CN113695382B - 一种微生物土壤层弥散混合接种方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物土壤层弥散混合接种方法，所述方法包括对土壤进行预处理和在土壤中接种菌剂的步骤，其中，细菌菌剂和真菌菌剂依次施加，有利于对土壤中重金属的去除。本发明还公开了一种重金属污染土壤的修复方法，所述方法在对土壤进行弥散混合接种微生物后，种植修复植物，有利于对土壤进行原位修复，成本较低，应用性强。

Description

一种微生物土壤层弥散混合接种方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种微生物土壤层弥散混合接种方法，以修复重金属污染土壤。

背景技术

土壤重金属污染指的是土壤中的各种重金属元素超标，超过土壤能够承受的极限值，重金属超标对于土壤的自循环能力有很大影响。据统计，当前我国被污染的土壤面积达到5000万亩，土壤重金属污染主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元素，土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。因此，探索土壤重金属污染的有效修复方法成为当务之急。

重金属对土壤的污染是一个不可逆的过程，受到污染的土壤需要花费很长时间才能将重金属元素消解。目前，治理土壤重金属污染的方法包括化学法、物理法、生物修复法等，其中，物理和化学修复方法的处理成本过高，不适合大规模应用；生物修复的优势逐渐显现出来。

生物修复法包括植物修复、微生物修复和动物修复，其中，微生物修复具有良好的发展前景，其利用天然存在的或培养所得的功能微生物群，在适宜的环境条件下，促进或强化微生物的代谢功能，从而使有毒污染物的活性降低或降解成无毒物质。但是，现有的微生物修复技术存在一定的局限性，如微生物修复持续时间长、修复效率低等问题。

因此，有必要提供一种解决上述问题的土壤修复方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种微生物土壤层弥散混合接种方法，该方法通过向土壤中依次添加土壤改良剂、细菌菌剂和真菌菌剂，有利于对土壤中重金属的去除，还设计出一种重金属污染土壤的修复方法，在弥散混合接种微生物的基础上，间种多种修复植物，采用微生物联合植物修复的方法，能够快速、高效的修复重金属污染的土壤，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种微生物土壤层弥散混合接种方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1，对土壤进行预处理；

步骤2，在土壤中接种菌剂。

其中，步骤1中，所述预处理包括以下步骤：

步骤1-1，土壤翻耕，养护；

步骤1-2，施加土壤改良剂。

其中，步骤1-2中，所述土壤改良剂由包括以下重量配比的原料制备得到：

生物炭 20份

矿物质 20～40份

有机物质 25～50份。

其中，所述生物炭为富铁生物炭，优选由红壤地区生长的富铁植物高温热解得到。

其中，所述矿物质为粘土矿物，选自膨润土、高岭土、蒙脱土和海泡石中的一种或多种；

所述有机物质选自牛粪、猪粪、鸡粪、腐殖酸和泥炭中的一种或多种。

其中，在施加土壤改良剂后，施加复合细菌菌剂；

所述复合细菌菌剂包括巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌。

其中，步骤2中，所述接种的菌剂为真菌菌剂，优选为丛枝菌根真菌。

其中，所述方法包括以下步骤：

步骤I，对土壤进行预处理；

步骤II，在土壤中接种菌剂；

步骤III，在土壤上种植修复植物。

其中，步骤III中，所述种植的修复植物选自芦苇、蜈蚣草、鸭跖草、商陆、玉米、苎麻中的一种或多种。

其中，所述种植的修复植物选自蜈蚣草、鸭跖草、玉米、苎麻中的一种或多种。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明所提供的微生物土壤层弥散混合接种方法，操作方便，成本较低，不易造成二次污染；

(2)本发明所提供的微生物土壤层弥散混合接种方法，预先在土壤中加入包含富铁生物炭的土壤改良剂，有利于对土壤中重金属的去除；

(3)本发明所提供的微生物土壤层弥散混合接种方法，细菌菌剂与真菌菌剂分别施加，有利于提高与修复植物的协同作用，提高对重金属如镉和砷的去除；

(4)本发明所提供的重金属污染土壤修复方法，在弥散混合接种微生物的土壤层上间种多种修复植物，便于对土壤进行原位修复，应用性强。

具体实施方式

下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本发明提供了一种微生物土壤层弥散混合接种方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，对土壤进行预处理；

步骤2，在土壤中接种菌剂。

在本发明中，所述微生物土壤层弥散混合接种方法优选适用于重金属污染的土壤，如镉和砷复合污染。

以下进一步描述所述微生物土壤层弥散混合接种方法：

步骤1，对土壤进行预处理。

其中，步骤1包括以下子步骤：

步骤1-1，土壤翻耕，养护。

其中，所述土壤优选为镉和砷污染的土壤。

在本发明中，所述养护的时间为20～40天，在养护期间保持土壤湿度。

步骤1-2，施加土壤改良剂。

其中，在养护结束后，施加土壤改良剂。

根据本发明一种优选的实施方式，所述土壤改良剂由包括以下重量配比的原料制备得到：

生物炭 20份

矿物质 20～40份

有机物质 25～50份。

在进一步优选的实施方式中，所述土壤改良剂由包括以下重量配比的原料制备得到：

生物炭 20份

矿物质 25～35份

有机物质 30～40份。

根据本发明一种优选的实施方式，所述生物炭为富铁生物炭，优选由红壤地区生长的富铁植物高温热解得到。

在进一步优选的实施方式中，所述生物炭按照包括以下步骤的方法制备得到：

步骤i，栽培富铁植物。

优选地，所述富铁植物选自水稻、香蒲、油菜、鸢尾、紫鸭跖草和苎麻中的一种或多种。

更优选地，所述富铁植物为香蒲。

根据本发明一种优选的实施方式，在香蒲的栽培过程中施加促铁富集肥料，所述促铁富集肥料为蚯蚓粪，

优选地，所述添加的蚯蚓粪与香蒲栽培土的体积比为(45～60)：100，优选为(55～60)：100。

本发明人研究发现，在红壤地区栽培香蒲的过程中，添加上述比例的蚯蚓粪，有利于提高富铁生物炭中铁的含量，从而提高重金属污染土壤的修复效率。

步骤ii，将富铁植物炭化，得到富铁生物炭。

其中，步骤ii包括以下子步骤：

步骤ii-1，收割并清洗植物，然后烘干、粉碎。

在本发明中，优选采用去离子水清洗植物，然后于稀盐酸中浸泡。

进一步地，将植物分割为根、茎、叶三部分，然后烘干、粉碎。

步骤ii-2，高温热解，制备得到所述富铁生物炭。

根据本发明一种优选的实施方式，所述热解在450～850℃下进行，热解时间为55～90min。

优选地，所述热解在550～750℃下进行，热解时间为65～80min。

在进一步优选的实施方式中，所述升温速率为2～5℃/min，优选为3～5℃/min。

本发明人研究发现，当升温速率为2～5℃/min，优选为3～5℃/min时，制备得到的富铁生物炭的产率较高。

在本发明中，优选将制备的富铁生物炭粉碎成粉末后施用，所述粉末的粒径小于2.2mm。

根据本发明一种优选的实施方式，所述矿物质为粘土矿物，选自膨润土、高岭土、蒙脱土和海泡石中的一种或多种，优选为膨润土和/或高岭土，如高岭土。

在进一步优选的实施方式中，所述有机物质选自牛粪、猪粪、鸡粪、腐殖酸和泥炭中的一种或多种，优选为腐殖酸。

其中，所述腐殖酸为煤炭腐殖酸，可以采用现有技术中常用、市售可得的腐殖酸。

在本发明中，优选将生物炭、矿物质和有机物质混合后粉碎，然后施加至土壤层中，对土壤深翻20cm，然后放置3～8天，优选为4～6天，如5天。

优选地，土壤改良剂的施加量与土壤的重量比为(4～12):100，优选为(6～8)：100。

根据本发明一种优选的实施方式，在对土壤进行改良后，保持土壤湿度为50％～70％，施加复合细菌菌剂，

优选保持土壤湿度为55％～62％，施加复合细菌菌剂。

在进一步优选的实施方式中，所述复合细菌菌剂包括巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌，

其重量比为(2～3)：(1～3)：3。

在本发明中，所述巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌均为市售可得的固体菌剂。

在更进一步优选的实施方式中，所述复合细菌菌剂的施加密度为40～60kg/hm²，优选为45～55kg/hm²。

其中，将复合细菌菌剂浅翻3～5cm混匀施入土壤。

步骤2，在土壤中接种菌剂。

在本发明中，优选在接入复合细菌菌剂后，向土壤中分层接种真菌菌剂。

根据本发明一种优选的实施方式，所述真菌为AM真菌(丛枝菌根真菌)，优选选自摩西球囊霉、根内球囊霉和幼套球囊霉中的一种或多种。

其中，AM真菌是一类广泛存在的土壤真菌，能够与一些陆地植物形成共生体。

在进一步优选的实施方式中，所述真菌为摩西球囊霉和/或根内球囊霉，优选为摩西球囊霉和根内球囊霉；

优选地，所述摩西球囊霉和根内球囊霉的重量比为(1～3)：1，优选为(1.5～2.5)：1。

本发明人研究发现，在土壤中接种上述种类和配比的真菌菌剂，有利于与植物共同作用，对重金属污染土壤进行高效修复。

其中，所述AM真菌可以商购得到，也可以采用常规培养方法自行培养得到。在本发明中，所述AM真菌优选购自北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所。

根据本发明一种优选的实施方式，所述真菌菌剂接种至距离土壤表层5～12cm的位置，优选为距离土壤表层5～10cm的位置；

优选地，每1～1.5cm厚度接种一层，共接种2～4层。

在进一步优选的实施方式中，所述真菌菌剂的接种量为1.0～1.2g/m²，优选为1.05～1.15g/m²。

本发明人研究发现，采用上述微生物土壤层弥散混合接种方法，有利于后续与植物联合修复重金属污染土壤，提高修复效率。

本发明还提供了一种重金属污染土壤修复方法，优选包括上述微生物土壤层弥散混合接种方法的步骤，所述修复方法包括以下步骤：

在对土壤进行弥散混合接种微生物后，在待修复土壤上种植植物。

根据本发明一种优选的实施方式，所述种植的植物选自芦苇、蜈蚣草、鸭跖草、商陆、玉米、苎麻中的一种或多种，

优选选自蜈蚣草、鸭跖草、玉米、苎麻中的一种或多种，

更优选为蜈蚣草和苎麻，二者间种。

本发明人研究发现，在土壤中间种上述植物，有利于与土壤中施加的土壤改良剂、细菌和真菌协同作用去除重金属，显著提高重金属去除效率。

在进一步优选的实施方式中，相同植物的株距为35～45cm，相邻两种植物的行距为50～60cm。

在本发明中，优选在每年3～4月份进行种植，生长环境温度为15～30℃，光照为10～14h/天。

优选地，苎麻生长70～85天后收割，每年收割两次；蜈蚣草生长80～100天后收割，每年收割两次。

本发明人发现，苎麻生长70～85天后采收，其地上部分对重金属(如镉)的富集量最大；蜈蚣草生长80～100天后采收，其枝叶对重金属(如砷)的富集量最大。

更优选地，每隔1年，将苎麻和蜈蚣草的地上和地下部分一同收割，再补充施加真菌菌剂并间种新的苎麻和蜈蚣草，直至重金属污染土壤修复完毕。

本发明人研究发现，采用上述方进行重金属(复合重金属，如镉和砷)污染土壤修复，在短时间内即可使土壤中重金属的含量处于国家土壤环境质量标准GB15618-2008中规定的标准二级标准值以下。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

按照下述步骤对镉和砷污染土壤进行修复：

(1)将待修复土壤翻耕，自然条件下养护30天，然后按土壤改良剂与土壤的重量比为7:100施加土壤改良剂，所述土壤改良剂按富铁生物炭、高岭土和腐殖酸的重量比为20:30:35混合得到；

其中，富铁生物炭按照以下步骤制备：

在红壤地区栽培香蒲，栽培过程中按蚯蚓粪与栽培土的体积比为55:100添加蚯蚓粪；收获时将整株香蒲拔出，使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎；在管式马弗炉中，以4℃/min的升温速率升温至685℃进行热解，保持75min，随后冷却至室温，得到富铁生物炭；将富铁生物炭粉碎成粒径小于2.2mm的粉末。

将上述制备的富铁生物炭与高岭土、腐殖酸(山东农大肥业科技有限公司生产)混合后粉碎，施加至土壤中，对土壤深翻20cm，然后放置5天，保持土壤湿度为58％，施加重量比为2:2:3的巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌的复合菌剂，施加密度为50kg/hm²，将其浅翻5cm混匀施入土壤。

其中，细菌菌剂中活菌的含量为10⁸CFU/g。

(2)将AM真菌(购自北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所)的摩西球囊霉和根内球囊霉按重量比为2:1混合接种至距离土壤表层5～12cm处，每1.5cm厚度接种一层，共接种3层，接种量为1.05g/m²；

在土壤上间种蜈蚣草和苎麻，相同植物的株距为40cm，相邻两种植物的行距为60cm，每年3～4月份进行种植，生长环境温度为15～30℃，光照为10～14h/天；

在苎麻生长80天后收割，每年收割两次；蜈蚣草生长90天后收割，每年收割两次。

每隔1年，将苎麻和蜈蚣草的地上和地下部分一同收割，再补充施加真菌菌剂并间种新的苎麻和蜈蚣草。

实施例2

按照下述步骤对镉和砷污染土壤进行修复：

(1)将待修复土壤翻耕，自然条件下养护30天，然后按土壤改良剂与土壤的重量比为4:100施加土壤改良剂，所述土壤改良剂按富铁生物炭、高岭土和腐殖酸的重量比为20:35:40混合得到；

其中，富铁生物炭按照以下步骤制备：

在红壤地区栽培香蒲，栽培过程中按蚯蚓粪与栽培土的体积比为60:100添加蚯蚓粪；收获时将整株香蒲拔出，使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎；在管式马弗炉中，以3℃/min的升温速率升温至715℃进行热解，保持65min，随后冷却至室温，得到富铁生物炭；将富铁生物炭粉碎成粒径小于2.2mm的粉末。

将上述制备的富铁生物炭与高岭土、腐殖酸(山东农大肥业科技有限公司生产)混合后粉碎，施加至土壤中，对土壤深翻20cm，然后放置8天，保持土壤湿度为55％，施加重量比为3:1:3的巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌的复合菌剂，施加密度为45kg/hm²，将其浅翻5cm混匀施入土壤。

(2)将AM真菌(购自北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所)的摩西球囊霉和根内球囊霉按重量比为1.5:1混合接种至距离土壤表层5～12cm处，每1cm厚度接种一层，共接种4层，接种量为1.0g/m²；

在土壤上间种蜈蚣草和苎麻，相同植物的株距为40cm，相邻两种植物的行距为60cm，每年3～4月份进行种植，生长环境温度为15～30℃，光照为10～14h/天；

在苎麻生长75天后收割，每年收割两次；蜈蚣草生长100天后收割，每年收割两次。

每隔1年，将苎麻和蜈蚣草的地上和地下部分一同收割，再补充施加真菌菌剂并间种新的苎麻和蜈蚣草。

实验例

实验例1

选取某地无污染的农田黑土作为供试土壤，采样深度为1～20cm，土壤经自然风化，过磨细，过4mm筛，灭菌备用；

向上述供试土壤中添加砷和镉两种重金属元素，砷以砷酸氢二钠的形式加入，镉以氯化镉的形式加入，保持土壤湿度在田间持水量的60％，平衡两个月后，测定制备的污染土壤中两种重金属的含量，结果为：供试土壤中总砷的含量为50.791mg/kg，总镉的含量为2.587mg/kg。

采用实施例1和实施例2所述方法对上述供试土壤进行修复，经过连续2年试验，每年收割后统计土壤中的总砷含量和总镉含量，结果如下所示：

表1

根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH＝5.5-6.5的情况下，农业用地旱地重金属As和Cd二级标准值分别为30mg/kg和0.3mg/kg，由表1可知，实施例1和2所述方法修复的土壤，在第1年即基本达到在国家土壤环境质量标准二级标准值以下，在第2年时达到较好的修复效果。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种重金属污染土壤修复方法，其特征在于，所述方法对镉和砷污染土壤如下进行修复：

(1)将待修复土壤翻耕，自然条件下养护30天，然后按土壤改良剂与土壤的重量比为7:100施加土壤改良剂，所述土壤改良剂按富铁生物炭、高岭土和腐殖酸的重量比为20:30:35混合得到；

其中，富铁生物炭按照以下步骤制备：

在红壤地区栽培香蒲，栽培过程中按蚯蚓粪与栽培土的体积比为55:100添加蚯蚓粪；收获时将整株香蒲拔出，使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎；在管式马弗炉中，以4℃/min的升温速率升温至685℃进行热解，保持75min，随后冷却至室温，得到富铁生物炭；将富铁生物炭粉碎成粒径小于2.2mm的粉末；

将上述制备的富铁生物炭与高岭土、山东农大肥业科技有限公司生产的腐殖酸混合后粉碎，施加至土壤中，对土壤深翻20cm，然后放置5天，保持土壤湿度为58％，施加重量比为2:2:3的巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解磷菌的复合菌剂，施加密度为50kg/hm²，将其浅翻5cm混匀施入土壤；

其中，细菌菌剂中活菌的含量为10⁸CFU/g；

(2)将购自北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所的AM真菌，其中摩西球囊霉和根内球囊霉按重量比为2:1，混合接种至距离土壤表层5～12cm处，每1.5cm厚度接种一层，共接种3层，接种量为1.05g/m²；

在土壤上间种蜈蚣草和苎麻，相同植物的株距为40cm，相邻两种植物的行距为60cm，每年3～4月份进行种植，生长环境温度为15～30℃，光照为10～14h/天；

在苎麻生长80天后收割，每年收割两次；蜈蚣草生长90天后收割，每年收割两次；

每隔1年，将苎麻和蜈蚣草的地上和地下部分一同收割，再补充施加真菌菌剂并间种新的苎麻和蜈蚣草；

所述待修复土壤选取无污染的农田黑土作为供试土壤，即步骤(1)的待修复土壤，采样深度为1～20cm，土壤经自然风化，过磨细，过4mm筛，灭菌备用；

向供试土壤中添加砷和镉两种重金属元素，砷以砷酸氢二钠的形式加入，镉以氯化镉的形式加入，保持土壤湿度在田间持水量的60％，平衡两个月后，测定制备的污染土壤中两种重金属的含量，结果为：供试土壤中总砷的含量为50.791mg/kg，总镉的含量为2.587mg/kg；

采用上述方法对所述供试土壤进行修复，经过连续2年试验，每年收割后统计土壤中的总砷含量和总镉含量，结果为：

第1年：土壤中总砷的含量为28.762mg/kg，总镉的含量为0.254mg/kg；

第二年：土壤中总砷的含量为6.474mg/kg，总镉的含量为0.1904mg/kg。