CN107988093A - 一种电子及重金属污染土壤修复菌剂 - Google Patents

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徐颜峰
何俊欣
张淑娴
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Abstract

本发明涉及的是一种土壤微生物技术领域的修复技术，具体涉及一种电子及重金属污染土壤修复菌剂。本发明以污泥作为原料制得腐殖酸粉末，腐殖酸粉末与红球菌液分散得到土壤修复菌剂，热碱处理提高液相溶解性蛋白和溶解性多糖的含量，提高液相中可生物利用的有机质含量，电子污染中主要污染物是四溴双酚A，红球菌的代谢通道在重金属离子的存在下，分泌出更多降解四溴双酚A的物质，从而使电子污染物的降解率提高，腐殖酸为微生物降解电子污染物创造有益的代谢环境，从而使电子污染物与重金属污染物都得到固定或降解，对创造环保型社会具有积极意义。

Description

一种电子及重金属污染土壤修复菌剂
技术领域
本发明涉及的是一种土壤微生物技术领域，具体涉及一种电子及重金属污染土壤修复菌剂。
背景技术
土壤是指地球表面的一层疏松的物质，由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成，能生长植物。土壤构成比例大致为：空气和水各占25％、固体占45％、有机质占3％～4％、微生物占1％左右，这一比例一旦失调，即为不健康土壤。它们互相联系，互相制约，为作物生长提供必需的物资条件。
我国的耕地由于几十年来掠夺式连续耕作导致养份大量流失，耕地遭到严重破坏，加之化学农药及各类废弃物污染、化肥的过量失衡施用，造成土壤可持续产出能力不断降低，已经到了削弱国力、动摇国基、危及子孙的程度。
近年来，随着人们环保意识的增长，电子废弃物回收处理过程中产生的二次污染受到广泛的关注，特别是土壤重金属污染和有机污染状况堪忧。有学者针对电子垃圾对河流底泥及土壤重金属污染的研究发现，底泥和土壤中的Cd、Cr、Cu、Pb均超过《土壤环境质量标准》（GB15618-2008）二级标准。电子垃圾向环境中释放持久性有机污染物（POPs），其中较为常见和受关注的POPs主要有PAHs、PBDEs、PCBs等。这些有机污染物可通过多种途径进入大气、水体和土壤中，经过一系列迁移转化，对生物体和人体健康形成潜在威胁。为了保证生态环境和人体的健康，对破坏的土壤进行修复已变成迫不及待需要解决的问题。
生物修复是近年来发展起来的一项新兴技术。可利用微生物、动物以及植物等进行生物修复，生物修复具有污染少、副作用小、见效快、成本低等优点，不会对人类健康和环境产生不良影响。在适宜环境条件下，通过自身的代谢作用，降低土壤中有害污染物活性或降解成无害物质的修复技术。
因此，针对目前我国土壤污染的状况研发出一种土壤修复菌剂，能够兼顾电子污染与重金属污染的治理，已经成为当务之急。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对土壤修复菌剂对电子污染与重金属污染的修复不能兼顾的缺陷，提供了一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取污水处理厂中回收的污泥，用氢氧化钠溶液调节污泥pH，置于高压蒸汽锅中裂解，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；
（2）将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，离心处理，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用硫酸溶液调节pH，静置，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；
（3）按重量份数计，向40～50份氯化钠溶液中加入8～10份蛋白胨和5～7份酵母粉，得到LB培养基，配置40～50份硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入5～8份磷酸氢二钾、1～3份磷酸二氢钾、3～4份牛肉膏，得到无机盐培养基；
（4）将LB培养基和无机盐培养基置于高压蒸汽中灭菌，取3～4g红球菌菌种接种至270～300mL灭菌的LB培养基中，用磁力搅拌器搅拌，培养，得到活化菌液；
（5）用盐酸调节污泥裂解液的pH，静置后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，离心处理，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤后，置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，再将冷冻干燥的固体研磨，过筛得到腐殖酸粉末；
（6）将活化菌液接种到200～250mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中继续活化，得到对数期菌液，将甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
步骤（1）所述的氢氧化钠溶液的质量分数为15%，用氢氧化钠溶液调节污泥pH为10.8～11.2，裂解时间为50～60min，控制高压蒸汽锅温度为120～125℃，压力为1.7～1.8MPa，
步骤（2）所述的高速冷冻离心机的转速为8000～10000r/min，冷冻离心温度为0～4℃，离心处理时间为5～8min，硫酸溶液的质量分数为40%，用硫酸溶液调节pH为1.8～2.0，静置时间为12～18h。
步骤（3）所述的氯化钠溶液的质量分数为0.9%，硝酸铵溶液的质量分数为2%。
步骤（4）所述的高压蒸汽温度为118～122℃、压力为1.5～1.7MPa，灭菌时间为20～22min，搅拌时温度为30～35℃，磁力搅拌器转速为150～180r/min，培养时间为12～15h。
步骤（5）所述的盐酸的质量分数为质量分数为10%，盐酸将污泥裂解液pH调至2～3，静置时间为18～24h，高速冷冻离心机的转速为9000～10000r/min，离心处理时间为8～10min，固体用无菌水洗涤后3～5次，冷冻干燥时温度为-20～-10℃，冷冻干燥时间为3～5h，研磨时间为3～4h，所过筛规格为100目。
步骤（6）所述的摇床环境温度为30～35℃，摇床转速为150～180r/min，活化时间为12～14h，甘油水溶液的质量分数为50%，加入腐殖酸粉末的质量为分散菌液质量30～35%。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中以污泥作为原料，经碱化、离心处理得到污泥裂解液，污泥裂解液再酸化、冷冻干燥、研磨得到腐殖酸粉末，腐殖酸粉末与培养得到的红球菌液分散得到菌悬浮液即电子及重金属污染土壤修复菌剂，污泥中的活性主体是微生物，微生物胞外聚合物的主要成分是蛋白质和溶解性多糖，热碱处理可以加速胞外聚合物水解，提高液相溶解性蛋白和溶解性多糖的含量，同时加速破坏微生物的细胞结构，促使胞内有机物质释放，提高液相中可生物利用的有机质含量，从而在后续的微生物生长繁殖过程中更易分解为小分子有机物而被微生物利用，土壤修复菌剂中微生物与红球菌在污染的土壤中密度迅速增长，电子污染中主要污染物是四溴双酚A，红球菌的代谢通道在重金属离子的存在下，代谢通道诱导发生改变，分泌出更多降解四溴双酚A的物质，从而使电子污染物的降解率提高；
（2）本发明中污泥的生物质腐殖酸首先本身较易被微生物吸收利用，其次作为一种天然的表面活性物质和螯合性物质，可以提高四溴双酚A在水相中的溶解度，同时可以螯合重金属离子从而固定重金属离子，为微生物降解电子污染物创造有益的代谢环境，从而使电子污染物与重金属污染物都得到固定或降解，对创造环保型社会具有积极意义。
具体实施方式
取污水处理厂中回收的污泥，用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节污泥pH为10.8～11.2后，置于高压蒸汽锅中裂解50～60min，控制高压蒸汽锅温度为120～125℃，压力为1.7～1.8MPa，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，以8000～10000r/min转速在0～4℃下离心处理5～8min，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用质量分数为40%的硫酸溶液调节pH为1.8～2.0，静置12～18h，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；按重量份数计，向40～50份质量分数为0.9%氯化钠溶液中加入8～10份蛋白胨和5～7份酵母粉，得到LB培养基，配置40～50份质量分数为2%的硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入5～8份磷酸氢二钾、1～3份磷酸二氢钾、3～4份牛肉膏，得到无机盐培养基；将LB培养基和无机盐培养基置于温度为118～122℃、压力为1.5～1.7MPa的高压蒸汽中灭菌20～22min，取3～4g红球菌菌种接种至270～300mL灭菌的LB培养基中，在30～35℃下用磁力搅拌器以150～180r/min的转速搅拌，培养12～15h，得到活化菌液；用质量分数为10%的盐酸将污泥裂解液的pH调至2～3，静置18～24h后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，以9000～10000r/min的转速离心处理8～10min，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤3～5次后，置于冷冻干燥机中，在-20～-10℃下冷冻干燥3～5h，再将冷冻干燥的固体研磨3～4h，过100目筛得到腐殖酸粉末；将活化菌液接种到200～250mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中在30～35℃下以150～180r/min的转速继续活化12～14h，得到对数期菌液，将质量分数为50%的甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入分散菌液质量30～35%的腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
实例1
取污水处理厂中回收的污泥，用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节污泥pH为10.8后，置于高压蒸汽锅中裂解50min，控制高压蒸汽锅温度为120℃，压力为1.7MPa，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，以8000r/min转速在0℃下离心处理5min，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用质量分数为40%的硫酸溶液调节pH为1.8，静置12h，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；按重量份数计，向40份质量分数为0.9%氯化钠溶液中加入8份蛋白胨和5份酵母粉，得到LB培养基，配置40份质量分数为2%的硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入5份磷酸氢二钾、1份磷酸二氢钾、3份牛肉膏，得到无机盐培养基；将LB培养基和无机盐培养基置于温度为118℃、压力为1.5MPa的高压蒸汽中灭菌20min，取3g红球菌菌种接种至270mL灭菌的LB培养基中，在30℃下用磁力搅拌器以150r/min的转速搅拌，培养12h，得到活化菌液；用质量分数为10%的盐酸将污泥裂解液的pH调至2，静置18h后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，以9000r/min的转速离心处理8min，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤3次后，置于冷冻干燥机中，在-20℃下冷冻干燥3h，再将冷冻干燥的固体研磨3h，过100目筛得到腐殖酸粉末；将活化菌液接种到200mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中在30℃下以150r/min的转速继续活化12h，得到对数期菌液，将质量分数为50%的甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入分散菌液质量30%的腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
实例2
取污水处理厂中回收的污泥，用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节污泥pH为11.0后，置于高压蒸汽锅中裂解55min，控制高压蒸汽锅温度为123℃，压力为1.7MPa，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，以9000r/min转速在2℃下离心处理7min，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用质量分数为40%的硫酸溶液调节pH为1.9，静置15h，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；按重量份数计，向45份质量分数为0.9%氯化钠溶液中加入9份蛋白胨和6份酵母粉，得到LB培养基，配置45份质量分数为2%的硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入7份磷酸氢二钾、2份磷酸二氢钾、3份牛肉膏，得到无机盐培养基；将LB培养基和无机盐培养基置于温度为120℃、压力为1.6MPa的高压蒸汽中灭菌21min，取3.5g红球菌菌种接种至285mL灭菌的LB培养基中，在33℃下用磁力搅拌器以165r/min的转速搅拌，培养13.5h，得到活化菌液；用质量分数为10%的盐酸将污泥裂解液的pH调至2.5，静置21h后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，以9500r/min的转速离心处理9min，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤4次后，置于冷冻干燥机中，在-15℃下冷冻干燥4h，再将冷冻干燥的固体研磨3.5h，过100目筛得到腐殖酸粉末；将活化菌液接种到225mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中在33℃下以165r/min的转速继续活化13h，得到对数期菌液，将质量分数为50%的甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入分散菌液质量33%的腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
实例3
取污水处理厂中回收的污泥，用质量分数为15%的氢氧化钠溶液调节污泥pH为11.2后，置于高压蒸汽锅中裂解60min，控制高压蒸汽锅温度为125℃，压力为1.8MPa，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，以10000r/min转速在4℃下离心处理8min，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用质量分数为40%的硫酸溶液调节pH为2.0，静置18h，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；按重量份数计，向50份质量分数为0.9%氯化钠溶液中加入10份蛋白胨和7份酵母粉，得到LB培养基，配置50份质量分数为2%的硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入8份磷酸氢二钾、3份磷酸二氢钾、4份牛肉膏，得到无机盐培养基；将LB培养基和无机盐培养基置于温度为122℃、压力为1.7MPa的高压蒸汽中灭菌22min，取4g红球菌菌种接种至300mL灭菌的LB培养基中，在35℃下用磁力搅拌器以180r/min的转速搅拌，培养15h，得到活化菌液；用质量分数为10%的盐酸将污泥裂解液的pH调至3，静置24h后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，以10000r/min的转速离心处理10min，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤5次后，置于冷冻干燥机中，在-10℃下冷冻干燥5h，再将冷冻干燥的固体研磨4h，过100目筛得到腐殖酸粉末；将活化菌液接种到250mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中在35℃下以180r/min的转速继续活化14h，得到对数期菌液，将质量分数为50%的甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入分散菌液质量35%的腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
对比例 以北京市某公司生产的土壤修复菌剂作为对比例 对本发明制得的土壤修复菌剂和对比例中的土壤修复菌剂进行检测，检测结果如表1所示： 1、测试方法
参照《土壤环境监测技术规范》执行。
利用挖掘机对污染待修复的土壤进行挖掘，将实例1～3和对比例中的重金属污染土壤修复材料添加至重金属污染酸性土壤施加2cm厚度混合搅拌，养护100天，进行采样监测。
表1
表2
根据表1、表2中数据可知，本发明制得的土壤修复菌剂针对受污染土壤中重金属污染和挥发性有机物具有很强的修复效果，对土壤的修复功能既全面又强化，可有效改善土壤环境。因此，具有广阔的使用前景。加一个四溴双酚a的去除率。

Claims (7)

1.一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取污水处理厂中回收的污泥，用氢氧化钠溶液调节污泥pH，置于高压蒸汽锅中裂解，自然冷却至室温后，得到裂解污泥悬浮液；
（2）将裂解污泥悬浮液置于高速冷冻离心机中，离心处理，去除沉淀得到上层液，将一半质量的上层液用硫酸溶液调节pH，静置，出现分层后，去除下层沉渣，保留上清液，将上清液与另外一半质量的上层液按等体积比混合，得到污泥裂解液；
（3）按重量份数计，向40～50份氯化钠溶液中加入8～10份蛋白胨和5～7份酵母粉，得到LB培养基，配置40～50份硝酸铵溶液，向硝酸铵溶液中加入5～8份磷酸氢二钾、1～3份磷酸二氢钾、3～4份牛肉膏，得到无机盐培养基；
（4）将LB培养基和无机盐培养基置于高压蒸汽中灭菌，取3～4g红球菌菌种接种至270～300mL灭菌的LB培养基中，用磁力搅拌器搅拌，培养，得到活化菌液；
（5）用盐酸调节污泥裂解液的pH，静置后，得到分层的混合液，将混合液置于高速冷冻离心机中，离心处理，去除上层液保留下层固体，将固体用无菌水洗涤后，置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，再将冷冻干燥的固体研磨，过筛得到腐殖酸粉末；
（6）将活化菌液接种到200～250mL灭菌的无机盐培养基中，将无机盐培养基置于摇床中继续活化，得到对数期菌液，将甘油水溶液与对数期菌液等体积混合，得到分散菌液，向分散菌液中加入腐殖酸粉末后，置于高速分散机中分散，得到菌悬液即得电子及重金属污染土壤修复菌剂。
2.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的氢氧化钠溶液的质量分数为15%，用氢氧化钠溶液调节污泥pH为10.8～11.2，裂解时间为50～60min，控制高压蒸汽锅温度为120～125℃，压力为1.7～1.8Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的高速冷冻离心机的转速为8000～10000r/min，冷冻离心温度为0～4℃，离心处理时间为5～8min，硫酸溶液的质量分数为40%，用硫酸溶液调节pH为1.8～2.0，静置时间为12～18h。
4.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的氯化钠溶液的质量分数为0.9%，硝酸铵溶液的质量分数为2%。
5.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的高压蒸汽温度为118～122℃、压力为1.5～1.7MPa，灭菌时间为20～22min，搅拌时温度为30～35℃，磁力搅拌器转速为150～180r/min，培养时间为12～15h。
6.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的盐酸的质量分数为质量分数为10%，盐酸将污泥裂解液pH调至2～3，静置时间为18～24h，高速冷冻离心机的转速为9000～10000r/min，离心处理时间为8～10min，固体用无菌水洗涤后3～5次，冷冻干燥时温度为-20～-10℃，冷冻干燥时间为3～5h，研磨时间为3～4h，所过筛规格为100目。
7.根据权利要求1所述的一种电子及重金属污染土壤修复菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的摇床环境温度为30～35℃，摇床转速为150～180r/min，活化时间为12～14h，甘油水溶液的质量分数为50%，加入腐殖酸粉末的质量为分散菌液质量30～35%。
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