CN112175624A - 用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法 - Google Patents

用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法 Download PDF

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Abstract

一种用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法，属于固沙技术领域。用于固沙的纳米生物材料包括荒漠生蓝藻藻液以及纳米黏性基底。纳米黏性基底的成分包括凹凸棒土和羧甲基纤维素。纳米黏性基底能够提高蓝藻与沙粒的胶结，达到更好地固定流动沙丘的作用。

Description

用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法
技术领域
本申请涉及固沙技术领域，具体而言，涉及一种用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法。
背景技术
自人工合成高分子聚合物得到迅速发展后，化学固沙作为一种机械固沙措施便广泛应用在了防沙治沙及生态修复领域。常见的化学固沙剂有沥青乳液固沙剂，油-乳胶固沙剂，合成树脂固沙剂、油页岩矿液固沙剂、高分子聚合物固沙剂等。利用上述化学固沙材料及其相关制剂的化学固沙方法在使用后虽使流沙表面快速固定，但阻隔了沙砾的通透性导致沙丘固定面完全硬化且无法栽种植物，不满足土地利用的生态安全性；另外常见化学固沙剂不具备生物安全性，长期使用影响荒漠地区隐花植物的定居并对以此植物为食的荒漠沙蜥、尖尾东鳖甲、泥背脊漠甲等沙漠常见动物和昆虫产生影响，不利于脆弱荒漠生态系统的长期恢复和稳定。
基于以上，生物固沙得以逐渐发展，通常使用蓝藻在裸露沙面接种，而传统的生物固沙的方法，需要蓝藻与土壤颗粒胶结形成结皮，其过程漫长，且单纯利用接种蓝藻进行固沙时蓝藻死亡率较高，且藻种无法与沙粒快速胶结，胶结后形成的藻类结皮稳定性较差，易破碎，接种成功率较低。
发明内容
本申请提供了一种用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法，其能够提高蓝藻与沙粒的胶结，达到更好地固定流动沙丘的作用。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其成分包括凹凸棒土和羧甲基纤维素。
第二方面，本申请实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，包括荒漠生蓝藻藻液以及第一方面实施例的纳米黏性基底。
第三方面，本申请实施例提供一种固沙方法，包括：将第二方面实施例的纳米生物材料中的纳米黏性基底洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后喷洒第二方面实施例的用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
本申请实施例的用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法的有益效果包括：
利用纳米黏性基底中的凹凸棒土构建纳米级多孔网络结构，增大与凹凸棒土接触的流动沙丘表面沙粒的比表面积、吸水能力和保水能力，使表层沙砾具备荒漠生蓝藻适宜的定植条件。荒漠生蓝藻藻液中的蓝藻通过纳米黏性基底中的羧甲基纤维素作用在凹凸棒土的多孔结构中与沙粒快速胶结，在流动沙丘表层形成具有生物活性的纳米复合表面，起到固定流动沙丘的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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为本申请试验例的金鱼存活情况；
图2为本申请实施例1-5的用于固沙的纳米黏性基底进行固沙处理后的土壤的失水率；
图3为本申请实施例3的用于固沙的纳米黏性基底以不同的用量喷洒至流动沙丘表层土壤后30天的土壤失水率；
图4为凹凸棒土、沙粒、凹凸棒土和羧甲基纤维素的聚集体以及经本申请实施例9中的固沙方法处理后的沙层土壤的SEM测试图；
图5为本申请实施例3的纳米黏性基底材料的热重分析测试图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本申请实施例的用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法进行具体说明：
本申请实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，包括荒漠生蓝藻藻液以及纳米黏性基底。
其中，本申请实施例的纳米黏性基底的成分包括凹凸棒土和羧甲基纤维素。需要说明的是，本申请实施例中所用的凹凸棒土为粉末状。
本申请实施例的纳米生物材料用于固沙时，纳米黏性基底中的凹凸棒土具有纳米级多孔网络结构，能够增大与凹凸棒土接触的流动沙丘表面沙粒的比表面积、吸水能力和保水能力，使表层沙砾具备荒漠生蓝藻适宜的定植条件。并且，该基底材料具有较高的生物安全性，沙生植物和动物能够在具有该基底材料的环境下安全存活。
荒漠生蓝藻藻液中的蓝藻通过纳米黏性基底中的羧甲基纤维素作用在凹凸棒土的纳米网格结构中与沙粒快速胶结，在流动沙丘表层形成具有生物活性的纳米复合表面，起到固定流动沙丘的作用。另外，荒漠生蓝藻在流动沙丘表层定植后，具有生物活性，为大量的沙区微小生物提供了适宜的生境，可吸引微小节肢动物在固沙地区定居，增加土壤动物多样性，进而利于维持荒漠系统的生物多样性。
示例性地，凹凸棒土与羧甲基纤维素的重量比为1～5:2。
可选地，凹凸棒土与羧甲基纤维素的重量比为1～2:1。具有该比例范围的凹凸棒土与羧甲基纤维素用于固沙时，失水率更低。
进一步地，本申请实施例的荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
荒漠生蓝藻藻液中的蓝藻为混生状态，在固沙过程中，Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp这5种蓝藻为互利共生关系，在流动沙丘土壤接种初期藻种的死亡率更低。
在一种可能的实施方案中，荒漠生蓝藻藻液的制备方法包括：将荒漠生藻类隐花植物中提取的藻种进行培养，培养时间不超过15天，培养结束后得到浓缩生物藻液，将浓缩生物藻液与水混合得到荒漠生蓝藻藻液。
申请人研究发现，对藻种进行培养时，如果培养时间超过15天，藻种容易死亡。因而将培养时间限定为不超过15天。可选地，藻种的培养时间为10～15天，该时间范围内既能保证藻种能够大量繁殖，又能避免藻种因培养时间过长而死亡。
可选地，浓缩生物藻液与水的体积比为3～10:100。可选地，藻种、培养液和水的重量比为3～8：2～5：7～10，例如藻种、培养液和水的重量比为5：3：9。示例性地，培养液为BG-11培养液。可选地，培养温度为25～30℃。
另外，需要说明的是，藻种是在培养池中进行的，培养过程中应避免藻种附着在培养池壁面，避免造成藻种附着在培养池壁面而死亡。培养时，直至培养池内液面绿色物质达到总液体的70％可停止培养。
本申请实施例还提供一种固沙方法，包括：将本申请实施例的纳米生物材料中的纳米黏性基底洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后喷洒用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
将纳米黏性基底先洒于流动沙丘表层土壤并将纳米黏性基底与流动沙丘表层土壤混合，能够提高沙丘表层土壤的黏性，然后再喷洒荒漠生蓝藻藻液，能够促进荒漠生蓝藻附着在沙丘表层土壤，可有效地将流动沙层表面固定。纳米生物材料的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液均喷洒后，表层沙粒具有通透性，不阻碍土壤呼吸过程，随固沙年限的增长和荒漠隐花植物的定居，可增强荒漠生态系统的碳汇功能。
示例性地，纳米黏性基底的铺洒量为30-150g/m2，例如为30g/m2、50g/m2、80g/m2、100g/m2、120g/m2或150g/m2。在流动沙丘表层土壤铺洒30-150g/m2的纳米黏性基底，可以保证纳米黏性基底与流动沙丘表层土壤更好地结合。
示例性地，荒漠生蓝藻藻液的喷洒量为4～8L/m2，例如为4L/m2、5L/m2、6L/m2、7L/m2或8L/m2。其中，荒漠生蓝藻藻液的喷洒量与当地环境条件有关，风速越大喷洒量越多，降水越少喷洒量越多。
进一步地，纳米黏性基底与流动沙丘表层0.5～3cm的土壤混合，这样可以较好地保证荒漠生蓝藻与流动沙丘表层土壤结皮合适的厚度。示例性地，纳米黏性基底与流动沙丘表层0.5cm、1cm、2cm或3cm的土壤混合。
以下结合实施例对本申请的用于固沙的纳米黏性基底、纳米生物材料以及固沙方法作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其由凹凸棒土和羧甲基纤维素混合制得，其中，凹凸棒土和羧甲基纤维素的重量比为1:2。
实施例2
本实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其由凹凸棒土和羧甲基纤维素混合制得，其中，凹凸棒土和羧甲基纤维素的重量比为1:1。
实施例3
本实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其由凹凸棒土和羧甲基纤维素混合制得，其中，凹凸棒土和羧甲基纤维素的重量比为3:2。
实施例4
本实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其由凹凸棒土和羧甲基纤维素混合制得，其中，凹凸棒土和羧甲基纤维素的重量比为2:1。
实施例5
本实施例提供一种用于固沙的纳米黏性基底，其由凹凸棒土和羧甲基纤维素混合制得，其中，凹凸棒土和羧甲基纤维素的重量比为5:2。
实施例6
本实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，其包括实施例1的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液，荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
荒漠生蓝藻藻液的制备方法包括：
将荒漠生藻类隐花植物中提取的藻种进行培养，培养时间不超过15天，培养结束后得到浓缩生物藻液，将所述浓缩生物藻液与水混合得到所述荒漠生蓝藻藻液。将从荒漠生藻类隐花植物中提取藻种，将藻种、培养液和水以5：3：9的体积比混合，在培养池中培养，自混合开始后持续搅拌，避免藻种附着在培养池壁面，控温25-30℃，持续培养约13天，培养结束后得到浓缩生物藻液，将制备的浓缩生物藻液与水进行混合制得荒漠生蓝藻藻液。其中，浓缩生物藻液与水的体积比为5：100。
本实施例还提供一种固沙方法，其包括：将上述纳米生物材料中的纳米黏性基底以30g/m2的用量洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后以6L/m2的用量喷洒上述用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
实施例7
本实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，其包括实施例2的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液，荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
其中，荒漠生蓝藻藻液的制备方法与实施例6相同。
本实施例还提供一种固沙方法，其包括：将上述纳米生物材料中的纳米黏性基底以60g/m2的用量洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后以4L/m2的用量喷洒上述用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
实施例8
本实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，其包括实施例3的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液，荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
其中，荒漠生蓝藻藻液的制备方法与实施例6相同。
本实施例还提供一种固沙方法，其包括：将上述纳米生物材料中的纳米黏性基底以90g/m2的用量洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后以8L/m2的用量喷洒上述用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
实施例9
本实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，其包括实施例4的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液，荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
其中，荒漠生蓝藻藻液的制备方法与实施例6相同。
本实施例还提供一种固沙方法，其包括：将上述纳米生物材料中的纳米黏性基底以120g/m2的用量洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后以6L/m2的用量喷洒上述用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
实施例10
本实施例提供一种用于固沙的纳米生物材料，其包括实施例5的纳米黏性基底和荒漠生蓝藻藻液，荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
其中，荒漠生蓝藻藻液的制备方法与实施例6相同。
本实施例还提供一种固沙方法，其包括：将上述纳米生物材料中的纳米黏性基底以150g/m2的用量洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后以7L/m2的用量喷洒上述用于固沙的纳米生物材料中的荒漠生蓝藻藻液。
对比例1
将纯净水喷洒至目标流动沙丘表层土壤，喷洒量为6L/m2。
对比例2
将实施例3制备得到的用于固沙的纳米黏性基底喷洒至目标流动沙丘表层土壤，喷洒量为120g/m2。
对比例3
将实施例6记载的荒漠生蓝藻藻液喷洒至目标流动沙丘表层土壤，喷洒量为6L/m2。
试验例1
将实施例3的纳米黏性基底配置成浓度为25mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L的溶液，将不同浓度的纳米黏性基底添加进入有斑马鱼活动的600mL水中，10天后观察金鱼的存活情况，其存活情况记录在图1中。
从图1的结果可以看出，10天后，添加纳米黏性基底的水中和不添加纳米黏性基底的水中的小鱼全部存活，存活率为100％，说明了本申请实施例的用于生物固沙的纳米黏性基底具有较高的生物安全性。
试验例2
分别将实施例1-5中用于固沙的纳米黏性基底1g与150g沙粒在内径为10.3cm的圆形塑料盘中均匀混合，并均匀喷洒50mL去离子水，然后置入烘箱在60℃条件下烘制4h，测量烘制后混合物的水分损失率，其结果记录在图2中。其中，水分损失率＝(201-M0)/50×100％，其中，M0为烘干后混合物的总质量。
结果分析：从图2的结果可以看出，实施例3的用于固沙的纳米黏性基底与沙粒混合后失水率最低，保水性能最好。
试验例3
将实施例3中用于固沙的纳米黏性基底分别以0.03g、0.06g、0.09g、0.12g、0.15g的用量与150g沙粒在直内径为10.3cm的圆形塑料盘中混合均匀，并均匀喷洒50mL去离子水，然后置入烘箱在60℃条件下烘制4h，测量烘制后混合物的水分损失率，水分损失率＝(M1+200-M2)/50×100％，其中，M1为加入的纳米黏性基底的质量，M2为烘干后混合物的总质量，其结果记录在图3中。
结果分析：从图3的结果可以看出，0.06-0.12g的纳米黏性基底材料添加到沙粒中，其保水性能最好。
试验例4
测定经实施例9以及对比例1-对比例3的方法处理后1年，5cm厚度内的土壤的理化性质，其结果记录在表1中。
表1.经固沙处理后的土壤的理化性质
实施例9 对比例1 对比例2 对比例3
总有机碳 4.26±0.27 1.25±0.13 1.41±0.00 4.17±0.01
总氮 0.42±0.09 0.24±0.05 0.25±0.03 0.40±0.04
总碳 4.71±0.32 0.97±0.10 1.10±0.02 4.32±0.01
总磷 0.48±0.07 0.29±0.01 0.32±0.02 0.41±0.00
pH 9.15±0.00 8.87±0.16 9.10±0.02 9.01±0.03
电导率 213.85±2.19 128.75±10.68 135.35±10.96 199.05±2.62
土壤含水量 12.36±0.01 8.72±0.17 9.39±0.70 11.43±1.12
结皮厚度 1.55±0.28 0.00±0.00 1.58±0.41 0.70±1.18
从表1的结果可以看出，经本申请实施例的用于固沙的纳米生物材料进行固沙处理后的土壤，总有机碳、总氮、总碳、总磷、pH、电导率和土壤含水量均优于经对比例1-3的固沙方法处理后土壤，说明了本申请实施例的用于固沙的纳米生物材料可有效增加覆盖区表层土壤(0-5cm)的养分含量。另外，需要说明的是，对比例2形成的是物理结皮，虽然结皮厚度比本申请实施例9厚，但是本申请实施例9形成的是生物结皮，生物结皮能够达到持续固沙的作用，物理结皮表面易受风蚀发生破碎化，并不能长期稳定的将表面沙层固定，因而可以得知本申请实施例9的固沙方法能够较好地固定流动沙丘表面。
试验例5
对凹凸棒土、沙粒、凹凸棒土和羧甲基纤维素的聚集体以及经实施例9中的固沙方法处理后的沙层土壤进行SEM测试，其结果如图4所示。其中，图4中的A代表凹凸棒土，图中的比例尺为1μm；图4中的B代表沙粒，图中的比例尺为300μm；图4中的C代表凹凸棒土和羧甲基纤维素的聚集体，图中的比例尺为200μm；图4中的D代表经实施例9中的固沙方法处理后的沙层土壤，图中的比例尺为100μm。
结果分析：从图4中可以看出，凹凸棒土的微观形态为纳米级多孔网络结构，表明凹凸棒土具有较大的比表面积和强吸水能力。未经处理的沙粒间存在大量微间隙，且沙粒表面相对光滑，此结构使得沙的持水性，聚集性均比较差，不能为接种的藻类提供适宜生长的微环境。羧甲基纤维素中具有的羧基(-COOH)和羟基(-OH)官能团与凹凸棒土结合形成了具有纳米多孔网络结构的黏性聚集体。另外，经实施例9中的固沙方法处理后的沙层土壤中沙粒间的微间隙被黏性物质填充，且原本光滑的沙粒表面被黏性纳米基底材料覆盖变得粗糙，这样的微结构不仅有利于流动沙丘表层的固定，也有利于促进生物土壤结皮的形成和发育，进而达到快速固沙的目的。
试验例6
将实施例3的纳米黏性基底材料进行热重分析，其结果如图5所示。
结果分析：从图5可以看出，实施例3的纳米黏性基底材料在450℃左右发生剧烈热分解，在60℃以内重量保持在95％以上，说明本申请实施例的纳米黏性基底材料具有较高的热稳定性，适合在温度较高的沙漠地区使用。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于固沙的纳米黏性基底，其特征在于，其成分包括凹凸棒土和羧甲基纤维素。
2.根据权利要求1所述的纳米黏性基底，其特征在于，所述凹凸棒土与所述羧甲基纤维素的重量比为1～5:2。
3.根据权利要求2所述的纳米黏性基底，其特征在于，所述凹凸棒土与所述羧甲基纤维素的重量比为2～4:2。
4.一种用于固沙的纳米生物材料，其特征在于，包括荒漠生蓝藻藻液以及权利要求1-3任一项所述的纳米黏性基底。
5.根据权利要求4所述的纳米生物材料，其特征在于，所述荒漠生蓝藻藻液中包括Nostoc sp、Anabaena sp、Tolypothrix sp、Scytonema sp和Phormidium sp荒漠生蓝藻。
6.根据权利要求4或5所述的纳米生物材料，其特征在于，所述荒漠生蓝藻藻液的制备方法包括：将荒漠生藻类隐花植物中提取的藻种进行培养，培养时间不超过15天，培养结束后得到浓缩生物藻液，将所述浓缩生物藻液与水混合得到所述荒漠生蓝藻藻液。
7.根据权利要求6所述的纳米生物材料，其特征在于，所述藻种的培养时间为10～15天。
8.一种固沙方法，其特征在于，包括：将权利要求4～7任一项所述的纳米生物材料中的所述纳米黏性基底洒于流动沙丘表层土壤并混合，然后喷洒权利要求4～7任一项所述的用于固沙的纳米生物材料中的所述荒漠生蓝藻藻液。
9.根据权利要求8所述的固沙方法，其特征在于，所述纳米黏性基底的铺洒量为30-150g/m2。
10.根据权利要求8所述的固沙方法，其特征在于，所述纳米黏性基底与所述流动沙丘表层0.5～3cm的土壤混合。
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