CN106085979A - 一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法 - Google Patents

一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法，它是采用塑料盆装土壤1500 g，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草测定。实验结果显示：添加氧化石墨烯后草坪基脱氢酶活性的活性提高幅度为30.9%。该方法为碳纳米材料应用于草坪生态建植提供了技术支撑。

Description

一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法。
背景技术
在21世纪，纳米材料现已成为中极具发展前途的材料之一，据估计，市面上现已有超过800种的含纳米材料的产品，广泛应用于各个领域。其中，碳纳米材料是一类具有重要应用价值的纳米材料，仅从2009年至2010年期间，全球的碳纳米材料从2190 t上升至4065t。目前，受到比较多关注的碳纳米材料有石墨烯，氧化石墨烯和碳纳米管等。石墨烯是近些年来新兴的一种碳纳米材料，是由sp2杂化的C原子六边形排列而形成的蜂窝状二维平面结构材料，2010年诺贝尔物理学奖就颁给了对石墨烯进行卓越研究的科学家。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其表面有多种基团。石墨烯表面具有的含氧基团有利于其亲水性，且含氧基团能够与重金属发生作用。碳纳米管是指石墨烯片层卷成的无缝的中空管体，其管身是由碳六边形构成，sp2杂化是C原子主要杂化形式，同时也会混有sp3杂化。碳纳米材料的性质与其的结构关系紧密，主要表现在电学和机械性质及很好的吸附性能等等，现被广泛应用在材料、生物医学、能源和环境等多领域。作为吸附材料，其在环境修复领域中污染物的吸附与钝化中作用显著。
现如今，人类正面临着造成了能源过度消耗、环境污染和全球变暖等诸多问题，其中重金属矿物的大量使用，使人类面临严峻的考验。重金属离子毒性大、在环境中长期分散存在，在食物链中由于富集作用，其危害被放大，且并不易被生物代谢，进而威胁人类健康。如何解决重金属问题一直引人关注。碳纳米材料因为具有超高比表面积等性质，在进行吸附作用的时候有高的反应效率并且作用效果明显，一直受到重视。有研究不同条件下氧化石墨烯对水体中Pb（Ⅱ）富集率的影响，发现当温度在60℃的时候，富集率达1850 mg/g；有人曾使用被次氯酸钠处理后的单层碳纳米管和多层碳纳米管富集水体中的Zn2+，发现在pH=7、t=25℃条件下吸附容量分别是43.66和32.68 mg/g；通过引入-SH修饰氧化石墨，提高了其亲水性与吸附性能；而制备了GNSPF6材料，发现其对Pb2+和Cd2+吸附效果良好，分别可达406.6 mg/g和73.42 mg/g。
土壤酶是存在于土壤中的各类酶的总称，目前已发现的约有60种，来源于植物根系、动物和微生物的分泌释放。土壤中各种生物化学过程之所以可持续发生，就得益于土壤酶的积极参与，由于其活性与土壤理化性质等密切相关，所以一直可作为评价土壤质量的重要指标。土壤酶，是土壤的生物催化剂，在陆地生态系统中具有重要作用，参与了土壤中全部的生物化学过程，例如有机质的分解及养分的循环等。土壤酶活性代表了土壤代谢的情况，也可以反映出养分情况的变化情况，是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标。此外，土壤酶活性对土壤受干扰程度响应敏感，可反映不同情况下的土壤质量变化，进而评价土壤管理措施是否合理安全。
以前研究者对土壤酶的关注主要关注在肥力方面，后来因为环境问题的不断出现，土壤酶在关于重金属的一些问题上受到了瞩目。目前的研究包括作物和污染物的治理等，主要涉及的土壤酶有蛋白酶、过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶等。研究人员以玉米试验材料，研究碳纳米材料对作物生长的促进作用机制，结果表明纳米碳材料对土壤酶的活性及玉米根系活力具有促进作用。
城市生活垃圾是指城市的居民在日常生活当中一般被丢弃的各种固体废弃物的总称，其主要包括地灰、商业垃圾及集市垃圾、厨余垃圾等。在中国，随着城市迅速发展，城市的生活垃圾产量也增多，垃圾成分的更复杂也造成了环境问题更复杂，在现在已经成为来当今社会普遍关注的焦点之一。垃圾既是废弃物又是可利用的特殊资源，因此垃圾的资源化利用受到了广泛的重视。若将垃圾合理处置，可节约能源、减少污染并有利于经济发展，倘若处置不当，则会对生态环境造成危机。在国内外，垃圾成分、自然条件、能源结构、经济发展水平和传统习惯的差异造成了并没有统一处理垃圾的处理方法。目前，我国进行生活垃圾处理的方式主要包括焚烧、填埋和堆肥等。其中焚烧处理所占比例约为2%，所需运行成本较为庞大，且焚烧过程中会产生粉尘、有毒有害气体、重金属等污染物，进一步造成二次污染。卫生填埋大多不符合标准，且会占据大量土地资源，被利用的土地较短时间内并不能恢复到原来的用途，致使土地资源严重浪费。堆肥化处理垃圾是目前被广泛使用且可资源化利用堆肥的途径。堆肥化的垃圾可以实现垃圾从自然来再返回到自然，可达到处理废物和改良土壤等多个目的，此外，其终端产物是有机肥料，可在农业、草业和林业生产中发挥潜力。
草坪体系是集多种功能于一体的生态工程，具有观赏与美化的效果，并能供人娱乐、休闲及适度的运动，是城市复合绿化的重要组成部分。草坪建植体系可改善居民生活质量，如净化空气、降低噪声等，也起到吸引外资、促进城市旅游业的发展等作用，对城市生活的各个方面都具有重要作用，愈来愈受到人们的重视。一般来说，如果要进行一次草皮的生产至少需要2 cm土壤，所以长期生产则会破坏环境。近年来，相当一部分城市草坪是用旧城拆迁地、垃圾填埋地来生产，一般来说土质较差，因此对草坪所需土壤添加肥料对提高草坪质量、保证草坪产期具有良好的状态具有积极作用。而将堆肥作为肥料应用于绿化体系既可使堆肥中重金属避开食物链、实现资源的回收利用，又可解决草坪土壤的养分供应问题。已有研究表明，堆肥会促进草坪植物的生物量、密度和抗逆境能力，且对叶片色泽和均一度也有积极影响。鉴于上述分析，如能将草坪堆肥基质重金属钝化固定于草坪建植体系中，则会使堆肥草坪建植体系应用方式更加安全有效。
在我国，由于人口增长以及城市迅速发展，生活垃圾日趋增多，由垃圾引发的环境问题引人关注。将垃圾进行堆肥化是资源化利用生活垃圾的重要途径，其产物十分有利于改良土壤环境。而把堆肥应用在草坪建植体系既能够改良草坪土壤的质量，有利于草坪植物保证较为良好的生长，还能够资源化利用生活垃圾堆肥。
发明内容
本发明主要是在堆肥草坪建植体系下，施加不同碳纳米材料，对草坪基质脱氢酶进行调控，旨在为碳纳米材料应用于草坪生态建植提供技术支撑。
为实现上述目的本发明公开了如下的技术内容：
一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为：pH 7.49，电导率2300 µS/cm，有机质131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下：含水量19.4%，pH7.27，电导率2250 µS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。
草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小0.5-20 µm，比表面积40-60 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 µm，比表面积100-300 m2/g；碳纳米管（Carbon nanotube）产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20-40 nm，长度10-30 µm，比表面积＞110m2/g。
（2）试验方法：
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g（根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNT）均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26℃，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鲜基质样品中杂物，过1mm筛，混匀后放入到样品袋并于4℃进行储存，测定组配基质各种酶活性。
本发明进一步公开了采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的在提高草坪基质脱氢酶活性方面的应用。实验结果显示：与未添加碳纳米材料的对照相比，添加氧化石墨烯草坪基质蛋脱氢酶活性显著提高，提高幅度为30.9%。
本发明更加详细的描述如下：
1 研制材料与方法
1.1 材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为：pH 7.49，电导率2300 µS/cm，有机质131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下：含水量19.4%，pH 7.27，电导率2250 µS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）。石墨烯（Graphene）微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小0.5-20 µm，比表面积40-60 m2/g；氧化石墨烯（Graphene Oxide）购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 µm，比表面积100-300 m2/g；碳纳米管（Carbon nanotube）产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20-40 nm，长度10-30 µm，比表面积＞110 m2/g。
1.2 技术设计
试验采用塑料盆（高15 cm、内径20 cm）装土，每盆装校园土壤1500 g（根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g）。每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质。碳纳米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNT）均按土壤质量的1%比例添加。以不添加碳纳米材料的处理为对照，各处理设置3次重复。土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g。试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26℃，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草。
1.3 研制方法
试验历时130 d后，刈割，先剔除新鲜基质样品中杂物，过1mm筛，混匀后放入到样品袋并于4℃进行储存，测定组配基质各种酶活性。
脱氢酶采用TTC比色法，结果以37℃培养24 h，1 g样品中TPF的质量（mg）表示。
1.4 数据统计与处理
采用SPSS 17.0 软件完成数据处理，利用 one-way ANOVA单因素方差分析进行差异显著性分析，采用SigmaPlot 12.5进行图表的制作。
2 研制结果分析
表1 不同处理下的基质酶活性（mg/g）
由表1可知，对照组、石墨烯处理组、氧化石墨烯处理组和碳纳米管处理组脱氢酶活性依次为12.09、12.41、15.82和6.14 mg/g，其变化趋势与脲酶一致。与对照相比，石墨烯处理下脱氢酶的活性增加了2.6%，氧化石墨烯处理下增加了30.9%，但与对照并无显著性差异。而碳纳米管处理下脱氢酶活性与对照相比减少了多达49.2%，显著低于对照、极显著低于添加石墨烯和氧化石墨烯处理。
3 研制结论
脱氢酶普遍存在于活体的微生物中，属胞内酶，在土壤的主要作用是可促进有机物的脱氢，具有氢中间传递的重要作用。它的活性可较好地表达在土壤生态中微生物的情况。与未添加碳纳米材料的对照相比，添加氧化石墨烯草坪基质蛋脱氢酶活性显著提高，提高幅度为30.9%。
具体实施方式：
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料、试剂均有市售。
实施例1
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为：pH 7.49，电导率2300 µS/cm，有机质131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下：含水量19.4%，pH7.27，电导率2250 µS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。
草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小10 µm，比表面积40 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4 nm，片层直径10 µm，比表面积100 m2/g；碳纳米管（Carbon nanotube）产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20 nm，长度10µm，比表面积＞110 m2/g。
（2）试验方法：
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g（根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNT）均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15℃，相对湿度35%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鲜基质样品中杂物，过1mm筛，混匀后放入到样品袋并于4℃进行储存，测定组配基质各种酶活性。
实施例2
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为：pH 7.49，电导率2300 µS/cm，有机质131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，Fe 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下：含水量19.4%，pH7.27，电导率2250 µS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。
草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小20 µm，比表面积60 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度7 nm，片层直径50 µm，比表面积300 m2/g；碳纳米管（Carbon nanotube）产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径40 nm，长度30 µm，比表面积＞110 m2/g。
（2）试验方法：
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g（根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNT）均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为26℃，相对湿度50%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鲜基质样品中杂物，过1mm筛，混匀后放入到样品袋并于4℃进行储存，测定组配基质各种酶活性。

Claims (4)

1.一种采用氧化石墨烯增进草坪堆肥基质酶活性的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）材料
选择生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎；
供试土壤为天津师范大学校园土壤；
草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）；
石墨烯微片大小0.5-20 µm，比表面积40-60 m2/g；
氧化石墨烯平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 µm，比表面积100-300 m2/g；
碳纳米管直径20-40 nm，长度10-30 µm，比表面积＞110 m2/g；
（2）试验方法：
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNT）均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26℃，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鲜基质样品中杂物，过1mm筛，混匀后放入到样品袋并于4℃进行储存，测定组配基质各种酶活性。
2.权利要求1所述的方法，其中生活垃圾堆肥的主要理化性质为：pH 7.49，电导率2300µS/cm，有机质131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，Fe30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg；
供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下：含水量19.4%，pH 7.27，电导率2250 µS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg；
草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea.）；
石墨烯微片大小0.5-20 µm，比表面积40-60 m2/g；
氧化石墨烯平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 µm，比表面积100-300 m2/g；
碳纳米管直径20-40 nm，长度10-30 µm，比表面积＞110 m2/g。
3.权利要求1所述的采用氧化石墨烯调控草坪堆肥基质酶活性的方法在提高草坪基质脱氢酶活性方面的应用。
4.权利要求3所述的应用，其中氧化石墨烯草坪基质蛋脱氢酶的活性提高幅度为30.9%。
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