CN105149345A - 一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，具体包括，1）将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，接种趋磁细菌，翻耕；2）灌溉重金属污染土壤，设置磁场；3）收集重金属污染土壤的表层，用水淋洗收集的重金属污染土壤；4）在重金属污染的土壤中种植禾本科植物；5）拔除幼穗；6）移除禾本科植物；7）将移除的禾本科植物经过处理制得生物炭混合物后施入种植过禾本科植物的重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化；8）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。本发明土壤治理效果好、成本低廉、安全可靠、实用性强。

Description

一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法
技术领域
本发明涉及污染土壤治理领域，特别涉及一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法。
背景技术
土壤污染是由于土壤中含有的有害物质过多，超过了土壤的自净能力，从而引起了土壤的组成、结构和功能发生变化，有害物质在土壤中逐渐累积，通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度。土壤重金属污染主要包括汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）和类金属砷（As）等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）等元素，重金属污染元素在土壤中移动性差、滞留时间长、只能发生形态的转变和迁移，不能被微生物降解。历史上发生的“骨痛病”和“水俣病”就是由于重金属污染而致病的典型案例。因此，探索土壤重金属污染的有效修复方法成为当务之急。
目前，土壤重金属污染治理途径主要有两种，一是改变重金属在土壤中的存在状态，使其由活化态转为稳定态；二是从土壤中除去重金属。方法主要有工程物理化学法，包括：客土法、冲洗络合法、电动化学法、热处理法等，不适合污染面积较大的土壤；生物修复法包括：植物修复、微生物修复和动物修复等，植物和低等动物修复法对土壤修复的效果不太显著；微生物修复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。
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，在地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。目前，国内外已有关于趋磁细菌吸附水体中重金属的研究，但是对于趋磁细菌修复重金属污染的土壤尚未见报道。
植物修复技术是利用植物及其根际微生物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。目前已经发现很多植物可同时对多种重金属有强大的富集能力，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。
生物炭天然的多孔结构对有毒重金属具有较强的吸附力，通过吸附固定作用使有毒物质固定在炭的微孔表面上，从而降低这些污染物在土壤中的化学活性和毒性，达到长效地修复污染土壤的目的。生物炭施到土壤，从一定程度上还能增加土壤有机物质、提高土壤肥力、使作物增产。
如上所述，为了更好地治理重金属金属污染土壤，急需解决以下技术问题：
1.确定合适的耐性作物，其具有种植难度低、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。
2.克服耐性作物的重金属吸收效率低下、重金属修复元素单一、修复时间太长、存活率低的难题。
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，提供一种可回收形趋磁细菌微生物和种植难度低、耐受性强、不进入食物链的植物及能够提高土壤肥力、改善土壤结构的生物炭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：
一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，包括以下步骤：
1)将趋磁细菌液体培养基添加到重金属污染的土壤中，接种趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚10~12cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
2)培养45~50天，在重金属污染土壤表层3~5cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持29~34天；
3)收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚4~6cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗2~4次，填回；
4)选择禾本科植物种植在步骤3）重金属污染土壤中，禾本科植物包括玉米和/或小麦；
5)当植物的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在植物生长的拔节期、抽穗期及灌浆期施入灌溉和肥料；
6)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
7)将生物炭基肥施入步骤4）种植过禾本科植物的重金属污染土壤中，混合均匀，陈化70~80天；
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安全标准。
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的土壤中接种7.0×108~5.0×109个趋磁细菌。
优选的，所述步骤1）中液体培养基添加量每平方米重金属污染土壤喷施50～80ml液体培养基。
优选的，所述步骤2）液体培养基添加量为每平方米重金属污染土壤喷施30～50ml液体培养基。
优选的，所述步骤2）磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~300高斯。
优选的，所述生物炭基肥由75~79重量份生物炭与1~1.5重量份的氯化钠、2~2.8重量份的硫酸镁、3~4重量份的硝酸钾、3~3.6重量份的硫酸钙、5~8重量份的尿素和6~7重量份的煤渣混合到一起并搅拌均匀获得。
优选的，所述生物炭为步骤6）移除的禾本科植物制成的，生物炭用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比1~2.5：1的混合后酸洗1~3h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后烘干。
优选的，所述生物炭基肥的施入量为每平方米重金属污染土壤加入6-10g生物炭基肥。
优选的，所述生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为3~5mm的颗粒。
优选的，所述禾本科植物采用播种的方式种植，所述禾本科植物的种子由15%~20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种。
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3）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.禾本科植物对重金属有较强的富集作用，对生长环境的适应性强，适用于大面积种植，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，最大限度的减少了修复土壤中可引起的二次污染。
5.本发明采用治理过重金属污染土壤的禾本科植物的茎叶、根等有机废物制备生物炭，充分利用了植物废弃有机体，成本低廉，所得生物炭均用酸洗一段时间后，通过去离子水的反复浸洗至中性，然后烘干，将炭化物质与含有重金属的溶液分离，可以对重金属进行回收再利用。
6.趋磁细菌、生物炭和植物三者联合修复重金属污染土壤的方法，能发挥趋磁细菌与生物炭的吸附和植物的修复作用，生物炭的施加可以维持和改良土壤理化性质、吸附固定土壤中的各种重金属，将土壤中的重金属改性为可供趋磁细菌和植物吸收的可提取态，而且在一定程度上可以增加农作物产量，三者协同作用将极大的加速了重金属污染土壤的生物修复进程。
总之，本发明趋磁细菌、生物炭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、技术要求不高、种植难度低、易于管理、适用于大面积污染土壤的治理、土壤治理效果好、实用性强的特点。
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7.0×108~5.0×109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Pb2+离子含量20mg/L、Cd3+离子含量0.1mg/L、Zn3+离子含量40mg/L、Cu3+离子含量10mg/L、Fe3+离子含量50mg/L的溶液中28℃下培养2h，测定水中Pb2+、Cd3+、Zn3+、Cu3+和Fe3+离子的含量，Pb2+、Cd3+、Zn3+、Cu3+和Fe3+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。
趋磁细菌的液体培养基（或者富集培养基）组成：4000mg/LCHO·HO，1500mg/L(NH4)SO4，200mg/LCH3COONa，1500mg/LFe2(SO4)3，50mg/L钴胺素，2ml/L柠檬酸铁，30mg/LMgSO4，10mg/LZnSO4，10mg/LMnSO4。
将被重金属污染厚度为50cm，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0~50cm的土壤，阴凉通风晾干，去除杂质。测定土壤pH为6.3，重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe在土壤中的含量分别是：Pb元素的浓度为200mg/kg-1，Cd元素的浓度为1mg/kg-1，Zn元素的浓度为400mg/kg-1，Cu元素的浓度为156mg/kg-1，Fe元素的浓度为523mg/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、Cd、Zn和Cu二级标准值分别为80、0.3、200和50mg/kg，土壤中Fe的平均值为297mg/kg；因此，上述整块实验田存在较严重的重金属污染。
生物炭以稻壳、秸秆或在重金属污染的土壤中种植后收获的禾本科植株丢弃物（根、茎、叶等）为炭源制得，其中pH为7.9，比表面积为4.5~230m2/g，中孔比表面积为3.0~150m2/g，孔容积为0.045~0.500ml/g，中孔容积为0.002~0.350ml/g，收率为45~65%。
实施例1
1)将趋磁细菌液体培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌液体培养基添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加50mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种7.0×108个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚10cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
2)培养45天；在重金属污染土壤表层3cm厚的土壤里添加趋磁细菌液体培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加30mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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29天；
3)收集步骤2）重金属污染土壤表层厚4cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗2次，将淋洗过的重金属污染土壤填回，淋洗液回收重金属；
4)选择品种为广东农业科学研究院研制的超甜38号的玉米，将该玉米种子用15%%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
5)在春季，在步骤3）重金属污染土壤中播种玉米种子，播种密度为：株距30cm×行距40cm，灌溉；
6)当玉米的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在玉米生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
7)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
8)将移除的玉米废弃物在80℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
9)将步骤8）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比1：1的混合比混合后酸洗1h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
10)将75重量份步骤9）所得生物炭与1重量份的氯化钠、2重量份的硫酸镁、4重量份的硝酸钾、3重量份的硫酸钙、8重量份的尿素、6重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为1mm的颗粒；
11)将生物炭基肥施入到步骤7）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化70天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为0.5：100；
12)循环重复执行步骤1）~步骤11)4次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至6.9，重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别为79.21、0.29、189.91、48.63和253.64mg/kg，土壤中重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别下降了60.40%，71%，52.52%，68.83%，51.50%。
实施例2
1)将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌培养基添加比例为每克重金属污染的土壤中添加80mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种2.0×109个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚11cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
2)培养47天；在重金属污染土壤表层4cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加50mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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265高斯，保持31天；
3)收集步骤2）重金属污染土壤表层厚5cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗3次，将淋洗过的重金属污染土壤填回，淋洗液回收重金属；
4)选择品种为广东农业科学研究院研制的超甜38号的玉米，将该玉米种子用16%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
5)在春季，在步骤3）重金属污染土壤中播种玉米种子，播种密度为：株距30cm×行距40cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
6)当玉米的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在玉米生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
7)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
8)将移除的玉米废弃物包括根、径、叶炭化处理，并将有机炭产物在90℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
9)将步骤8）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比1.5：1的混合比混合后酸洗2h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
10)将77重量份步骤9）所得生物炭与1.2重量份的氯化钠、2.3重量份的硫酸镁、3.5重量份的硝酸钾、3.2重量份的硫酸钙、7重量份的尿素、6.5重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为1.5mm的颗粒；
11)将生物炭基肥施入到步骤7）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化75天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为2：100；
12)循环重复执行步骤1）~步骤11)3次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.2，重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别为71.27、0.19、143.28、41.29和189.34mg/kg，土壤中重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别下降了64.37%，81%，64.18%，73.53%，63.80%。
实施例3
1)将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌培养基添加比例为每克重金属污染的土壤中添加60mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种5.0×109个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚12cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
2)培养50天；在重金属污染土壤表层5cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加40mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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300高斯，保持34天；
3)收集步骤2）重金属污染土壤表层厚6cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗4次，将淋洗过的重金属污染土壤填回，淋洗液回收重金属；
4)选择品种为矮抗58的小麦，将该小麦种子用20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
5)在秋季，在步骤3）重金属污染土壤中播种小麦种子，播种密度为：株距10cm×行距8cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
6)当小麦的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在小麦生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
7)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
8)将移除的小麦废弃物包括根、径、叶炭化处理，并将有机炭产物在100℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
9)将步骤8）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比2.5：1的混合比混合后酸洗3h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
10)将79重量份步骤9）所得生物炭与1.5重量份的氯化钠、2.8重量份的硫酸镁、3重量份的硝酸钾、3.6重量份的硫酸钙、5重量份的尿素、7重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为2mm的颗粒；
11)将生物炭基肥施入到步骤7）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化80天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为3：100；
12)循环重复执行步骤1）~步骤11)2次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.1，重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别为69.95、0.21、120.03、45.61和123.67mg/kg，土壤中重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别下降了65.03%，79%，69.99%，70.76%，76.35%。
实施例4
1)将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌培养基添加比例为每克重金属污染的土壤中添加80mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种5.0×109个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚12cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
2)培养50天；在重金属污染土壤表层5cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加50mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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300高斯，保持34天；
3)收集步骤2）重金属污染土壤表层厚6cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗4次，将淋洗过的重金属污染土壤填回，淋洗液回收重金属；
4)选择品种为矮抗58的小麦，将该小麦种子用20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
5)在秋季，在步骤3）重金属污染土壤中播种小麦种子，播种密度为：株距10cm×行距8cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
6)当小麦的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在小麦生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
7)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
8)将移除的小麦废弃物包括根、径、叶炭化处理，并将有机炭产物在100℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
9)将步骤8）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比2.5：1的混合比混合后酸洗3h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
10)将79重量份步骤9）所得生物炭与1.5重量份的氯化钠、2.8重量份的硫酸镁、3重量份的硝酸钾、3.6重量份的硫酸钙、5重量份的尿素、7重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为2mm的颗粒；
11)将生物炭基肥施入到步骤7）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化80天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为3：100；
12)选择品种为广东农业科学研究院研制的超甜38号的玉米，将该玉米种子用15%%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
13)在夏季，在步骤11）重金属污染土壤中播种玉米种子，播种密度为：株距30cm×行距40cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
14)玉米的种植和后处理过程与步骤6）~11）相似；
15)循环重复执行步骤4）~步骤11)2次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.3，重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别为71.59、0.13、101.67、39.28和213.69mg/kg，土壤中重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的浓度分别下降了64.21%，87%，74.58%，74.82%，59.14%。
从实施例1~4的修复结果可知，在重金属污染土壤中趋磁细菌、玉米或小麦、生物炭经过2~4年的联合修复，能够明显降低土壤中Pb、Cd、Zn、Cu和Fe重金属的含量，使土壤中Pb、Cd、Zn、Cu和Fe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、细菌存活率低的难题，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。
将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌培养基添加比例为每克重金属污染的土壤中添加50mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种9.0×1010个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚12cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；培养55天，在重金属污染土壤表层5cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加30mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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32天；收集上述重金属污染土壤表层厚4cm的土壤，用水淋洗，重复淋洗3次，然后将清洗过的土壤填回原处；循环重复执行上述步骤10次，测定土壤的pH值和重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的含量。
对比例2
在上述试验田中先种植玉米，再施入趋磁细菌和生物炭。
1)选择品种为广东农业科学研究院研制的超甜38号的玉米，将该玉米种子用15%%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
2)在春季，在重金属污染土壤中播种玉米种子，播种密度为：株距30cm×行距40cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
3)当玉米的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在玉米生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
4)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
5)将趋磁细菌培养基添加到重金属污染的土壤中，趋磁细菌培养基添加比例为每克重金属污染的土壤中添加50mL趋磁细菌液体培养基，并在每平方米重金属污染的土壤中接种7.0×108个趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤的表层厚10cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
6)培养45天；在重金属污染土壤表层3cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，添加比例为每千克重金属污染的土壤中添加30mL趋磁细菌液体培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在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29天；
7)收集步骤6）重金属污染土壤表层厚4cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗2次，将淋洗过的重金属污染土壤填回；
8)将移除的玉米废弃物包括根、径、叶炭化处理，并将有机炭产物在80℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
9)将步骤8）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比1：1的混合比混合后酸洗1h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
10)将75重量份步骤9）所得生物炭与1重量份的氯化钠、2重量份的硫酸镁、4重量份的硝酸钾、3重量份的硫酸钙、8重量份的尿素、6重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为1mm的颗粒；
11)将生物炭基肥施入到步骤7）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化70天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为0.5：100；
12)循环重复执行步骤1）~步骤11)4次。
测定土壤的pH值和重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe的含量。
对比例3
在上述试验田中仅种植玉米和小麦。
1)选择品种为矮抗58的小麦，将该小麦种子用20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
2)在秋季，在重金属污染土壤中播种小麦种子，播种密度为：株距10cm×行距8cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
3)当小麦的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在小麦生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
4)当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
5)将移除的小麦废弃物包括根、径、叶炭化处理，并将有机炭产物在100℃下烘干、粉碎，然后将其置于管式炉内恒温600℃热解2h；
6)将步骤5）所得产物用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比2.5：1的混合比混合后酸洗3h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后75℃下烘干，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨碎并过2mm筛，装袋备用；
7)将79重量份步骤6）所得生物炭与1.5重量份的氯化钠、2.8重量份的硫酸镁、3重量份的硝酸钾、3.6重量份的硫酸钙、5重量份的尿素、7重量份的煤渣混合到一起，搅拌均匀，获得生物炭基肥，生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为2mm的颗粒；
8)将生物炭基肥施入到步骤4）重金属污染的土壤中，混合均匀，陈化80天；生物炭基肥施入量与重金属污染土壤的重量比为3：100；
9)选择品种为广东农业科学研究院研制的超甜38号的玉米，将该玉米种子用15%%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种；
10)在夏季，在步骤8）重金属污染土壤中播种玉米种子，播种密度为：株距30cm×行距40cm，灌溉，确保播种的种子全部发芽；
11)玉米的种植和后处理过程与步骤3）~8）相似；
12)循环重复执行步骤1）~步骤11)2次。
测定土壤的pH值和重金属Pb、Cd、Zn、Cu和Fe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、Cd、Zn、Cu和Fe二级标准值分别为250，80，0.45，100，30mg/kg。对本发明实施例1~4及对比例1~3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实施例和对比例测试结果
由表1可以看出，1）实施例1~4，经过2~4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1~3与实施例1~4相比，不论减少哪一个治理步骤或调整趋磁细菌与植物的顺序，对土壤的治理效果均会下降，这不仅与作物、植物种类有关，也与各种治理方法之间的协同调节作用密不可分。3）实施例1~4与对比例1~3相比，可以看出趋磁细菌和植物对重金属的吸附都表现出选择性，只有在它们同时作用下才表现出较好的修复效果。
本发明一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染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 (10)

1.一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将趋磁细菌液体培养基添加到重金属污染的土壤中，接种趋磁细菌，翻耕重金属污染土壤表层厚10~12cm的土壤，使趋磁细菌培养基、趋磁细菌和重金属污染土壤充分混合；
培养45~50天，在重金属污染土壤表层3~5cm厚的土壤里添加趋磁细菌培养基，并灌溉该土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持29~34天；
收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚4~6cm的土壤；并用水淋洗收集的重金属污染土壤，使趋磁细菌与重金属污染土壤分离进入水溶液中，重复淋洗2~4次，填回；
选择禾本科植物种植在步骤3）重金属污染土壤中，禾本科植物包括玉米和/或小麦；
当植物的植株开始抽穗时，及时拔除幼穗，当植株出现分蘖时，对分蘖的幼穗同时拔除，并在植物生长的拔节期、抽穗期及灌浆期进行灌溉和施入肥料；
当植物的生长季结束，将含重金属的植株茎秆及根系全部移除；
将生物炭基肥施入步骤4）种植过禾本科植物的重金属污染土壤中，混合均匀，陈化70~80天；
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安全标准。
2.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，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的土壤中接种7.0×108~5.0×109个趋磁细菌。
3.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于：所述步骤1）中液体培养基添加量为每平方米重金属污染土壤喷施50～80ml液体培养基。
4.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于：所述步骤2）液体培养基添加量每平方米重金属污染土壤喷施30～50ml液体培养基。
5.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，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200~300高斯。
6.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于：所述生物炭基肥由75~79重量份生物炭与1~1.5重量份的氯化钠、2~2.8重量份的硫酸镁、3~4重量份的硝酸钾、3~3.6重量份的硫酸钙、5~8重量份的尿素和6~7重量份的煤渣混合到一起并搅拌均匀获得。
7.如权利要求5所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于，所述生物炭为步骤6移除的禾本科植物制成的，生物炭用质量分数10％的稀盐酸和质量分数5%的稀硝酸以体积比1~2.5：1混合后酸洗1~3h，再用去离子水反复浸洗至中性，然后烘干。
8.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于，所述生物炭基肥的施入量为每平方米重金属污染土壤加入6～10g生物炭基肥。
9.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于，所述生物炭基肥用圆盘造粒机制成粒径为3~5mm的颗粒。
10.如权利要求1所述一种微生物、植物、生物炭协同修复土壤重金属污染的方法，其特征在于，所述禾本科植物采用播种的方式种植，所述禾本科植物的种子由15%~20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的种子进行播种。
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