CN109821890A

CN109821890A - 一种利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法

Info

Publication number: CN109821890A
Application number: CN201910203385.4A
Authority: CN
Inventors: 郑春丽; 白昕冉; 陈敏洁; 聂立; 肖作义; 王维大
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明涉及稀土污染土壤修复领域。一种利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，包括以下步骤：（一）选取尾矿库周边稀土污染的土壤；（二）制备胶质芽孢杆菌菌剂；（三）制备富钾板岩固体发酵产物；（四）取适量富钾板岩固体发酵产物与稀土污染的土壤混合后，再加入适量胶质芽孢杆菌菌剂，得到稀土污染修复混合土壤；（五）在所述稀土污染修复混合土壤中种植紫穗槐。本发明利用富钾板岩固体发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐三者的联合作用，达到修复被稀土污染土壤的目的，同时解决矿区废石堆积及周边生态恶化的环境问题。

Description

一种利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法

技术领域

本发明涉及稀土污染土壤修复领域，具体涉及一种利用紫穗槐、富钾板岩发酵产物与微生物菌剂联合修复稀土污染土壤的方法。

背景技术

稀土是一组金属的简称，它包括化学元素周期表第三副族中的镧系元素，以及性质与其相近的钪和钇等17种元素，常用R或RE表示。我国的稀土储量为1859万吨，约占世界总储量的23％，是世界上稀土资源最为丰富的国家之一。

在稀土资源的开发和冶炼过程中，由于管理混乱、非法开采、工艺落后、采富弃贫、采矿回收率低、资源浪费等原因，造成矿区周边环境污染日益严重。虽然少量的稀土元素可以促进种子萌发，提升植物根系活力并提高作物抗逆性，但过量的稀土元素会引起稀土元素在作物、动物乃至人体中的富集和危害。

目前，针对土壤中稀土污染的修复，按原理大致分为：物理修复、化学修复、植物修复和微生物修复等几种类型。其中关于微生物修复法的研究较多，微生物作为一种新兴的修复方法，特点是成本低廉、环境友好，一般是根据土壤污染状况，富集、驯化污染土壤中的土著微生物，或人工接种具有降解能力的高效微生物，以研究土壤污染物的含量变化。但微生物存活及生长受到环境影响大，在应用过程中普遍受到限制。

在尾矿库周边调研及取样的过程中发现，该地区的植被种类较少，但是一种豆科落叶灌木——紫穗槐在该地区覆盖面积较广，且生长趋势良好。紫穗槐(Amorphafruticosal)又名穗花槐、椒条，豆科紫穗槐属，易繁殖多年生落叶小灌木，原产美国，现广泛栽植于我国华北、东北、西南及长江、黄河流域等地，因其耐寒、耐盐碱、耐旱涝、耐瘠薄，根系发达，适应性强的特点成为西北干旱、半干旱地区适宜发展的优良灌木。紫穗槐是营养丰富的好饲料，在紫穗槐的叶子中，含有丰富的蛋白质、脂肪、粗纤维和糖分等，并含有钙、磷等等微量元素，既可作青贮料又可晒制干料。此外，紫穗槐根系发达，生长迅速，在改良土壤中、防风固沙、保持水土方面的作用非常显著，又可作燃料、绿肥，也是编织和造纸的好原料，具有颇高的生态和经济价值。

富钾板岩是一种低品位难溶性钾矿资源，作为固体废弃物大量堆积在内蒙古白云鄂博矿区。在包头钢铁(集团)公司对白云鄂博矿床铁矿的几十年的开采中，已剥离富钾板岩的堆存总重量已超过3.0亿吨，且每年以300-400万吨的速度增加。据测算，全矿区富钾板岩的储量达16.74亿吨，有着极大的利用价值。钾在富钾板岩中含量平均低于10％(K₂O)，最高含量高达16％(K₂O)，其中约有95％以上赋存于钾长石中。本发明利用固体发酵的手段，使富钾板岩中的钾元素及微量元素，如硅、硼、铜、铁、锌等有效溶出，可以更好地被植物吸收使用，达到固废再利用的目的。同时添加了胶质芽孢杆菌菌剂，胶质芽孢杆菌作为硅酸盐细菌，具有解磷、解钾、固氮等能力，它不仅可以吸附稀土离子，还可以进一步溶出富钾板岩固体发酵产物中的钾等微量元素，使元素仅一步析出，对矿石中的元素达到更高的利用率，并且它分泌的胞外多糖物质还可作为一种保水剂，能促进土壤团粒结构形成，防止土壤板结；破坏土壤毛细现象，防止土壤水分蒸发。

发明内容

为了克服现有技术中存在的稀土污染土壤修复效率低，微生物修复过程中微生物存活及生长受到环境影响大，富钾板岩造成环境破坏及资源浪费等问题，本发明提出一种利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，包括以下步骤：

(一)选取尾矿库周边稀土污染的土壤；

(二)制备胶质芽孢杆菌菌剂；

(三)制备富钾板岩固体发酵产物；

(四)取适量富钾板岩固体发酵产物与稀土污染的土壤混合后，再加入适量胶质芽孢杆菌菌剂，得到稀土污染修复混合土壤；

(五)在所述稀土污染修复混合土壤中种植紫穗槐。

作为优选的技术方案，所述制备胶质芽孢杆菌菌剂的步骤具体包括：取胶质芽孢杆菌菌种，在LB培养基上划线接种，在28℃环境下培养至长出菌落后，挑取单菌落在LB斜面培养基上划线，在28℃环境下活化培养3天；在活化后的斜面培养基内注入Aml无菌水制成均匀菌悬液，接入Bml的LB液体培养基中，其中A:B＝1：50；于28℃环境下，190r/min活化培养3天后，按千分之一的接种量接入LB液体培养基中，再于28℃环境下，190r/min扩培3天，制成胶质芽孢杆菌菌剂。

作为优选的技术方案，制备富钾板岩固体发酵产物的步骤具体包括：将富钾板岩矿石磨至200目粒度，按照25:20:4:2的比例将富钾板岩矿粉、牛粪、废糖蜜与豆饼粉进行固体发酵，腐熟后过40目筛备用。

作为优选的技术方案，所述步骤(一)中还包括：用ICP-MS测得原土中主要稀土元素总量。

作为优选的技术方案，还包括用ICP-MS测得修复后土壤中主要稀土元素总量的步骤。

作为优选的技术方案，所述步骤(四)中，所述稀土污染的土壤与所述富钾板岩固体发酵产物按照30:1比例混匀。

作为优选的技术方案，所述步骤(四)中，每平方米所述稀土污染的土壤，施用所述富钾板岩固体发酵产物200～500g，并且施用所述胶质芽孢杆菌菌剂的量为1～2L。

作为优选的技术方案，所述土壤优选为稀土污染的盐碱土。

作为优选的技术方案，所述胶质芽孢杆菌具有解磷、解钾的作用，能够释放土壤中的磷元素和钾元素，促进紫穗槐生长。

作为优选的技术方案，所述步骤(五)中还包括：用ICP-MS测得种植紫穗槐后，稀土污染修复混合土壤中主要稀土元素总量。

本发明利用富钾板岩固体发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐三者的联合作用，来吸附稀土达到修复被稀土污染土壤的效果。富钾板岩作为冶炼过程中剥离出的低品位矿石，一直作为固体废弃物大量堆积，对周围环境造成了一定程度的危害。本发明可以有效的、资源化的、合理的利用白云鄂博矿区固体废弃物富钾板岩，改善矿区废石堆积及周边生态区域的环境问题，对尾矿库周边的环境治理和污染土壤的修复具有重要意义，且制备方法污染小、能耗低，紫穗槐也可作为植被饲料，为自然界动物提供养分。

本发明具有如下的有益效果：

(1)选用紫穗槐、富钾板岩固体发酵产物与微生物菌剂三者相互联合作用来吸附土壤污染，其具有利用太阳能作驱动力；能量消耗和费用少；对环境的破坏小；可使用于大面积的污染治理等优点。

(2)同时选用胶质芽孢杆菌为修复菌种，不仅可以修复稀土污染土壤，而且还可以解钾、解磷、固氮，增加土壤肥力。还可作为一种保水剂，能促进土壤团粒结构形成，防止土壤板结；破坏土壤毛细现象，防止土壤水分蒸发。为紫穗槐创造更好的生活环境，促进其生长，从而提高吸附能力。

(3)采用矿物质-微生物-植物联合修复污染土壤，比物理化学法的处理费用低、对环境影响小、效率高，而且不会造成二次污染。

附图说明

图1为不同处理下紫穗槐种子的发芽率对比图；

图2为不同处理下紫穗槐生长茎长变化趋势图；

图3为不同处理下紫穗槐生长情况对照实验图。

具体实施方式

为了更加明确地阐述本发明的技术方案，以下结合附图进行进一步说明。

实施例1

在实际实施环境下，即针对实际待修复的尾矿库周边稀土污染的土壤，现场实施利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，包括以下步骤：

(一)选取尾矿库周边稀土污染的土壤；所述土壤优选为稀土污染的盐碱土。用ICP-MS测得原土中主要稀土元素总量。

(二)制备胶质芽孢杆菌菌剂；所述制备胶质芽孢杆菌菌剂的步骤具体包括：取保藏的胶质芽孢杆菌菌种，在LB培养基上划线接种，在28℃环境下培养至长出菌落后，挑取单菌落在LB斜面培养基上划线，在28℃环境下活化培养3天；在活化后的斜面培养基内注入Aml无菌水制成均匀菌悬液，接入Bml的LB液体培养基中，其中A:B＝1：50；于28℃环境下，190r/min活化培养3天后，按千分之一的接种量接入LB液体培养基中，再于28℃环境下，190r/min扩培3天，制成胶质芽孢杆菌菌剂。

胶质芽孢杆菌具有解磷、解钾的作用，能够释放土壤中的磷元素和钾元素，促进紫穗槐生长。

(三)制备富钾板岩固体发酵产物；制备富钾板岩固体发酵产物的步骤具体包括：将富钾板岩矿石磨至200目粒度，按照25:20:4:2的比例将富钾板岩矿粉、牛粪、废糖蜜与豆饼粉进行固体发酵，腐熟后过40目筛备用。

(四)取适量富钾板岩固体发酵产物与稀土污染的土壤混合后，再加入适量胶质芽孢杆菌菌剂，得到稀土污染修复混合土壤；每平方米所述稀土污染的土壤，施用所述富钾板岩固体发酵产物200-500g，并且施用所述胶质芽孢杆菌菌剂的量为1-2L。

对于稀土污染的土壤的表层土而言，所述步骤(四)中，所述稀土污染的土壤与所述富钾板岩固体发酵产物可以大致按照30:1比例混匀。

(五)在所述稀土污染修复混合土壤中种植紫穗槐。用ICP-MS测得修复后土壤中主要稀土元素总量。

实施例2

在实验室环境下，实施利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，包括以下步骤：

(一)采集尾矿库周边稀土污染的土壤，灭菌后，测量其中的主要稀土元素含量；

(二)取保藏的胶质芽孢杆菌菌种，在LB培养基上划线接种后28℃培养至长出菌落后，挑取单菌落在LB斜面培养基上划线，与28℃活化培养3d；将活化后的斜面培养物注入1ml无菌水制成均匀菌悬液，接入50mlLB液体培养基中，于28℃，190r/min活化培养3d后，按千分之一的接种量接入LB液体培养基中，再于28℃，190r/min扩培3d，制成胶质芽孢杆菌菌剂；

(三)将富钾板岩矿石磨至200目粒度，添加一定配比的牛粪等农作物副产品进行固体发酵，腐熟后备用。

(四)将稀土污染土壤与富钾板岩固体发酵产物按照30:1比例混匀装入盆中，每盆播种经60℃温水浸泡24h紫穗槐种子30粒。播种三天后将盆栽分为两组，加菌组每盆加入胶质芽孢杆菌菌剂100ml，无菌组加入无菌LB培养基100ml；

(五)播种完成后每三天进行一次轻度松土，每天保证光照10h，光照强度约1000Lux。每隔一天浇水一次，每次每盆约为100ml。；

(六)播种120天后收集不同处理的土壤，测量其中的主要稀土元素含量。

实施例3

a、将预处理好的稀土污染土壤分装到6个15cm×18cm的花盆中，每盆按照土壤与富钾板岩发酵产物30:1的比例混匀，每盆装入约1.5kg基质；

b、每盆播种经60℃温水浸泡24h紫穗槐种子30粒。其中三盆加入胶质芽孢杆菌菌剂100ml，三盆加入无菌LB培养基100ml；

c、播种完成后每三天进行一次轻度松土，每天保证光照10h，光照强度约1000Lux。每隔一天浇水一次，每次每盆约为100ml；

d、生长期间，无需施肥，因富钾板岩固体发酵产物中含有农作物副产品，而所选固定化胶质芽孢杆菌还具有解磷，解钾的作用，可以释放土壤中的磷和钾等元素，足够植物生长；

e、播种120天后收集不同处理的土壤，测量其中的主要稀土元素含量。

稀土污染土壤的修复效果：

(1)用ICP-MS测得原土中主要稀土元素总量为287.48mg/kg，经本实施例处理后土壤中主要稀土元素含量为201.735mg/kg，可见稀土元素总量下降明显。

(2)按上述实施例的方法修复稀土污染土壤，修复结果如表1、2所示。

表1修复前原土中的主要稀土元素含量

注：平均值±标准差(n＝3)

表2种植紫穗槐后土壤基质的主要稀土元素含量

注：平均值±标准差(n＝3)

(3)上述稀土污染土壤的修复结果说明：

①由上述实施例可以看出，单施富钾板岩固体发酵产物的土壤种植紫穗槐也可以降低稀土污染土壤中主要稀土元素含量，降低含量为16.3％，但富钾板岩固体发酵产物与固定化菌剂的配施效果更佳，降低含量为31％；

②为克服植物与微生物菌剂联合程度上的困难，在植物生长时，通过根系提供了微生物旺盛的生活场所；反过来，微生物的旺盛生长，增强了对污染物的降解，促使植物有更加优越的生长空间，这样的植物－微生物联合体系就促进了污染物的快速降解与矿化。根据图1、图2以及图3可以看出，配施富钾板岩固体发酵产物与固定化菌剂可以增加紫穗槐种子的发芽率与生长茎长，证明矿物质-微生物-植物三者联合修复污染土壤的机制可以相互促进。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，包括以下步骤：

（一）选取尾矿库周边稀土污染的土壤；

（二）制备胶质芽孢杆菌菌剂；

（三）制备富钾板岩固体发酵产物；

（四）取适量富钾板岩固体发酵产物与稀土污染的土壤混合后，再加入适量胶质芽孢杆菌菌剂，得到稀土污染修复混合土壤；

（五）在所述稀土污染修复混合土壤中种植紫穗槐。

2.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述制备胶质芽孢杆菌菌剂的步骤具体包括：取胶质芽孢杆菌菌种，在LB培养基上划线接种，在28℃环境下培养至长出菌落后，挑取单菌落在LB斜面培养基上划线，在28℃环境下活化培养3天；在活化后的斜面培养基内注入Aml无菌水制成均匀菌悬液，接入Bml的LB液体培养基中，其中A:B=1：50；于28℃环境下，190r/min活化培养3天后，按千分之一的接种量接入LB液体培养基中，再于28℃环境下，190r/min扩培3天，制成胶质芽孢杆菌菌剂。

3.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：制备富钾板岩固体发酵产物的步骤具体包括：将富钾板岩矿石磨至200目粒度，按照25:20:4:2的比例将富钾板岩矿粉、牛粪、废糖蜜与豆饼粉进行固体发酵，腐熟后过40目筛备用。

4.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述步骤（一）中还包括：用ICP-MS测得原土中主要稀土元素总量。

5.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：还包括用ICP-MS测得修复后土壤中主要稀土元素总量的步骤。

6.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述步骤（四）中，所述稀土污染的土壤与所述富钾板岩固体发酵产物按照30:1比例混匀。

7.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述步骤（四）中，每平方米所述稀土污染的土壤，施用所述富钾板岩固体发酵产物200-500g，并且施用所述胶质芽孢杆菌菌剂的量为1-2L。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述土壤为稀土污染的盐碱土。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述胶质芽孢杆菌具有解磷、解钾的作用，能够释放土壤中的磷元素和钾元素，促进紫穗槐生长。

10.根据权利要求1所述的利用富钾板岩发酵产物、微生物菌剂与紫穗槐联合修复稀土污染的方法，其特征在于：所述步骤（五）中还包括：用ICP-MS测得种植紫穗槐后，稀土污染修复混合土壤中主要稀土元素总量。