CN109821892B - 原位修复有机污染土壤生物材料，其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合微生物菌剂，其特征在于由以下微生物组成：腐败假单胞菌(Shewanella putrefaciens)、金属还原地杆菌(Geobactermetallireducens)、海藻希瓦氏菌(Shewanella alga)、嗜热产甲烷古细菌(Methanococcus thermolithotrophicus)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(Brocadia anammoxidans)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)组成，优选地，腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为A∶B∶C∶D∶E∶F，其中A选自1～3的数字，B选自3～5的数字，C选自1～3的数字，D选自2～4的数字，E选自1～3的数字，F选自3～5的数字；其制备方法和用途。本发明制得的微生物菌剂在修复有机物污染方面具有非常优异的效果，且制备方法简单、成本低、无二次污染，具有广阔的市场价值。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，具体地涉及一种原位修复有机污染土壤并提升土壤质量的生物材料及其制备方法。
背景技术
土壤污染是全球性的重要环境问题，土壤污染的修复及其机理一直是多领域持续研究的热点。有机污染土壤具有致癌致病性、滞后性、长期性和不可逆性，修复难度大。近年来，随着我国工业化、城镇化的快速发展，土壤中有机污染物时有检出，已经引起国家的高度重视。堆肥产品不仅腐殖质含量高，而且养分丰富，常被用作有机肥料施用于土壤。因此，直接利用堆肥产品应用于土壤修复，不仅节约成本，还可以作为土壤改良剂和调理剂助力修复效果，提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素和富里酸含量，增进土壤肥力，促进作物生长。利用生物炭制备各种修复材料的技术较多，而应用堆肥产品的同时，利用腐殖质呼吸菌群，对污染土壤进行原位生物修复鲜有报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种原位修复有机污染土壤生物材料，其制备方法和应用。
具体地，本发明涉及以下方面：
1.复合微生物菌剂，其特征在于由以下微生物组成：腐败假单胞菌(Shewanellaputrefaciens)、金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens)、海藻希瓦氏菌(Shewanella alga)、嗜热产甲烷古细菌(Methanococcus thermolithotrophicus)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(Brocadia anammoxidans)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)组成，优选地，腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为A：B：C：D：E：F，其中A选自1～3的数字，B选自3～5的数字，C选自1～3的数字，D选自2～4的数字，E选自1～3的数字，F选自3～5的数字，更优选地，腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为2∶3∶1∶2∶1∶3。
2.生物材料，其特征在于包含上述1所述的复合微生物菌剂。
3.上述2所述的生物材料，其特征在于进一步包含生物炭和堆肥产品。
4.上述2或3所述的生物材料，其特征在于所述生物炭是将选自由玉米秸秆，花生壳，玉米芯或其组合组成的农业废弃物热解炭化而制得.
5.上述4所述的生物材料，其中在于所述农业废弃物粉碎后过100目筛，经调整含水率至18-20％，置于400-450℃马弗炉中热解炭化，更优选热解炭化9-10小时。
6.上述2或3所述的生物材料，其特征在于所述堆肥产品是以农业废弃物与畜禽粪便或生活垃圾为原料混合堆肥而制得，其中腐殖质含量为30～40％，胡敏酸：富里酸含量比值范围为3∶1～6∶1，含水率为20～40％，优选地，重金属含量等指标需符合国家相关标准要求。
7.原位修复有机物污染土壤的方法，其特征在于将上述1中涉及的复合微生物菌剂，上述3-5任一项中涉及的生物炭，上述6中涉及的堆肥产品分别按照待修复土壤质量百分比为8～10％、10～20％、5～10％的比例均匀混合，优选地，所述有机物选自多环芳烃、酞酸酯、石油烃、有机氯农药或其组合。
8.上述2-6任一项所述的生物材料在环境修复工程中的应用。
9.上述8所述的应用，其中所述环境修复工程为修复有机污染土壤，优选地，所述有机物选自多环芳烃、酞酸酯、石油烃、有机氯农药或其组合。
在具体的实施方案中，所述对数生长期具体是指菌液在600nm波长处的吸光值(OD600)范围为0.4～0.7。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明提供的复合微生物菌群可以促进土壤中污染物的降解。将堆肥产品应用于土壤修复，不仅解决农业废弃物、畜禽粪便等污染问题，还可以解决有机肥市场应用范围小的问题，同时，还可作为土壤改良剂和调理剂助力腐殖质呼吸菌群原位修复有机污染的效果，提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素和富里酸含量，增进土壤肥力，促进作物生长。但是利用堆肥产品直接应用存在肥效低、肥效慢等问题，通过添加本发明的复合微生物菌剂可以促进污染物的降解。进一步地，添加生物炭可调节物料孔隙度，增加对多环芳烃等有机污染物的吸附效率，并大大提高堆肥产品应用的范围。此外，生物炭可作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的来源，有利于提高堆肥的腐熟度，增加土壤中的有机质含量。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：
采用本发明的复合微生物菌剂，优选结合生物炭和堆肥产品修复有机污染土壤，协同效应显著，应用实践表明对于有机污染具有去除效率高、去除范围广、修复时间短、成本低、易操作、无二次污染等优势，可大面积用于有机污染场地，在降解污染物、提升土壤有机质含量方面都具有非常优异的效果，市场推广价值高，有极好的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
下面列举一些具体实施例，以对本发明的实施和技术效果做更进一步的说明。下述各实施例中，如无特别说明，所述百分比均指质量百分比。微生物均是公众可以获得，例如购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，中国微生物菌种查询网，北纳生物，中国农业微生物菌种保藏管理中心，或发表于科技期刊。
实施例1
1、复合微生物菌剂制备
将腐败假单胞菌(S.putrefaciens，例如中国微生物菌种查询网，编号bio-097659)、金属还原地杆菌(G.metallireducens，例如中国微生物菌种查询网，编号bio-091064)、海藻希瓦氏菌(S.alga，例如中国微生物菌种查询网，编号bio-74287)、嗜热产甲烷古细菌(M.thermolithotrophicus，例如中国农业微生物菌种保藏管理中心，编号ATCC51181)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(B.anammoxidans，例如厌氧氨氧化菌的代谢途径及其关键酶的研究进展，周英杰，王淑梅，张兆基，陈少华，《生态学杂志》，2012，31(3)；738-744)和枯草芽孢杆菌(B.subtilis，例如中国微生物菌种查询网，编号：bio-103318)活化后分别单独培养至OD600为0.4，之后按菌体质量2∶3∶1∶2∶1∶3均匀混合。
2、生物炭制备
将玉米秸秆水洗后烘干，粉碎过100目筛，调整含水率至20％，置于450℃马弗炉中热解炭化10h。
3、腐殖质制备
以农业废弃物与畜禽粪便或生活垃圾为原料混合堆肥，要求产品腐殖质含量为35％，胡敏酸：富里酸含量比值范围为5∶1，含水率为30％，重金属含量指标需符合国家相关标准要求。
4、将复合微生物菌剂、生物炭、堆肥产品按照待修复土壤质量的8％、10％、8％的比例均匀混合，得到所述生物材料。
5、将该材料应用于北京某化工厂附近多环芳烃(PAHs总量为366μg·kg-1(225～568μg·kg-1))污染土壤修复试验，取待修复土壤10kg，分别加入0.8kg该菌剂、1kg生物炭、0.8kg堆肥产品，混合均匀后，于室温(25℃)放置20天。结果表明，与未添加该材料的对照相比，多环芳烃含量降低了52％。
实施例2
1、复合微生物菌剂制备
将腐败假单胞菌(S.putrefaciens)、金属还原地杆菌(G.metallireducens)、海藻希瓦氏菌(S.alga)、嗜热产甲烷古细菌(M.thermolithotrophicus)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(B.anammoxidans)和枯草芽孢杆菌(B.subtilis)活化后分别单独培养至OD600为0.7，之后按菌体重量1∶4∶2∶2∶2∶5均匀混合。
2、生物炭制备
将玉米芯水洗后烘干，粉碎过100目筛，调整含水率至18％，置于400℃马弗炉中热解炭化10h。
3、腐殖质制备
以农业废弃物与畜禽粪便或生活垃圾为原料混合堆肥，要求产品腐殖质含量为30％，胡敏酸：富里酸含量比值范围为3∶1，含水率为20％，重金属含量指标需符合国家相关标准要求。
4、将复合微生物菌剂、生物炭、堆肥产品按照待修复土壤质量的10％、10％、10％的比例均匀混合，得到所述生物材料。
5、如实施例1所述，将该材料应用于北京某化工厂附近多环芳烃(PAHs总量为366μg·kg-1(225～568μg·kg-1))污染土壤修复试验，取待修复土壤10kg，分别加入1kg该菌剂、1kg生物炭、1kg堆肥产品，混合均匀后，于室温(25℃)放置20天。结果表明，与未添加该材料的对照相比，多环芳烃含量降低了56％。
实施例3
1、复合微生物菌剂制备
将腐败假单胞菌(S.putrefaciens)、金属还原地杆菌(G.metallireducens)、海藻希瓦氏菌(S.alga)、嗜热产甲烷古细菌(M.thermolithotrophicus)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(B.anammoxidans)和枯草芽孢杆菌(B.subtilis)活化后分别单独培养至OD600为0.5，之后按菌体重量2∶4∶2∶2∶2∶4均匀混合。
2、生物炭制备
将花生壳水洗后烘干，粉碎过100目筛，调整含水率至20％，置于450℃马弗炉中热解炭化9h。
3、腐殖质制备
以农业废弃物与畜禽粪便或生活垃圾为原料混合堆肥，要求产品腐殖质含量为40％，胡敏酸：富里酸含量比值范围为6∶1，含水率为30％，重金属含量等指标需符合国家相关标准要求。
4、将复合微生物菌剂、生物炭、堆肥产品按照待修复土壤质量的10％、10％、10％的比例均匀混合，得到所述生物材料。
5、如实施例1所述，将该材料应用于北京某化工厂附近多环芳烃(PAHs总量为366μg·kg-1(225～568μg·kg-1))污染土壤修复试验，取待修复土壤10kg，分别加入1kg该菌剂、1kg生物炭、1kg堆肥产品，混合均匀后，于室温(25℃)放置20天。结果表明，与未添加该材料的对照相比，多环芳烃含量降低了49％。
实施例4
重复实施例1的实验，其中仅是将复合微生物菌剂、生物炭、堆肥产品按照待修复土壤质量的8％、10％、5％的比例均匀混合，进行多环芳烃(PAHs总量为366μg·kg-1(225～568μg·kg-1))污染土壤修复试验，结果表明，与未添加该材料的对照相比，多环芳烃含量降低了51.2％。
实施例5
重复实施例1的实验，其中仅是将复合微生物菌剂、生物炭、堆肥产品按照待修复土壤质量的10％、20％、10％的比例均匀混合，进行多环芳烃(PAHs总量为366μg·kg-1(225～568μg·kg-1))污染土壤修复试验，结果表明，与未添加该材料的对照相比，多环芳烃含量降低了63.7％。
实施例6
重复实施例1的实验，其中仅是将有机污染物更换为石油烃(取自黑龙江某采油厂，其原始总量平均值为60.37mg/kg)、有机氯农药(取自山东某农田，其原始含量为65.37μg/kg)、酞酸酯(取自北京怀柔区蔬菜大棚，邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁基苄基酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、邻苯二甲酸正辛酯等6种酞酸酯总浓度为0.58～3.26mg/kg)等，结果表明，与未添加该材料的对照相比，有机污染物去除率大大提高，含量分别降低了35％(石油烃)、29％(有机氯农药)和46％(酞酸酯)。
综上所述，本发明将生物炭、复合微生物菌剂和堆肥产品以特定比例联合使用，优选辅以一定的制备方法，制得的生物材料中各成分能够协同作用，在降解有机污染物和提高土壤质量方面都具有预料不到的技术效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.用于原位修复有机污染土壤的复合微生物菌剂，其特征在于由以下微生物组成：腐败假单胞菌(Shewanella putrefaciens)、金属还原地杆菌(Geobactermetallireducens)、海藻希瓦氏菌(Shewanella alga)、嗜热产甲烷古细菌(Methanococcusthermolithotrophicus)、厌氧氨氧化布罗卡德氏菌(Brocadia anammoxidans)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)组成，腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为1～3：3～5：1～3：2～4：1～3：3～5。
2.如权利要求1所述的复合微生物菌剂，其特征在于腐败假单胞菌，金属还原地杆菌，海藻希瓦氏菌，嗜热产甲烷古细菌，厌氧氨氧化布罗卡德氏菌和枯草芽孢杆菌的质量比为2:3:1:2:1:3。
3.生物材料，其特征在于包含权利要求1或2所述的复合微生物菌剂。
4.权利要求3所述的生物材料，其特征在于进一步包含生物炭和堆肥产品。
5.权利要求4所述的生物材料，其特征在于所述生物炭是将玉米秸秆，花生壳，玉米芯或其组合组成的农业废弃物热解炭化而制得。
6.权利要求5所述的生物材料，其特征在于所述农业废弃物粉碎后过100目筛，经调整含水率至18-20％，置于400-450℃马弗炉中热解炭化，热解炭化9-10小时。
7.权利要求4或5所述的生物材料，其特征在于所述堆肥产品是以农业废弃物与畜禽粪便或生活垃圾为原料混合堆肥而制得，其中腐殖质含量为30～40％，胡敏酸：富里酸含量比值范围为3:1～6:1，含水率为20～40％，重金属含量指标需符合国家相关标准要求。
8.原位修复有机污染土壤的方法，其特征在于将权利要求1或2中涉及的复合微生物菌剂，权利要求4-6任一项中涉及的生物炭，权利要求7中涉及的堆肥产品分别按照待修复土壤质量百分比为8～10％、10～20％、5～10％的比例均匀混合。
9.权利要求8所述的方法，其特征在于，有机污染物为多环芳烃、酞酸酯、石油烃、有机氯农药或其组合。
10.权利要求3-7中任一项所述的生物材料在环境修复工程中的应用。
11.权利要求10所述的应用，其中所述环境修复工程为修复有机污染土壤。
12.权利要求11所述的应用，有机污染物为多环芳烃、酞酸酯、石油烃、有机氯农药或其组合。
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