CN109570227A

CN109570227A - 一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法

Info

Publication number: CN109570227A
Application number: CN201811435760.XA
Authority: CN
Inventors: 王华伟; 吴雅静; 王亚楠; 孙英杰; 高莹; 汉红燕
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: CN109570227B

Abstract

本发明涉及一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法；该方法选取恶臭假单胞菌Pseudomonas putida strain MnB1（ATCC 23483），将该菌在富集培养基中富集培养，然后将该菌株接种到含有二价锰的培养基中培养得到活性代谢产物，然后将活性代谢产物与绿色合成的生物炭负载纳米零价铁加入到酸化砷污染土壤中，搅拌均匀，让这些活性锰氧化物、零价铁、生物炭与土壤中的三价砷或五价砷发生一系列物理‑化学反应，将可交换态的砷转化为残渣态，有效固定土壤中的砷，同时提高土壤pH，实现同时解决土壤酸化和砷污染修复的双重目的；修复时间短、效率高、效果稳定、处理范围大、无二次污染。

Description

一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法

技术领域

本发明属于土壤修复处理技术领域；具体涉及一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法。

技术背景

砷（As）是一种高毒类金属，会引起皮肤癌、膀胱癌等多种癌症，对人体健康具有严重威胁。土壤中砷的来源主要分为自然来源和人为来源。自然来源主要是自然活动，例如火山爆发、地壳运动和一些含砷矿物质的释放。砷的人为来源主要包括采矿、工业生产和农业生产的过程中。首先是在矿物开采和冶炼时，砷常常和一些金属同时存在，因此在开采的过程中砷会以各种形式进入水、大气和土壤中，对环境造成一定的危害。其次是在工业生产的过程中，砷及其化合物也会产生并且向空气中排放，使周围环境中砷的浓度很高。另外，在农业生产的过程中，人们常用的农药、杀虫剂和用于生产的磷肥中也含有一定量的砷及其化合物，这些物质中的砷在农作物的生长过程中不能完全去除，从而会导致对人体或者其他动物的危害。

最近几年随着采矿业的发展，大量含有砷的矿物被开采出来，随着这些矿石的开采，砷及其化合物被不断的氧化、分解、转移，造成周围的环境存在着严重的砷污染。据有关数据统计，我国是全世界砷矿资源最丰富的国家，砷渣的平均年产量达50万吨。由于砷渣的利用和处理程度较低，大量的砷矿石被随意开采和放置，导致矿石周围的土壤砷污染问题尤为严重。大多数砷污染土壤中，主要以无机的三价砷和五价砷为主。

在长期集约化的农业生产过程中，过量使用化肥以及不科学的施肥方式，导致严重的土壤酸化现象（pH<80年代，山东半岛土壤以中性为主，但目前基本上变成酸性或中强酸性的土壤。张大磊等调查研究了青岛大沽河流域蔬菜基地土壤酸化现状，结果表明，大沽河流域菜地土壤酸化现象比较严重，表层土壤pH范围为4.42-6.45，均值为5.35。土壤酸化不仅会影响植物生长，抗病能力降低，还会增加砷和重金属的溶出风险。可见，我国多地土壤面临酸化和砷污染的双重问题 5.5）。上世纪。

砷污染土壤修复技术主要有固化/稳定化、土壤淋洗、热处理、植物修复法和微生物修复等方法。传统的物理-化学修复技术通常投加量大、成本高、易产生二次污染，不适用大面积砷污染土壤的修复。植物修复法和微生物修复法具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点，但也存在修复效率低、修复时间长等弊端。因此，我们亟需找到一种绿色-高效修复酸化砷污染土壤的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌代谢产物修复酸化砷污染土壤的方法；按下列步骤进行：

1）细菌菌株的富集培养

将恶臭假单胞菌P. putida strain MnB1按体积比5-10%的转接量接种于恶臭假单胞菌富集培养基A中，然后于15-35℃水平震荡下（100-180 rpm），好氧富集培养1-5天；

优选的，所述培养基A成分为酵母膏0.3-0.8g，水解酪蛋白0.2-0.8g，葡萄糖0.3-0.8g，氯化钙0.1-0.4 g，硫酸镁0.1-0.6g，微量元素 1-5 mL，去离子水1升；

优选的，选用的细菌菌株来自于美国模式菌收集中心，保藏号ATCC 23483

2）活性代谢产物的制备

将步骤1）富集得到的恶臭假单胞菌菌液按体积比5-10%的接种量加入含碳酸锰（投加量为0.2-1.8 g/L）pH为6.5-7.5的恶臭假单胞菌培养基B，然后于15-35摄氏度，好氧条件下培养3-10天，培养基中出现棕黑色絮状体，即制得细菌代谢产物；

优选地，所述培养基B的成分为硫酸亚铁铵0.05-0.45 g，柠檬酸钠0.1-0.5g，酵母浸粉0.01-0.3g，焦磷酸钠0.01-0.05g，去离子水1 升；

3）制备生物炭材料

将粉碎的农业生物质5-100g，放入热解炉中，通入CO₂保护气，升温至400-700℃，持续保温5-12 h，冷却，研磨，过 60-300目筛；将上述制得的黑色粉末加入到0.2-1.0 mol/L的盐酸溶液中，搅拌8-24 h，过滤，用20-300 ml去离子水洗至pH为8.0-9.0，于冷冻干燥机中冻干12-36 h，得到生物炭粉末；

所述CO₂保护气通入速度为200-600 mL/min，热解炉的升温速率为以10-20℃/min；

4）绿色合成生物炭负载纳米零价铁材料

将步骤3）获得的生物炭粉末5-20g加入到0.1-0.5 mol/L的硫酸亚铁或三氯化铁溶液中，在水浴温度30-80℃下，在200-400 rpm转速下搅拌10-30 min，加入体积比20-80%的绿茶提取液，通入氮气环境下进行搅拌10-40 min，过滤，于冷冻干燥机中冻干12-36 h，得到生物炭负载零价铁材料；

5）修复过程

将20-100 mL步骤（2）制得的代谢产物、0.5-8g步骤（4）制得的生物炭负载零价铁材料以及去离子水10-80 ml加入到100 克砷污染酸化土壤中，调节土壤含水率在50-70%，搅拌器搅拌10-30 分钟，然后置于室温条件下（15-35℃）放置3-10天，让细菌代谢的活性锰氧化物、生物炭负载零价铁与土壤中的三价砷或五价砷发生一系列物理-化学反应，将可交换的砷转化为残渣态从而固定在土壤中，同时提高土壤pH，实现同时解决土壤酸化和砷污染修复的双重目的。

优选的，所述农业生物质为秸秆、麦秸或竹子。

有益效果：

该方法选取能够将二价锰异化氧化的恶臭假单胞菌Pseudomonas putida strainMnB1，将该菌在富集培养基中富集培养，然后将该菌株接种到含有二价锰的培养基中培养得到活性代谢产物，主要为恶臭假单胞菌和锰氧化物的混合物，然后将活性代谢产物与绿色合成的生物炭负载纳米零价铁加入到酸化砷污染土壤中，搅拌均匀，让这些活性锰氧化物、零价铁、生物炭与土壤中的三价砷或五价砷发生一系列物理-化学反应，将可交换态的砷转化为残渣态，有效固定土壤中的砷，同时提高土壤pH，实现同时解决土壤酸化和砷污染修复的双重目的。该方法具有修复时间短、效率高、效果稳定、处理范围大、无二次污染等优势。

相比传统的砷污染土壤处理方法，本方法有如下优势：

1）在单独细菌代谢产物修复砷污染土壤的基础上，投加生物炭负载零价铁会显著提高砷的修复效率；

2）与单独纳米零价铁或生物炭修复砷污染土壤相比，本方法可以显著降低生物炭负载零价铁材料的投加量，避免投加过量零价铁对土壤结构的破坏和微生物群落结构的影响；

3）本方法对砷的固定稳定性要明显要高于其他处理，可适用于好氧、缺氧、厌氧、以及厌氧与好氧交替的环境；

4）本方法可以同时实现土壤脱酸化和砷修复的双重目的。

附图说明

图1：实施例1修复前后土壤pH变化示意图；

图2：实施例1修复前后TCLP砷变化示意图；

图3：实施例1修复前后砷的存在形态变化示意图；

图4：实施例2修复前后土壤pH变化示意图；

图5：实施例2修复前后TCLP砷变化示意图；

图6：实施例2修复前后砷的存在形态变化示意图；

图7：实施例3修复前后土壤pH变化示意图；

图8：实施例3修复前后TCLP砷变化示意图；

图9：实施例3修复前后砷的存在形态变化示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，而非限制本发明。

实施例1

1）细菌菌株的富集培养

将恶臭假单胞菌P. putida strain MnB1按体积比5%的转接量接种于恶臭假单胞菌富集培养基A中，然后于25℃水平震荡下（150 rpm），好氧富集培养2天；其中培养基A成分为酵母膏0.3g，水解酪蛋白0.2g，葡萄糖0.3g，氯化钙0.1 g，硫酸镁0.1g，微量元素 1mL，去离子水1升；

选用的细菌菌株来自于美国模式菌收集中心，保藏号ATCC 23483。

2）活性代谢产物的制备

将步骤1）富集得到的恶臭假单胞菌菌液按体积比5%的接种量加入pH为7.2的恶臭假单胞菌培养基B同时投加1.2g/L碳酸锰，然后于25℃好氧条件下培养7天，培养基中出现棕黑色絮状体，即制得细菌代谢产物；

其中培养基B的成分为硫酸亚铁铵0.3g，柠檬酸钠0.3g，酵母浸粉0.08g，焦磷酸钠0.04g，去离子水1 升。

3）制备生物炭材料

将粉碎的玉米秸秆50 g放入热解炉中，CO₂为保护气，通入速度为500 mL/min，以10℃/min的速率升温至500℃，持续保温8 h，冷却，研磨，过 200目筛；将上述制得的黑色粉末加入到0.5 mol/L的盐酸溶液中，搅拌12 h，过滤，用100 ml去离子水洗至pH为8.6，于冷冻干燥机中冻干24 h，得到生物炭粉末；

4）绿色合成生物炭负载纳米零价铁材料

将步骤3）获得的生物炭粉末10 g，加入到0.1 mol/L的硫酸亚铁溶液中，在水浴温度50℃下，在300 rpm转速下搅拌20 min，加入体积比80%绿茶提取液，通入氮气环境下进行搅拌30 min，过滤，于冷冻干燥机中冻干24 h，得到生物炭负载零价铁材料；

5）修复过程

将50 mL步骤（2）制得的代谢产物、1g步骤（4）制得的生物炭负载零价铁材料加入到100克砷污染酸化土壤中，调节土壤含水率在60%，搅拌器搅拌20 分钟，然后置于室温条件下（30℃）培养5天，让细菌代谢的活性锰氧化物、生物炭负载零价铁与土壤中的三价砷或五价砷充分反应，将可交换的砷转化为残渣态从而固定在土壤中，同时提高土壤pH。

由附图1可知，土壤pH由未修复的4.93升高至7.45，明显提高土壤pH。对实施例1修复前后土壤毒性浸出方法（TCLP）测得砷浓度变化（附图2），可知，TCLP砷含量由118.2 μg/L降低至14.3 μg/L，修复效率为87.90%。此外，我们通过连续提取法对土壤中砷的存在形态进行分析（附图3），结果表明，未修复时可交换态砷为4.4%，而修复后可交换态砷的百分比降至0.14%，而残渣态则由未修复的69.69%增加至88.67%。

实施例2

1）细菌菌株的富集培养

将该恶臭假单胞菌P. putida strain MnB1细菌按体积比10%的转接量接种于恶臭假单胞菌富集培养基A中，所述培养基A成分为酵母膏0.8g，水解酪蛋白0.8g，葡萄糖0.8g，氯化钙0.4 g，硫酸镁0.6g，微量元素 5 mL，去离子水1升，然后于35℃水平震荡下（180 rpm），好氧富集培养5天；

2）活性代谢产物的制备

将步骤1）富集得到的恶臭假单胞菌菌液按体积比10%的接种量加入到pH为7.5的恶臭假单胞菌培养基B中，同时投加0.8 g/L碳酸锰，所述培养基B的成分为硫酸亚铁铵0.45 g，柠檬酸钠0.5g，酵母浸粉0.3g，焦磷酸钠0.05g，去离子水1 升，然后于35摄氏度，好氧条件下培养7天，培养基中出现棕黑色絮状体，即制得细菌代谢产物；

3）制备生物炭材料

将粉碎的竹子100 g放入热解炉中，CO₂为保护气，通入速度为500 mL/min，以15℃/min的速率升温至600℃，持续保温8h，冷却，研磨，过 200目筛；将上述制得的黑色粉末加入到0.5mol/L的盐酸溶液中，搅拌12h，过滤，用80ml去离子水洗至pH为8.5，于冷冻干燥机中冻干24h，得到生物炭粉末；

4）绿色合成生物炭负载纳米零价铁材料

将步骤3）获得的生物炭粉末10 g，加入到0.2 mol/L的三氯化铁溶液中，在水浴温度30-80℃下，在200-400 rpm转速下搅拌10-30min，加入体积比70%的绿茶提取液，通入氮气环境下进行搅拌30 min，过滤，于冷冻干燥机中冻干24h，得到生物炭负载零价铁材料；

5）修复过程

将50mL步骤（2）制得的代谢产物、4g步骤（4）制得的生物炭负载零价铁材料以及35 ml去离子水加入到100 克砷污染酸化土壤中，调节土壤含水率在65%，搅拌器搅拌15 分钟，然后置于室温条件下（35℃）放置9天。

土壤pH由未修复的4.53升高至7.78（附图4），明显提高土壤pH。TCLP砷含量由121.7μg/L降低至24.4μg/L，修复效率为80.03%（附图5）。砷的存在形态析结果表明，未修复时可交换态砷为6.13%，而修复后可交换态砷的百分比降至0.09%，残渣态则由未修复的67.68%增加至89.48%（附图6）。

实施例3

1）细菌菌株的富集培养

将恶臭假单胞菌P. putida strain MnB1按体积比8%的转接量接种于恶臭假单胞菌富集培养基A中，然后于25℃水平震荡下（150 rpm），好氧富集培养4天；

所述培养基A成分为酵母膏0.5g，水解酪蛋白0.4g，葡萄糖0.5g，氯化钙0.5 g，硫酸镁0.4g，微量元素 3 mL，去离子水1升;

选用的细菌菌株来自于美国模式菌收集中心，保藏号ATCC 23483;

2）活性代谢产物的制备

将步骤1）富集得到的恶臭假单胞菌菌液按体积比6%的接种量加入到pH为6.8的恶臭假单胞菌培养基B中，同时投加1.0g/L碳酸锰，然后于30摄氏度，好氧条件下培养7天，培养基中出现棕黑色絮状体，即制得细菌代谢产物；

所述培养基B的成分为硫酸亚铁铵0.09g，柠檬酸钠0.3g，酵母浸粉0.01g，焦磷酸钠0.04g，去离子水1 升；

3）制备生物炭材料

将粉碎的小麦秸秆70 g放入热解炉中，通入CO₂为保护气，通入速度为400 mL/min，以15℃/min的速率升温至600℃，持续保温8h，冷却，研磨，过 100目筛；将上述制得的黑色粉末加入到0.5mol/L的盐酸溶液中，搅拌12h，过滤，用100 ml去离子水洗至pH为9.0，于冷冻干燥机中冻干28h，得到生物炭粉末；

4）绿色合成生物炭负载纳米零价铁材料

将步骤3）获得的生物炭粉末20 g，加入到0.3 mol/L的硫酸亚铁溶液中，在水浴温度60℃下，在200rpm转速下搅拌20 min，加入体积比50%的绿茶提取液，通入氮气环境下进行搅拌24min，过滤，于冷冻干燥机中冻干30 h，得到生物炭负载零价铁材料；

5）修复过程

将60mL步骤（2）制得的代谢产物、4g步骤（4）制得的生物炭负载零价铁材料以及35 ml去离子水加入到100 克砷污染酸化土壤中，调节土壤含水率在70%，搅拌器搅拌15分钟，然后置于室温条件下（30℃）放置8天。

土壤pH由未修复的4.61升高至7.51，明显提高土壤pH （附图7）。对实施例3修复前后土壤TCLP砷浓度变化， TCLP砷含量由90.8 μg/L降低至25.1μg/L（附图8）。砷的存在形态表明表明，未修复时可交换态砷为6.84%，而修复后可交换态砷的百分比降至0.54%，而残渣态则由未修复的65.24%增加至87.12% （附图9）。

从上述实施例可以看出：通过本发明所述方法可达到修复砷污染土壤的效果。本方法具有修复时间短、效率高、效果稳定、处理范围大、无二次污染等优点。

Claims

1.一种生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法，其特征在于；通过下列步骤进行：

1）细菌菌株的富集培养

2）活性代谢产物的制备

将步骤1）富集得到的恶臭假单胞菌菌液按体积比5-10%的接种量加入到pH为6.5-7.5的恶臭假单胞菌培养基B，同时投加0.2-1.8 g/L的碳酸锰；然后于15-35摄氏度，好氧条件下培养3-10天，培养基中出现棕黑色絮状体，即制得细菌代谢产物；

3）制备生物炭材料

4）绿色合成生物炭负载纳米零价铁材料

5）修复过程

将20-100 mL步骤（2）制得的代谢产物、0.5-8g步骤（4）制得的生物炭负载零价铁材料加入到100 克砷污染酸化土壤中，调节土壤含水率在50-70%之间，搅拌器搅拌10-30 分钟，然后置于室温条件下（15-35℃）放置3-10天，让细菌代谢的活性锰氧化物、生物炭负载零价铁与土壤中的三价砷或五价砷发生一系列物理-化学反应。

2.如权利要求1所述的生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法，其特征在于；

所述培养基A成分为酵母膏0.3-0.8g，水解酪蛋白0.2-0.8g，葡萄糖0.3-0.8g，氯化钙0.1-0.4 g，硫酸镁 0.1-0.6g，微量元素 1-5 mL，去离子水1升；培养基B的成分为硫酸亚铁铵0.05-0.45 g，柠檬酸钠0.1-0.5g，酵母浸粉0.01-0.3g，焦磷酸钠0.01-0.05g，去离子水1 升。

3.如权利要求1所述的生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法，其特征在于；步骤1）中选用的细菌菌株来自于美国模式菌收集中心，保藏号ATCC 23483。

4.如权利要求1所述的生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法，其特征在于；步骤3）中CO₂保护气通入速度为200-600 mL/min，热解炉的升温速率为10-20℃/min。

5.如权利要求1所述的生物炭负载纳米零价铁协同细菌修复酸化砷污染土壤的方法，其特征在于；步骤3）中所述农业生物质为如秸秆、麦秸、竹子。