d/120d后土壤稀土残余量mg/kg	碱蓬稀土总量mg/g	稀土去除率
					实施例1	96 %	83.79	1.102	69.23 %
比较例1-1	83 %	236.65	0.902	13.09 %
					比较例1-2		135.49		50.24 %
实施例2	100 %	84.65	1.068	68.91%
					比较例2-1	99 %	238.56	0.854	12.39 %
比较例2-2		134.84		50.48 %

（3）上述稀土污染土壤的修复结果说明：

①由实施例和比较例可以看出，添加固定化菌剂，可以提高碱蓬的成活率。尤其是从发芽期开始种植的碱蓬效果更明显（表1中的实施例1和实施例2，从发芽期开始加上固定化菌剂之后，成活率为100%）。表1中实施例的碱蓬均比比较例的植株生长旺盛，说明添加固定化菌剂可以促使碱蓬更好的生长。

②碱蓬与固定化微生物菌剂联合来修复稀土污染土壤的效果要比单一的碱蓬或固定化微生物菌剂修复方法效果好。碱蓬与固定化微生物菌剂联合来修复稀土污染土壤，稀土的去除率可高达69.23%，比单一的固定化菌剂修复稀土污染土壤的稀土去除率高约19个百分点。

Claims (3)

1.一种利用碱蓬与微生物菌剂联合修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，

（一）采集尾矿库周边稀土污染的土壤，灭菌后，测量其中的稀土含量；

（二）取碱蓬幼苗若干，植株高低大体一致，等量分成9份，每份5株；

（三）取制作好的固定化混合菌，等量分成9份，待用；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，培养混合菌种一级种子液，将一级种子液按比例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、增殖3-5天；按上述方法增殖3次，即得固定化混合菌剂；

（四）将灭菌的箱子分成3组，每组3个，将步骤（一）中准备好的土壤装入箱子中；a组使用碱蓬与微生物菌剂耦合种植；b组仅种植碱蓬；c组仅使用经驯化过的固定化微生物菌剂；

（五）将步骤（四）的箱子放置在室温下培养，在培养过程中的第30、60、90天分别取样，取箱子中的土壤、植物、微生物，测量土壤中的稀土含量、植物中的稀土含量。

2.根据权利要求1所述的利用碱蓬与微生物菌剂联合修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述方法的稀土去除率最高可达69.23%。

3.根据权利要求1所述的利用碱蓬与微生物菌剂联合修复稀土污染土壤的方法，其特征在于：所述稀土污染土壤为稀土污染的盐碱土。