CN107282630B

CN107282630B - 一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法

Info

Publication number: CN107282630B
Application number: CN201710727704.2A
Authority: CN
Inventors: 谢婧婧; 宋天顺
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: CN107282630A

Abstract

本发明公开了一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法，将阴极置于被污染的土壤表层，阳极置于被污染的土壤中，负载有微生物的生物炭添加到阴极和阳极之间的土壤中，阴极和阳极之间通过导线相联，进行土壤修复。本发明通过电极来刺激生物炭上的微生物降解土壤中的氯苯，从而有效提高生物降解速率；该方法具有修复效果好、费用低、易于管理、可用于有机污染土壤的原位修复，具有广泛的应用前景。

Description

一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种有机物污染土壤的生物修复方法。

背景技术

氯苯是重要的化工原料，广泛应用于有机化工、塑料、染料、香料、医药和农药等行业，同时氯苯具有较强的毒性。随着工业废水的排放，我国一些主要土壤和水中均有氯苯的检出，研究发现，氯苯可以通过食物链进入人体，引起贫血症和高铁血红蛋白症，还可能导致基因突变和致癌，因其具有强毒性、难降解性等特点已列入我国68种环境优先控制污染物黑名单中，由于其被广泛使用于诸多行业，使之成为这些搬迁化工企业遗留场地中的主要污染物之一，这类污染场地的修复成为研究重点。

目前国内外对以氯苯类为主要污染物的场地修复技术，主要通过化学修复技术、物理修复技术以及生物修复技术。化学修复技术是通过氧化剂的强氧化性破坏氯苯等有机物的化学键，使其转化成水和二氧化碳等无害的物质。物理修复主要是通过直接或间接热交换，将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度，使有机污染物从污染介质挥发或分离的过程。生物修复则是利用微生物、植物和动物将土壤中的有机污染物降解、吸收或富集的过程。其中化学修复和物理修复技术具有修复效果好、反应速度快的优点，但修复成本较高，而生物降解技术虽成本低，但修复时间长，需要通过其他方法以提高微生物降解有机污染物的速率，以获得高效廉价的方法用于氯苯类土壤污染的修复。

发明内容

本发明所要解决的技术活问题是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法，将阴极置于被污染的土壤表层，阳极置于被污染的土壤中，负载有微生物的生物炭添加到阴极和阳极之间的土壤中，阴极和阳极之间通过导线相联，进行土壤修复。

其中，所述的阴极和阳极材料为碳毡或不锈钢网。

其中，所述的被污染的土壤为被氯苯类有机物污染的土壤。

其中，所述的被污染的土壤，其中氯苯含量为100～400mg/Kg。

其中，所述的负载有微生物的生物炭按照如下步骤制备得到：

(1)将秸秆烘干、粉碎后，在600～800℃下恒温缺氧加热2～4h，冷却到室温，用盐酸浸泡，再用蒸馏水洗至中性，最后烘干、研磨、过筛得到生物炭；

(2)将步骤(1)得到的生物炭和微生物菌悬液混合振荡，然后将混合物与海藻酸钠水溶液混匀，将混合液滴入到氯化钙水溶液中，硬化后，将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗，即得。

步骤(1)中，所述的烘干温度为80℃；所述的盐酸浓度为0.1M，浸泡时间为24h；所述的过筛为过100目筛。

步骤(2)中，所述的微生物为希瓦氏菌Shewanella ATCC 700550和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 39018两者的混合物，优选按细胞量之比为1∶1混合；微生物菌悬液的细胞含量为1x10⁶cell/ml，生物炭和微生物菌悬液按质量比为1∶5～20混合。

步骤(2)中，振荡条件为200rpm下，振荡2～4h；所述的海藻酸钠水溶液浓度为1～6wt％；混合物与海藻酸钠水溶液的质量比为1∶2～6；所述的氯化钙水溶液浓度为1～4wt％；硬化时间为6～12h。

其中，负载有微生物的生物炭添加量为被污染土壤质量的1～4％，优选3％。

其中，将负载有微生物的生物炭添加到阴极和阳极之间的土壤中后，调节土壤含水率为田间最大持水量的60～80％。

本发明的有益效果在于：

1)本发明利用电极来刺激微生物对于土壤中氯苯的降解，微生物可将氧化氯苯产生的电子通过阳极传递给外电路，而阴极作为电子受体完成整个氧化还原过程，使得微生物降解氯苯的速率显著提高。

2)本发明利用生物炭作为载体，通过包埋技术来富集高效降解微生物，一方面可以将土壤中的氯苯更好的吸附到位点上，通过生物炭上的微生物来进行降解，并且包埋后的微生物活性更佳。另一方面生物炭也可以作为中间电子导体，将氧化氯苯产生的电子传递给阳极，在提高降解氯苯效率的同时，也提高了作用范围。

3)本发明提供的微生物，其基本组分为复合菌群，比单一菌株对土壤环境的适应能力强，并且结合了有机物降解和电子传递功能，以增强对氯苯污染土壤的去除效果。

4)本发明提供的修复方法，修复效果好、费用低、易于管理、可用于有机污染土壤的原位修复，具有广泛的应用前景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为土壤中氯苯浓度随时间的变化曲线。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下实施例所述的微生物悬液为希瓦氏菌Shewanella ATCC 700550和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 39018按细胞量之比为1∶1的混合物；微生物菌悬液的总细胞含量为1x10⁶cell/ml。

实施例1：

首先制备生物炭，将水稻秸秆剪碎，然后在80℃下烘干，用粉碎机将秸秆粉碎，然后将秸秆粉末压实装入带盖坩埚中，马氟炉升温到700℃下，恒温缺氧加热2h，然后冷却到室温，用0.1M HCL浸泡24h，再用蒸馏水洗至中性，最后在80℃下烘干，研磨并过100目筛子。然后将生物炭和高效降解氯苯的微生物悬液按质量比1∶15比例混合，在200rpm下，振荡2h，然后将其与1wt％海藻酸钠水溶液按质量比为1∶3混合，搅拌均匀，利用蠕动泵将混合液滴入到2wt％氯化钙水溶液中，硬化10h后将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗。

然后将制备出的固定化生物炭，按和土壤干重4％的添加量加入到氯苯浓度为300mg/kg的污染土壤中，搅拌均匀，然后在土壤中加入碳毡作为阳极，在土壤表面放置碳毡作为阴极，阴极和阳极之间通过导线连接，并加水保持土壤含水量为田间最大持水量的70％。同时以添加固定化生物炭以及电极，但阴极和阳极之间导线不连接作为开路对照，其他条件一致，反应40天后，测定土壤中氯苯含量。开路对照组，即没有电极的刺激作用，其完全依赖高效微生物的降解作用，其氯苯的去除率在35.3％，而在导线连接的条件下，30天后，氯苯的去除率可以达到79.8％。说明电极可以刺激微生物提高其对于氯苯的去除效果。

实施例2：

首先制备生物炭，将小麦秸秆剪碎，然后在80℃下烘干，用粉碎机将秸秆粉碎，然后将秸秆粉末压实装入带盖坩埚中，马氟炉升温到800℃下，恒温缺氧加热3h，然后冷却到室温，用0.1M HCL浸泡24h，再用蒸馏水洗至中性，最后在80℃下烘干，研磨并过100目筛子。然后将生物炭和高效降解氯苯微生物悬液按质量比1∶20比例混合，在200rpm下，振荡2h，然后将其与1wt％海藻酸钠水溶液按质量比为1∶2混合，搅拌均匀，利用蠕动泵将混合液滴入到1wt％氯化钙水溶液中，硬化12h后将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗。

然后将制备出的固定化生物炭，按和土壤干重2％的添加量加入到氯苯浓度为300mg/kg的污染土壤中，搅拌均匀，然后在土壤中加入碳毡作为阳极，在土壤表面放置碳毡作为阴极，阴极和阳极之间通过导线连接，并加水保持土壤含水量为田间最大持水量的80％。同时阴极和阳极之间添加未固定化微生物的生物炭作为对照。可以看出对照组，生物炭未富集微生物下，在30天后，其对于土壤中的氯苯去除率只有15％，而实验组的可以达到81.2％，说明说明电极和微生物的协同作用从而提高了氯苯的去除效果。

实施例3：

首先制备生物炭，将水稻秸秆剪碎，然后在80℃下烘干，用粉碎机将材料粉碎，然后将材料粉末压实装入带盖坩埚中，马氟炉升温到600℃下，恒温缺氧加热2h，然后冷却到室温，用0.1M HCL浸泡24h，再用蒸馏水洗至中性，最后在80℃下烘干，研磨并过100目筛子。然后将生物炭和高效降解氯苯微生物悬液按质量比1∶20比例混合，在200rpm下，振荡2h，然后将其与3wt％海藻酸钠水溶液按质量比为1∶6混合，搅拌均匀，利用蠕动泵将混合液滴入到4wt％氯化钙水溶液中，硬化8h后将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗。

然后将制备出的固定化生物炭，按和土壤干重1％的添加量加入到氯苯浓度为100mg/kg的污染土壤中，搅拌均匀，然后在土壤中加入不锈钢网作为阳极，在土壤表面放置碳毡作为阴极，阴极和阳极之间通过导线连接，并加水保持土壤含水量为田间最大持水量的60％，在30天后，其对于土壤中的氯苯去除率可以达到65％。

实施例4：

首先制备生物炭，将水稻秸秆剪碎，然后在80℃下烘干，用粉碎机将秸秆粉碎，然后将秸秆粉末压实装入带盖坩埚中，马氟炉升温到700℃下，恒温缺氧加热2h，然后冷却到室温，用0.1M HCL浸泡24h，再用蒸馏水洗至中性，最后在80℃下烘干，研磨并过100目筛子。然后将生物炭和高效降解氯苯微生物悬液按质量比1∶10比例混合，在200rpm下，振荡2h，然后将其与2wt％海藻酸钠水溶液按质量比为1∶3混合，搅拌均匀，利用蠕动泵将混合液滴入到2wt％氯化钙水溶液中，硬化12h后将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗。

然后将制备出的固定化生物炭，按和土壤干重3％的添加量加入到氯苯浓度为400mg/kg的污染土壤中，搅拌均匀，然后在土壤中加入碳毡作为阳极，在土壤表面放置碳毡作为阴极，阴极和阳极之间通过导线连接，并加水保持土壤含水量为田间最大持水量的70％。

对比例1：

与实施例4基本相同，不同之处在于菌株为单一的希瓦氏菌Shewanella ATCC700550，其余部分完全相同。

对比例2：

与实施例4基本相同，不同之处在于菌株为单一的绿假单胞菌Pseudomonasaeruginosa ATCC 39018，其余部分完全相同。

对比例3：

与实施例4基本相同，不同之处在于所述的微生物菌悬液为希瓦氏菌ShewanellaATCC 700550和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 39018按细胞量之比为1：2的混合物，其余部分完全相同。

实施例5：

实施例4和对比例1～3中，土壤中氯苯浓度随时间的变化曲线如图1所示，由图1可以看出，前5天的时候，各实施例中氯苯浓度差异不大，这主要由于微生物接种到受氯苯污染土壤中后，需要一定时间进行生长，之后，随着时间的延长，各实施例之间氯苯浓度的差异也不断体现出来，在30天后，单独添加希瓦氏菌Shewanella ATCC 700550对比例1和单独添加铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 39018对比例2，其土壤中氯苯的去除率分别为32％和45.5％，而添加菌株比例为1∶2混合菌群的对比例3，其土壤中氯苯的去除率为61.7％。说明添加复合菌群，更有利于土壤中氯苯的去除，而进一步当菌株比例为1∶1的实施例4，其土壤中氯苯的去除率可以达到86.7％，说明通过优化菌株的比例，可以获得更高的氯苯去除率。

Claims

1.一种电极刺激微生物降解土壤中氯苯类有机物的方法，其特征在于，将阴极置于被污染的土壤表层，阳极置于被污染的土壤中，负载有微生物的生物炭添加到阴极和阳极之间的土壤中，阴极和阳极之间通过导线相联，进行土壤修复；

所述的被污染的土壤为被氯苯类有机物污染的土壤；

所述的负载有微生物的生物炭按照如下步骤制备得到：

(2)将步骤(1)得到的生物炭和微生物菌悬液混合振荡，然后将混合物与海藻酸钠水溶液混匀，将混合液滴入到氯化钙水溶液中，硬化后，将固定化生物炭用纱布过滤，无菌水清洗，即得；

步骤(2)中，所述的微生物为希瓦氏菌Shewanella ATCC 700550和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa ATCC 39018两者的混合物；微生物菌悬液的细胞含量为1x10⁶cell/ml，生物炭和微生物菌悬液按质量比为1:5～20混合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的阴极和阳极材料为碳毡或不锈钢网。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的被污染的土壤，其中氯苯含量为100～400mg/Kg。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的烘干温度为80℃；所述的盐酸浓度为0.1M，浸泡时间为24h；所述的过筛为过100目筛。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，振荡条件为200rpm下，振荡2～4h；所述的海藻酸钠水溶液浓度为1～6wt％；混合物与海藻酸钠水溶液的质量比为1:2～6；所述的氯化钙水溶液浓度为1～4wt％；硬化时间为6～12h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，负载有微生物的生物炭添加量为被污染土壤质量的1～4％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将负载有微生物的生物炭添加到阴极和阳极之间的土壤中后，调节土壤含水率为田间最大持水量的60～80％。