CN113025502A - 一种重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，为新拟盘多毛孢属MCT‑13（Neopestalotiopsis sp.MCT‑13），保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏编号为CCTCC NO M 2020543。上述Neopestalotiopsis sp.MCT‑13，易培养，生物量大，环境友好，具备复合重金属抗性和吸附能力。重金属离子Cr6+、Cd2+、Pb2+条件下，Neopestalotiopsis sp.MCT‑13与植物秸秆共培养后，收集培养产物，热解制备生物炭，能够有效实现重金属离子Cr6+、Cd2+、Pb2+固化。金属离子Fe3+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+条件下，Neopestalotiopsis sp.MCT‑13与植物秸秆共培养后，收集培养产物，水热法结合高温热解法制备生物炭复合材料，生物炭复合材料能够应用于水体、土壤重金属污染修复。

Description

一种重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物及其应用
技术领域
本发明涉及重金属抗性微生物联合秸秆制备生物炭控制和修复水体、土壤重金属污染。
背景技术
随着社会经济的快速发展，人们对环境质量要求越来越高。重金属污染物对水体、土壤造成严重威胁，损害人体健康。现阶段，控制和修复土壤、水体重金属污染方法主要包括物理法、化学法和生物法。生物控制和修复重金属污染土壤、水体法主要包括植物修复法和微生物修复法。植物修复法是利用植物进行重金属污染控制和修复的方法。由于植物生长周期长，进入冬季后植物生长缓慢，甚至枯萎死亡，植物修复周期长，效率低。微生物则繁殖快、分布广泛、种类多，使用微生物控制和修复土壤、水体重金属成本低、环境友好、适应性强。然而，微生物控制和修复重金属污染土壤、水体方法也存在不利因素。例如，微生物生物量有限，生长受外界环境影响显著，而且微生物吸附重金属后，重金属有再次释放的风险。因此，如何高效利用微生物实现土壤、水体中重金属污染物控制和修复是环境污染控制和修复技术研究的热点。
发明内容
本发明旨在从重金属污染农田土壤中筛选重金属抗性微生物，并将其应用于土壤、水体重金属污染控制与修复。
一种重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，新拟盘多毛孢属 MCT-13（Neopestalotiopsis sp. MCT-13），保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国，武汉，武汉大学，保藏编号：CCTCC NO M 2020543，保藏日期2020年9月25日。
湘潭锰矿区开采有上百年历史，矿区周边农田重金属污染严重。受长期重金属污染影响，湘潭锰矿周边农田微生物呈现自身特点。本发明所述Neopestalotiopsis sp. MCT-13筛选自湘潭锰矿区农田土壤，具备复合重金属抗性能力和吸附能力，其中，对Cr抗性超过100mg/L，对Cd抗性超过100mg/L，对Pb抗性超过300mg/L，对Mn抗性超过5000mg/L。Neopestalotiopsis sp. MCT-13属于植物内生菌，并呈现寄生和腐生特性，在微生物代谢酶作用下能分解植物木质素、纤维素。
本发明基于Neopestalotiopsis sp. MCT-13复合重金属抗性和吸附能力以及寄生和腐生特性，利用Neopestalotiopsis sp. MCT-13生长过程分解植物秸秆木质素、纤维素，同时利用Neopestalotiopsis sp. MCT-13吸附重金属，然后通过高温热解炭化，固化吸附在微生物及秸秆表面的重金属离子。
Neopestalotiopsis sp. MCT-13在含重金属离子Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或几种条件下培养1天-3天后加入秸秆，继续培养1天-3天，循环抽滤干燥。其中，秸秆含量为100:1-250:1（g:L），Cr6+含量为50mg/L-100mg/L，Cd2+含量为5mg/L-50mg/L，Pb2+含量为100mg/L-200mg/L。
Neopestalotiopsis sp. MCT-13利用自身代谢产物以及微生物菌体吸附Cr6+、Cd2 +、Pb2+，随着微生物生长，培养溶液pH值由5.8变为6.9，溶液pH值变化有利于重金属离子吸附固化。
由于Neopestalotiopsis sp. MCT-13具备复合重金属抗性，在重金属离子存在条件下培养1天-3天，生物量开始增多。此时，微生物正处于生长初期，代谢活动旺盛，产生多糖类、氨基酸类初级代谢产物，并产生果胶酶和纤维素酶。加入秸秆后继续培养1天-3天，在初级代谢产物以及果胶酶和纤维素酶作用下，微生物结合与秸秆，有利于溶液中重金属离子吸附到微生物和秸秆表面。通过循环抽滤，溶液在重金属离子全部被微生物和秸秆吸附。400oC-600oC条件下，隔氧烧制2h-3h，制备生物炭。吸附到微生物和秸秆表面重金属离子被转化为稳定的重金属化合物，实现重金属污染物固化。
作为优选，秸秆含量为150:1（g:L），有利于Neopestalotiopsis sp. MCT-13产生的纤维素酶分解秸秆纤维素，促进了Neopestalotiopsis sp. MCT-13与秸秆结合，提高了重金属结合到微生物和秸秆表面效率。
作为优选，Cr6+含量为50mg/L，Cd2+含量为50mg/L，Pb2+含量为150mg/L，重金属离子去除率达到100%。
作为优选，生物质复合物炭化温度为550oC，隔氧烧制为2h，既保证了生物质复合物炭化率，又保证了吸附的重金属离子转化为金属化合物。
本发明所述Neopestalotiopsis sp. MCT-13生长超过7天，在微生物菌体、初级代谢产物以及次级代谢产物影响下，微生物和培养基成凝胶状，稳定成型。
本发明所述Neopestalotiopsis sp. MCT-13在含金属离子Fe3+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+中的一种或几种条件下培养1天-4天后加入秸秆，继续培养6天-10天，在100oC-121oC条件下，蒸汽反应0.5h-1h后，冷冻干燥，然后500oC-600oC条件下，隔氧烧制0.5h-1h，制备生物炭复合材料。其中，秸秆含量为20:1-200:1（g:L），秸秆粒径为50目-150目，Fe3+或者Fe2+含量分别为50mg/L-100mg/L，Mn2+含量为100mg/L-200mg/L，Mg2+含量为200mg/L-300mg/L，Ca2+含量为200mg/L-300mg/L。
Neopestalotiopsis sp. MCT-13不但具备重金属离子吸附能力，也同样具备其它离子吸附能力。Neopestalotiopsis sp. MCT-13生长过程中吸附Fe3+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+金属离子中的一种或者几种。微生物与植物秸秆结合促进了Neopestalotiopsis sp. MCT-13和秸秆共同吸附金属离子。微生物通过自身表面及其代谢产物吸附Fe3+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+金属离子，提高了微生物和秸秆混合物金属离子载量。
本发明所述技术方案中，微生物和秸秆混合物在培养超过7天后，在微生物及其代谢产物影响下，混合物凝聚成型；100oC-121oC条件下，蒸汽反应0.5h-1h，吸附于混合物表面的金属离子水解，有利于生成金属化合物。
本发明所述技术方案中，冷冻干燥后，500oC-600oC条件下，隔氧烧制0.5h-1h，制备生物炭复合材料。本技术方案促进了生物炭表面金属化合物的形成，有利于制备富含金属化合物的生物炭复合材料。
作为优选，秸秆含量为100:1（g:L），秸秆粒径为100目，秸秆大小和含量有利菌体及代谢产物交联，保证了微生物与秸秆形成稳定凝胶状物质。凝胶状物质的形成提高了生物炭产率，促进了多金属离子螯合，增加了多金属离子载量。
作为优选，Fe3+或者Fe2+含量分别为100mg/L，Mn2+含量为100mg/L，Mg2+含量为200mg/L，Ca2+含量为250mg/L，有利于复合材料表面多种金属化合物的形成。
本发明所述技术方案中，生物炭复合材料表面金属化合物可以为Fe2O3，Fe3O4，MnO、MgO、CaO、CaCO3、MgCO3中的一种或者几种，负载在生物炭表面的金属化合物能显著提高生物炭比表面积、丰富生物炭表面结构，增强生物炭离子交换能力、重金属螯合能力等表面化学活性。
本发明所述技术方案制备的生物炭复合材料可作为修复剂固化土壤中重金属污染物Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或者几种，可作为吸附剂吸附水体中重金属污染物Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或者几种。
作为优选，为固化土壤中Cr6+，Fe3+含量为50mg/L，Fe2+含量分别为100mg/L，Mn2+含量为200mg/L；为固化土壤中Cd2+，Mg2+含量为300mg/L，Ca2+含量为300mg/L；为固化土壤中Pb2+，Ca2+含量为300mg/L。
作为优选，为吸附水体中Cr6+，Fe3+和Fe2+含量为50mg/L，Mg2+含量为200mg/L，Ca2+含量为300mg/L；为吸附水体中Cd2+，Fe2+含量为100mg/L，Mn2+含量为100mg/L，Mg2+含量为200mg/L，Ca2+含量为200mg/L；为吸附水体中Pb2+，Mg2+含量为200mg/L，Ca2+含量为200mg/L。
生物炭复合材料作为土壤修复剂施用浓度为100mg/Kg-1000mg/Kg，作为水体吸附剂施用浓度为0.5mg/L-2mg/L。
附图说明
图 1 Neopestalotiopsis sp. MCT-13 光学显微镜镜检照片（400X）；
图 2 Neopestalotiopsis sp. MCT-13 固化50mg/L Cd2+后制备生物炭XRD图；
图 3 Neopestalotiopsis sp. MCT-13 吸附200mg/L Ca2+后制备生物炭XRD图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1
（1）从湘潭锰矿周边重金属污染农田取土1g；
（2）使用无菌水1mL溶解土样，摇床中采用150rmp反应1min，静置10mim；
（3）取上清1mL，梯度稀释101、102、103、104、105倍；
（4）使用PDA培养基和孟加拉红培养基培养微生物1天-7天，培养基中含不同浓度重金属其中Cr浓度100mg/L、150mg/L、200mg/L，Cd浓度100mg/L、150mg/L、200mg/L，Pb浓度300mg/L、400mg/L、500mg/L，Mn浓度5000mg/L、7000mg/L、10000mg/L；
（5）筛选具备重金属抗性微生物进行菌种鉴定；
（6）选取复合Cr、Cd、Pb、Mn抗性微生物Neopestalotiopsis sp. MCT-13进行生理、生化试验（表1、图1）。
表1 Neopestalotiopsis sp. MCT-13的碳源利用
检测项目 结果 检测项目 结果
D-甘露醇 + P-邻羟基苯乙酸 +
D-甘露糖 + α-酮戊二酸 -
D-松三糖 + D-乳酸甲酯 -
D-蜜二糖 + L-乳酸 -
α-甲基-D-半乳糖苷 + D-苹果酸 -
β-甲基-D-半乳糖苷 + L-苹果酸 +
α-甲基-D-葡萄糖苷 + D-葡糖二酸 -
β-甲基-D-葡萄糖苷 + 癸二酸 -
异麦芽酮糖 + 琥珀酰胺酸 -
D-阿洛酮糖 + 琥珀酸 -
D-棉子糖 + 琥珀酸单甲酯 +
L-鼠李糖 + N-乙酰-L-谷氨酸 -
D-核糖 + 丙酸胺 +
水杨苷 + L-丙氨酸 +
景天庚酫聚糖 + L-丙氨酰甘氨酸 +
D-山梨醇 + L-天冬酰胺 +
L- 山梨糖 + L-天（门）冬氨酸 +
水苏糖 + L-谷氨基酸 +
蔗糖 + L-甘氨酰谷氨酸 +
D-塔格糖 - L-鸟氨酸 +
D-海藻糖 + L-苯基丙氨酸 +
松二糖 - L-脯氨酸 +
木糖醇 + L-焦谷氨酸 +
D- 木糖 + L-丝氨酸 +
γ-丁胺酸 + L-苏氨酸 +
β-羟基异丁酸 - 腺苷 +
γ-羟基异丁酸 + 尿苷 +
L-鼠李糖 + 腺嘌呤核苷酸 +
实施例2
（1）Neopestalotiopsis sp. MCT-13 在含50mg/L Cd2+ PDA培养基3天；
（2）加入秸秆继续培养3天，秸秆浓度为100:1（g:L），循环抽滤干燥菌体和秸秆混合物；
（3）500oC条件下，隔氧烧制2h，制备生物炭；
（4）对生物炭进行XRD表征证实Cd2+转换成CdCO3沉淀，被有效固化（图2）。
实施例3
（1）Neopestalotiopsis sp. MCT-13 在含200mg/L Ca2+PDA培养基4天；
（2）加入100目秸秆，秸秆浓度为50:1（g:L），继续培养10天；
（3）在121oC条件下，蒸汽反应1h后，冷冻干燥；
（4）600oC条件下，隔氧烧制1h，制备生物炭复合材料；
（5）XRD表征证实Ca2+形成CaCO3，成功制备了负载CaCO3的生物炭复合材料（图3）。
实施例4
（1）Neopestalotiopsis sp. MCT-13 在含Fe3+和Fe2+含量分别为50mg/L，Mn2+含量为100mg/L，Mg2+含量为200mg/L，Ca2+含量为250mg/L PDA培养基4天；
（2）加入150目秸秆，秸秆浓度为100:1（g:L），继续培养10天；
（3）在121oC条件下，蒸汽反应1h后，冷冻干燥，然后600oC条件下，隔氧烧制1h，制备生物炭复合材料；
（4）固化土壤中Cd2+、Pb2+，吸附水体中Cr6+、Pb2+；作为土壤修复剂施用浓度为5000mg/Kg，作为水体吸附剂施用浓度为1mg/L；
（5）土壤中Cd2+和Pb2+固化效率达到100%，水体中Cr6+去除效率达到97.9%，Pb2+去除效率达到100%。

Claims (6)

1.一种重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，新拟盘多毛孢属 MCT-13（Neopestalotiopsis sp. MCT-13），保藏于中国典型培养物保藏中心，地址：中国，武汉，武汉大学，保藏编号：CCTCC NO M 2020543。
2.根据权利要求1所述的重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，Neopestalotiopsis sp. MCT-13在含重金属离子Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或几种条件下培养1天-3天后加入秸秆，继续培养1天-3天，循环抽滤干燥，400oC-600oC条件下，隔氧烧制，制备生物炭。
3.根据权利要求1所述的重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，Neopestalotiopsis sp. MCT-13在含金属离子Fe3+、Fe2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+中的一种或几种条件下培养1天-4天后加入秸秆，继续培养6天-10天，在100oC-121oC条件下，蒸汽反应0.5h-1h后，冷冻干燥，然后500oC-600oC条件下，隔氧烧制，制备生物炭复合材料。
4.根据权利要求2所述的重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，秸秆含量为100:1-250:1（g:L），Cr6+含量为50mg/L-100mg/L，Cd2+含量为5mg/L-50mg/L，Pb2+含量为100mg/L-200mg/L。
5.根据权利要求3所述的重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，秸秆含量为20:1-200:1（g:L），秸秆粒径为50目-150目，Fe3+或者Fe2+含量为50mg/L-100mg/L，Mn2+含量为100mg/L-200mg/L，Mg2+含量为200mg/L-300mg/L，Ca2+含量为200mg/L-300mg/L。
6.根据权利要求5所述的重金属抗性新拟盘多毛孢属微生物，其特征在于，生物炭复合材料可作为修复剂固化土壤中重金属Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或者几种，可作为吸附剂吸附水体中重金属Cr6+、Cd2+、Pb2+中的一种或者几种。
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