CN105127196A

CN105127196A - 一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN105127196A
Application number: CN201510636169.0A
Authority: CN
Inventors: 马新攀
Original assignee: Henan Hang Zhi Patent Services Co Ltd
Current assignee: Hunan province and Qing Environmental Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105127196B

Abstract

本发明提供了一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，将趋磁细菌与重金属污染的土壤混合，灌溉，并在该重金属污染的土壤上设置磁场，收集含有趋磁细菌的重金属污染土壤，淋洗重金属污染土壤，填回；在重金属污染土壤上同时种植竹柳和红菾菜，50~60天后将红菾菜移除；再种植红菾菜，50~60天后移除红菾菜；重复该步骤；1.5~2.5年后将竹柳和红菾菜同时移除，循环重复上述步骤，直至土壤中重金属的含量达到安全标准。本发明与现有技术相比，趋磁细菌易于收集，竹柳生长周期短、对重金属吸收率高；红菾菜易于生长，对镉具有超富集能力；本发明可以同时对多种重金属污染的土壤进行修复，不存在对土壤的二次污染。

Description

一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染土壤治理领域，特别涉及一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤不仅是地球生态圈的重要组成部分，也是人类赖以生存的重要自然资源之一。随着矿产开采、冶炼等工业活动以及污水灌溉、施用污泥和劣质化肥等农业活动的进行，Cd、Pb等有害重金属不断进入土壤环境中，对正常的生产生活造成污染。因此，治理土壤重金属污染对生态文明的设及人类健康的生活具有重要意义。

土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法，如稀释和覆土法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等，传统的修复方法虽然治理效果好，历时较短，但都存在许多缺陷。比如传统治理方法的成本高、不易管理、易造成二次污染等。

微生物修复是利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，从而降低土壤中重金属的毒性。该技术可以使重金属污染物从土壤中去除，对周围环境影响较小，不会产生二次污染，具有的巨大土壤修复潜力。但现有的重金属污染土壤的微生物修复技术存在一定的局限性，如微生物修复持续时间长、见效慢、一般形成络合物降低重金属的危害，并不能将重金属从土壤中除去。

植物修复技术是指利用植物及其根系对土壤污染物的吸收、挥发、转化、降解、固定作用而去除土壤中污染物的修复技术。重金属被植物吸收，如果进入植物可食部分，将危害人类健康。为避免对人体的暴露风险，近年来选择非食用性经济型作物进行植物修复的研究越来越引起关注，但大多数已报道的植物修复方法效果不显著、见效慢、修复效果不稳定，再加上受到气候、土壤环境的限制，使得这些植物的重金属积累量有限，从而在其应用上受到限制。

如上所述，为了更好地治理重金属污染的土壤，急需解决以下技术问题：

1.培养合适的微生物，其对于重金属的吸附能力强、易于分离、生长能力强、对环境适应力强的特点。

2.确定合适的耐性植物与微生物联合使用，该植物具有种植难度低、易于管理、适用于大面积污染土壤、生长迅速、生物量大的特点。

3.避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低廉、修复效果好、不破坏土壤肥力、适用于大面积污染土壤治理的趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

1）将趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度8~11cm的土壤混合均匀，培养50~55天；

2）灌溉步骤1）中重金属污染的土壤，使重金属污染的土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持30~35天；

3）收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚度5~8cm的土壤；

4）用水淋洗步骤3）中收集的重金属污染土壤，重复4~5次，将淋洗过的土壤填回原处；

5）在步骤4）中修复的重金属污染土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；

6）50~60天后将红菾菜整体移除，重新种植新的红菾菜；

7）循环重复执行步骤6），1.5~2.5年后将竹柳和红菾菜全部移除；

8）循环重复执行步骤1）~步骤7），直至土壤中重金属的含量达到国家环境要求的标准。

优选的，所述步骤1）中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染土壤接种5.0×10⁹~2.0×10¹⁰个趋磁细菌。

优选的，所述步骤2）磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~400高斯。

优选的，所述竹柳采用扦插的方法进行栽培，红菾菜采用移苗的方式进行栽培，栽培时将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为65％~75％。

优选的，所述红菾菜的种子用65%~75%的乙醇浸泡6~8h，再用水冲洗干净。

优选的，将所述红菾菜种子在8~12℃的温度下进行培养，种子上面的覆土为0.5～0.7cm，15~20天后将所得幼苗移植到由趋磁细菌初步修复过的重金属污染土壤中。

优选的，所述红菾菜在进行栽培时，选用4~6片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层3~5cm深度种植，株距为10~15cm，行距为40~50cm。

优选的，所述步骤6）中在移除红蕨菜后向重金属污染的土壤中添加有机酸，添加量为1~3mmol/kg。

优选的，所述有机酸为草酸。

本发明的有益效果：

1.趋磁细菌属于革兰氏阴性菌，是专性微好氧、兼性或专性厌氧细菌，具有负趋氧特性，细胞内有沿菌体长轴排列、由膜包被的磁小体颗粒链，在磁场的作用下可以定向运动，而且对重金属有较强的吸附能力；在地磁场的作用下趋磁细菌可以向地下深处移动，由于地磁场的作用力很弱，在土壤表面设置磁场，并通过控制磁场的方向使趋磁细菌集中在小面积内，步骤2）中灌溉重金属污染土壤的目的是降低土壤表层的含氧量，创造有利于趋磁细菌生存的环境。

2.趋磁细菌对重金属离子的吸附是以细胞表面的吸附为主，因此趋磁细菌对重金属的吸附速度很快，在其移动的过程中有效吸附土壤中的重金属，大大降低了土壤中重金属的积累量。

3.本发明步骤4）得到的淋洗液回收重金属，一方面防止重金属在回到土壤或者水体，另一方面回收的重金属具有很高的附加价值，可以增加收益。趋磁细菌的回收率达到90%以上，淋洗液重金属回收率达到99%以上，有利于重金属污染土壤的修复。

4.针对多种重金属元素同时存在时，重金属元素之间存在竞争关系，趋磁细菌对元素的吸附表现出选择性，为了避免重金属离子修复的不彻底，进而选用竹柳和红菾菜进行联合修复，竹柳和红菾菜做为非食用性植物用于修复土壤有效避免了污染物再次进入食物链；竹柳生长迅速，对生长环境的适应性强，且对多种重金属具有耐受性，吸收效率高，可以用于高档家具框材和高档装饰板材；红菾菜的种植难度低，适用于大面积种植，红菾菜对镉具有很强的耐受性和吸附能力，可以用来弥补趋磁细菌和竹柳对镉吸附力低的不足。

5.有机酸与镉形成螯合物可增加镉在土壤中的可溶性，增加红菾菜对镉的吸收。

总之，本发明趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、技术要求低、易于管理、直接将重金属离子去除、不存在二次污染、土壤治理效果好、不进入食物链、不破坏土壤结构、实用性强。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

趋磁细菌的提取方法：将南京锁金村污水处理厂的活性污泥与已经过灭菌降至室温的富集培养基按l：2的体积比混合均匀，放入广口瓶中，用已灭菌的纱布封住瓶口，28℃静置避光培养30d，用趋磁细菌收集器收集趋磁细菌（具体参考：刘琚，周培国，张齐生.趋磁细菌处理含Cu、Zn废水的应用研究[J].环境科技，2013(26)4:20-24）。将收集的趋磁细菌按照10%的接种量，接种到富集培养基，静止避光、23℃下、当菌液浓度达到5.0×10⁹~2.0×10¹⁰个/mL的时候，测定吸附重金属的性能，具体如下：

取菌液10ml，加到100ml的Zn³⁺离子含量50mg/L、Pb²⁺离子含量20mg/L、Cu³⁺离子含量20mg/L的溶液、Cd³⁺离子含量1.2mg/L中28℃下培养2h，测定水中Zn³⁺、Pb²⁺、Cu³⁺和Cd³⁺离子的含量，Zn³⁺、Pb²⁺、Cu³⁺和Cd³⁺离子吸附率分别达到80%以上，即作为本发明的趋磁细菌使用。本发明中的趋磁细菌可以从其它活性污泥或者重金属污染的土壤中分离，也可以使是现有公开的趋磁细菌菌株，只要其吸附率得到要求即可。以下实施例中的所用到的趋磁细菌是按照上述方法筛选到的，不再赘述。

富集培养基的组成为：4500mg/LCHO·HO，1600mg/L(NH₄)SO₄，300mg/LCH₃COONa，1560mg/LFe₂(SO₄)₃，60mg/L钴胺素，2.5ml柠檬酸铁，50mg/LMgSO₄，15mg/LZnSO₄，15mg/LMnSO₄。

采用被重金属污染的土壤厚度为30cm，面积为100m²的土地作为实验田，并将整块实验田进行样方划分，长宽均为5m，每个样方之间留宽为0.4m的垄，每个样方根据对角线原则设置6个采样点。收集试验田表层0~30cm的土壤，阴凉通风晾干，去除杂质。测定土壤pH为6.2，重金属Pb、Cu、Zn和Cd在土壤中的含量分别是：Pb元素的浓度为510mg/kg^-1，Cu元素的浓度为173mg/kg^-1，Zn元素的浓度为582mg/kg^-1，Cd元素的浓度为6.3mg/kg^-1。

根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH=5.5~6.5的情况下，农业用地旱地重金属Pb、Cu、Zn和Cd二级标准值分别为80，50，200和0.3mg/kg，因此，上述整块实验田存在较严重的重金属污染。

实施例1

1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度8cm的土壤均匀混合，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种5.0×10⁹个趋磁细菌，培养50天；

2）灌溉与步骤1）中重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染土壤上面放置磁铁形成磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为200高斯，保持30天；

3）收集步骤2）重金属污染土壤表层厚度5cm的土壤；

4）用水淋洗步骤3）收集的重金属污染土壤，重复淋洗4次，使吸附有重金属离子的趋磁细菌与重金属污染土壤分离，将淋洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；

5）将红菾菜的种子用65%的乙醇浸泡8h，再用水冲洗干净；然后，将红菾菜的种子在8℃的温度下培养，种子上面的覆土厚0.5cm，培养15天；

6）在步骤4）重金属污染土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；竹柳采用扦插的方法栽培，株距为20cm，行距为40cm；红菾菜种植在每两行竹柳之间，选用4片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层3cm深度种植，株距为10cm，行距为40cm；栽培竹柳和红菾菜时，先将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为65％；

7）60天后，向步骤6）重金属污染土壤中添加1mmol/kg草酸，然后将红菾菜整体移除；

8）按照步骤6）继续种植红菾菜；

9）循环重复执行步骤7）和步骤8）9次后，将竹柳和红菾菜全部移除；

10）循环重复执行步骤1）～步骤9）4次。

结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至6.3，重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别为75.32、48.36、159.31和0.27mg/kg，土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别下降了81.62%，72.05%，72.62%和95.71%。

实施例2

1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度9cm的土壤均匀混合，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种1.0×10¹⁰个趋磁细菌，培养52天；

2）灌溉与步骤1）中重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染土壤上面设置通电线圈形成磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为250高斯，保持32天；

3）收集步骤2）重金属污染土壤表层厚度6cm的土壤；

4）用水淋洗步骤3）收集的重金属污染土壤，重复淋洗5次，使吸附有重金属离子的趋磁细菌与重金属污染土壤分离，将淋洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；

5）将红菾菜的种子用70%的乙醇浸泡7h，再用水冲洗干净；然后，将红菾菜的种子在9℃的温度下培养，种子上面的覆土厚0.6cm，培养18天；

6）在步骤4）重金属污染土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；竹柳采用扦插的方法栽培，株距为21cm，行距为45cm；红菾菜种植在每两行竹柳之间，选用5片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层4cm深度种植，株距为12cm，行距为45cm；栽培竹柳和红菾菜时，先将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为70％；

7）55天后，向步骤6）重金属污染土壤中添加2mmol/（kg土）草酸，然后将红菾菜整体移除；

8）按照步骤6）继续种植红菾菜；

9）循环重复执行步骤7）和步骤8）12次后，将竹柳和红菾菜全部移除；

10）循环重复执行步骤1）～步骤9）3次。

结果显示：相比较于原土壤，土壤pH为6.1，重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别为65.81、42.12、134.61和0.21mg/kg，土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别下降了83.95%，75.65%，76.87%和96.67%。

实施例3

1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度11cm的土壤均匀混合，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种2.0×10¹⁰个趋磁细菌，培养55天；

2）灌溉与步骤1）中重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染土壤上面放置磁铁形成磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为400高斯，保持35天；

3）收集步骤2）重金属污染土壤表层厚度8cm的土壤；

5）将红菾菜的种子用75%的乙醇浸泡6h，再用水冲洗干净；然后，将红菾菜的种子在12℃的温度下培养，种子上面的覆土厚0.7cm，培养20天；

6）在步骤4）重金属污染土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；竹柳采用扦插的方法栽培，株距为25cm，行距为50cm；红菾菜种植在每两行竹柳之间，选用6片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层5cm深度种植，株距为15cm，行距为50cm；栽培竹柳和红菾菜时，先将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为75％；

7）60天后，向步骤6）重金属污染土壤中添加3mmol/kg土草酸，然后将红菾菜整体移除；

8）按照步骤6）继续种植红菾菜；

9）循环重复执行步骤7）和步骤8）15次后，将竹柳和红菾菜全部移除；

10）循环重复执行步骤1）～步骤9）2次。

结果显示：相比较于原土壤，土壤pH为6.2，重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别为45.51、35.13、95.61和0.15mg/kg，土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的浓度分别下降了88.90%，79.69%，83.57%和97.62%。

从实施例1~3的修复结果可知，在重金属污染土壤中趋磁细菌和竹柳、红菾菜经过5~6年的联合修复，能够明显降低土壤中Pb、Cu、Zn和Cd重金属的含量，使土壤中Pb、Cu、Zn和Cd重金属的含量达到安全标准，解决了重金属吸收效率低下、重金属修复元素单一、修复时间太长、植物难以存活的难题，同时也避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。

为了突出本发明的创新点，使本领域的技术人员能够充分理解本发明，现列举本发明在试验阶段或采用现有技术的对比实施例，并对其与本发明的实施例进行效果说明。

对比例1

在上述试验田中仅实施趋磁细菌，将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层厚度为18cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种4.0×10¹⁰个趋磁细菌，培养60天；灌溉上述重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面放置磁铁形成磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为200高斯，保持56天；收集表层厚度为8cm的重金属污染土壤；用清水淋洗收集的重金属污染土壤，重复淋洗8次，然后将淋洗过的土壤填回原处；循环重复执行上述步骤10次，对土壤pH值和重金属Pb、Cu、Zn和Cd的含量进行测定。

对比例2

在上述试验田中实施趋磁细菌和种植竹柳。

3）收集步骤2）重金属污染土壤表层厚度8cm的土壤；

4）用水淋洗步骤3）收集的重金属污染土壤，重复淋洗5次，使吸附有重金属离子的趋磁细菌与重金属污染土壤分离，将淋洗过的土壤填回原处；

5）将步骤4）重金属污染土壤一次性浇透，采用扦插的方法种植竹柳，株距为25cm，行距为50cm；并保持土壤含水量为75％；

6）3年后，将竹柳全部移除；

7）循环重复执行步骤1）～步骤6）4次。

检测土壤pH值和土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的含量。

对比例3

在上述试验田中实施趋磁细菌和种植红菾菜。

3）收集步骤2）重金属污染土壤表层厚度8cm的土壤；

6）将步骤4）重金属污染土壤一次性浇透，选用6片叶的红菾菜幼苗倾斜30度埋入土壤表层5cm深度种植，株距为15cm，行距为50cm；之后保持土壤含水量为75％；

8）按照步骤6）继续种植红菾菜；

9）循环重复执行步骤7）和步骤8）15次后，将红菾菜全部移除。

检测土壤pH值和土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的含量。

对比例4

在上述试验田中同时种植竹柳和红菾菜。

1）将红菾菜的种子用75%的乙醇浸泡6h，再用水冲洗干净；然后，将红菾菜的种子在12℃的温度下培养，种子上面的覆土厚0.7cm，培养20天；

2）在重金属污染的土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；竹柳采用扦插的方法栽培，株距为25cm，行距为50cm；红菾菜种植在每两行竹柳之间，选用6片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层5cm深度种植，株距为15cm，行距为50cm；栽培竹柳和红菾菜时，先将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为75％；

3）60天后，向步骤2）重金属污染土壤中添加3mmol/kg土草酸，然后将红菾菜整体移除；

4）按照步骤2）继续种植红菾菜；

5）循环重复执行步骤2）～步骤4）15次后，将竹柳和红菾菜全部移除；

6）循环重复执行步骤1）～步骤5）3次。

检测土壤pH值和土壤中重金属Pb、Cu、Zn和Cd的含量。

土壤治理效果：

根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH=5.5~6.5的情况下，农业用地旱地重金属Pb、Cu、Zn和Cd二级标准值分别为80，50，200和0.3mg/kg，对本发明实施例1~3及对比例1~4所述重金属污染的土壤治理方法的效果从土壤pH值和重金属最终含量（mg/kg）两个方面进行评价和检验，如表1所示。

表1实施例和对比例的检测结果

由表1可以看出，1）对比实施例1~3，经过5~6年的修复后土壤中重金属的含量均在国家土壤环境质量标准二级标准值以下，在很短的时间内即可完成对土壤重金属的修复；2）对比例1~4与实施例3相比，不论减少哪一个治理步骤，对土壤的治理效果均会下降，表明各种治理方法之间的协同调节作用是密不可分的；3）对比例2与实施例3相比，在竹柳种植条件和趋磁细菌处理方式一样的条件下，增加竹柳的种植时间、增加趋磁细菌的添加量，但没有种植红菾菜的情况下，镉的含量去除率很低；4）对比例3～4与实施例3相比，在缺少竹柳或趋磁细菌的情况下，土壤的重金属含量均达不到国家土壤环境质量标准。

本发明一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法所述及的各项权利要求及技术支撑已经明确，凡依据本发明的技术支撑实质所作的任何修改与变化仍属于本发明技术支撑的范围内。

Claims

1.一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度8~11cm的土壤混合均匀，培养50~55天；

灌溉步骤1）中重金属污染的土壤，使重金属污染的土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持30~35天；

收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚度5~8cm的土壤；

用水淋洗步骤3）中收集的重金属污染土壤，重复4~5次，将淋洗过的土壤填回原处；

在步骤4）中修复的重金属污染土壤上面同时种植竹柳和红菾菜；

50~60天后将红菾菜整体移除，重新种植新的红菾菜；

循环重复执行步骤6），1.5~2.5年后将竹柳和红菾菜全部移除；

循环重复执行步骤1）~步骤7），直至土壤中重金属的含量达到国家环境要求的标准。

2.如权利要求1所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤1）中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染土壤接种5.0×10⁹~2.0×10¹⁰个趋磁细菌。

3.如权利要求1所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤2）磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~400高斯。

4.如权利要求1所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述竹柳采用扦插的方法进行栽培，红菾菜采用移苗的方式进行栽培，栽培时将土壤一次性浇透，之后保持土壤含水量为65％~75％。

5.如权利要求4所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述红菾菜的种子用65%~75%的乙醇浸泡6~8h，再用水冲洗干净。

6.如权利要求5所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述红菾菜种子在8~12℃的温度下进行培养，种子上面的覆土为0.5～0.7cm，15~20天后将所得幼苗移植到由趋磁细菌初步修复过的重金属污染土壤中。

7.如权利要求4~6任一项所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述红菾菜在进行栽培时，选用4~6片叶的幼苗倾斜30度埋入土壤表层3~5cm深度种植，株距为10~15cm，行距为40~50cm。

8.如权利要求1所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤6）中在移除红蕨菜后向重金属污染的土壤中添加有机酸，添加量为1~3mmol/kg。

9.如权利要求8所述一种趋磁细菌和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述有机酸为草酸。