CN113321318A - 一种基于微生物复合改性提高粘土治理有害藻华效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有害藻华防控技术领域，具体地说是一种基于微生物复合改性，提高粘土治理有害藻华效率的方法。将某些微生物于一定条件下按一定比例在粘土(或改性粘土)表面聚集、固化，增加微生物的局部浓度和粘土(或改性粘土)表面的除藻特性，分别加强了微生物和粘土(或改性粘土)对微藻的抑制作用，形成一种具有1+1＞2效果的复合改性粘土体系。本发明的优势在于不仅可以提高原粘土或改性粘土的除藻效率，还可有效加速水体中藻华生物和其他有机质的分解，达到进一步净化水质的效果。

Description

一种基于微生物复合改性提高粘土治理有害藻华效率的方法
技术领域
本发明属于有害藻华防控技术领域，具体地说是一种基于微生物复合改性，提高粘土治理有害藻华效率的方法。
背景技术
有害藻华，是海水或淡水中的藻类异常增殖或聚集，导致大面积水体变色，并对鱼、鸟、贝、虾、海洋哺乳动物及人类产生有毒或有害影响的生态灾害现象。近年来，有害藻华在我国近海频繁发生，影响范围不断扩大，严重危害近海生态环境和水产养殖产业，亟需可大规模应用的有效治理方法。
从理论上讲，能够治理赤潮的方法有很多，比如物理法、化学法、生物法等。物理除藻法即利用物理方法去除水体中的藻华生物，常见的物理除藻法主要有：机械打捞法、换水法、挖泥法、过滤法以及超声灭藻法，存在着成本高的缺点；化学法主要是向水体中投加化学试剂，抑制有害藻华生物生长或者直接杀死有害藻华生物，操作简便且见效快，但易导致二次污染。生物法主要是指通过生物间的营养盐竞争、捕食关系、藻菌相互作用等消除藻华，该方法对环境友好，而且一部分微生物可以长效调节水质，如芽孢杆菌可以有效降低水体的COD、BOD，还可以降低氨氮(NH4+-N)与亚硝酸氮(NO2-N)、硫化物的浓度，从而有效地改善水质。但微生物法存在着作用时间较长的缺点。目前，大部分治理方法只停留在理论研究和实验室阶段，能够在现场大规模应用的寥寥无几。粘土矿物絮凝法是指通过向水体投加粘土矿物，使之将藻华生物絮凝沉降的治理方法。其中我国科学家所研究的改性粘土方法通过在粘土表面和层间引入带正电荷和适当链长的改性剂，使粘土表面电性翻转、作用半径加大，增加了粘土颗粒与藻细胞之间的桥联作用，提升了絮凝效率，大大降低了粘土用量。该方法操作简便，具有应急处置能力强、环境友好等优点，被认为是最具前景的有害藻华治理方法之一，已成功在国内外得到推广与应用。
由此可见，在上述有害藻华治理方法中，改性粘土方法展现出见效快、用量少、安全可靠的特点，但在大规模处置行动后可能需要一个生态系统的自然恢复过程；生物方法虽然应急性差，但采用该方法处置有害藻华时具有一定的生态调控优势。如何集成两种方法各自的优点，研发一种兼具高效消除有害藻华和修复受污染水体的新型藻华治理材料，是有害藻华防控方法发展的难题之一。
发明内容
针对上述技术中的不足，本发明提供了一种基于微生物复合改性，提高粘土治理有害藻华效率的方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种基于微生物复合改性提高粘土治理有害藻华效率的方法：将具有除藻能力的微生物与粘土或改性粘土混合获得微生物复合改性粘土体系，而后复合培养，控制微生物在颗粒表面的黏附率，获得对有害藻华生物去除有显著加和效果的复合改性粘土体系，进而提高粘土治理有害藻华效率。
上述方法使用粘土材料，使某些微生物于一定条件下、按一定比例在粘土或改性粘土表面聚集、浓缩和固化，提升微生物的局部浓度、加强改性粘土的桥联作用，进而进一步提高复合材料对微藻的抑制作用，形成一种具有1+1＞2协同抑藻效果的复合改性粘土体系。
所述某些微生物为芽孢杆菌、粪链球菌、假单胞菌、光合细菌、硝化细菌、反硝化细菌、乳酸杆菌、乳酸菌、酵母菌中的一种或几种。
所述粘土为含铝硅酸盐矿物，例如高岭土、蒙脱土或膨润土等；改性粘土为经过含铝和/或铁等无机金属阳离子絮凝剂处理后得到的复合物。
所述微生物复合改性粘土体系以粘土质量与微生物数目计，每克改性粘土与106-2×1011个微生物结合。
向灭菌处理后的粘土或改性粘土中按比例加入微生物与灭菌海水，摇匀置于恒温震荡培养箱中，以0-300r/min的震荡频率在10℃-60℃的恒温下，培养熟化0h-120h，使微生物与粘土或改性粘土充分接触并在其表面固化，形成微生物复合改性粘土体系。其中优选30℃-60℃的恒温下，以150-200r/min的震荡频率培养熟化72h-96h。
所述经过固化后，体系内游离态微生物与在固化在粘土或改性粘土上的微生物的生物量比例为1：1-50，以1：5-20为佳。
本发明所具有的优点：
本发明将常用于水产养殖中的芽孢杆菌、光合细菌、硝化细菌等微生物与改性粘土有效复合，使微生物在粘土或改性粘土表面聚集、浓缩和固化，提升微生物的局部浓度并使其保持生物活性，进而加强改性粘土表面桥联作用；适宜的熟化温度和熟化时间可促进微生物的繁殖及其在改性粘土上的固化，不但增强了改性粘土对藻华生物的去除能力，还可有效调节水质，起到1+1＞2的效果。本发明方法操作简便，无二次污染，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的复合改性比例对东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)去除效率的影响图。
图2为本发明实施例提供的微生物复合改性粘土的电镜图。
图3为本发明实施例提供的熟化反应温度与时间对东海原甲藻去除效率的影响图。
图4为本发明实施例提供的熟化反应温度与时间对微生物复合改性粘土体系内游离态微生物与在固化在改性粘土上的微生物量的影响图。
图5为本发明实施例提供的粘土种类及浓度对养殖水体中微绿球藻去除效率的影响图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
本发明采用微生物与改性粘土复合熟化，设备简单、工艺流程比较少，不需要附加其它化学试剂，也不需要其它特殊的处理环境，不会产生二次污染。
实施例1
称取7份，每份0.5g高岭土与0.1g聚合氯化铝粉末，混匀后经121℃高温蒸汽灭菌30min后于80℃烘箱中烘干1h，置于紫外灯下灭菌20min，冷却至室温，即得7份I型改性粘土，待用；
用无菌海水将EM菌液稀释为相同体积、不同菌密度的母液，向其中加入上述I型改性粘土，使每克改性粘土分别与0、1010、2×1010、5×1010、1011、1.5×1011、2×1011个微生物复合，得到I型微生物复合改性粘土储备液，摇匀置于30℃恒温震荡培养箱，以150r/min的振荡频率中熟化2h，即得微生物复合改性粘土体系。
其中，EM菌液购置于武汉市天辰生物科技有限公司，其微生物含量为1010cells/mL，成分按微生物数目百分比计：芽孢杆菌61％，乳酸杆菌11％，其他杂菌为28％。
取处于指数生长期的东海原甲藻藻液(藻细胞密度约1×108cells/L)至50mL比色管中，向其中分别加入上述的微生物复合改性粘土和EM菌液，使改性粘土终浓度为0.1g/L，微生物密度分别为0.1、0.2、0.5、1、1.5、2×1010cells/L，摇匀后静置24小时，计算其除藻效率(参见图1)。
由图1结果表明，微生物(EM菌)必须到达一定密度，其菌液及滤液才具有去除率。但与改性粘土复合后，EM菌发挥直接与间接除藻作用的最低密度由1.5×1010cells/L分别降低为0.2×1010cells/L、0.5×1010cells/L。这说明EM菌在改性粘土表面固化，使菌-藻混合体系中EM菌的局部浓度上升，从而提升了除藻效率。
实施例2
将上述微生物复合改性粘土体系离心(8000r/min,3min)，弃上清液并将样品完全浸没于5％戊二醛内固定1h。使用0.1mol/L磷酸缓冲液室温冲洗浸泡样品3次(每次10min)后，进行乙醇梯度脱水，将其置换到醋酸异戊酯中。置于临界点干燥仪中干燥处理3h后，利用导电胶固定样品并喷金。使用扫描电镜(S-3400N,Hitachi,JP)观察复合改性粘土表面微生物的固化情况。如图2所示，微生物可以固化在改性粘土表面。
实施例3
如实施例1所述配制微生物复合改性粘土体系，使每克粘土上固化5×1010个微生物，混合后摇匀置于分别4℃、20℃、60℃恒温震荡培养箱，以150r/min的振荡频率中每个温度下分别熟化4h、48h、72h、96h，即得在不同温度下不同熟化时间的微生物复合改性粘土体系。
取处于指数生长期的东海原甲藻藻液(藻细胞密度约1×108cell/L)至50mL比色管中，在藻液中分别添加于不同温度下熟化不同时间的微生物复合改性粘土储备液，使其终浓度为0.1g/L。摇匀，静置24小时，计算其除藻效率(参见图3)。结果表明，适宜范围内，微生物复合改性粘土的熟化时间越长，熟化温度越高，对东海原甲藻的去除效率越高。
实施例4
取实施例3所述的不同熟化条件下的微生物复合改性粘土悬浊液5mL(其中改性粘土质量为1g)，静置3h使其完全沉淀，取上层菌悬液待测；向下层沉淀中加入10mL PBS缓冲液洗脱固化在改性粘土表面的微生物后离心(4000r/min,10min)，重复洗脱3次。利用流式细胞仪测定不同熟化条件下固化在改性粘土上的微生物数目与上层悬液中的游离微生物密度的变化情况。
结果表明，4℃熟化处理组的游离菌密度低于未熟化处理组；随着熟化时间增长，4℃处理组游离菌密度无显著变化，20℃、60℃处理组游离菌密度上升(图4a)。说明4℃不利于微生物繁殖，适宜温度下，增加熟化时间有利于微生物繁殖。
如图4b所示，熟化时间越长，固化在粘土上的菌密度均呈上升趋势，4℃处理组上升幅度低于20℃、60℃处理组，说明一定范围内温度升高有利于微生物在粘土上的固化。
实施例5
称取0.5g不同粘土(蒙脱土、膨润土、高岭土)各4份，分别加入0.1879g硫酸铝粉末制备Ⅱ型改性粘土。用无菌海水将EM菌粉稀释为相同体积、不同菌密度的母液，向其中加入上述Ⅱ型改性粘土，使每克粘土与107个微生物复合，摇匀置于恒温震荡培养箱(30℃、150r/min)中熟化2h，即得微生物复合改性粘土体系。
其中，EM菌粉购置于山西省鱼虾安水产药业有限公司，主要成分为光合细菌、乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌、硝化菌，微生物含量为109cells/g。
取500mL对虾养殖水体(微绿球藻密度约1×109cells/L)至量杯中，在藻液中添加不同的Ⅱ型微生物复合改性粘土储备液，使其浓度分别为0.01g/L、0.05g/L、0.1g/L、0.2g/L。摇匀，静置24小时后计算其除藻效率(参见图5)。结果表明，微生物复合改性粘土的浓度越高，其去除效率越高，且不同粘土的去除效率为蒙脱土＞膨润土＞高岭土。

Claims (6)

1.一种基于微生物复合改性提高粘土治理有害藻华效率的方法，其特征在于：将具有除藻能力的微生物与粘土或改性粘土混合，通过微生物表面聚集和固化获得微生物复合改性粘土体系，而后复合培养，控制微生物在颗粒表面的黏附率，获得对有害藻华生物去除有显著加和效果的复合改性粘土体系，进而提高粘土治理有害藻华效率。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述某些微生物为芽孢杆菌、粪链球菌、假单胞菌、光合细菌、硝化细菌、反硝化细菌、乳酸杆菌、乳酸菌、酵母菌中的一种或几种。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粘土为含铝硅酸盐矿物，改性粘土为粘土经过含铝和/或铁的无机金属阳离子絮凝剂处理后得到的复合物。
4.按权利要求1所述方法，其特征在于：所述微生物复合改性粘土体系以粘土质量与微生物数目计，每克改性粘土与106-2×1011个微生物结合。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于：向灭菌处理后的粘土或改性粘土中按比例加入微生物与灭菌海水，摇匀置于恒温震荡培养箱中，以0-300r/min的震荡频率在10℃-60℃的恒温下，培养熟化0h-120h，使微生物与粘土或改性粘土充分接触，并在其表面聚集和固化，形成微生物复合改性粘土体系。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面聚集和固化为将游离的微生物细胞限制或定位在限定的空间范围内，使其不易悬浮于水且保留其固有的生物活性；经过聚集和固化后，体系内游离态微生物与在固化在粘土或改性粘土上的微生物的生物量比例为1：1-50。
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