CN113058983B - 一种生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体修复铬污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物炭负载赤铁矿‑光伏希瓦氏菌复合体修复铬污染土壤的方法，将赤铁矿采用水热法负载在生物炭上后与光伏希瓦氏菌形成BC@α‑Fe₂O₃@loihica复合体，并添加黄腐酸作为电子穿梭体，以实现对铬污染土壤的修复，生物炭和赤铁矿的比例为：10:1；生物炭负载赤铁矿占复合体的比例为：0.05g/mL(复合体)；修复过程在厌氧条件下进行，修复时间为5天，温度为30±2℃。本发明中的生物炭负载赤铁矿—光伏希瓦氏菌复合体对不同浓度的六价铬污染土壤具有较好的修复效果，并且修复时间短且可用于修复高浓度六价铬污染土壤，为难修复的高浓度六价铬污染黏土提供了一种高效快捷的方法。

Description

一种生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体修复铬污染土 壤的方法

技术领域

本发明涉及土壤修复领域。更具体地，涉及一种生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体修复铬污染土壤的方法。

背景技术

随着工业化及城市化的快速推进，我国土壤污染日益严重，据统计全国被污染的耕地面积约为1.5亿亩，占总耕地面积的20％以上。根据2014年全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤超标率为16.1％，污染类型以无机型为主，全国土壤环境状况总体不容乐观。

铬及其化合物在钢铁、电镀、制革等行业被大量应用，成为土壤重金属污染的主要污染物之一，对人体及动植物危害大。针对重金属污染土壤，修复方法多采用物理法或化学法。物理法主要是将天然或人工合成材料加入土壤中，通过吸附或者固定化作用来减少Cr(VI)浓度，但是物理法成本较高。化学法主要是向土壤中加入药剂，通过还原反应将高毒性的Cr(VI)还原为低毒性的Cr(III)，但化学法具有易造成二次污染，药剂用量大等问题。

以胞外铁氧化物为末端电子受体的微生物异化Fe(Ⅲ)还原有可能是最早的微生物代谢形式，广泛存在于沉积物、土壤和地层中。微生物异化Fe(III)还原不仅对铁的分布及矿物学形态产生影响，一些有毒元素，如：铬、钒和铀等，在土壤厌氧环境中的形态改变与铁还原过程密切相关。希瓦氏菌属shewanella是一种呼吸型铁还原菌，可分泌细胞外膜蛋白/血红素C型细胞色素，或分泌电子穿梭体进行Fe(III)还原，还原产生的Fe(II)可以与矿物结合形成吸附态Fe(II)物种，具有很高的还原活性，影响土壤中可还原性污染物(如有机氯、Cr(VI)等)的迁移与转化。

专利1：刘兴宇,张明江,谷启源,崔兴兰.假单胞菌及该菌修复铬污染土壤的微生物原位固化方法[P].CN 111375631 A,2020.07.07.研究发现使用菌株Pseudomonas spGRINML7在好氧条件下，328mg/kg的Cr(VI)污染土壤六价铬离子去除率达到94％。专利2：刘伟,吉世明,吴锦华,黄静玲等.一种生物炭基零价铁与微生物协同修复铬污染土壤的方法[P].CN 110340132 A,2019.10.18.将生物炭加至可溶性铁盐溶液得到生物炭基零价铁修复材料，并添加优势菌种对铬污染土壤进行修复，在200mg/kg的铬污染条件下，14天后对土壤水溶态六价铬的去除能力达到53mg Cr/g Fe⁰。

微生物修复方法有成本低，操作简便，不会造成二次污染等优点，但是高浓度的Cr(VI)具有微生物效果差、修复时间长等不足。同时针对Cr(VI)污染的不同土壤类型，微生物修复效果不同，特别是黏质土壤，由于其渗水速度慢，通气性能差、传质效果差等特点，造成Cr(VI)污染黏质土较沙质土和壤土不易修复。

目前，关于利用生物炭负载铁氧化物作为载体及电子受体，在异化铁还原菌Shewanella loihica的作用下快速高效还原土壤六价铬的微生物修复方法未有报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种在电子穿梭体介导下利用生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体快速修复铬污染土壤的方法。本方法中的生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体可以大幅缩短Cr(VI)污染土壤修复时间，修复后土壤达到二类建设用地土壤污染风险管控标准，为六价铬污染土壤修复提供了一种高效、安全、经济的方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种生物炭负载赤铁矿-光伏希瓦氏菌复合体修复铬污染土壤的方法，包括以下步骤：

将赤铁矿采用水热法负载在生物炭上得到BC@α-Fe₂O₃，将其与光伏希瓦氏菌混合培养制得BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体。在污染土壤中加入复合体混合均匀，添加电子穿梭体，并调节水土比，以实现对铬污染土壤的高效快速修复。

进一步地，所述的BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体为将25mL光伏希瓦氏菌菌液加入75mLLB培养基(胰蛋白胨10g/L，氯化钠10g/L，酵母提取物5g/L，其余为水，pH值为7.0)中，并将1-10g BC@α-Fe₂O₃加入上述培养基中，在30℃、180rpm条件下混合培养24h得到，优选加入5g BC@α-Fe₂O₃；

进一步地，所述的BC@α-Fe₂O₃为将氨含量为9％的氨水(过量)60mL滴加至1.2625-25.25g的Fe(NO₃)₃·9H₂O中，形成棕红色悬浊液，再加入5g生物炭并充分搅拌，将充分搅拌后的溶液转移至100mL反应釜中，在90—150℃条件下，水热合成10—20h得到BC@α-Fe₂O₃，优选九水合硝酸铁与生物炭质量比为0.505:1，合成温度120℃，合成时间15h；

进一步地，在锥形瓶中加入100g Cr(VI)污染土壤，加入60mL所述的BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体，再加入1-5g黄腐酸，优选加入3.2g黄腐酸；

进一步地，所述的Cr(VI)污染土壤类型为黏质土，Cr(VI)浓度为100—1000mg/kg，使用去离子水调节土壤含水率为25％至75％，优选土壤含水率为50％；

进一步地，所述的修复过程需要在厌氧环境中进行，优选将锥形瓶放置在厌氧手套箱中进行土壤修复。

与现有技术相比较，本发明专利具有如下有益效果：

(1)本发明使用的BC@α-Fe₂O₃作为载体可对光伏希瓦氏菌形成一定的保护作用，使其在处理浓度较高铬污染土壤(Cr(VI)浓度大于500mg/kg)时仍能保持较高的微生物活性。

(2)本发明使用的BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体可对六价铬污染黏质土壤具有高效的修复作用，对1000mg/kg的Cr(VI)污染黏质土有95.29％的修复效果，为黏质土壤修复提供了一种新方法。

(3)本发明使用黄腐酸作为电子穿梭体，其能作为传递中介物促进电子从胞内向胞外固态末端电子受体(铁氧化物)的传递，加速铁氧化物向二价铁的转化，从而促进Cr(VI)的还原。相比现有的微生物修复至少10周以上的修复时间，本发明可将修复时间缩短至120h，大大缩短修复时间。

附图说明

图1是得到的试验结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

从某铬污染场地获得深度为20-100cm的背景土壤样品，风干过筛(60目)后，测定土壤性质，加入不同浓度的重铬酸钾溶液，经2个月自然老化，得到不同污染浓度的六价铬污染土壤，土壤理化性质见表1。

本实施例中所使用的的光伏希瓦氏菌为Shewanella loihica，购买自海洋微生物菌种保藏管理中心(MCCC)，编号为1A13940。所使用的酵母提取物，又称酵母粉，购买自Oxoid，货号为LP0021。所使用的生物炭为商业购买的热解温度为1000℃的松针生物炭。

BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体的制备：分别称取25.25g、12.625g、5.05g、2.525g及1.2625g的Fe(NO₃)₃·9H₂O于150mL烧杯中,加入氨含量9％的氨水60mL，并将5g生物炭加入烧杯中，磁力搅拌30min，转移至100mL水热反应釜中于120℃烘箱水热合成15小时，烘干研磨得到生物炭和α-Fe₂O₃的质量比为1:1、2:1、5:1、10:1、20:1的BC@α-Fe₂O₃。将25mL光伏希瓦氏菌菌液加入75mL LB培养基(胰蛋白胨10g/L，氯化钠10g/L，酵母提取物5g/L，其余为水，pH值为7.0)中，并将5g不同质量比的BC@α-Fe₂O₃加入培养基中，于30℃，180rpm恒温振荡培养箱中培养24h，得到五种BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体。

六价铬污染土壤的修复：试验分为A、B、C、D、E五组，分别为添加质量比为1:1、2:1、5:1、10:1、20:1的BC@α-Fe₂O₃所制得的BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体及黄腐酸。

分别取100g第5组土壤样品置于锥形瓶中并编号，分别加入60mL的BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体，并加入3.2g腐殖酸，均使用去离子水调节含水率至50％。将锥形瓶放入厌氧手套箱中进行修复试验，并在24,72,120,168,240h取样，采用《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB508.5-2007)方法，测定土壤中各种可溶的、可被吸附的、或沉淀的六价铬的碱消解浓度。

得到的试验结果如图1和表2所示。

表1实施例所用土壤性质

表2.Cr(VI)污染土壤第120h修复效果

实施例2

复合体的制备：称取2.525gFe(NO₃)₃·9H₂O于150mL烧杯中,加入氨含量9％的氨水60mL，并将5g生物炭加入烧杯中，磁力搅拌30min，转移至100mL水热反应釜中于120℃烘箱水热合成15小时，烘干研磨得到生物炭和α-Fe₂O₃的质量比为10:1的BC@α-Fe₂O₃。将25mL光伏希瓦氏菌菌液加入75mL LB培养基(胰蛋白胨10g/L，氯化钠10g/L，酵母提取物5g/L，其余为水，pH值为7.0)中，并将5g BC@α-Fe₂O₃加入培养基中，于30℃，180rpm恒温振荡培养箱中培养24h，得到BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体。

六价铬污染土壤的修复：试验分为A、B、C、D、E、F、G七组，A组为只添加光伏希瓦氏菌菌液，B组为只添加生物炭，C组为只添加赤铁矿，D组为添加BC@loihica混合菌液(将25mL光伏希瓦氏菌菌液加入75mL LB培养基中，并加入5g生物炭，于30℃，180rpm恒温振荡箱中培养24h制得)，E组为添加α-Fe₂O₃@loihica混合菌液(将25mL光伏希瓦氏菌菌液加入75mLLB培养基中，并加入5g赤铁矿，于30℃，180rpm恒温振荡箱中培养24h制得)，F组为投加BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体及黄腐酸，G组为仅投加BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体。

分别取100g第5组土壤样品置于锥形瓶中并编号，A组加入60mL光伏希瓦氏菌菌液，B组加入3g生物炭，C组加入3g赤铁矿，D组加入60mL BC@loihica混合液，E组加入60mLα-Fe₂O₃@loihica混合液，F组加入60mL上述BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体，并加入3.2g黄腐酸，G组仅加入60mL BC@α-Fe₂O₃@loihica复合体，两组均使用去离子水调节含水率至50％。将锥形瓶放入厌氧手套箱中进行修复试验，并在24,72,120,168,240h取样，采用《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB508.5-2007)方法，测定土壤中各种可溶的、可被吸附的、或沉淀的六价铬的碱消解浓度。

得到的试验结果如图1和表3所示。

表3 Cr(VI)污染土壤第120h修复效果

实施例3

复合体的制备：本实施例中的复合体制备方法同实施例1中条件相同。

不同浓度六价铬污染土壤的修复：试验分为A、B、C、D、E五组，分别使用编号为1至5的土壤，其他试验条件同实施例2中F组条件相同，在120h测定土壤总六价铬浓度，得到的试验结果如表3所示。

表3不同浓度Cr(VI)污染土壤修复效果

实施例4

复合体的制备：本实施例中的复合体制备方法同实施例2中制备条件相同。

不同复合体投加量对六价铬污染土壤的修复：试验分为A、B、C、D、E五组，复合体投加量分别为0.4mL/g_土、0.6mL/g_土、0.8mL/g_土、1.0mL/g_土、1.2mL/g_土，使用实施例1中编号为5的土壤，其他试验条件同实施例2中F组条件相同，在120h测定土壤总六价铬浓度，得到的试验结果如表4所示。

表4复合体投加量对六价铬污染土壤的修复效果

综上所述，复合体对500mg/kg浓度以下Cr(VI)污染黏质土壤拥有很高的修复效果，去除效果均可以达到90％以上，同时，黄腐酸可以大大缩短修复时间，120h即可将Cr(VI)污染土壤浓度修复至二类建设用地土壤污染管制值78mg/kg以下；且对高浓度Cr(VI)黏质土壤有着较高的修复效果，其对1000mg/kg的污染土壤去除效果最高可以达到95.29％以上，并使其消解浓度降至78mg/kg以下。因此本方法在铬污染土壤的修复中具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种生物炭负载赤铁矿与光伏希瓦氏菌复合体的制备方法，其特征在于，将氨质量百分含量9%的氨水溶液滴加至九水合硝酸铁中，形成棕红色悬浊液，再加入生物炭并充分搅拌；60mL氨水溶液对应5g生物炭加入量，60mL氨水溶液对应1-26g九水合硝酸铁；生物炭为热解温度为600℃-1000℃的松针生物炭；

将充分搅拌后的溶液转移至反应釜中，在90—150℃条件下，水热合成10—20h得到BC@α-Fe₂O₃；

赤铁矿负载在生物炭上形成的BC@α-Fe₂O₃，其中生物炭和赤铁矿的质量比为：1:1-20:1；将BC@α-Fe₂O₃加入光伏希瓦氏菌LB培养基中得到复合体，在30℃、180rpm条件下混合培养24h得到，其中BC@α-Fe₂O₃占复合体的比例为：0.1-0.5g/mL。

2.权利要求1所述方法制备的复合体的应用，其特征在于包括以下步骤：复合体添加电子穿梭体，在30℃，180rpm条件下进行，修复时间为72-168h；电子穿梭体投加量为32mg/（g污染土）；复合体投加量为1.0mL/(g污染土)；污染土为六价铬的污染土。

3.根据权利要求2所述应用，其特征在于：电子穿梭体为黄腐酸、核黄素或蒽醌-2-磺酸钠。

4.根据权利要求2所述应用，其特征在于：六价铬浓度在100mg/kg至1000mg/kg之间 。

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