CN109794498A - 一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法。该方法首先将鼠李糖脂负载在生物炭上，制备鼠李糖脂改性生物炭，将鼠李糖脂改性生物炭与石油污染土壤混匀，然后将大米草幼苗移栽至所述土壤中即可实现污染土壤的修复。大米草与鼠李糖脂改性生物炭联合修复石油污染土壤，有助于改善石油污染引起的土壤退化和生产力下降等问题，恢复并提高污染土壤的生物多样性。鼠李糖脂改性生物炭可以改善土壤环境、为大米草提供营养物质并增加石油烃在土壤中的生物可利用性，从而促进大米草的生长发育，增强大米草对石油烃的耐受性并显著提高大米草修复石油污染土壤的效率。本发明适用范围广、操作便利、可原位连续操作、不会造成二次污染。

Description

一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的 方法

技术领域

本发明提供了一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，属于污染土壤的修复技术领域。

背景技术

近年来，利用低成本且环境友好的植物修复技术治理石油污染土壤，获得了国内外研究者的广泛认可。植物修复是一个复杂的过程，主要包括植物提取、植物挥发、植物固定、植物吸收转化和根际微生物修复等方面。植物修复效果容易受温度、时间、污染物分布、土壤营养条件等因素的限制。研究表明，添加生物炭可以在改善土壤环境和提供营养物质等方面提升植物修复技术的效率。然而，土壤中一些高分子多环芳香烃，如苯并芘等在土壤中的生物可利用性很低，限制了植物修复效果。研究表明，表面活性剂的加入不仅能促进土壤中的石油烃等有机污染物的溶解和洗脱，而且还能提高土壤中石油烃的生物可利用性，从而提高植物修复石油污染土壤的效果。然而，表面活性剂的添加导致土壤中石油烃溶解度大大增加，土壤中高浓度的石油烃对植物根系和土壤中的微生物产生毒害，从而限制了植物修复效果。近年来，伴随着全球交通的飞速发展，一些人类活动诱发了外来植物生态入侵的问题，大米草就是一种典型的生态入侵者。大米草(Spartina anglica)属于米草属，根系发达，根际微生物多，固氮能力强，具有很强的耐盐能力，适于种植在盐碱土中，是一种理想的土壤修复植物。

发明内容

本发明的目的是解决土壤中有机污染物生物可利用低，生物效率低的问题，提供一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，利用鼠李糖脂改性生物炭改善土壤环境、提供营养物质并增加石油烃在土壤中的生物可利用性等，在促进植物生长发育的同时强化有机污染物向植物体内转移，通过向石油污染土壤中添加鼠李糖脂改性生物炭，从而达到强化植物修复石油污染土壤的目的。

本发明的技术方案

一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，包括以下步骤：

(1)以富含碳的生物质为原料，在马弗炉中(300～700℃)限氧热解制备生物炭；

(2)配制浓度为5～15mmol/L的鼠李糖脂溶液，将生物炭与鼠李糖脂溶液按固液比为1:4～1:10混匀，室温条件下置于磁力搅拌器上，在转速为150～220rpm条件下，均速搅拌18～48小时，固液分离，在60～120℃条件下干燥，得到鼠李糖脂改性生物炭；

(3)采集石油污染土壤，室温条件下平衡两周，在石油污染土壤中添加1～6wt％(改性生物炭占污染土壤的重量百分数)的鼠李糖脂改性生物炭，在聚四氟乙烯的花盆中混匀；

(4)将大米草(Spartina anglica)植株移栽至混有鼠李糖脂改性生物炭的石油污染土壤的花盆中培养，每天定时浇水一次，使盆栽土壤含水量保持在田间持水量(田间持水量是指土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，以占土壤体积的百分数表示)的35％～55％；

(5)在石油污染土壤中种植或连续种植大米草，利用大米草自身的生长过程、根际微生物及鼠李糖脂改性生物炭联合降解、修复或去除土壤中的石油含量，直至修复后的土壤中石油含量达到环境安全标准。

其中，所述富含碳的生物质为稻壳、木屑或玉米秸秆等。

优选的，热解温度为500～700℃。

优选的，鼠李糖脂溶液浓度为8～10mmol/L。

优选的，生物炭与鼠李糖脂溶液的固液比为1:5～1:6。

优选的，磁力搅拌转速为160～180rpm。

优选的，磁力搅拌时间为24～36小时。

优选的，鼠李糖脂改性生物炭的干燥温度为80～105℃。

优选的，鼠李糖脂改性生物炭添加量为2～3wt％。

优选的，土壤含水量为田间持水量的45％～50％。

本发明的优点和有益效果是：

1.本发明将鼠李糖脂改性生物炭添加于石油污染土壤中，用于与大米草联合修复石油污染土壤。鼠李糖脂改性生物炭的添加能够明显改善污染土壤的理化环境、为植物提供营养物质并增加石油烃在土壤中的生物可利用性，从而促进植物的生长发育，增强植物对有机污染物的耐受性。

2.本发明方法首次采用大米草用于修复石油污染土壤。与其他修复植物相比，大米草具有根系发达，根际微生物多，固氮能力强，耐盐碱等优点。大米草耐盐碱的特征，使其能够适应有机污染土壤环境，是一种用于绿色原位修复技术的理想植物，有助于改善有机污染引起的土壤退化和生产力下降等问题，恢复并提高污染环境的生物多样性。

3.本发明将鼠李糖脂改性生物炭添加于石油污染土壤中，能够显著提高大米草对石油污染土壤中石油烃的降解去除率，提高植物修复污染土壤效率。

4.本发明方法适用范围广、操作便利、可原位连续操作、不会造成二次污染。

附图说明

图1是大米草在无石油污染土壤和30g/kg石油污染土壤中培养60天后，用卷尺测量的植株根上部的长度。对照代表盆栽土壤中未添加生物炭，700BC代表盆栽土壤中添加了700℃制备的稻壳生物炭，700BC-RL代表盆栽土壤中添加鼠李糖脂改性的700℃制备的稻壳生物炭。

图2是大米草在30g/kg石油污染土壤中培养60天后，大米草根际土壤中总石油烃的含量。对照代表盆栽土壤中未添加生物炭，700BC代表盆栽土壤中添加了700℃制备的稻壳生物炭，700BC-RL代表盆栽土壤中添加鼠李糖脂改性的700℃制备的稻壳生物炭。

具体实施方式

本发明通过以下实施例进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。

实施例：

(1)用去离子水反复清洗稻壳以去除表面灰尘，将其置于60℃干燥箱中干燥12小时。将洗净烘干后的稻壳粉碎至粒径为2mm左右，将粉碎后的稻壳置于陶瓷坩埚中(装满)，用N₂除去空气后立刻盖好盖子。用锡箔纸将坩埚和盖密封后700℃的马弗炉中限氧热解3小时。热解得到的生物炭过50目筛，用1mol/LHCl溶液清洗后再用去离子水反复清洗多次，直至生物炭溶液的pH接近中性。将洗净后的生物炭放于烘箱中，80℃烘干后储存于玻璃样品瓶中，记为700BC。

(2)配制10mmol/L鼠李糖脂水溶液，然后将10g步骤(1)得到的生物炭与50mL的鼠李糖脂水溶液加入100mL锥形瓶中，室温条件下置于磁力搅拌器上，180rpm均速搅拌24小时。随后用真空抽滤装置将固液分离，将过滤后的材料放入恒温干燥箱，80℃条件下干燥12小时，待改性材料冷却至室温后，用去离子水洗涤多次，80℃干燥至恒重，得到鼠李糖脂改性生物炭，储存于玻璃样品瓶中备用，记作700BC-RL(RL代表鼠李糖脂)。

(3)原始石油污染土壤取自天津市大港油田。用石油污染土壤与清洁土壤混配，将土壤中总石油烃浓度调节为30g/kg。按照鼠李糖脂改性生物炭与石油污染土壤的重量比为2wt％的添加量，将步骤(2)得到的700BC和700BC-RL分别与土壤充分混合，按每盆2kg的量，将调配好的混合土壤加入聚四氟乙烯花盆中。按每盆5株的量，将大米草移栽到花盆中。将盆栽置于光照培养架上，通过电源开关控制植物的光照周期为日照16小时，黑暗8小时，温度保持在25±2℃。土壤含水率调节为田间持水量的50％，采用称重法维持盆栽土壤的含水量。同时，设置3盆未添加生物炭的盆栽植物作为对照，平时施予同样的培养操作。种植60天后，测量大米草株高并采集大米草根际土壤测定土壤中总石油烃含量。

称取5.0g自然风干后的土壤，用滤纸将土壤包裹后用订书钉固定。将包裹后土壤样品置于玻璃索氏提取管，分两次共加入100mL二氯甲烷进行抽提。将玻璃索氏提取管与已知重量的圆底烧瓶连接组装，在54℃水浴锅中萃取24h。萃取结束后，待萃取物冷却，用旋转蒸发仪在45℃条件下将二氯甲烷蒸干后称圆底烧瓶的重量。根据萃取前后圆底烧瓶的质量差，计算总石油烃的含量。

如图1所示，以大米草株高为例，探究30g/kg石油污染土壤中添加生物炭对大米草的生长状况的影响。如图1所示，石油污染土壤中大米草的株高受到明显抑制，添加700BC和700BC-RL都能不同程度地提高大米草的茎长，且添加700BC-RL的效果好于添加700BC。其中，添加700BC和700BC-RL分别使大米草株高提升了28.6％和40.3％。

植物或生物炭对石油污染土壤都有一定的修复作用。如图2所示，60天盆栽实验结束后，不同处理组中植物根际土壤中总石油烃的含量变化。将2wt％的700BC和700BC-RL加入到30g/kg石油污染土壤中，土壤中总石油烃的浓度分别降低了25.4％和46.7％。700BC-RL可以通过含氧官能团与土壤中可溶性石油烃发生作用，提高石油烃的生物可利用性，进而促进微生物对石油烃降解。与单独施加700BC相比，同时添加700BC-RL的土壤中总石油烃含量下降更多，这是因为表面活性剂能促进土壤中石油烃的溶解，进而促进石油烃的降解。可溶性石油烃可以被植物提取或者微生物降解，使得土壤中总石油烃的含量下降。

以上对发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出变化。

Claims (6)

1.一种鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)以富含碳的生物质为原料制备生物炭，将鼠李糖脂负载在生物炭上，制备鼠李糖脂改性生物炭；

(2)采集石油污染土壤，室温条件下平衡两周，将鼠李糖脂改性生物炭按照1～6wt％的添加量添加到石油污染土壤中并混合均匀；

(3)将大米草幼苗移栽至混有鼠李糖脂改性生物炭的石油污染土壤中，对修复土壤进行正常的田间管理，培养过程中每天定时浇水一次，使土壤的含水量保持在田间持水量的35％～55％；

(4)在石油污染土壤中种植或连续种植大米草，并添加鼠李糖脂改性生物炭，强化大米草修复石油污染土壤，直至修复后的土壤中石油含量达到环境安全标准。

2.根据权利要求1所述的鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述生物炭的制备方法是：将富含碳的生物质原料放入马弗炉中，300～700℃限氧热解制备而成。

3.根据权利要求2所述的鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述富含碳的生物质为稻壳、木屑或玉米秸秆。

4.根据权利要求1至3任一项所述的鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述鼠李糖脂改性生物炭的制备方法是：将生物炭与浓度为5～15mmol/L的鼠李糖脂溶液按固液比为1:4～1:10混匀，室温条件下置于磁力搅拌器上，均速搅拌，然后进行固液分离，在60～120℃条件下干燥，得到鼠李糖脂改性生物炭。

5.根据权利要求4所述的鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述的磁力搅拌的转速为150～220rpm。

6.根据权利要求5所述的鼠李糖脂改性生物炭强化大米草修复石油污染土壤的方法，其特征在于，所述的磁力搅拌的转速为160～180rpm。