CN111618087A - 一种微生物-植物联合修复镉污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物‑植物联合修复镉污染的方法，属于环境污染治理技术领域，包括以下步骤：S1.向受镉污染土壤或水体中施加肥料，然后加入镉矿化菌，培养4‑7d；S2.在S1处理后的土壤或水体种植植物，同时加入镉活化菌，培养10‑30d，即可。本发明利用矿化微生物降低重金属的初始浓度，达到植物可承受的重金属浓度范围，再通过微生物的活化和植物提取平衡体系，实现对重金属的去除。

Description

一种微生物-植物联合修复镉污染的方法
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及一种微生物-植物联合修复镉污染的方法。
背景技术
重金属污染事件对生态系统造成了一定的破坏，给人们的生活产生了严重影响。在工业化程度加深的今天，各种工厂产生的废水和固体废弃物渗出液直接排入水体或土壤中，致使重金属含量逐渐偏高。重金属污染的来源非常广泛，主要为传统工业污染、传统农业污染、城市来源以及重大的污染事件等。目前，针对于重金属的去除，处理方法主要有物理处理法、化学处理法和生物处理法。物理处理法多应用于浓度较低的重金属废水处理中。化学处理法主要用来处理重金属离子浓度含量较高的废水。生物修复技术具有高效率、低成本、操作方便和环境友好型等特点，在重金属污染治理方面具有广阔前景。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法利用矿化微生物降低重金属的初始浓度，达到植物可承受的重金属浓度范围，再通过微生物的活化和植物提取平衡体系，实现对重金属的去除。
本发明采用的技术方案如下：
一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，包括以下步骤：
S1.向受镉污染土壤或水体中施加肥料，然后加入镉矿化菌，培养4-7d；
S2.在S1处理后的土壤或水体种植植物，同时加入镉活化菌，培养10-30d，即可。
本发明将镉矿化菌加入受镉污染的土壤或水体中，能矿化重金属镉，形成矿化产物；再将重金属镉富集植物种植在矿化后的土壤或水体中，同时加入镉活化菌，能够通过镉活化菌的活化提取作用，即通过脱氮硫杆菌的生物作用，将矿化产物中的镉转变为游离态，结合植物的提取作用，实现对土壤或水体中重金属的去除。
进一步地，S1中镉矿化菌为在生命活动中产生S2-的微生物，包括硫酸盐还原菌等。
进一步地，S2中镉活化菌为在生命活动中产生S04 2-的微生物，包括脱氮硫杆菌等。
进一步地，S1中受镉污染的土壤或水体中镉的浓度为0.3-1000mg/L，本发明方法修复对象主要为镉污染，也针对于同类型二价的重金属污染/核素离子污染，比如铅污染、铬污染等重金属污染和锶污染等核素离子污染。
进一步地，S1中肥料在土壤中的用量为10-15kg/亩，优选为12kg/亩；在水体中的用量为1-1.5kg/10L，优选为1.2kg/10L。肥料采用植物生长所需的常用肥料，包括尿素和硫代硫酸铵等，肥料中含氮量为40wt％。
进一步地，S1中加入的镉矿化菌活菌数为0.05×1010-5.0×1010cfu/L；优选为2.5×1010cfu/L左右。
进一步地，镉矿化菌于土壤的投加比例为1～5L/m2，优选为2L/m2；于水体的投加比例为1-10vt％，优选为5vt％。
进一步地，S2中种植能够富集镉的植物，包括龙葵、水葫芦等；种植的株行距为4-20cm，优选为10cm。
进一步地，S2中加入的镉活化菌活菌数为0.05×1010-5.0×1010cfu/L；优选为2.5×1010cfu/L左右。
进一步地，镉活化菌于土壤的投加比例为1～5L/m2，优选为2L/m2；于水体的投加比例为1-10vt％，优选为5vt％。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，利用矿化微生物降低重金属的初始浓度，达到植物可承受的重金属浓度范围，再通过微生物的活化和植物提取平衡体系，实现对重金属的去除；
2、本发明中，镉矿化菌产生S2-使镉快速滞留，形成矿化产物硫化镉，降低镉的初始浓度；镉活化菌使沉淀的镉活化为游离态，配合植物的提取作用达到活化提取平衡，实现对镉污染的修复；
3、本发明采用多菌株联合植物处理重金属，为土壤及水体的重金属污染修复提供了一种新的治理方法及思路；
4、本发明方法通过保持微生物活化-植物提取过程的动态平衡，调节微生物来实现富集植物对镉的“按需分配”，且绿色植物也能对环境提供绿化，具有环境友好型的特点和广阔的应用前景；
5、采用本发明方法既可以实现大规模土壤和水体污染的原位快速治理，也可以应对突发性镉污染治理，能够达到快速固化和有效提取的目的，治理成本低，且对于同类型二价的重金属污染/核素离子污染，也有一定的修复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为硫酸盐还原菌在含Cd浓度为30mg/L的生长曲线图；
图2为脱氮硫杆菌在含Cd浓度为30mg/L的生长曲线图；
图3为硫酸盐还原菌矿化产物的EDS分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照0.1kg/L的比例将肥料投加到含镉浓度为50mg/L的水体中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与水体的体积比为1：60加入硫酸盐还原菌，活菌数为2.5×1010cfu/L，混合均匀，在20～25℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与水体的体积比为1：100加入脱氮硫杆菌，活菌数为2.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入水葫芦，株行距为10cm，控制温度为27～35℃，培养28d；取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为90.1％。
实施例2
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照0.2kg/L的比例将肥料投加到含镉浓度为80mg/L的水体中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与水体的体积比为1：40加入硫酸盐还原菌，活菌数为2.0×1010cfu/L，混合均匀，在20～25℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与水体的体积比为1：100加入脱氮硫杆菌，活菌数为2.0×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入水葫芦，株行距为15cm，控制温度为27～35℃，培养28d；取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为92.3％。
实施例3
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照0.5kg/L的比例将肥料投加到含镉浓度为100mg/L的水体中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与水体的体积比为1：30加入硫酸盐还原菌，活菌数为1.5×1010cfu/L，混合均匀，在20～25℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与水体的体积比为1：80加入脱氮硫杆菌，活菌数为1.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入水葫芦，株行距为8cm，控制温度为27～35℃，培养28d；取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为94.9％。
实施例4
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照0.8kg/L的比例将肥料投加到含镉浓度为150mg/L的水体中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与水体的体积比为1：20加入硫酸盐还原菌，活菌数为3.5×1010cfu/L，混合均匀，在20～25℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与水体的体积比为1：80加入脱氮硫杆菌，活菌数为3.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入水葫芦，株行距为10cm，控制温度为27～35℃，培养28d；取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为95.7％。
实施例5
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照0.8kg/L的比例将肥料投加到含镉浓度为200mg/L的水体中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与水体的体积比为1：10加入硫酸盐还原菌，活菌数为4.0×1010cfu/L，混合均匀，在20～25℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与水体的体积比为1：80加入脱氮硫杆菌，活菌数为4.0×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入水葫芦，株行距为16cm，控制温度为27～35℃，培养28d；取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为99.3％。
实施例6
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照10kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为80mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：60加入硫酸盐还原菌，活菌数为2.5×1010cfu/L，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与土壤的体积比为1：100加入脱氮硫杆菌，活菌数为2.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入龙葵，控制温度为27～35℃，培养28d；取样2.0g用超纯水浸取，在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为90％。
实施例7
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照12kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为100mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：50加入硫酸盐还原菌，活菌数为3.0×1010cfu/L，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与土壤的体积比为1：100加入脱氮硫杆菌，活菌数为3.0×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入龙葵，控制温度为27～35℃，培养28d；取样2.0g用超纯水浸取，在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为91.5％。
实施例8
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照15kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为150mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：40加入硫酸盐还原菌，活菌数为1.5×1010cfu/L，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与土壤的体积比为1：100加入脱氮硫杆菌，活菌数为1.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入龙葵，控制温度为27～35℃，培养28d；取样2.0g用超纯水浸取，在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为94.2％。
实施例9
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照15kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为200mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：20加入硫酸盐还原菌，活菌数为3.5×1010cfu/L，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与土壤的体积比为1：80加入脱氮硫杆菌，活菌数为3.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入龙葵，控制温度为27～35℃，培养28d；取样2.0g用超纯水浸取，在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为96％。
实施例10
本发明较佳的实施例提供一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，具体步骤如下：
按照15kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为250mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：10加入硫酸盐还原菌，活菌数为4.5×1010cfu/L，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d；按照镉活化菌与土壤的体积比为1：80加入脱氮硫杆菌，活菌数为4.5×1010cfu/L，每7d加入一次，同时种入龙葵，控制温度为27～35℃，培养28d；取样2.0g用超纯水浸取，在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余镉离子浓度，最终对镉离子的去除率为98.3％。
实验例1
采用培养基为K2HPO4 0.5g、Na2SO4 1.0g、CaCl2·2H2O 0.1g、MgSO4·7H2O 2.0g、乳酸钠3.5mL、酵母膏1.0g、抗坏血酸0.1g、L-半胱氨酸盐酸盐0.5g、H2O 1000mL，并向培养基中加入30mg/L Cd2+，分别设置1#、2#和3#三组实验组，用以培养镉矿化菌硫酸盐还原菌，按照菌株与培养基的体积比1:50接入菌株，放置于培养箱，观察其生长状况。按照0、12、24、48、72、96、120、144和168h取样15mL。通过测定菌液的悬浊程度来反映细菌的生长情况，利用紫外可见光分光光度计于540nm波长下进行浊度测定，得到不同作用时间下菌株的生长曲线如图1所示。表明硫酸盐还原菌在高镉含量下能够生长。
实验例2
采用培养基为Na2S2O3 5g，NH4Cl 0.5g，MgCl2·6H2O 0.5g，KH2PO4 2g，KNO3 2g，NaHCO31g，FeSO4·7H2O 0.01g，并向培养基中加入30mg/L Cd2+，分别设置1#和2#两组实验组，用以培养镉活化菌脱氮硫杆菌，按照菌株与培养基的体积比1:50接入菌株，放置于培养箱，观察其生长状况。按照0、12、24、48、72、96、120、144和168h取样15mL。通过测定菌液的悬浊程度来反映细菌的生长情况，利用紫外可见光分光光度计于540nm波长下进行浊度测定，得到不同作用时间下两组菌株的生长曲线如2所示。表明脱氮硫杆菌在高镉含量下能够生长。
实验例3
按照10kg/亩的比例将肥料投加到含镉浓度为80mg/L的土壤中,混合均匀，放置1d后；按照镉矿化菌与土壤的体积比为1：60加入硫酸盐还原菌，混合均匀，在25～30℃的条件下培养7d后，对硫酸盐还原菌的矿化产物进行X射线能谱分析，结果如图3所示。
由图3可知，在土壤分离菌的矿化作用下，随着时间的增加，形成的矿化产物约具有颗粒型，该晶体或以颗粒状结合或者形成颗粒团聚，部分形成不规则的结晶产物，表面粗糙。通过EDS可知，在矿化作用的初始阶段，部分的代谢产物仍然架在在结晶体附近，但随着时间的增加以及能量物质的消耗，矿化产物所形成的的颗粒团体物质在EDS测试下，只显示有Cd和S两种元素，并根据质量计算得出该矿化产物即CdS。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.向受镉污染土壤或水体中施加肥料，然后加入镉矿化菌，培养4-7d；
S2.在S1处理后的土壤或水体种植植物，同时加入镉活化菌，培养10-30d，即可。
2.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S1中镉矿化菌为在生命活动中产生S2-的微生物。
3.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S2中镉活化菌为在生命活动中产生S04 2-的微生物。
4.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S1中受镉污染的土壤或水体中镉的浓度为0.3-1000mg/L。
5.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S1中肥料在土壤中的用量为10-15kg/亩，在水体中的用量为1-1.5kg/10L。
6.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S1中加入的镉矿化菌活菌数为0.05×1010-5.0×1010cfu/L。
7.根据权利要求6所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述镉矿化菌于土壤的投加比例为1～5L/m2，于水体的投加比例为1-10vt％。
8.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S2中种植能够富集镉的植物，种植的株行距为4-20cm。
9.根据权利要求1所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述S2中加入的镉活化菌活菌数为0.05×1010-5.0×1010cfu/L。
10.根据权利要求9所述的微生物-植物联合修复镉污染的方法，其特征在于，所述镉活化菌于土壤的投加比例为1～5L/m2，于水体的投加比例为1-10vt％。
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