CN112974505B - 一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法采用复合型植物源活化剂对稻田土壤中的重金属镉进行活化，然后灌水建立稻田水层，均匀翻耕，促进土壤中活化后的重金属镉向稻田水层中迁移溶出，再接种固氮蓝藻用于吸附迁移溶出的重金属镉，通过收集固氮蓝藻，降低稻田土壤中镉含量。其中，稻田土壤中每次复合型植物源活化剂施加量为0.02‑1.00mL/g稻田土壤，稻田水层高度为8‑10cm，固氮蓝藻的每亩接种剂量为鲜藻40‑50kg或干藻粉2.5‑3.0kg。与现有稻田土壤修复技术相比，本发明成本低，效果好，不占地，不产生二次污染，达到边修复稻田土壤边安全生产的效果，为稻田土壤重金属治理提供一种新途径。

Description

一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法

技术领域

本发明涉及一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，具体属于稻田土壤重金属的修复技术领域。

背景技术

近30年，随着我国工业化进程的加速和社会经济的快速发展，农田土壤污染和质量下降问题日趋突出。在2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤环境质量堪忧，点位超标率有19.4%，其中镉点位超标率达7%。据统计，中国每年因土壤重金属污染导致粮食减产高达1000多万t，污染粮食多达1200万t，其中“镉大米”问题最为突出。

水稻是一种Cd的超积累植物，Cd在稻田中有较高的移动性，容易通过基本元素通道例如 Fe²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺等进入水稻体内，水稻对于Cd的传递系数要远远大于其他重金属。稻田重金属Cd污染不仅导致水稻生长发育受阻，产量下降，更为严重的是有毒重金属在水稻体内大量累积，并通过食物链传递，对人和动物的生命和健康构成严重威胁，直接影响我国的粮食安全。因此，提高水稻产量的同时，更要提高水稻质量，改善稻米品质，以确保粮食安全。

污染土壤修复的技术分为物理修复、化学修复、生物修复及农艺措施等，其中很多治理措施存在着成本高、操作复杂、对土壤肥力有损伤、存在二次污染等问题，难以实现大面积推广。目前国内外稻田土壤重金属治理的研究热点有基施钝化类修复剂的固定/稳定化修复技术、叶面阻控剂、重金属低积累水稻品种筛选、农艺调控措施以及生物修复等5类。基施钝化类修复剂的固定/稳定化修复技术和叶面阻控剂是添加化学药剂，易产生二次污染，并没有从土壤中去除重金属，不是一种永久性治理措施。重金属低积累水稻品种筛选，存在耗时长的问题，并且难以保证该品种水稻产量和稻米质量。农艺调控措施有水分调控，改变种植模式（如水田改旱地，连作改轮作，或实行间作、套作等种植模式，或改变种植作物如种植花卉苗木等）等。在水分调控中，淹水虽然会使土壤的还原性提高，降低了镉的生物有效性，但提高了土壤中类金属砷的生物有效性。而改变种植模式，或者生物修复中的植物修复，是大规模种植非粮作物，不符合我国人多地少、粮食自给压力大的基本国情。生物修复中的微生物修复和动物修复技术中，微生物和动物对水稻的危害尚不确定，无法应用于大面积的稻田修复。

因此，探索一种成本低、操作简单、效果好、不占地、不耗时的，既有效又可推广的稻田重金属去除或缓解的治理方法很有必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法。

本发明一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法采用复合型植物源活化剂对稻田土壤中的重金属镉进行活化，然后灌水建立稻田水层，均匀翻耕，促进土壤中活化后的重金属镉向稻田水层中迁移溶出，再接种固氮蓝藻于稻田水层中，用于吸附迁移溶出的重金属镉，之后通过收集固氮蓝藻，降低稻田土壤中镉含量，减少水稻对重金属镉的吸收积累，保障水稻的安全生产；

具体步骤如下：

步骤1：农闲季节，向镉污染的稻田土壤中施加复合型植物源活化剂，活化难溶态的重金属镉；每隔5天施加1次复合型植物源活化剂，施加3-5次，每次施加后，均匀翻耕耕作层土壤；根据稻田土壤的镉含量，每次施加量为0.02-1.00mL复合型植物源活化剂/g稻田土壤；

步骤2：向翻耕均匀的稻田中灌水，建立稻田水层，控制稻田水层高度为8-10cm，均匀翻耕耕作层土壤；

步骤3：接种固氮蓝藻于稻田水层中，5-7天后固氮蓝藻长满稻田水面，7-10天后采用80-120目的尼龙网收集稻田中2/3量的固氮蓝藻，剩余1/3量的固氮蓝藻继续在稻田生长，如此重复收集固氮蓝藻3-5次，待稻田插秧前再收集一次；固氮蓝藻的每亩接种剂量为：鲜藻40-50kg或干藻粉2.5-3.0kg；

步骤4：水稻插秧后3-5天，再次接种固氮蓝藻，重复步骤3中的操作，为防止镉二次污染，在水稻封行稻田水面不见光时，将固氮蓝藻全部收集；

步骤5：上述收集的固氮蓝藻晒干，进行焚烧处理，焚烧残渣送危废处理厂处理。

所述的复合型植物源活化剂是将柑橘类水果皮渣与水按照质量比1∶0.5-8搅碎混匀、过滤，再向滤液中添加质量浓度为47%的GLDA (谷氨酸N,N-二乙酸)溶液后得到；所述的柑橘类水果皮渣提取物与GLDA的体积比为200-350∶1。

所用的固氮蓝藻为鱼腥藻属（Anabaena）的单种或混种。

所述的固氮蓝藻藻种的培养和生产采用四级扩大培养，具体为：

一级藻种培养：由试管原种接入到250-500ml的三角培养瓶，藻种培养在温室进行，室内温度保持在25-35℃，光照强度为2500-3000Lux，采用BG11无氮培养液，无菌培养5-10天；

二级藻种培养：将一级藻种培养所得的藻种接入到100-250L的培养桶中，或在100-500L光生物反应器中培养，藻种培养在温室进行，温室温度保持在25-35℃，采用BG11无氮培养液，培养5-10天；

三级藻种培养：将二级培养所得的藻种接入到尺寸为0.5-1.5m × 3.5-6m×0.1-0.5m的循环培养池中，藻接种量为75-125g/m²，匀施钙镁磷肥10-15g/m²或过磷酸钙10-15g/m²、钾肥1.5-3.0g/ m²或草灰20-25g/m²，露天培养；循环培养池上架竹拱高50cm，用薄膜覆盖；藻长满后，捞出2/3量的鲜藻晒干保存备用；留1/3量的鲜藻，追施磷肥、草灰，继续培养；

四级藻种大规模生产：

四级藻种大规模生产采用以下两种方式中的一种：

第一种，露天藻种生产

将闲置的稻田翻耕、灌水和耙平，灌水深度为15-20cm，按鲜藻25-50kg /亩或干藻粉1.5-3.0kg /亩接种藻种，其后匀施钙镁磷肥7-9kg/亩或过磷酸钙7-9kg/亩，钾肥1-2kg/亩或草灰12-15kg/亩；藻长满后，捞出2/3量的鲜藻晒干保存备用；留1/3量的鲜藻，追施磷肥、钾肥，继续培养；

第二种，跑道式培养池藻种生产

采用水泥或塑料薄膜建造跑道式培养池，尺寸为：高40-50cm、宽4-8m、长50-100m；接种25-50kg鲜藻/亩或1.5-3.0kg干藻粉/亩，匀施钙镁磷肥7-9kg/亩或过磷酸钙7-9kg/亩，钾肥1-2kg/亩或草灰12-15kg/亩；利用叶轮搅拌器进行搅拌，使肥料在池子中循环流动；藻长到干重为25-35g/m³水时，捞出2/3鲜藻晒干保存备用；留1/3鲜藻，追施磷肥、钾肥，继续培养。

所述的固氮蓝藻收集的方式是用80-120目尼龙网直接捞捕收集固氮蓝藻或在稻田入水口加水灌溉，在稻田出水口用80-120目尼龙网拦截过滤收集固氮蓝藻。

本发明的有益效果：

1、利用柑橘类水果皮渣和GLDA制备活化剂，处理过程简便，成本较低，变废为宝；

2、GLDA是一种有着高效螯合能力、可生物降解、环境毒性较低的新型绿色活化剂，柑橘类水果皮渣富含大量低分子量有机酸和生物活性物质，其提取液是一种天然的可生物降解的绿色活化剂；两者采用复合减量化技术进行复配，活化能力大大提高同时，GLDA的用量也大大减少；

3、利用藻类作为吸附材料，来源广，成本较低；

4、固氮蓝藻是集聚结团生长，易收集，因此没有二次污染；

5、固氮蓝藻由于其生理生化特性，其活体和死体均对重金属有较强的吸附能力；

6、固氮蓝藻能固氮和固碳，对水稻生长有促进作用，可以减少氮肥使用量，节省水稻肥料投资费用；减少化肥用量的同时也降低了化肥中重金属对土壤污染的风险；

7、固氮蓝藻特有的藻促生长素能促进作物茁壮生长，增强作物抵御病害、减少农药使用造成的污染及生物多样性的破坏，藻体沉入土壤后，可改善土壤肥力和提高土壤有机质的含量；

8、固氮蓝藻生长繁殖快，能短时间内铺满表层，有效抑制杂草萌发生长，减少除草农药的使用量；

9、本发明将藻种培养获得的鲜藻晒干，磨成粉状，可长期保存；

10、本发明修复方法具有成本低、操作简单、效果好、不占地、不耗时的优点，实现了稻田土壤边修复边安全生产的目标。

附图说明

图1为本发明一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法技术路线图。

具体实施方式

实施例1

选择江西省某镉污染稻田作为试验田，土壤中镉平均浓度为1.2mg/kg，土壤pH为6.01。

水稻：选用华中双季稻稻作区常用品种五优369。

复合型植物源活化剂：原材料采自江西某水果加工厂的脐橙的皮渣废料。将脐橙皮渣废料与水在搅拌机内以1∶2的质量比搅碎混匀，过滤，向滤液中添加谷氨酸N,N-二乙酸(GLDA，47wt%)溶液，柑橘类水果皮渣提取物与GLDA的体积比为300∶1，所得混合液为重金属活化剂。

固氮蓝藻：为固氮鱼腥藻(Anabaena azoticaHB686)、多变鱼腥藻(AnabaenavariabilisHB1058)和球孢鱼腥藻(AnabaenasphaericaHB1017)的混种。藻种来源于中国科学院淡水藻种库（国家水生生物种质资源库）。

实验组和对照组均做如下处理，但对照组不添加复合型植物源活化剂和固氮蓝藻。

（1）在农闲季节，向镉污染稻田中添加活化剂，每隔5天施加1次，每次施加量为0.15mL/g土，施加3次，每次施加后均匀翻耕稻田耕作层土壤；

（2）于最后一次施加活化剂后，均匀翻耕耕作层土壤，然后灌水建立稻田水层，接种固氮蓝藻于稻田水层中，7天后固氮蓝藻长满整个稻田水面，10天后收集2/3的量，剩余部分让其在稻田继续生长，如此重复3次，待水稻插秧前再收集一次；

（3）在水稻插秧3天后，接种固氮蓝藻，固氮蓝藻在不断生长过程中对水中重金属进行吸附，待固氮蓝藻长满整个稻田水面时，将固氮蓝藻收集一部分，剩余部分留在稻田继续生长，直到水稻封行稻田水面不见光时将固氮蓝藻全部进行收集。

固氮蓝藻全部收集后，检测土壤中总镉含量、有效态镉含量以及藻体中镉含量。

（4）水稻收割后，检测糙米中的镉含量；

（5）收集的固氮蓝藻晒干，进行焚烧处理，焚烧残渣送危废处理厂处理。

水稻插秧前，固氮蓝藻采用尼龙网（120目）直接捞捕收集，插秧后固氮蓝藻采用在稻田入水口加水灌溉，在稻田出水口用尼龙网（120目）拦截过滤收集固氮蓝藻。

经检测，固氮蓝藻对重金属镉的吸附量可达3.09×10³mg/kg（以干藻计）。

在水稻收割后，对实验土壤和糙米进行检测。结果显示，实验组土壤的总镉含量以及有效态镉含量远低于对照组，实验组的糙米中镉含量远低于对照组。实验组土壤中总镉含量为0.2mg/kg，低于农用地土壤污染风险筛选值0.40mg/kg，表明修复后的土壤污染风险低，不存在食品污染风险。实验组的糙米中镉含量为0.08mg/kg,低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）中0.2mg/kg的限量。

该实例的结果表明，活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤的方法可有效去除稻田中的重金属镉，并保障水稻的安全生产。

实施例2

试验田：江西省某镉污染稻田作为试验田，土壤中镉平均浓度为2.8mg/kg，土壤pH为6.4。

水稻：选用华中双季稻稻作区常用品种五优369。

复合型植物源活化剂：原材料采自江西某水果加工厂的脐橙的皮渣废料。将脐橙皮渣废料与水在搅拌机内以1∶1的质量比搅碎混匀，过滤，向滤液中添加谷氨酸N,N-二乙酸(GLDA，47wt%)溶液，柑橘类水果皮渣提取物与GLDA的体积比为250∶1，所得混合液为重金属活化剂。

固氮蓝藻：为固氮鱼腥藻(Anabaena azoticaHB686)、多变鱼腥藻(AnabaenavariabilisHB1058)和球孢鱼腥藻(AnabaenasphaericaHB1017)的混种。藻种来源于中国科学院淡水藻种库（国家水生生物种质资源库）。

实验组和对照组均做如下处理，但对照组不添加活化剂和固氮蓝藻：

（1）在农闲季节，向镉污染稻田中施加活化剂，每隔5天施加1次，每次施加量为0.3mL/g土，施加5次，每次施加后均匀翻耕稻田土壤耕作层；

（2）于第3次施加活化剂均匀翻耕后，灌水建立稻田水层，接种固氮蓝藻于稻田水层中，8天后固氮蓝藻长满整个稻田水面，10天后收集2/3的量，剩余部分让其在稻田继续生长，如此重复4次，待水稻插秧前再收集一次；

在固氮蓝藻生长吸附重金属的过程中，继续活化剂的第4次、第5次的施加；

（3）在水稻插秧3天后，接种固氮蓝藻，固氮蓝藻在不断生长过程中对水体中重金属进行吸附，待固氮蓝藻长满整个稻田水面时，将固氮蓝藻收集一部分，剩余部分留在稻田继续生长，直到水稻封行稻田水面不见光时将固氮蓝藻全部进行收集。

固氮蓝藻全部收集后，检测土壤中总镉含量、有效态镉含量以及藻体中镉含量。

（4）水稻收割后，检测糙米中的镉含量；

（5）收集的固氮蓝藻晒干，进行焚烧处理，焚烧残渣送危废处理厂处理。

水稻插秧前，固氮蓝藻采用尼龙网（120目）直接捞捕收集，插秧后固氮蓝藻采用在稻田入水口加水灌溉，在稻田出水口用尼龙网（120目）拦截过滤收集固氮蓝藻。

经检测，固氮蓝藻对重金属镉的吸附量可达11.9×10³mg/kg（以干藻计）。实验组总镉含量以及有效态镉含量远低于对照组。

实验组土壤中镉含量为0.43mg/kg，处于农用地土壤污染风险筛选值0.40mg/kg和土壤污染风险管制值2.0mg/kg之间，但有效态镉含量仅为0.03mg/kg，远低于农用地土壤污染风险筛选值。

经检测，糙米中镉含量为0.1mg/kg，低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）中0.2mg/kg的限量，表明在水稻生产期间，接种固氮蓝藻可有效保证水稻的安全生产。

该实例的结果表明，活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤的方法可有效去除稻田中的重金属镉，并保障水稻的安全生产。

以上实施例是结合具体的优选方式对本发明所作的进一步详细说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，其特征在于：所述的方法采用复合型植物源活化剂对稻田土壤中的重金属镉进行活化，然后灌水建立稻田水层，均匀翻耕，促进土壤中活化后的重金属镉向稻田水层中迁移溶出，再接种固氮蓝藻于稻田水层中，用于吸附迁移溶出的重金属镉，之后通过收集固氮蓝藻，降低稻田土壤中镉含量，减少水稻对重金属镉的吸收积累，保障水稻的安全生产；

具体步骤如下：

步骤1：农闲季节，向镉污染的稻田土壤中施加复合型植物源活化剂，活化难溶态的重金属镉；每隔5天施加1次复合型植物源活化剂，施加3-5次，每次施加后，均匀翻耕耕作层土壤；根据稻田土壤的镉含量，每次施加量为0.02-1.00mL复合型植物源活化剂/g稻田土壤；

步骤2：向翻耕均匀的稻田中灌水，建立稻田水层，控制稻田水层高度为8-10cm，均匀翻耕耕作层土壤；

步骤3：接种固氮蓝藻于稻田水层中，5-7天后固氮蓝藻长满稻田水面，7-10天后采用80-120目的尼龙网收集稻田中2/3量的固氮蓝藻，剩余的固氮蓝藻继续在稻田生长，如此重复收集固氮蓝藻3-5次，待稻田插秧前再收集一次；固氮蓝藻的每亩接种剂量为：鲜藻40-50kg或干藻粉2.5-3.0kg；

步骤4：水稻插秧后3-5天，再次接种固氮蓝藻，重复步骤3中的操作，为防止镉二次污染，在水稻封行稻田水面不见光时，将固氮蓝藻全部收集；

步骤5：上述收集的固氮蓝藻晒干，进行焚烧处理，焚烧残渣送危废处理厂处理。

2.根据权利要求1所述的一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，其特征在于：所述的复合型植物源活化剂是将柑橘类水果皮渣与水按照质量比1∶0.5-8搅碎混匀、过滤，再向滤液中添加质量浓度为47%的GLDA溶液后得到；所述的柑橘类水果皮渣提取物与GLDA的体积比为200-350∶1。

3.根据权利要求1所述的一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，其特征在于：所用的固氮蓝藻为鱼腥藻属的单种或混种。

4.根据权利要求1所述的一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，其特征在于，所述的固氮蓝藻藻种的培养和生产采用四级扩大培养，具体为：

一级藻种培养：由试管原种接入到250-500ml的三角培养瓶，藻种培养在温室进行，室内温度保持在25-35℃，光照强度为2500-3000Lux，采用BG11无氮培养液，无菌培养5-10天；

二级藻种培养：将一级藻种培养所得的藻种接入到100-250L的培养桶中，或在100-500L光生物反应器中培养，藻种培养在温室进行，温室温度保持在25-35℃，采用BG11无氮培养液，培养5-10天；

三级藻种培养：将二级培养所得的藻种接入到尺寸为0.5-1.5m × 3.5-6m× 0.1-0.5m的循环培养池中，藻接种量为75-125g/m²，匀施钙镁磷肥10-15g/m²或过磷酸钙10-15g/m²、钾肥1.5-3.0g/ m²或草灰20-25g/m²，露天培养；循环培养池上架竹拱高50cm，用薄膜覆盖；藻长满后，捞出2/3量的鲜藻晒干保存备用；留1/3量的鲜藻，追施磷肥、草灰，继续培养；

四级藻种大规模生产：

四级藻种大规模生产采用以下两种方式中的一种：

第一种，露天藻种生产

将闲置的稻田翻耕、灌水和耙平，灌水深度为15-20cm，按鲜藻25-50kg /亩或干藻粉1.5-3.0kg /亩接种藻种，其后匀施钙镁磷肥7-9kg/亩或过磷酸钙7-9kg/亩，钾肥1-2kg/亩或草灰12-15kg/亩；藻长满后，捞出2/3量的鲜藻晒干保存备用；留1/3量的鲜藻，追施磷肥、钾肥，继续培养；

第二种，跑道式培养池藻种生产

采用水泥或塑料薄膜建造跑道式培养池，尺寸为：高40-50cm、宽4-8m、长50-100m；接种25-50kg鲜藻/亩或1.5-3.0kg干藻粉/亩，匀施钙镁磷肥7-9kg/亩或过磷酸钙7-9kg/亩，钾肥1-2kg/亩或草灰12-15kg/亩；利用叶轮搅拌器进行搅拌，使肥料在池子中循环流动；藻长到干重为25-35g/m³水时，捞出2/3鲜藻晒干保存备用；留1/3鲜藻，追施磷肥、钾肥，继续培养。

5.根据权利要求1所述的一种活化剂协同固氮蓝藻修复稻田土壤镉污染的方法，其特征在于：所述的固氮蓝藻收集的方式是用80-120目尼龙网直接捞捕收集固氮蓝藻或在稻田入水口加水灌溉，在稻田出水口用80-120目尼龙网拦截过滤收集固氮蓝藻。

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