CN110026431B - 一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法，其步骤主要是：A、复合菌的配制：将脱硫弧菌、脱硫肠状菌、脱硫杆菌和脱硫球菌按35～55:10～15:30～60:7～10的质量比，配成复合菌；B、复合菌的培养：将复合菌用硫酸还原菌培养物进行厌氧培养；C、悬浮剂的配制：将复合菌及其代谢产物、营养物作为微生物纳米材料，加水配制成菌体数目为(0.8～1.2)×107个/ml的微生物纳米材料悬浮剂；D、镉污染土壤的修复：对土壤镉污染进行翻耕，同时按每平米土壤50～500L的灌注量灌注悬浮剂，7～15天后重复翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为2～4次。该方法无二次污染产生、修复时间短、操作方便，修复效果好。

Description

一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法
技术领域
本发明涉及一种微生物纳米材料修复重金属镉污染土壤的方法。
技术背景
2014年4月17日环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》公示，重金属镉的点位超标率高达7％，为无机污染物中的首要污染物，部分农用旱地存在重金属镉的超标。旱地镉污染的土壤中种植出的食用作物镉超标现象屡见：2017年7月河南省新乡市凤泉区的小麦中镉超标达12.8倍。2017年国家计生委和食品药品监督管理总局修订的国标《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762～2017)规定：食品中镉限量指标：谷物中镉0.1mg/kg；新鲜蔬菜(叶菜蔬菜)0.05mg/kg。2018年生态环境部和国家市场监督管理总局发布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618～2018)规定了不同pH的土壤中镉的含量为：1.5mg/kg(pH≤5.5)、2.0mg/kg(5.5＜pH≤6.5)、3.0mg/kg(6.5＜pH≤7.5)、4.0mg/kg(pH＞7.5)，要求严格把控农用土壤的重金属含量，种植出合格的农产品。
近年来对镉污染土壤的修复方法较多，各有利弊。客土法通过向污染土壤中添加洁净土壤，以降低污染物的浓度；但其未从根本上减除土壤污染。植物修复法直接利用植物把受污染土地的污染物进行移除、分解或围堵，但其周期长。淋洗法的工程量大，且会产生淋洗液的二次污染。化学钝化法需向土壤中加入较多的钝化剂(化学物)，会严重的影响土壤肥力。
微生物修复镉污染的土壤，以其费用低、周期短、操作简单、处理效果较好，并且不易造成二次污染等特点受到关注。但现有的微生物修复镉污染的土壤的处理效果还有待提高。如中国专利申请号CN201610370434.X介绍了一种基于沼渣的对镉重污染场地的原位及异位耦合解毒镉污染方法，其向土壤中加入的附属微生物培养材料较多，修复条件高，时间较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法，该方法无二次污染产生、所需的微生物培养材料少、修复时间短、操作方便，修复成本低。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法，其步骤是：
A、复合菌的配制
将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desul fotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desul fococcus sp.)按35～55:10～15:30～60:7～10的质量比例，配制成复合菌；
B、复合菌的培养
将A步配制的复合菌在厌氧培养器中，用硫酸盐还原菌培养物进行厌氧培养，得培养物；其具体的培养参数为：温度30～44℃，pH4.5～9.5，培养时间20～40小时；
C、悬浮剂的配制
将B步培养得到的复合菌及其代谢产物、营养物一起作为微生物纳米材料，加水配制成微生物纳米材料悬浮剂，微生物纳米材料悬浮剂中的菌体数目为0.8×107～1.2×107个/ml；
D、镉污染土壤的修复
对镉污染的土壤进行翻耕，翻耕的同时灌注微生物纳米材料悬浮剂，灌注量为每平米土壤灌注50～500L微生物纳米材料悬浮剂；
7～15天后重复上述的翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为2～4次。
本发明使用的脱硫弧菌：形状为(0.5～1)μm×(3～5)μm的弯曲杆状，极生鞭毛，无芽孢，革兰氏阴性。脱硫肠状菌：形状为大小在(0.3～1.5)μm×(3～6)μm的杆状端圆，有时呈葡萄链状，周身鞭毛运动，有孢子，革兰氏阴性。脱硫杆菌：形状为大小在(0.5～1.0)μm×(3.0～5.0)μm的卵形或杆形，无孢子，革兰氏阴性。脱硫球菌：形状为大小在(0.25～1.2)μm×(2.0～4.0)μm的球形，葡萄形，有时两球相叠，不运动，革兰阴性。
以上四种菌种均为已有公知菌种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明筛选出将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desulfotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desulfococcus sp.)按特定比例，配制成复合菌微生物纳米材料。经χ～射线吸收能谱仪等检测分析表明：该纳米材料中的复合菌及其代谢产物能与土壤中一、二、三价镉反应，在Fe2+的作用下，将一价镉氧化为二价镉、三价镉还原为二价镉；二价镉再与复合菌及其代谢产物中含有的负二价硫离子反应生成多硫化镉(CdS3、CdS4)沉淀。多硫化镉不溶于水，在土壤中溶解度极小，不会被作物吸收；从而将有效态的一、二、三价镉钝化、固化为无效态的多硫化镉，解除土壤中镉的有效性和毒性，实现镉污染土壤的原位修复。其对镉的钝化、固化修复效果好；测试表明，本方法对镉污染的土壤中的不稳定镉的钝化固化率达97.5％。
二、本发明筛选出的四种已知菌种的生物风险性已经得到验证，不会对生物造成危害，无有毒物质、无二次污染产生。
三、本发明操作方便，在进行土壤翻耕时，同时灌注悬浮剂即可完成修复操作；使用的生物材料为纳米级，比表面积大，通过翻耕使土壤全面、充分接触微生物纳米材料，对镉的修复效率高、作用时间快，只需14～60天即可实现对镉污染土壤的修复，修复成本低。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
具体实施方式
实施例1
一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染的土壤的方法，其步骤：
A、复合菌的配制
将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desul fotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desul fococcus sp.)按45:12:45:8的质量比例，配制成复合菌；
B、复合菌的培养
将A步配制的复合菌在厌氧培养器中，用硫酸盐还原菌培养物进行厌氧培养，得培养物；其具体的培养参数为：温度37℃，pH7，培养时间28小时；
C、悬浮剂的配制
将B步培养得到的复合菌及其代谢产物、营养物一起作为微生物纳米材料，加水配制成微生物纳米材料悬浮剂，微生物纳米材料悬浮剂中的菌体数目为1×107个/ml；
D、镉污染土壤的修复
对镉污染的土壤进行翻耕，翻耕的同时灌注微生物纳米材料悬浮剂，灌注量为每平米土壤灌注250L微生物纳米材料悬浮剂；
10天后重复上述的翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为3次。
采用本例的方法对总镉浓度为6.8mg/kg的土壤进行镉污染的土壤修复。对修复后的土壤，采用收集雨水对土壤进行淋洗，检测出淋洗液中镉的含量为0.02mg/L；而采用同样量雨水对未被修复的同样量的同一土壤的淋洗液中镉的检出量为0.8mg/L。可见，修复后土壤中雨水淋洗出的镉明显降低，本方法对镉污染的土壤中的不稳定镉的钝化固化率为97.5％。
实施例2
一种利用微生物纳米材料原位修复土壤镉污染的方法，其步骤：
A、复合菌的配制
将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desul fotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desul fococcus sp.)按55:15:30:7的质量比例，配制成复合菌；
B、复合菌的培养
将A步配制的复合菌在厌氧培养器中，用硫酸盐还原菌培养物进行厌氧培养，得培养物；其具体的培养参数为：温度44℃，pH9.5，培养时间40小时；
C、悬浮剂的配制
将B步培养得到的复合菌及其代谢产物、营养物一起作为微生物纳米材料，加水配制成微生物纳米材料悬浮剂，微生物纳米材料悬浮剂中的菌体数目为0.8×107个/ml；
D、镉污染土壤的修复
对镉污染的土壤进行翻耕，翻耕的同时灌注微生物纳米材料悬浮剂，灌注量为每平米土壤灌注50L微生物纳米材料悬浮剂；
7天后重复上述的翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为4次。
采用本例的方法对总镉浓度为5.58mg/kg的土壤进行镉污染的土壤修复。对修复后的土壤，直接种植四季小白菜。小白菜成熟后检测小白菜地上部分的重金属总镉含量0.01mg/kg，优于国标规定的叶菜蔬菜中镉的含量0.05mg/kg。；未进行修复的同块土壤种植的成熟后小白菜地上部分的重金属总镉含量为2.32mg/kg，超出国标规定含量45倍。
可见，本例的修复方法将小白菜的镉含量减低了99.6％((2.32～0.01)÷2.32)。
实施例3
一种利用微生物纳米材料原位修复土壤镉污染的方法，其步骤：
A、复合菌的配制
将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desul fotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desul fococcus sp.)按35:10:60:10的质量比例，配制成复合菌；
B、复合菌的培养
将A步配制的复合菌在厌氧培养器中，用硫酸盐还原菌培养物进行厌氧培养，得培养物；其具体的培养参数为：温度30℃，pH4.5，培养时间20小时；
C、悬浮剂的配制
将B步培养得到的复合菌及其代谢产物、营养物一起作为微生物纳米材料，加水配制成微生物纳米材料悬浮剂，微生物纳米材料悬浮剂中的菌体数目为1.2×107个/ml；
D、镉污染土壤的修复
对镉污染的土壤进行翻耕，翻耕的同时灌注微生物纳米材料悬浮剂，灌注量为每平米土壤灌注500L微生物纳米材料悬浮剂；
15天后重复上述的翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为2次。
采用本例的方法对总镉浓度为3.92mg/kg的土壤进行镉污染的土壤修复。对修复后的土壤，播种冬小麦，待小麦成熟后，收集小麦籽粒进行检测，测得小麦籽粒中的重金属总镉含量为未检出—0.01mg/kg，优于国标规定的谷物中镉的含量0.1mg/kg；未进行修复的小麦籽粒中的重金属总镉含量为0.23mg/kg，超出国标规定含量130％。本例的修复方法将小麦的镉含量减低了95.7％以上。

Claims (1)

1.一种利用微生物纳米材料原位修复镉污染土壤的方法，其步骤：
A、复合菌的配制
将脱硫弧菌(Desul foribrio sp.)、脱硫肠状菌(Desul fotomaculum sp.)、脱硫杆菌(Desul fobacterium sp.)和脱硫球菌(Desul fococcus sp.)按35～55:10～15:30～60:7～10的质量比例，配制成复合菌；
B、复合菌的培养
将A步配制的复合菌在厌氧培养器中，用硫酸盐还原菌培养物进行厌氧培养，得培养物；其具体的培养参数为：温度30～44℃，pH4.5～9.5，培养时间20～40小时；
C、悬浮剂的配制
将B步培养得到的复合菌及其代谢产物、营养物一起作为微生物纳米材料，加水配制成微生物纳米材料悬浮剂，微生物纳米材料悬浮剂中的菌体数目为0.8×107～1.2×107个/ml；
D、镉污染土壤的修复
对镉污染的土壤进行翻耕，翻耕的同时灌注微生物纳米材料悬浮剂，灌注量为每平米土壤灌注50～500L微生物纳米材料悬浮剂；
7～15天后重复上述的翻耕灌注，翻耕灌注的总次数为2～4次。
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