CN111363738A - 一种修复镉污染土壤的微生物菌剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，包括如下步骤：将NaOH、尿素、水以质量比为3‑7：3‑5：80‑100配成混合溶液，加入10％‑20％质量的纤维素，在0℃‑5℃中保存6‑12小时，得到纤维素溶液，加入5％‑10％的CaCO3超声处理，得到多孔状纤维素小球混合溶液；向混合溶液中加入营养物质，得到纤维素基载体；将100重量份纤维素基载体和8‑12重量份芽孢杆菌混合，加入培养液，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，得到微生物菌剂。本发明制得的微生物菌剂能针对性的修复重金属Cd(II)，并且原料来源广泛、价格低廉、环境友好，制备方法简单、设备要求低，便于规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体地，本发明涉及一种修复镉污染土壤的微生物菌剂，特别地，本发明还涉及该微生物菌剂的制备方法与应用。
背景技术
重金属污染的土壤一般采用物理法和化学法进行治理，这些处理方法通常成本高、且易导致土壤结构破坏和影响微生物菌群，形成二次污染。植物修复技术虽然避免了物理修复和化学修复过程中出现的污染问题，但却因处理成本高，占用土地资源等问题无法广泛推广。
微生物修复镉污染土壤技术是利用微生物的转化和固定作用改变镉在土壤中的存在形态，进而改变其移动性、毒性和生物可利用性。
目前，对镉污染土壤修复效果较好的微生物有:细菌，如芽孢杆菌、柠檬酸杆菌、假单胞菌等；真菌，如青霉菌、根霉菌、木霉菌等，和某些小型藻类，如小球藻、马尾藻等。
做为微生物附着生长的载体，不但要能给微生物提供适宜其生长的微环境，而且还能提供微生物生长必须的基质如氧、水分及营养物质等。常见的无机填料有鲍尔环、陶粒等，机械性能虽好，但自身不具有任何营养物质，过程中往往需要定期的添加营养物质及PH调节剂等，增加了操作的复杂性和成本，
因此，急需开发一种能够有效修复重金属镉污染土壤的微生物菌剂。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明一个方面的实施例提供了一种修复镉污染土壤的微生物菌剂及其制备方法,该微生物菌剂以纤维素为唯一碳源，将芽孢杆菌负载在纤维素培养基上，得到芽孢杆菌微生物菌剂使其能针对性的修复重金属Cd(II)，同时将壳聚糖包裹于微生物菌剂的表面，形成颗粒状的微生物缓释菌剂，便于菌剂的运输、保存、使用。
本发明第一个方面的实施例提出了一种修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，包括如下步骤：
一、纤维素基载体的制备
Ⅰ、将NaOH、尿素、水以质量比为3-7：3-5：80-100配成混合溶液，加入10％-20％质量的纤维素，在0℃-5℃中保存6-12小时，得到纤维素溶液；
Ⅱ、向所述纤维素溶液中加入5％-10％的CaCO3超声处理，得到多孔状纤维素小球混合溶液；
Ⅲ、向所述步骤Ⅱ得到的多孔状纤维素小球混合溶液中加入营养物质，得到纤维素基载体；
二、芽孢杆菌的负载
将100重量份所述纤维素基载体和8-12重量份芽孢杆菌混合，加入培养液，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。
本发明上述实施例的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法具有如下有益效果：1、采用纤维素作为唯一碳源，将芽孢杆菌负载在纤维素培养基上，得到芽孢杆菌微生物菌剂，使其能针对性的修复重金属Cd(II)；2、采用纤维素为碳源、骨架材料制备微生物载体，其来源广泛、价格低廉、环境友好，而且制备方法简单、设备要求低，便于规模化生产；3、在纤维素溶液中加入CaCO3,CaCO3遇水反应后产生CO2气体，从而使纤维素不易粘在一起，同时表面产生一些小孔，增加纤维素的表面积，以此来增加微生物的负载点位，提高了芽孢杆菌的负载量，显著提升了微生物菌剂对镉的吸附能力，吸附率可以达到80％以上。
在本发明第一个方面的一些实施例中，还包括步骤三，将所述微生物菌剂表面包覆壳聚糖外壳。
在本发明第一个方面的一些实施例中，所述步骤三中，将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为1-2：2-5混合，加水溶解，加入所述微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的所述微生物菌剂的质量比为1-2:3-4，搅拌均匀，加入交联剂，交联20-30小时，得到2-3mm颗粒型的缓释微生物菌剂。
在本发明第一个方面的一些实施例中，所述交联剂为硅烷偶联剂。
在本发明第一个方面的实施例中，所述步骤I中，所述纤维素选自木屑、秸秆、玉米秆中的至少一种。
在本发明第一个方面的一些实施例中，所述步骤Ⅲ中，所述加入的营养物质为多孔状纤维素小球混合溶液重量5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁、和0.05％的酵母膏。
在本发明第一个方面的一些实施例中，所述步骤二中，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，培养液的加入量为：100g所述纤维素基载体中加入90-110ml培养液。
在本发明第一个方面的一些实施例中，所述步骤二中，所述混合液体在培养箱中曝气培养的溶解氧含量为2-4mg/L。
本发明第二个方面的实施例提出了一种修复镉污染土壤的微生物菌剂，采用本发明第一个方面实施例提出的制备方法制得。
本发明上述实施例的修复镉污染土壤的微生物菌剂，该微生物菌剂以纤维素为唯一碳源，将芽孢杆菌负载在纤维素培养基上，得到芽孢杆菌微生物菌剂使其能针对性的修复重金属Cd(II)，同时将壳聚糖包裹于微生物菌剂的表面，形成颗粒状的微生物缓释菌剂，便于菌剂的运输、保存和使用。
本发明第三个方面的实施例提出了前述微生物菌剂在修复镉污染土壤中的应用。
本发明上述实施例的微生物菌剂在修复镉污染土壤中的应用，以芽孢杆菌为原料，通过微生物载体的负载、固定作用，将芽孢杆菌引入到重金属污染土壤中，通过微生物的转化、固定作用，降低土壤中重金属镉对环境及农作物的毒害作用，修复过程中无化学产品引入，对土壤环境的破坏及影响非常小，并且对土壤中重金属镉的吸附率高，可以达到80％以上。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的第一方面实施例的一种修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，包括如下步骤：
一、纤维素基载体的制备
Ⅰ、将NaOH、尿素、水以质量比为3-7：3-5：80-100配成混合溶液，加入10％-20％质量的纤维素，在0℃-5℃中保存6-12小时，得到纤维素溶液；
Ⅱ、向所述纤维素溶液中加入5％-10％的CaCO3超声处理，得到多孔状纤维素小球混合溶液；
Ⅲ、向所述步骤Ⅱ得到的多孔状纤维素小球混合溶液中加入营养物质，得到纤维素基载体；
二、芽孢杆菌的负载
将100重量份所述纤维素基载体和8-12重量份芽孢杆菌混合，加入培养液，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，优选地，溶解氧含量为2-4mg/L，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。对加入的培养液没有特别限制，优选地，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，培养液的加入量为：100g所述纤维素基载体中加入90-110ml培养液。
本发明上述实施例的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，采用纤维素作为唯一碳源，将芽孢杆菌负载在纤维素培养基上，得到芽孢杆菌微生物菌剂，使其能针对性的修复重金属Cd(II)；采用纤维素为碳源、骨架材料制备微生物载体，其来源广泛、价格低廉、环境友好，而且制备方法简单、设备要求低，便于规模化生产；在纤维素溶液中加入CaCO3,CaCO3遇水反应后产生CO2气体，从而使纤维素不易粘在一起，同时表面产生一些小孔，增加纤维素的表面积，以此来增加微生物的负载点位，提高了芽孢杆菌的负载量，显著提升了微生物菌剂对镉的吸附能力，吸附率可以达到80％以上。
根据本发明第一个方面的一些实施例，还包括步骤三，将所述微生物菌剂表面包覆壳聚糖外壳。壳聚糖外壳的包覆方式没有特别限制，优选地，将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为1-2：2-5混合，加水溶解，加入所述微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的所述微生物菌剂的质量比为1-2:3-4，搅拌均匀，加入交联剂，交联剂没有特别限制，优选为硅烷偶联剂，交联20-30小时，得到2-3mm颗粒型的缓释微生物菌剂。本发明的实施例中将微生物菌剂包覆壳聚糖外壳，制成颗粒状的缓释微生物菌剂，便于菌剂的运输、保存和施撒。用壳聚糖将纤维素基载体包裹起来，壳聚糖本身对重金属元素也会有一定的吸附作用，将药剂施撒在土壤中，壳聚糖将慢慢分解，微生物菌体慢慢进入土壤中，形成一定的缓释作用。
根据本发明第一个方面的一些实施例，所述步骤I中，所述纤维素选自木屑、秸秆、玉米秆中的至少一种。本发明的实施例中选择天然的填料木屑、秸秆或玉米杆等作为微生物附着生长的载体，对环境的破坏及影响非常小，经济环保。
根据本发明第一个方面的一些实施例，所述步骤Ⅲ中，对加入的营养物质没有特别限制，优选为所述加入的营养物质为多孔状纤维素小球混合溶液重量5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁和0.05％的酵母膏。本发明的实施例中，向多孔状纤维素小球混合溶液中加入营养成分，以供微生物的生长。
根据本发明第二个方面的实施例的一种修复镉污染土壤的微生物菌剂，采用本发明上述第一个方面实施例的制备方法制得。
本发明上述实施例的修复镉污染土壤的微生物菌剂，该微生物菌剂以纤维素为唯一碳源，将芽孢杆菌负载在纤维素培养基上，得到芽孢杆菌微生物菌剂使其能针对性的修复重金属Cd(II)，同时将壳聚糖包裹于微生物菌剂的表面，形成颗粒状的微生物缓释菌剂，便于菌剂的运输、保存和使用。
根据发明第三个方面的实施例的前述微生物菌剂在修复镉污染土壤中的应用。
本发明上述实施例的微生物菌剂在修复镉污染土壤中的应用，以芽孢杆菌为原料，通过微生物载体的负载、固定作用，将芽孢杆菌引入到重金属污染土壤中，通过微生物的转化、固定作用，降低土壤中重金属镉对环境及农作物的毒害作用，修复过程中无化学产品引入，对土壤环境的破坏及影响非常小，并且对土壤中重金属镉的吸附率高，可以达到80％以上。
下面详细描述本发明的具体实施例。
实施例1：
一、制备纤维素基载体
将NaOH、尿素和水按照3：4：80的质量比配成混合溶液，加入10％质量的粉碎后的木屑，在0℃-5℃中冷冻10小时，边解冻边搅拌，得到纤维素溶液；向纤维素溶液中加入5％的CaCO3超声30分钟，得到多孔状纤维素小球混合溶液；向多孔状纤维素小球混合溶液中加入混合溶液重量的5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁和0.05％的酵母膏，制备得到纤维素基载体。
二、芽孢杆菌的负载
将100克纤维素基载体和10克芽孢杆菌混合，加入100ml培养液，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，溶解氧含量为2mg/L。每天更换一半体积的培养液，以保证微生物有充分的营养。培养15天后取出负载芽孢杆菌的纤维素基载体，用生理盐水冲洗干净，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。
三、包覆壳聚糖外壳
将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为1：2混合，加水溶解，加入微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的微生物菌剂的质量比为1:3，搅拌均匀，滴入交联剂硅烷偶联剂，常温交联24小时，得到2-3mm的颗粒型的缓释微生物菌剂。
将10g本实施例制得的缓释微生物菌剂加入到实验室配制的1000g污染土壤中，土壤中镉含量为8.9mg，搅拌均匀，适量施加一定水分，保持土壤含水率在30％左右，养护30d后，测定土壤中镉含量为1.7mg，计算微生物菌剂的吸附量和吸附率。经计算吸附率为80.9％，吸附量为0.72mg/g。
实施例2
一、制备纤维素基载体
将NaOH、尿素和水按照5：5：100的质量比配成混合溶液，加入15％质量的粉碎后的秸秆，在0℃-5℃中冷冻6小时，边解冻边搅拌，得到纤维素溶液；向纤维素溶液中加入10％的CaCO3超声60分钟，得到多孔状纤维素小球混合溶液；向多孔状纤维素小球混合溶液中加入混合溶液重量的5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁和0.05％的酵母膏，制备得到纤维素基载体。
二、芽孢杆菌的负载
将100克纤维素基载体和8克芽孢杆菌混合，加入90ml培养液，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，溶解氧含量为4mg/L。每天更换一半体积的培养液，以保证微生物有充分的营养。培养15天后取出负载芽孢杆菌的纤维素基载体，用生理盐水冲洗干净，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。
三、包覆壳聚糖外壳
将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为2：3混合，加水溶解，加入微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的微生物菌剂的质量比为1:4，搅拌均匀，滴入交联剂硅烷偶联剂，常温交联20小时，得到2-3mm的颗粒型的缓释微生物菌剂。
将15g本实施例制得的缓释微生物菌剂加入到实验室配制的1000g污染土壤中，土壤中镉含量为14.8mg，搅拌均匀，适量施加一定水分，保持土壤含水率在30％左右，养护30d后，测定土壤中镉含量为2.6mg，计算微生物菌剂的吸附量和吸附率。经计算吸附率为82.4％，吸附量为0.81mg/g。
实施例3
一、制备纤维素基载体
将NaOH、尿素和水按照7：5：100的质量比配成混合溶液，加入20％质量的粉碎后的秸秆，在0℃-5℃中冷冻12小时，边解冻边搅拌，得到纤维素溶液；向纤维素溶液中加入10％的CaCO3超声40分钟，得到多孔状纤维素小球混合溶液；向多孔状纤维素小球混合溶液中加入混合溶液重量的5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁和0.05％的酵母膏，制备得到纤维素基载体。
二、芽孢杆菌的负载
将100克纤维素基载体和12克芽孢杆菌混合，加入110ml培养液，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，溶解氧含量为3mg/L。每天更换一半体积的培养液，以保证微生物有充分的营养。培养15天后取出负载芽孢杆菌的纤维素基载体，用生理盐水冲洗干净，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。
三、包覆壳聚糖外壳
将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为2：5混合，加水溶解，加入微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的微生物菌剂的质量比为2:3，搅拌均匀，滴入交联剂硅烷偶联剂，常温交联30小时，得到2-3mm的颗粒型的缓释微生物菌剂。
将20g本实施例制得的缓释微生物菌剂加入到实验室配制的1000g污染土壤中，土壤中镉含量为22.1mg，搅拌均匀，适量施加一定水分，保持土壤含水率在30％左右，养护30d后，测定土壤中镉含量为1.9mg，计算微生物菌剂的吸附量和吸附率。经计算吸附率为91.4％，吸附量为1.01mg/g。
对比例1
与实施例1的制备方法相同，不同之处在于制备纤维素基载体时不向纤维素溶液中加入CaCO3超声处理。
将10g对比例1制得的缓释微生物菌剂加入到实验室配制的1000g污染土壤中，土壤中镉含量为8.9mg，搅拌均匀，适量施加一定水分，保持土壤含水率在30％左右，养护30d后，测定土壤中镉含量为5.6mg，计算微生物菌剂的吸附量和吸附率。经计算吸附率为37.1％，吸附量为0.33mg/g。
对比例1中的制得的微生物菌剂的吸附量和吸附率明显低于实施例1制得的微生物菌剂，本发明的实施例中加入向纤维素溶液中加入CaCO3,CaCO3遇水反应后产生CO2气体，从而使纤维素不易粘在一起，同时表面产生一些小孔，增加了纤维素的表面积，从而增加了微生物的负载点位，提高了芽孢杆菌的负载量，显著提升了微生物菌剂对镉的吸附能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、纤维素基载体的制备
Ⅰ、将NaOH、尿素、水以质量比为3-7：3-5：80-100配成混合溶液，加入10％-20％质量的纤维素，在0℃-5℃中保存6-12小时，得到纤维素溶液；
Ⅱ、向所述纤维素溶液中加入5％-10％的CaCO3超声处理，得到多孔状纤维素小球混合溶液；
Ⅲ、向所述步骤Ⅱ得到的多孔状纤维素小球混合溶液中加入营养物质，得到纤维素基载体；
二、芽孢杆菌的负载
将100重量份所述纤维素基载体和8-12重量份芽孢杆菌混合，加入培养液，搅拌均匀得到混合液体，送入培养箱中曝气培养，得到纤维素基载体负载芽孢杆菌的微生物菌剂。
2.根据权利要求1所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，还包括步骤三，将所述微生物菌剂表面包覆壳聚糖外壳。
3.根据权利要求2所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，将海藻酸钠和壳聚糖按质量比为1-2：2-5混合，加水溶解，加入所述微生物菌剂，其中海藻酸钠和壳聚糖的总质量与加入的所述微生物菌剂的质量比为1-2:3-4，搅拌均匀，加入交联剂，交联20-30小时，得到2-3mm颗粒型的缓释微生物菌剂。
4.根据权利要求3所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述交联剂为硅烷偶联剂。
5.根据权利要求1所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤I中，所述纤维素选自木屑、秸秆、玉米秆中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤Ⅲ中，所述加入的营养物质为多孔状纤维素小球混合溶液重量5％的葡萄糖、0.1％的硫化铵、0.25％的磷酸二氢钾、0.05％的磷酸氢二钠、0.1％的七水合硫酸镁、0.01％的七水合硫酸铁和0.05％的酵母膏。
7.根据权利要求1所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，培养液成分为:1L溶液中含有0.564克NH4HCO3、0.380克MgSO4·7H2O、0.02gCaCl2·2H2O、0.087gK2HPO4，培养液的加入量为：100g所述纤维素基载体中加入90-110ml培养液。
8.根据权利要求1所述的修复镉污染土壤的微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述混合液体在培养箱中曝气培养的溶解氧含量为2-4mg/L。
9.一种修复镉污染土壤的微生物菌剂，采用权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。
10.权利要求9所述的微生物菌剂在修复镉污染土壤中的应用。
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