CN113711723A - 一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法 - Google Patents

一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，通过选择对没有环境负荷的微生物进行修复，尤其是与体相零价铁改性生物炭材料修复有机组合起来，特别是通过精心选择的适宜微生物与具有长期稳定应用性的体相零价铁改性生物炭材料，对有机农药去除效果显著。

Description

一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法
技术领域
本发明涉及环保领域，具体涉及利用有机农药污染土壤的微生物修复方法。
背景技术
农业活动区，作为从事农业生产活动的区域，一般指以耕作业为中心、主要种植粮食作物和经济作物的区域。农业活动区最重要的资料就是土壤。
随着农业活动加剧，有机农药的使用频率和使用量越大越大。有机农药主要包括有机氯农药、有机磷农药和有机氮农药等，它们都具有较强的生物毒性。有机农药施用后，会部分散落在土壤中，甚至有些有机农药是直接施加于土壤中，导致农业活动区土壤污染。
农业活动区的土壤受到有机农药污染日益严重。由于有机农药难以降解，即使降解其降解产物同样具有生物毒性，有机农药污染导致的危害严重。而且，有机农药有时候会促进一些重金属积聚，会再导致重金属污染。
对有机农药污染土壤的修复研究较多，微生物修复技术现在受到较多关注，其在有机农药污染土壤中起到越来越重要的作用。
在对有机物污水治理的研究中，研究者发现了零价铁改性生物炭对有机农药具有良好的去除作用，而且几乎不会带来二次污染。
发明内容
本发明人研究发现：对于农业活动区土壤层有机农药污染，通过选择对没有环境负荷的微生物进行修复，尤其是与体相零价铁改性生物炭材料修复有机组合起来，特别是通过精心选择的适宜微生物与具有长期稳定应用性的体相零价铁改性生物炭材料，对有机农药去除效果显著。
本发明的目的在于提供以下方面：
本发明第一方面提供一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，采用微生物菌剂对有机农药污染土壤进行修复，所述微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，优选地，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌数量比为(2-4):(2-3)。
本发明第二方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌数量比为3:2。
本发明第三方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，所述微生物菌剂还包括乳酸菌，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为(2-4):(2-3)：(1-2)。
本发明第死方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为3:2:1。
本发明第五方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，在接种微生物菌剂之前，在有机农药污染土壤中还加入体相零价铁负载生物炭材料，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁类生物质在无氧气氛下，热解碳化得到，所述富铁类生物质为在酸性红壤中种植的苎麻。
本发明第六方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料中，零价铁纳米颗粒分散地包埋于生物炭体相中。
本发明第七方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在500-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
本发明第八方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在700-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
本发明第九方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述热解碳化时间为1-3小时，优选1.5-2小时。
本发明第十方面提供上述农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，在采用微生物菌剂对有机农药污染土壤进行修复之后，施加腐殖酸有机肥，所述腐殖酸有机肥通过以下方式制得：将作物秸秆切成2-5厘米碎段，将动物粪便60-80重量份、秸秆碎颗粒10-20重量份和酒糟10-20重量份混合，喷洒有机肥发酵剂，堆积发酵10-15天，发酵温度不超过70℃，发酵后添加1-4份腐殖酸。
本发明提供的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法具有以下优点：
(1)本发明选用由枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌组成的复合菌剂，特别采用由枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌组成的复合菌剂作为修复微生物，配合以体相零价铁负载生物炭材料，对农业活动区土壤层有机农药的修复效果显著，修复后有机农药几乎都被去除。
(2)本发明选用的微生物修复菌剂，对农业活动区土壤不会造成外源性二次污染，确保修复效果。
(3)本发明采用富铁类生物质制得的零价铁体相负载生物炭材料，该材料能显著去除土壤中的有机农药，在与微生物配合下能进一步促进有机农药的去除。
(4)本发明采用的富铁类生物质制得的零价铁体相负载生物炭材料，零价铁原位负载于生物炭体相中，且纳米零价铁负载量高，具有稳定的长期持久的修复效果。
(5)本发明在分别利用零价铁体相负载生物炭材料和微生物修复有机农药污染土壤后，辅以腐殖酸有机肥，有助于改善土壤环境，进一步提高有机农药去除率。
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。
在本发明中，采用由枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌组成的复合菌剂作为微生物修复剂，能显著修复农田有机农药污染，而且对土壤环境几乎不会造成影响或破坏。
在优选的实施方式中，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌数量比为(2-4):(2-3)，优选为3：2。在此情况下，对土壤中有机农药的去除效果理想。
在优选的实施方式中，本发明所用微生物修复剂还包括乳酸菌，其促进有机农药的去除。优选地，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为(2-4):(2-3)：(1-2)更优选地，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为3:2:1，此时对土壤中有机农药的综合修复效果优异。
本发明中，对于枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌没有特别限制，可以使用市售菌，也可以自行培养。
将枯草芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，地衣芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，然后按体积比(2-4):(2-3)，优选3:2混合，得到修复用微生物菌剂。
在一个优选的实施方式中，枯草芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，地衣芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，乳酸菌扩大培养至1×108CFU/ml，然后按体积比(2-4):(2-3)：(1-2)，优选3:2:1混合，得到修复用微生物菌剂。
在对农业活动区中有机农药污染的土壤进行修复时，作为修复用微生物菌剂的微生物的接种量为20-60ml/kg土壤，优选40-60ml/kg土壤，更优选50ml/kg土壤。
作为替换性实施方式，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌也可以分别各自独立地接种到有机农药污染土壤中。
在修复农业活动区中有机农药污染的土壤时，本发明人发现采用体相负载零价铁生物炭材料进行修复效果非常好，特别是在采用体相零价铁负载生物炭材料后，再进行微生物修复，效果更加优异。
在本发明中，体相零价铁改性生物炭材料通过富铁性植物性生物质在无氧条件下热解碳化得到，所述富铁性植物优选为苎麻。
作为富铁性植物苎麻，在酸性红壤中种植3个月以上。由于酸性红壤中铁含量高，有助于苎麻中吸收富集铁。进一步地，为了促进苎麻中铁的富集，必要时可在苎麻种植期内施以柠檬酸稀溶液等。
苎麻中纤维含量高，由其获得的体相负载零价铁生物炭材料具有更好的性能，如比表面积大等，有助于体相负载零价铁生物炭材料具有更高、更稳定的修复能力。
在获得均质零价铁改性生物炭材料时，热解碳化温度优选在500-900摄氏度温度范围内，更优选700-900摄氏度温度范围内，在此情况下能获得改性能力稳定且持久的体相负载零价铁生物炭材料。
富铁性植物生物质热解碳化时间优选为1-3小时，更优选为1.5-2小时。在此热解碳化时间下，所得体相负载零价铁生物炭材料中零价铁负载量相对高，且体相负载零价铁生物炭材料的反应修复能力稳定且持久。
在本发明农业活动区土壤层有机农药的修复方法的优选实施方式中，在利用体相负载零价铁生物炭材料对有机农药污染土壤进行修复时，联合使用过硫酸盐。
本发明人发现，在联合使用体相负载零价铁生物炭材料和过硫酸盐时，对有机农药的去除速度有明显提高，去除效率也进一步改善。
不过，在使用过硫酸盐，如过硫酸钾时，考虑到过硫酸盐的高反应能力，不宜添加过多，其添加量可以控制在体相负载零价铁生物炭材料重量的一半以下，优选35wt％以下，更优选10％左右。
在本发明中，在采用体相负载零价铁生物炭材料和微生物对有机农药污染土壤进行修复之后，可以向修复土壤施加腐殖酸有机肥，促进巩固修复效果，并提升土壤综合性能。
在一个优选的实施方式中，所述腐殖酸有机肥通过以下方式制得：将作物秸秆切成2-5厘米碎段，将动物粪便60-80重量份、秸秆碎颗粒10-20重量份和酒糟10-20重量份混合，喷洒有机肥发酵剂，堆积发酵10-15天，发酵温度不超过70℃，发酵后添加1-4份腐殖酸。
在制备腐殖酸有机肥时，对于有机肥发酵剂没有特别限制，常用的有机肥发酵剂都可以使用。
在堆肥发酵过程中，如果发酵温度超过70℃，可以通过翻堆进行降温。
所得腐殖酸有机肥，可以直接使用。考虑到使用的便捷性，可以造粒干燥后再施用。
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
实施例1
将取自试验田中无污染黑土土壤干燥，碾压，自然风干，灭菌，过100目筛。分别喷雾滴滴涕，喷施量为200mg/kg土壤。陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样。
在红壤中种植苎麻130天，每周喷施200mg/L柠檬酸水溶液。130天后，切割麻秆。使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎为2mm颗粒。在管式马弗炉中，在700摄氏度温度下将粉碎颗粒热解100分钟，制备成体相负载零价铁生物炭材料。
体相负载零价铁生物炭材料的XRD中发现44.8°、65.1°、82.2°(零价铁)衍射峰，以及43.1°、50.4°、73.9°(铁碳化合物CFe15.1)衍射峰。体相负载零价铁改性生物炭材料的TEM揭示纳米零价铁颗粒分散地包埋于生物炭体相中。体相负载零价铁生物炭材料的XPS揭示其表面处、40nm深度处和80nm深度处零价铁含量分别为1.41％、9.02％和18.35。
实施例2
将实施例1中所得体相负载零价铁生物炭材料以60mg/kg的量均匀施加于模拟污染土样中，自然放置陈化。
3天后，将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌和1×108CFU/ml地衣芽孢杆菌以体积比3:2混合，得到修复用微生物，将微生物以50mg/kg的量接种至模拟污染土样中，置于人工气候培养箱中，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
3周后，滴滴涕的浓度为1.09mg/kg，50天后，滴滴涕的浓度为0.03mg/kg。
实施例3
将实施例1中所得体相负载零价铁生物炭材料以60mg/kg的量均匀施加于模拟污染土样中，自然放置陈化。
3天后，将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml地衣芽孢杆菌和1×108CFU/ml乳酸菌以体积比3:2:1混合，得到修复用微生物。将微生物以50mg/kg的量接种至模拟污染土样中，置于人工气候培养箱中，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
3周后，滴滴涕的浓度为0.94mg/kg，50天后，滴滴涕的浓度为0.02mg/kg。
实施例4
将实施例1中所得体相负载零价铁生物炭材料以45mg/kg土壤的量均匀施加于模拟污染土样中，同时喷施0.001mg/ml过硫酸钾溶液，过硫酸钾施加量为20mg/kg土壤，自然放置陈化。
10天后，将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml地衣芽孢杆菌和1×108CFU/ml乳酸菌以体积比3:2:1混合，得到修复用微生物。将微生物以50mg/kg的量接种至模拟污染土样中，置于人工气候培养箱中，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
1周后，滴滴涕的浓度为0.64mg/kg，20天后，滴滴涕的浓度为0.02mg/kg。
实施例5
将作物秸秆切成2厘米碎段，将动物粪便60kg、秸秆碎颗粒15kg、酒糟10kg混合均匀，喷洒100ml Rw有机肥发酵菌剂(鹤壁市人元生物技术发展有限公司)，堆积发酵10天，发酵温度不超过70℃，发酵后添加1kg腐殖酸(济南奥凯化工有限公司)，得到腐殖酸有机肥。
将实施例1中所得体相负载零价铁生物炭材料以50mg/kg的量均匀施加于模拟污染土样中，自然放置陈化。
3天后，将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml地衣芽孢杆菌和1×108CFU/ml乳酸菌以体积比3:2:1混合，得到修复用微生物。将微生物以50mg/kg的量接种至模拟污染土样中，置于人工气候培养箱中，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
3周后，滴滴涕的浓度为0.96mg/kg，50天后，滴滴涕的浓度为0.02mg/kg。以20mg/kg土壤的量施加腐殖酸有机肥，20天后滴滴涕的浓度为0.016mg/kg，土壤的容重为0.6052g/cm3，有机质含量24.213g/kg。
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 (10)

1.一种农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，采用微生物菌剂对有机农药污染土壤进行修复，所述微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，优选地，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌数量比为(2-4):(2-3)。
2.如权利要求1所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌数量比为3:2。
3.如权利要求1所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，所述微生物菌剂还包括乳酸菌，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为(2-4):(2-3)：(1-2)。
4.如权利要求3所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和乳酸菌的数量比为3:2:1。
5.如权利要求1所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，在接种微生物菌剂之前，在有机农药污染土壤中还加入体相零价铁负载生物炭材料，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁类生物质在无氧气氛下，热解碳化得到，所述富铁类生物质为在酸性红壤中种植的苎麻。
6.如权利要求5所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料中，零价铁纳米颗粒分散地包埋于生物炭体相中。
7.如权利要求6所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在500-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
8.如权利要求7所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述体相零价铁负载生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在700-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
9.如权利要求7所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，所述热解碳化时间为1-3小时，优选1.5-2小时。
10.如权利要求1所述的农业活动区土壤层有机农药的微生物修复方法，其中，在采用微生物菌剂对有机农药污染土壤进行修复之后，施加腐殖酸有机肥，所述腐殖酸有机肥通过以下方式制得：将作物秸秆切成2-5厘米碎段，将动物粪便60-80重量份、秸秆碎颗粒10-20重量份和酒糟10-20重量份混合，喷洒有机肥发酵剂，堆积发酵10-15天，发酵温度不超过70℃，发酵后添加1-4份腐殖酸。
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