CN110423619A - 一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用 Download PDF

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张冬雪
文亚雄
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Abstract

本发明提供了一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用，制备方法包括：将农林废弃物进行烘干、粉碎和过筛处理；将过筛后农林废弃物粉末作为液体发酵培养基组分，接种经斜面培养和摇床培养后的黄蓝状菌和草酸青霉菌进行发酵罐培养，得到产物I；将产物I进行清洗和烘干；将烘干后的产物I作为固体发酵培养基组分，接种经斜面培养、摇床培养和发酵罐放大培养的黄蓝状菌和草酸青霉菌进行固体产孢发酵，得到产物II；将产物II进行烘干、粉碎和过筛处理，得到镉污染土壤修复剂。将上述方法所得镉污染土壤修复剂应用在镉污染的农田或耕地中能降低重金属有效性，同时为农林废弃物的资源化利用提供一种新的方法。

Description

一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及环保技术领域，特别涉及一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着社会的快速发展，农林废弃物每年以5％-10％的速度递增。预计2020年，我国农业废弃物产生量将超过50亿吨，如果这些废弃物不能被很好的利用，则会造成空气污染、水污染、固体废弃物污染等问题，严重时将危害人类健康。因此，农林废弃物的资源化利用研究具有重要意义。
中国专利CN 109967041 A公开了一种Fe-Mg双金属磁性生物质活性炭应用于阳离子染料废水处理，其中生物质为农林废弃物花生壳粉末；中国专利CN 110041950 A公开了一种农林废弃物干馏热解曝气黑臭水体处理方法，实现农林废弃物尤其是富集重金属的农林废弃物的资源化利用；此外，有文献显示可利用微生物处理方法提高玉米秸秆高效厌氧消化产甲烷，或有关纤维素生物质厌氧消化的生物预处理的相关研究([1]黄开明,赵立欣,冯晶,等.复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能[J].农业工程学报,2018,34(16):184-189；[2]徐琬莹,田建茹,左华,等.纤维素生物质厌氧消化的生物预处理研究进展[J].中国沼气,2019,37(03):9-20.)。目前，有关农林废弃物改性应用于污染废水的研究报道较多，暂未见利用微生物预处理农林废弃物应用于重金属污染土壤治理的相关研究报道。
发明内容
本发明提供了一种镉污染土壤修复剂及其制备方法与应用，其目的是用微生物发酵法预处理农林废弃物制备修复剂，降低土壤重金属有效性的同时，为农林废弃物的资源化利用提供一种新的方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种镉污染土壤修复剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将农林废弃物进行烘干、粉碎和过筛处理，得到农林废弃物粉末；
(2)将步骤(1)所得农林废弃物粉末进行发酵罐培养预处理，得到产物I；所述发酵罐培养预处理是将步骤(1)所得农林废弃物粉末作为液体发酵培养基组分，接种微生物进行发酵罐培养；所述微生物为经斜面培养和摇床培养后的黄蓝状菌和草酸青霉菌；
(3)将步骤(2)所得产物I进行清洗和烘干；
(4)将经步骤(3)烘干后的产物I进行固体产孢发酵，得到产物II；所述固体产孢发酵是将经步骤(3)烘干后的产物I作为固体发酵培养基组分，接种复合功能微生物进行固体产孢发酵；所述复合功能微生物为经斜面培养、摇床培养和发酵罐放大培养的黄蓝状菌和草酸青霉菌；
(5)将步骤(4)所得产物II进行烘干、粉碎和过筛处理，得到镉污染土壤修复剂。
优选地，步骤(1)中所述农林废弃物包括农作物秸秆、食用菌菌渣、果壳、果树皮、落叶、枝条、蔬菜残体中的一种或多种。
优选地，所述黄蓝状菌的保藏号为ACCC32732；所述草酸青霉菌的保藏号为ACCC32731。
优选地，所述黄蓝状菌的孢子含量为15～20亿cfu/g；草酸青霉菌的孢子含量为20～30cfu/g。
优选地，步骤(2)中所述发酵罐培养预处理具体包括如下步骤：
a.斜面培养：将黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28～30℃下培养24～36h，得到斜面菌种；所述斜面培养基为PDA培养基；
b.摇床培养：将步骤a所得斜面菌种在无菌条件下接种于种子培养基中，在28～30℃的温度、140～180r/min的转速下培养24～36h；所述种子培养基为YPD培养基；
c.发酵罐培养预处理农林废弃物：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为10～18％；培养条件为：pH 6.0～6.5、罐压为0.05～0.06MPa、温度为30～35℃、通风量为1：0.4～0.6vvm；培养时间为7～10天；
所述液体发酵培养基配方为：农林废弃物30～50g/L，蛋白胨10～12g/L，硝酸铵3～5g/L，氯化钠5～7g/L，pH 6.5±0.2。
优选地，所述农林废弃物以500目尼龙网包裹，作为液体发酵培养基中的碳源。
优选地，所述固体产孢发酵包括如下步骤：
a.斜面培养：将黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28～30℃下培养24～36h，得到斜面菌种；所述培养基为PDA培养基；
b.摇床培养：将步骤a所得斜面菌种在无菌条件下接种于种子培养基中，在28～30℃的温度、140～180r/min的转速下培养24～36h；所述种子培养基为YPD培养基；
c.发酵罐放大培养：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为10％～18％；培养条件为：pH6.0～6.5、罐压为0.05～0.06MPa、温度为28～30℃、通风量为1：0.4～0.6vvm；培养时间为48～72h；
所述液体发酵培养基配方为：蔗糖15～20g/L，蛋白胨10～12g/L，酵母粉3～5g/L，氯化钠5～7g/L，磷酸二氢钾0.5～1.5，硫酸镁0.3～0.5，pH 6.5±0.2；
d.固体发酵产孢：将步骤c培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下接种于固体发酵产孢培养基中，26-28℃下培养5～7天；
所述固体发酵培养基配方为：产物I、黄豆粉，含水量为60～65％，pH自然；其中，产物I与黄豆粉的重量比为4:1。
优选地，所述YPD培养基的配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母膏10g/L，pH6.5±0.2。
本发明还提供一种由上述方法制成的镉污染土壤修复剂。
本发明还提供一种上述镉污染土壤修复剂在治理污染土壤中的应用。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(一)本发明提供的镉污染土壤修复剂及其制备方法中，所采用的复合功能微生物黄蓝状菌、草酸青霉菌同时具有耐重金属镉、产酸、产纤维素酶等作用，其中产酸功能可使农林废弃物材料表面质子化，即增加H+含量，协同促进重金属离子与H+的置换，从而去除重金属离子；
(二)本发明提供的镉污染土壤修复剂及其制备方法中，复合功能微生物黄蓝状菌、草酸青霉菌在发酵过程中所产纤维素酶能够降解部分农林废弃物材料中的部分纤维素成分，以暴露大分子木质素，由于大分子对重金属离子的吸附性较强，即进一步增加对重金属离子的富集作用；
(三)本发明提供的的镉污染土壤修复剂及其制备方法中，本发明所述方法操作简单易行，成本低廉，降低土壤重金属有效性的同时，为农林废弃物的资源化利用提供一种新的方法。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例提供的镉污染土壤修复剂的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，将农林废弃物水稻秸秆烘干粉碎，过40-60目筛备用；
步骤二，将步骤一所得水稻秸秆粉末进行发酵罐培养预处理，得到产物I；所述发酵罐培养预处理是将步骤一所得水稻秸秆粉末以500目尼龙网包裹后作为液体发酵培养基的唯一碳源，接种微生物进行发酵罐培养7天；所述微生物为经斜面培养和摇床培养后的黄蓝状菌和草酸青霉菌，黄蓝状菌和草酸青霉菌兼具耐镉且产酸、产纤维素酶；
所述发酵罐培养预处理农林废弃物粉末的具体步骤为：
a.斜面培养：将所述黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28℃条件下培养24h；
所述培养基配方为PDA培养基。
b.摇床培养：将步骤a培养的斜面菌种在无菌条件下分别接种于种子培养基中，30℃、160r/min条件下培养36h；
所述种子培养基为YPD培养基，配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母膏10g/L，pH 6.5±0.2。
c.发酵罐培养预处理水稻秸秆：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为15％，在pH 6.0-6.5、罐压为0.05～0.06MPa、温度为28℃、通风量为1：0.5vvm的条件下，培养时间7天，预处理结束。
所述预处理培养液配方为：水稻秸秆粉末(以500目尼龙网包裹)40g/L，蛋白胨10g/L，硝酸铵4g/L，氯化钠5g/L，pH 6.5±0.2。
步骤三，将预处理后的水稻秸秆粉末(产物I)以清水清洗3-5次、烘干备用；
步骤四，固体发酵菌剂的制备。将烘干后的产物I作为固体发酵培养基组分，复合功能微生物进行固体产孢发酵，得到产物II；所述复合功能微生物为经斜面培养、摇床培养和发酵罐放大培养的黄蓝状菌和草酸青霉菌；
所述固体产孢发酵具体为：
a.斜面培养：将所述黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28℃条件下培养24h；
所述培养基配方为PDA培养基。
b.摇床培养：将步骤a培养的斜面菌种在无菌条件下分别接种于种子培养基中，于30℃、160r/min的转速下培养36h；
所述种子培养基为YPD培养基，配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母膏10g/L，pH 6.5±0.2。
c.发酵罐放大培养：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为15％，在pH 6.0-6.5、罐压为0.055MPa、温度为28℃、通风量为1：0.5vvm的条件下，培养时间72h下罐。
所述液体发酵培养基配方为：蔗糖18g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，氯化钠5g/L，磷酸二氢钾1.0，硫酸镁0.5，pH 6.5±0.2。
d.固体发酵产孢：将步骤c培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下接种于固体发酵产孢培养基，28℃下培养7天。
所述固体发酵培养基配方为：产物I、黄豆粉，含水量为60％-65％，pH自然；其中，产物I与黄豆粉的重量比为4:1。
步骤五、步骤四所得产物II进行烘干、粉碎过筛60-80目，得到微生物-水稻秸秆复合菌剂。
其中，黄蓝状菌、草酸青霉菌的孢子含量分别为18cfu/g、25cfu/g。
实施例2
所述镉污染土壤修复剂的制备过程及步骤同实施例1；
不同之处在于：黄蓝状菌、草酸青霉菌的孢子含量分别为15cfu/g、20cfu/g。
实施例3
所述镉污染土壤修复剂的制备过程及步骤同实施例1；
不同之处在于：黄蓝状菌、草酸青霉菌的孢子含量分别为20cfu/g、30cfu/g。
实施例4
所述镉污染土壤修复剂的制备过程及步骤同实施例1；
不同之处在于：在修复剂的制备过程中使用单一黄蓝状菌菌种，其中所得镉污染土壤修复剂的草酸青霉菌的孢子含量为18cfu/g。
实施例5
所述镉污染土壤修复剂的制备过程及步骤同实施例1；
不同之处在于：在修复剂的制备过程中使用单一草酸青霉菌菌种，其中，所得镉污染土壤修复剂的草酸青霉菌的孢子含量为25cfu/g。
试验例1
本试验例提供了一种镉污染土壤修复菌剂在农田或耕地上的应用。
试验地点：湖南省浏阳市北盛镇
试验时间：4月～7月
试验设计：
选取大小相近的9块稻田，且水系互不影响，各试验组设置如下：
对照组1：无污染稻田，无处理措施；
对照组2：污染稻田，无处理措施；
实验组1：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例1中土壤修复菌剂28kg/亩；
实验组2：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例1中土壤修复菌剂25kg/亩；
实验组3：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例1中土壤修复菌剂35kg/亩；
实验组4：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例2中土壤修复菌剂28kg/亩。
实验组5：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例3中土壤修复菌剂28kg/亩。
实验组6：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例4中土壤修复菌剂28kg/亩。
实验组7：污染稻田，于水稻种植或插秧前10-15天施用上述实施例5中土壤修复菌剂28kg/亩。
具体操作时，各试验组播种或插秧、施肥、浇水、除草、病虫害防治均在1天内完成，将人为误差降低到最小程度；施肥按当地施肥水平和施肥方法进行，根据天气和土壤水分情况，开设沟渠，做好防涝抗旱准备。
该镉污染土壤修复菌剂采用人工施入，水稻收获后，测定水稻产量、土壤有效镉含量、大米镉含量；供试土壤主要农化特性见表1：
表1土壤的理化性状
试验结果如表2所示：
表2为根据实施例1-5所述的方法制备所得的镉污染土壤修复菌剂对土壤及水稻的改良效果。
由表2所示的实验结果可知，本发明提供的镉污染土壤修复菌剂能够有效地降低土壤中镉的生物有效性，收获前后土壤中有效镉含量有明显的下降，且大米中的镉含量，相比于对照组2，含量减小，同时水稻的亩产量得到有效提高。
由实验组1、2、3的结果可知，每亩农田中添加25-35kg该修复菌剂为宜；优选地，每亩农田中添加28kg该土壤修复菌剂。
由实验组1、4、5的结果可知，土壤修复菌剂中微生物菌种黄蓝状菌的孢子含量以15-20亿cfu/g为宜，优选为18亿cfu/g；草酸青霉菌的孢子含量以20-30cfu/g为宜，优选为25亿cfu/g。
实验组1、6、7对比了复合微生物预处理与单一菌种预处理所制备得到的土壤修复菌剂的效果差异，结果显示，复合微生物预处理的效果明显优于单一菌种预处理，此外，单一预处理所制备菌剂的效果与对照组2相比，仍能显著降低土壤中有效镉含量，说明本发明所所提供的方法有效可行。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镉污染土壤修复剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将农林废弃物进行烘干、粉碎和过筛处理，得到农林废弃物粉末；
(2)将步骤(1)所得农林废弃物粉末进行发酵罐培养预处理，得到产物I；所述发酵罐培养预处理是将步骤(1)所得农林废弃物粉末作为液体发酵培养基组分，接种微生物进行发酵罐培养；所述微生物为经斜面培养和摇床培养后的黄蓝状菌和草酸青霉菌；
(3)将步骤(2)所得产物I进行清洗和烘干；
(4)将经步骤(3)烘干后的产物I进行固体产孢发酵，得到产物II；所述固体产孢发酵是将经步骤(3)烘干后的产物I作为固体发酵培养基组分，接种复合功能微生物进行固体产孢发酵；所述复合功能微生物为经斜面培养、摇床培养和发酵罐放大培养的黄蓝状菌和草酸青霉菌；
(5)将步骤(4)所得产物II进行烘干、粉碎和过筛处理，得到镉污染土壤修复剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述农林废弃物包括农作物秸秆、食用菌菌渣、果壳、果树皮、落叶、枝条、蔬菜残体中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述黄蓝状菌的保藏号为ACCC32732；所述草酸青霉菌的保藏号为ACCC32731。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述黄蓝状菌的孢子含量为15～20亿cfu/g；草酸青霉菌的孢子含量为20～30cfu/g。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述发酵罐培养预处理具体包括如下步骤：
a.斜面培养：将黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28～30℃下培养24～36h，得到斜面菌种；所述斜面培养基为PDA培养基；
b.摇床培养：将步骤a所得斜面菌种在无菌条件下接种于种子培养基中，在28～30℃的温度、140～180r/min的转速下培养24～36h；所述种子培养基为YPD培养基；
c.发酵罐培养预处理农林废弃物：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为10～18％；培养条件为：pH 6.0～6.5、罐压为0.05～0.06MPa、温度为30～35℃、通风量为1：0.4～0.6vvm；培养时间为7～10天；
所述液体发酵培养基配方为：农林废弃物30～50g/L，蛋白胨10～12g/L，硝酸铵3～5g/L，氯化钠5～7g/L，pH 6.5±0.2。
6.根据权利要求5所述的方法，所述农林废弃物以500目尼龙网包裹，作为液体发酵培养基中的碳源。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体产孢发酵包括如下步骤：
a.斜面培养：将黄蓝状菌、草酸青霉菌的原始菌种分别在无菌条件下接种于斜面培养基上，28～30℃下培养24～36h，得到斜面菌种；所述培养基为PDA培养基；
b.摇床培养：将步骤a所得斜面菌种在无菌条件下接种于种子培养基中，在28～30℃的温度、140～180r/min的转速下培养24～36h；所述种子培养基为YPD培养基；
c.发酵罐放大培养：将步骤b培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下共同接种于液体发酵培养基中，接种量均为10％～18％；培养条件为：pH 6.0～6.5、罐压为0.05～0.06MPa、温度为28～30℃、通风量为1：0.4～0.6vvm；培养时间为48～72h；
所述液体发酵培养基配方为：蔗糖15～20g/L，蛋白胨10～12g/L，酵母粉3～5g/L，氯化钠5～7g/L，磷酸二氢钾0.5～1.5，硫酸镁0.3～0.5，pH 6.5±0.2；
d.固体发酵产孢：将步骤c培养好的黄蓝状菌、草酸青霉菌在无菌条件下接种于固体发酵产孢培养基中，26-28℃下培养5～7天；
所述固体发酵培养基配方为：产物I、黄豆粉，含水量为60～65％，pH自然；其中，产物I与黄豆粉的重量比为4:1。
8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于，所述YPD培养基的配方为：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母膏10g/L，pH 6.5±0.2。
9.一种镉污染土壤修复剂，其特征在于，所述镉污染土壤修复剂由权利要求1～8任意一项所述方法制成。
10.一种由权利要求1～8任意一项所述方法制得的镉污染土壤修复剂或如权利要求9所述的镉污染土壤修复剂在治理污染土壤中的应用。
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