CN111849817A - 一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中的应用 - Google Patents

一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中的应用。本发明构建的解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系充分发挥了铁基材料对重金属的还原和吸附作用，进而降低了重金属对解磷菌的毒害，同时解磷菌的添加强化了材料中磷酸盐的释放，二者协同作用大大强化了对铅的钝化。该方法具有修复剂用量低，不会造成二次污染，且能使土壤中的重金属高效钝化，适用范围广、操作简单等优点，解决了现有技术操作困难、反应周期长、处理成本高等问题，易于实现产业化应用。

Description

一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中 的应用
技术领域
本发明涉及重金属污染修复技术领域，具体涉及一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中的应用。
背景技术
土壤重金属污染对环境生态系统和人类健康有着巨大的危害，重金属不能被生物降解，易在生物体内累积，并随食物链进入人体，进而危害人体健康及生态系统平衡。目前传统的重金属修复方法有淋洗法、化学沉淀法、吸附法和生物法等，但这些方法具体应用时存在低效、成本高、二次污染等问题，很难达到预期的效果。其中，磷酸盐能够在一定程度上通过化学作用降低环境中重金属的毒性和生物可利用性。目前有很多种磷酸盐材料，如磷酸氢二铵、磷酸三钙、羟基磷灰石等应用于土壤中重金属的钝化，但过量磷酸盐材料的添加可能会造成环境的二次污染。因此，开发高效、经济环保的磷酸盐材料及重金属修复技术是迫切需要解决的问题。研究表明，微生物联合铁基含磷纳米材料修复是一种非常有前途、生态良性的方法。
解磷微生物作为土壤微生物的重要组成部分，能够依靠自身的代谢产物(有机酸、磷酸酶)或通过与其他生物的协同作用，将土壤中难溶态磷(如铁磷、钙磷、中稳定性有机磷、高稳定性有机磷等)转化为可供植物吸收利用的磷，不仅可大幅提高土壤中磷的利用率，改善植物磷营养状态，促进植物生长，而且可以改变重金属的形态，提高重金属污染的修复效率。但是高浓度的重金属会抑制解磷微生物的活性，使修复过程受到限制。因此，本发明试图寻找一种既可以降低重金属对解磷微生物的毒害作用，又可以利用修复材料持续释放可溶性磷来钝化重金属的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系及其在钝化重金属中的应用。该修复体系工艺简单，二次污染少，且对生态系统的影响较小，可有效降低土壤重金属的迁移以及对人类健康的潜在风险，并且可以为纳米材料联合微生物修复土壤重金属污染提供理论支撑。
本发明提供的解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系，由解磷菌、铁基含磷纳米材料和解磷菌培养基组成；
所述解磷菌培养基以50mL计，所述铁基含磷材料的投加量为0-1g/L；
解磷菌菌悬液占所述解磷菌培养基体积的百分含量为1％～5％；
所述解磷菌菌悬液的OD600值为0.8-1。
上述体系中，所述解磷菌选自非脱羧勒克菌、恶臭假单胞菌和苏云金芽孢杆菌中至少一种；
所述铁基含磷纳米材料的粒径小于等于200nm，且制备铁基含磷材料的原料中磷、铁、碳的摩尔比为1-5：10：200；
所述解磷菌培养基为无机盐培养基，其组成如下：葡萄糖10.0g/L、NaCl 0.3g/L、(NH4)2SO4 0.5g/L、MgSO4·7H2O 0.3g/L、MnSO4·4H2O 0.03g/L、KCl 0.3g/L、FeSO4·7H2O0.03g/L；
所述铁基含磷材料的投加量具体为0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L或1g/L；
解磷菌菌悬液占所述解磷菌培养基体积的百分含量具体为1％、2％、3％、4％或5％。
所述解磷菌菌液可按常规方法制得，如非脱羧勒克菌的菌悬液制备方法如下：用接种环从保存菌种的斜面上取一环非脱羧勒克菌接种于牛肉膏蛋白胨培养基中，于28℃震荡培养10-12h，得到OD600值为0.8-1之间的菌悬液，备用。
本发明提供的制备所述铁基含磷纳米材料的方法，包括：
将磷源、碳源、铁盐和尿素混合于溶剂中进行水热反应，反应完毕离心，收集固体，再进行干燥、碳化反应，得到所述铁基含磷纳米材料。
上述方法中，所述磷源选自磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和磷酸二氢钠中至少一种；
所述碳源为糖类化合物，具体选自葡萄糖、蔗糖和淀粉中至少一种；
所述铁源选自无水三氯化铁、六水合三氯化铁和九水合硝酸铁中至少一种；
所述溶剂为水；所述溶剂与所述碳源的用量比为50-70mL：5.95g；具体为60mL：5.95g；
所述碳源、铁源和磷源中碳、铁、磷的摩尔比为200：10：1-5；具体为200：10：1、200：10：3或200：10：5。
所述水热反应步骤中，温度为100-300℃；具体为200℃；
时间至少为10h；具体为10-14h；
所述水热反应完毕后降温至室温的方式为自然冷却。
所述碳化反应步骤中，温度为700-900℃；具体为800℃；
时间为0.5-2h；具体为1h；
所述碳化反应在惰性气氛中进行；所述惰性气氛具体为氮气气氛。
所述方法还包括：所述离心收集固体后，将所得固体洗涤，干燥；
所述洗涤步骤中，所用溶剂为水和乙醇；洗涤次数具体可为3次；
所干燥步骤中，干燥方式具体可为真空干燥；如可为80℃干燥24h；
另外，按照上述方法制备得到的铁基含磷纳米材料及该铁基含磷纳米材料或所述解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系在重金属污染土壤修复中的应用，也属于本发明的保护范围。
具体的，所述重金属选自铅、镉和铜中至少一种；
所述修复为钝化；
所述修复包括：将所述解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系与含有重金属的土壤混合，静置培养。
更具体的，所述含有重金属的土壤为模拟污染的土壤；所述含有重金属的土壤中，重金属的含量为200-1000mg/kg；具体为500mg/kg；
培养时间为5-30天；具体为10天；
温度为25-37℃；具体为30℃
本发明利用铁基含磷纳米材料与解磷菌联合进行重金属的稳定化处理。零价铁外部包覆的含磷酸盐碳层，一方面保持了零价铁的还原活性，另一方面使得材料对重金属离子具有更强的配位能力，促进重金属离子在材料表面的吸附。同时难溶性磷酸盐的引入，也解决了重金属污染土壤磷源有限而导致解磷菌-铁基材料修复效率低下的问题。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所提供的铁基含磷纳米材料制备工艺简单，生产成本低，所制备的铁基含磷材料比表面积大，反应速率快。
(2)本发明所使用的解磷菌适生范围广，可有效地定殖于土壤中，既可以利用土壤中难溶性磷，减少含磷材料的投入，避免二次污染，又可以钝化土壤中重金属。
(3)纳米技术与微生物修复技术相结合，克服了传统依靠单一技术所带来的修复进程缓慢的缺陷，可以实现土壤重金属污染的绿色高效修复，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为所制备铁基含磷纳米材料的微观形貌及元素分布图。
图2为解磷菌对铁基含磷纳米材料中磷的溶解效果。
图3为解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系对不同浓度Pb2+的钝化效果。
图4为解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系对铅污染土壤的修复效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
下述实施例所用菌株MRP-1已于2017年08月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏编号为CGMCC No.14561，分类命名为非脱羧勒克菌(Leclercia adecarboxylata)；
所用菌株MRP-2已于2018年02月02日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏编号为CGMCCNo.15337，分类命名为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)；
所用菌株MRP-3已于2018年02月02日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏编号为CGMCCNo.15338，分类命名为苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringensis)。
下述实施例2-4所用非脱羧勒克菌的菌悬液的制备方法如下：用接种环从保存菌种的斜面上取一环非脱羧勒克菌接种于牛肉膏蛋白胨培养基中，于28℃震荡培养10-12h，得到OD600值为0.8-1之间的菌悬液，备用。所述OD600的测定方法如下：将培养10-12h的培养液静置15min后，取上清液于1cm光径比色皿中，在波长为600nm处测定吸光度值，得到非脱羧勒克菌的OD600值。
实施例1铁基含磷材料的制备
具体包括以下步骤：
(1)以无水三氯化铁(FeCl3)为铁源，磷酸二氢钾(KH2PO4)为磷源，并添加葡糖糖为碳源。
(2)将5.95g葡萄糖、1.46g三氯化铁、9g尿素和不同质量的磷酸二氢钾(0.1224g、0.3627g或0.612g)溶于60mL去离子水中，然后用磁力搅拌器混合均匀，转移至100mL反应釜中密封，置于200℃马弗炉中进行水热反应14h，自然冷却至室温。
(3)将步骤(2)中的反应液通过离心后获得固体样品，分别用去离子水和乙醇洗涤样品三次，然后置于80℃真空干燥箱中干燥24h。
(4)氮气保护条件下，将步骤(3)中的样品置于管式炉中，800℃碳化1h，得到铁基含磷材料。
(5)图1显示了铁基含磷纳米材料的微观形貌和元素组成。
由图可知，铁基含磷纳米材料具有明显的核壳结构，其中内核的直径大约在150nm左右，外壳碳层的厚度大约为30nm。其次，根据能谱图可知，C元素分布在整个颗粒上，且外层多于内层，Fe元素主要集中在颗粒的核心部分，P元素一部分相对均匀地分布在碳层中，另一部分结合在核壳结构的侧面，可能是形成了部分的磷铁化合物。
实施例2解磷菌对铁基含磷材料中磷的溶解性能
具体包括以下步骤：
(1)将2％的解磷菌接种于以铁基含磷纳米材料(2g/L)为唯一磷源的无机盐培养基中，于30℃，120转/分钟震荡培养18h。
(2)分别于第0、1、6、12、18h取样，采用钼锑抗比色法测定可溶性磷含量，以投加不含磷的铁基纳米材料(nZVI@C)作为空白对照，每组3个平行，其中解磷菌的投加为2％(mL/mL)，铁基含磷纳米材料(nZVI@C/P1)的投加量为2g/L。
(3)步骤(1)中无机盐培养基的主要配方为：葡萄糖10.0g/L、NaCl 0.3g/L、(NH4)2SO4 0.5g/L、MgSO4·7H2O 0.3g/L、MnSO4·4H2O 0.03g/L、KCl 0.3g/L、FeSO4·7H2O 0.03g/L。
(4)图2显示了解磷菌对铁基含磷纳米材料中难溶性磷的溶解性能。由实验测得nZVI@C/P1的总磷含量为48.16mg/g。解磷菌比较容易利用铁基含磷材料中的难溶性磷，对磷的溶解能力出现先升高后降低的趋势，可溶性磷的浓度可达0.4mg/L。
实施例3解磷菌协同铁基含磷材料对不同含量铅的钝化性能
具体包括以下步骤：
(1)将实施例1中所制备的铁基含磷纳米材料以小于等于1g/L的投加量加入到无菌的含铅无机盐培养基(组分为：葡萄糖10.0g/L、NaCl 0.3g/L、(NH4)2SO4 0.5g/L、MgSO4·7H2O 0.3g/L、MnSO4·4H2O 0.03g/L、KCl 0.3g/L、FeSO4·7H2O 0.03g/L，其中铅由一定浓度的Pb(NO3)2提供)中，作为解磷菌可以利用的唯一磷源，然后将解磷菌以2％的接种量接到该体系中。
(2)然后将步骤(1)中加入铁基含磷材料和解磷菌的培养及在30℃，120rpm的震荡培养箱中培养24h。
(3)对培养基中剩余Pb2+进行测定分析，测定方法为ICP-MS(电感耦合等离子质谱)，其测定结果如图3所示。
(4)图3显示了不同初始浓度下，解磷菌协同铁基含磷纳米材料对培养基中Pb2+的去除效果。由图可知，Pb2+钝化率随初始Pb2+浓度的增大而减小，但当初始Pb2+浓度为1.9mmol/L时，解磷菌协同铁基含磷纳米材料对Pb2+依然有较高的钝化率，可以保持在96.58％左右。当Pb2+浓度大于1.9mmol/L时，该体系对Pb2+的钝化率大幅降低，这可能是由于Pb2+浓度过高，对微生物的毒害作用增加，微生物生长代谢受到抑制，因此对Pb2+的钝化率降低。由此可以得出，该体系适用于1.9mmol/L及以下Pb2+浓度的环境条件。
实施例4解磷菌协同铁基含磷材料对铅污染土壤的模拟修复
具体包括以下步骤：
(1)模拟铅污染土壤的制备：按相对含水率为30％，将一定浓度的Pb(NO3)2溶液加入土壤中，控制土壤中Pb含量为500mg/kg，混合均匀后放在恒温培养箱中稳定90d，每隔10d取出并向污染土壤中加入去离子水，保证土壤的相对含水率在30％，后续将土壤自然风干备用。
(2)分别设置空白、解磷菌(PSB)、铁基材料(nZVI@C)、铁基含磷纳米材料(nZVI@C/P1)、铁基含磷纳米材料+解磷菌(nZVI@C/P1+PSB)5组实验，每组三个平行样，每个样品10g污染土壤。
(3)在步骤(2)的每个样品中分别加入：解磷菌菌液1mL/g、铁基材料或铁基含磷材料0.02g/g，为了保证实验条件一致且解磷菌能够更好的生存，除添加解磷菌的实验组以外，其余各组分别加入不含磷酸三钙的无机盐培养基10mL，置于30℃恒温培养箱中连续培养10天，取样风干后测定各样品中各形态重金属的含量。
(4)步骤(3)中的无机盐培养基主要成分：葡萄糖10.0g/L、NaCl 0.3g/L、(NH4)2SO40.5g/L、MgSO4·7H2O 0.3g/L、MnSO4·4H2O 0.03g/L、KCl 0.3g/L、FeSO4·7H2O 0.03g/L。
(5)图4显示了解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系修复土壤铅污染的效果。由图可知，各实验组残渣态铅的百分含量明显增加，特别是铁基含磷纳米材料+解磷菌实验组，其弱酸态铅和可还原态铅相比空白组明显减少，分别占总量的12％和54％；残渣态铅则占总量的33％，远远大于空白组的2％，说明铁基含磷纳米材料+解磷菌对土壤铅具有良好的钝化效果。

Claims (10)

1.一种解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系，由解磷菌、铁基含磷纳米材料和解磷菌培养基组成；
所述解磷菌培养基以50mL计，所述铁基含磷材料的投加量为0-1g/L；
解磷菌菌悬液占所述解磷菌培养基体积的百分含量为1％～5％；
所述解磷菌菌悬液的OD600值为0.8-1。
2.根据权利要求1所述的体系，其特征在于：所述解磷菌选自非脱羧勒克菌、恶臭假单胞菌和苏云金芽孢杆菌中至少一种；
所述铁基含磷纳米材料的粒径小于等于200nm，且制备铁基含磷材料的原料中磷、铁、碳的摩尔比为1-5：10：200。
3.一种制备权利要求1或2所述铁基含磷纳米材料的方法，包括：
将磷源、碳源、铁盐和尿素混合于溶剂中进行水热反应，反应完毕离心，收集固体，再进行干燥、碳化反应，得到所述铁基含磷纳米材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述磷源选自磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和磷酸二氢钠中至少一种；
所述碳源为糖类化合物，具体选自葡萄糖、蔗糖和淀粉中至少一种；
所述铁源选自无水三氯化铁、六水合三氯化铁和九水合硝酸铁中至少一种；
所述溶剂为水；所述溶剂与所述碳源的用量比为50-70mL：5.95g；
所述碳源、铁源和磷源中碳、铁、磷的摩尔比为200：10：1-5。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述水热反应步骤中，温度为100-300℃；
时间至少为10h；
所述水热反应完毕后降温至室温的方式为自然冷却。
6.根据权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于：所述碳化反应步骤中，温度为700-900℃；
时间为0.5-2h；
所述方法还包括：所述离心收集固体后，将所得固体洗涤，干燥。
7.权利要求3-6任一所述方法制备得到的铁基含磷纳米材料。
8.权利要求7所述铁基含磷纳米材料或权利要求1或2所述解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系在重金属污染土壤修复中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述重金属选自铅、镉和铜中至少一种；
所述修复为钝化；
所述修复包括：将权利要求1或2所述解磷菌协同铁基含磷纳米材料体系与含有重金属的土壤混合，静置培养。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述含有重金属的土壤为模拟污染的土壤；所述含有重金属的土壤中，重金属的含量为200-1000mg/kg；
培养时间为5-30天；
温度为25-37℃。
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CN114891688A (zh) * 2022-06-06 2022-08-12 中国长江三峡集团有限公司 一种解磷菌耦合异化铁还原菌体系及其在固定重金属中的应用
CN114891688B (zh) * 2022-06-06 2023-07-07 中国长江三峡集团有限公司 一种解磷菌耦合异化铁还原菌体系及其在固定重金属中的应用

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