CN113414232A

CN113414232A - 钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法

Info

Publication number: CN113414232A
Application number: CN202110691951.8A
Authority: CN
Inventors: 成亮; 方龙洋; 牛其建; 刘美丽; 俞洋洋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2021-09-21

Abstract

本发明提供了一种钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，用以钝化土壤中高浓度镉(≥5mM)污染；首先将巴氏杆菌、钙强化液和尿素混入待修复土壤,即可以使土壤高浓度的有效态镉即刻钝化，形成碳酸镉沉淀；然后种植植物，利用植物修复解决镉的钝化及再溶出的耐久性问题，钝化后重金属随着时间的迁移可以缓慢溶出，并被植物吸收；相较于传统化学方法钝化。本发明操作简单,成本低廉，将生物矿化和植物修复的弊端相互弥补，形成一个完整的重金属从土壤稳定去除的体系，在土壤重金属污染修复方面具有广阔的应用前景。

Description

钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法

技术领域

本申请涉及重金属污染水体和土壤修复领域，具体涉及一种钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法。

背景技术

镉（Cd）是一种剧毒的重金属，主要用于镀锌和电镀，电池，电导体，合金，颜料，塑料的生产以及磷酸盐肥料的稳定化（Byrne, C., Divekar, S.D., Storchan, G.B.,Parodi, D.A. and Martin, M.B. (2009) Cadmium--a metallohormone Toxicol ApplPharmacol 238(3), 266-271）等工业中。在自然界中，镉以Cd（Ⅱ）的形式存在，具有较高的溶解性和毒性，且容易迁移。另外，镉（Ⅱ）具有稳定性和不易消除的特点，常通过食物链进入人体，对人的脑，肾，骨骼，肺，肝脏和生殖系统造成损害。

传统的镉污染治理方法主要有物理、化学和生物的方法。其中物理化学的治理方法具有处理效率高，工艺简单特点。但是往往设备费用、运行费用昂贵，且容易带来二次污染。因此，更加环保和廉价的生物治理方法受到越来越多人的关注。其中，植物修复镉的污染已经被广泛的研究，但植物修复镉的污染的过程较长，且在修复的过程中，重金属依旧会随着降雨或径流迁移，从而达不到预期的修复效果。

中国发明专利（CN 107537854 A）公开了一种碳酸盐矿化菌，通过实验发现该菌株一周内就能够有效降低土壤中有效态镉的含量，但是生物矿化生成的矿化沉淀具有一定的耐久性且矿化菌有一定的耐受性，该专利中的生物诱导镉离子产生的碳酸镉晶体也会随着酸沉降或腐殖酸的侵蚀（pH＜2时；Heavy metal removal by biomineralization ofurease producing bacteria isolated from soil；https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2012.06.016），释放出镉离子，再次产生污染。另外，目前虽有一些植物用于治理低浓度镉污染土壤或水体（水体中小于等于250 mg/L镉），富集镉已达到修复之目的，但在处理高浓度的镉污染时（例如：土壤中Cd²⁺>2 mM），矿化菌和植物都不能起到正常修复作用。因此，亟需寻找一种有效的、环保的且经济的处理土壤中高浓度镉污染的方法。

发明内容

为解决现有植物修复和微生物矿化修复高浓度镉的不足，本发明的目的在于提供钙强化微生物矿化治理高浓度的镉污染及联合植物修复的方法。在治理高浓度镉污染土壤时，植物不能正常生长和微生物矿化不能起到预期作用，利用钙强化生物矿化过程，提高细菌对镉的耐受性。即先将土壤高浓度镉钝化(镉被钝化后处于碳酸镉状态)，使植物能正常生长，然后再联合植物修复高浓度的镉污染。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）菌液、钙强化液和尿素混合后获得钙强化微生物矿化处理液，将钙强化微生物矿化处理液加入高浓度镉污染土壤中；上述钙强化微生物矿化处理液中，钙离子浓度为5 mM，巴氏芽孢杆菌的吸光度（浓度）OD₆₀₀=1.2，尿素浓度为10 mM；尿素作为营养源，被细菌产生的脲酶分解，产出沉淀镉所需的碳酸根；

上述巴氏芽孢杆菌菌液是通过如下方法获得的：将巴氏芽孢杆菌接种于培养基中，28℃条件下振荡培养2天，培养完成后使用分光光度计测量菌液吸光值，通过离心浓缩或加入生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12；所述培养基配方为:20g酵母粉，15g NH₄Cl，1 mMNiCl₂，加水补足至1L；pH 9.2-9.3；

2）向高浓度镉污染土壤中移栽植物，即完成高浓度镉污染土壤的修复。

优选的，上述将钙强化微生物矿化处理液加入待处理土壤中是指，将钙强化微生物矿化处理液与水按照体积比1:9混合制成稀释液，加入高浓度镉污染土壤中，稀释液的添加量为200ml/kg土。

优选的，上述植物为苎麻。

优选的，上述钙强化液优选氯化钙溶液。

其次，本申请还提供了一种包括氯化钙、尿素和巴氏杆菌菌液的钙强化微生物矿化处理液；该处理液中，钙离子浓度为5 mM，巴氏芽孢杆菌吸光度（浓度）OD₆₀₀=1.2，尿素浓度为10 mM；该巴氏芽孢杆菌菌液是通过如下方法获得的：将巴氏芽孢杆菌接种于培养基中，28℃条件下振荡培养2天，培养完成后使用分光光度计测量菌液吸光值，通过离心浓缩或加入生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12；所述培养基配方为:20g酵母粉，15g NH₄Cl，1 mMNiCl₂，加水补足至1L；pH 9.2-9.3。

本申请中，术语“高浓度镉污染土壤”是指镉含量≥5 mM的土壤。

本发明提供了一种钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，用以钝化土壤中高浓度镉（≥5 mM）污染；首先将巴氏杆菌、钙强化液和营养物质（尿素）混入待修复土壤,即可以使土壤高浓度的有效态镉即刻钝化，形成碳酸镉沉淀；重金属钝化后，降低的土壤重金属有效态浓度，可以使得植物能够在存活，同时降低传统植物修复中难以避免的重金属随环境变化（如降雨等）而迁移的风险；然后，再利用植物修复解决镉的钝化及再溶出的耐久性问题，钝化后重金属随着时间的迁移可以缓慢溶出，并被植物吸收。

相较于传统化学方法钝化。本发明操作简单,成本低廉，采用钙强化微生物矿化及联合植物修复的方法修复重金属污染,将生物矿化和植物修复的弊端相互弥补，形成一个完整的重金属从土壤稳定去除的体系，在土壤重金属污染修复方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1有无钙强化条件下镉的去除率对比示意图。

图2为实施例2不同条件下小麦茎长照片。

图3为实施例2不同条件下小麦茎长统计示意图。

图4为实施例3不同处理条件下土壤中游离态重金属镉含量示意图。

具体实施方式

以下实施例中使用的菌株、试剂均为常规试剂，由市售途径获得。

实施例中使用的巴氏芽孢杆菌为市售巴氏芽孢杆菌ATCC11859，该菌株为本领域常规菌株，如专利CN109295108A实施例所使用的菌株。

实施例中培养基配方如下：每升培养基包含：20g酵母粉，15g NH₄Cl，1 mM NiCl₂，加水补足至1L；pH 9.2-9.3。

实施例1 钙强化条件去除高浓度的镉污染废水

取巴氏芽孢杆菌母液接种至灭菌后的培养基，在28℃条件下振荡培养两天。培养完成后使用分光光度计测量菌液吸光值，通过离心浓缩及生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12以备用；

利用纯水与氯化镉配置镉浓度为50 mM高浓度含镉废水,备用。

实验组1：将高浓度含镉废水、无水氯化钙、菌液和尿素混合后，加水配置成100mL的反应体系；100mL的反应体系中，菌液、氯化钙、镉离子（Cd²⁺）、尿素的终浓度分别为 OD₆₀₀=1.2，5mM, 5mM和50mM。将反应体系置于28^oC摇床条件下修复1天。

实验组2：除两小时后再加入无水氯化钙和尿素（以比较钙加入时间对镉去除的影响），其他条件与实验组1相同。

对照组1：除不加无水氯化钙，其他条件与实验组1相同。

对照组2：除2小时后加入尿素，其他与对照组1相同。

实验组和对照组各设置三组平行样品，检测结果取平均值。

修复1天后，实验组和对照组检测结果如图1所示，可见，对于重金属镉污染水的微生物矿化去除，在钙离子（5 mM）强化的条件下其重金属镉的去除率提高了近一倍，由51%提高到100%。

实施例2 微生物矿化改善土壤小麦生长

将巴氏芽孢杆菌接种至灭菌后的培养基,在28℃条件下振荡培养两天。培养完成后使用分光光度计测量菌液吸光值，通过离心浓缩及生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12，备用。

制备镉污染土壤样品：将10 mg/L CdCl₂溶液与土壤充分混合，以保证每克土壤含有10µg Cd²⁺。制备的污染土壤的总体积为1.2m³(深×宽×长= 0.3 m×2 m×2 m)，每个土壤样品的面积为1m²，深度为30cm。CdCl₂溶液(336 L×10 mg/L)有可能污染土壤。

向土壤中移栽小麦幼苗（茎长小于10cm）本实施例设置四个样品：

T1为未经处理的对照组；

T2组，28天内平均分10次向土壤中加入巴氏杆菌菌液，每次2.5 L/m²；在实验第1天加入100g/m²尿素；

T3组，28天内平均分10次向土壤中加入巴氏杆菌菌液，每次2.5 L/m²；在实验第1天和第13天分别加入100g/m²尿素；

T4组，28天内平均分10次向土壤中加入巴氏杆菌菌液和尿素，菌液每次加入量2.5L/m²，尿素每次加入量为100g/m²。

图2 为28天之后T1组（对照组）与T4组小麦苗对比照片，可见，加入加入巴氏杆菌菌液和尿素可显著促进小麦茎秆生长。

此外，28天后，每组随机选择100个单独的小麦样品，测量茎长，检测结果的统计图如图3所示。T1的大部分茎长从大于10厘米到小于16厘米不等； T2，T3和T4的茎长被测量为大于16厘米至小于22厘米。T3和T4的部分茎长度甚至超过22厘米的高度。土壤中游离的Cd对小麦茎长的生长有害，该检测结果反映了巴氏杆菌菌液和尿素可以有效的固定土壤中的游离镉。

实施例3 微生物矿化修复镉污染土壤

将巴氏芽孢杆菌接种至灭菌后的培养基,在28℃条件下振荡培养两天。培养完成后使用分光光度计测量菌液吸光值，通过离心浓缩及生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12以备用。

取实验室已配制50 mM高浓度含镉废水，加入新鲜土壤并充分搅拌，制备重金属镉污染土壤，土壤中镉离子浓度为5 mg/kg。

本实施例设置4组实验：

对照组：土壤不处理；

生物矿化组：处不加无水氯化钙外，其他处理方式与钙离子强化矿化组相同；

钙离子强化矿化组：将无水氯化钙溶液、菌液和尿素混合后获得钙强化微生物矿化处理液；钙强化微生物矿化处理液中，钙离子（Ca²⁺）浓度为5 mM，巴氏芽孢杆浓度为OD=1.2，尿素浓度为10 mM。将钙强化微生物矿化处理液与水以体积比1:9混合，制成稀释液；将稀释液加入重金属镉污染土壤中，稀释液的添加量为200ml/kg土。

钙离子强化矿化+植物组：在钙离子强化矿化组处理基础上，移栽苎麻，每公斤土移栽1颗20cm公分苎麻。

将处理后的土壤于室温条件下放置48小时，测试土壤中游离态重金属镉含量。检测结果如图4所示。其中钙离子强化微生物矿化耦合植物修复显示了最佳的处理效果，生物有效态重金属镉含量降低了93%以上。在实际的应用中，一般是需要将处理液与深30-50cm的表层土壤混合均匀。

以上显示和描述了本申请的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，具体步骤如下：

将钙强化微生物矿化处理液加入高浓度镉污染土壤中；然后向高浓度镉污染土壤中移栽植物，即完成高浓度镉污染土壤的修复；

所述钙强化微生物矿化处理液是由巴氏芽孢杆菌菌液、钙强化液和尿素混合后获得。

2.根据权利要求1所述钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，所述钙强化微生物矿化处理液中，钙离子浓度为5 mM，巴氏芽孢菌浓度OD₆₀₀=1.2，尿素浓度为10 mM。

3.根据权利要求2所述钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，所述钙强化液为氯化钙溶液。

4.根据权利要求2所述钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，所述将钙强化微生物矿化处理液加入高浓度镉污染土壤中是指，将钙强化微生物矿化处理液与水按照体积比1:9混合制成稀释液，再加入高浓度镉污染土壤中，稀释液的添加量为200ml/kg土。

5.根据权利要求2所述钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，所述植物为苎麻。

6.根据权利要求2所述钙强化微生物矿化治理高浓度镉污染及联合植物修复的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌菌液是通过如下方法获得的：将巴氏芽孢杆菌接种于培养基中，28℃条件下振荡培养2天，通过离心浓缩或加入生理盐水调节菌液浓度至OD₆₀₀=12；所述培养基配方为:20g酵母粉，15g NH₄Cl，1 mM NiCl₂，加水补足至1L；pH 9.2-9.3。

7.一种钙强化微生物矿化处理液，其特征在于，所述处理液包括氯化钙、尿素和巴氏杆菌；其中，钙离子浓度为5 mM，巴氏芽孢杆菌浓度OD₆₀₀=1.2，尿素浓度为10 mM。