CN113817637A - 色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土壤治理领域，具体涉及色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用。采用色球藻修复酸化硝酸盐污染耕作土壤，色球藻可以利用硝酸盐作为氮源生长繁殖，将硝酸盐转化为有机氮化合物，提供缓释有机肥，同时，色球藻分泌的胞外多糖可以作为反硝化细菌的碳源，提升其反硝化性能，通过反硝化作用将硝酸盐转化为氮气去除，从而削减硝酸盐污染；色球藻分泌碱性代谢物，将土壤pH值提升至中性，尤其适用于施用大量的氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的酸化土壤环境。

Description

色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用
技术领域
本发明属于土壤治理领域，具体涉及色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
农业生产过程中通常施用大量的氮肥来增加作物产量。常用氮肥主要有硝态氮肥、铵态氮肥和酰胺态氮肥。硝态氮肥直接导致土壤中硝酸盐蓄积。酰胺态氮肥实际上也是水解生成铵态氮来发挥作用。未被农作物吸收的、过量的铵态氮在土壤硝化细菌的作用下很容易转化为硝酸盐。而土壤中反硝化细菌世代周期长，无法及时将硝酸盐转化为氮气，导致过土壤中硝酸盐累积。因此，施用氮肥的土壤中，硝酸盐污染普遍存在。硝酸盐污染集中在土壤表层15cm深度内，且由上至下递减，土壤表层5cm内的硝酸盐浓度最高。
酸性氮肥直接导致土壤pH下降。对于中性和碱性氮肥，农作物根系吸收土壤中的NH4 +的同时，会释放相同数量的H+进入土壤中，H+与土壤中硝酸根离子结合成硝酸稳定存在。因此，过量施用氮肥会导致土壤逐步酸化，而且土壤酸化现象通常与硝酸盐污染同时存在。
土壤中的硝酸盐可以经由雨水冲刷污染地表水，或通过灌溉污染地下水。由于反硝化细菌不易生长，土壤中反硝化过程通常并不彻底，产生大量的亚硝酸盐作为中间产物，通过根系进入农作物，再经由食物链对人体产生致癌致畸效应。
硝酸盐污染土壤的治理，目前常用方法包括投加化学硝化抑制剂、施用有机氮肥、投加微生物制剂等。化学硝化抑制剂可能造成土壤二次污染；施用化学有机氮肥达到一定年限同样会导致硝酸盐积累；投加微生物制剂是环境友好的治理措施，目前用于治理土壤中氮污染的微生物制剂均以细菌为主体，整体比较单一，扩展新型的微生物制剂能够有助于扩大硝酸盐污染土壤的治理范围，提供更多可选择的方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用，采用不固氮的色球藻修复酸化硝酸盐污染耕作土壤，色球藻不能利用大气中的氮气作为氮源，而是利用硝酸盐作为氮源生长繁殖，将硝酸盐转化为有机氮化合物，提供缓释有机肥，同时，色球藻分泌的胞外多糖可以作为反硝化细菌的碳源，提升其反硝化性能，通过反硝化作用将硝酸盐转化为氮气，从而削减硝酸盐污染；而且色球藻分泌的碱性代谢产物可以将酸性土调整为中性，尤其适用于施用大量的氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的酸化土壤环境。
本发明具体提供如下技术方案：
本发明第一方面提供色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用。
本发明第二方面提供一种色球藻修复液，具体制备方法为：
(1)在色球藻扩大培养装置中，利用液体培养基，将色球藻扩大培养，离心收集藻细胞；
(2)将离心收集的藻细胞重新悬浮于不含氮磷的灌溉用水中，制成色球藻修复液。
本发明第三方面提供一种采用上述色球藻修复液进行修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法，具体为：
将色球藻修复液投加在受污染土壤的表层，在自然光照下进行修复。
本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：
色球藻以土壤中硝酸盐为氮源生存，并将硝酸盐转化为易于被农作物利用的天然有机氮肥，提升土壤肥力，同时色球藻分泌的胞外多糖为反硝化细菌提供碳源，提升土壤中硝酸和亚硝酸还原酶的活性，硝酸盐污染通过反硝化而得到削减；色球藻提升土壤肥力的同时能够有效去除硝酸盐，还能分泌碱性代谢产物中和土壤的酸性，尤其适用于施用大量的氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的酸化土壤环境。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中通过投加微生物制剂进行硝酸盐污染土壤的治理是环境友好的治理措施，目前用于治理土壤中氮污染的微生物制剂均以细菌为主体，整体比较单一，扩展新型的微生物制剂能够提高硝酸盐污染土壤的治理范围，提供更多可选择的方案。
为了解决如上的技术问题，本发明第一方面提供色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用。
蓝藻广泛分布于自然界，包括各种水体、土壤中和部分生物体内外，甚至在岩石表面和其他恶劣环境(高温、低温、盐湖、荒漠和冰原等)中都可找到它们的踪迹，有“先锋生物”之美称。它们在岩石风化、土壤形成以及水体生态平衡中起着重要的作用。
目前，蓝藻被广泛用于耕作土壤的治理中，蓝藻分为固氮蓝藻和不固氮蓝藻，其中，固氮蓝藻利用空气中的氮气作为氮源生长，生长过程中将氮气转化为易于生物利用的天然有机氮肥，独立使用固氮蓝藻、或将固氮蓝藻与细菌配制成复合微生物制剂，投加于耕作土壤中，能够通过利用蓝藻的固氮性能来提高土壤肥力，但固氮蓝藻一般只能针对肥力不足的贫瘠土壤进行实施，为土壤施肥，而不适用于因施用大量的氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的土壤环境，因为固氮蓝藻无法对硝酸盐中的氮进行处理。
发明人发现，不固氮的色球藻能够有效针对施用大量氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的土壤环境进行有效修复，具体表现如下：
色球藻可以利用硝酸盐作为氮源生长繁殖，将土壤中的硝酸盐转化为易于农作物利用的天然有机氮肥，提升土壤肥力。
色球藻分泌的胞外多糖，为反硝化细菌和其他土著细菌生长提供碳源，可以提升土壤中反硝化细菌和其他土著细菌的活性，导致土壤中硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性上升。硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性上升，可以增强土壤的反硝化能力，进一步去除硝酸盐和亚硝酸盐污染。而脲酶活性上升可以提高农作物对尿素氮肥的利用率，减少施肥量；蔗糖酶活性上升可以增加土壤中易溶性营养物质含量，提升土壤肥力；过氧化氢酶活性上升可以提升农作物根系对不良环境的耐受性。
此外，色球藻生长过程中还能够分泌碱性代谢产物，可以将酸性土调整为中性。
因此，色球藻可以同步实现土壤酸化治理、硝酸盐污染削减、土壤肥力和酶活性的提升，尤其适用于施用大量氮肥后所导致的硝酸盐蓄积的土壤环境的修复。同时，色球藻适宜在潮湿土壤中生存，利用硝酸盐作为氮源，无毒性，不产生藻毒素，而且色球藻细胞形态小、多数情况下是6个以下的细胞组成群体生活，因此不会在土壤表面形成苔藓，不影响土壤的透气性能，非常适合应用于酸化硝酸盐污染土壤的修复。
进一步的，所述耕作土壤包括果园土壤、温室大棚土壤和露天农田土壤。耕作土壤既可以为耕种期土壤，也可以为休耕期土壤。
进一步的，所述酸化硝酸盐污染耕作土壤中的硝酸盐浓度范围为20～300mg/kg，pH值为5.5～6.5。
进一步的，所述色球藻为蓝藻门的色球藻属中的任意一株淡水色球藻。
本发明第二方面提供一种色球藻修复液，具体制备方法为：
(1)在色球藻扩大培养装置中，利用液体培养基，将色球藻扩大培养，离心收集藻细胞；
(2)将离心收集的藻细胞重新悬浮于不含氮磷的灌溉用水中，制成色球藻修复液。
进一步的，将色球藻扩大培养至细胞密度为1×109-3×109cells/mL；
进一步的，色球藻修复液的细胞密度为2×108cells/mL，细胞密度低于该数值，会导致后期应用过程中需向土壤中加入大量的色球藻修复液，导致土壤发生粘结，而细胞浓度高于该数值，则会导致土壤中加入的色球藻修复液的量过少，色球藻无法均匀分布在土壤中。
进一步的，所述色球藻液体培养基包括BG11培养基、CT培养基、SE培养基和其他常用的蓝藻液体培养基。
进一步的，所述色球藻扩大培养装置包括锥形瓶、敞开池体或密闭式光生物反应器。
本发明第三方面提供一种采用上述色球藻修复液进行修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法，具体为：
将色球藻修复液投加在受污染土壤的表层，在自然光照下进行修复。
其中，所述色球藻修复液的投加方式为水肥机投加、滴灌、喷灌或手工浇灌。
进一步的，所述修复过程，环境温度在10～35℃之间，优选地，环境温度为20～35℃之间，最优选地，环境温度在25～30℃之间。
进一步的，所述修复时间为30～40天。
进一步的，每平方厘米土壤上投加0.1～1mL色球藻修复液；
优选地，每平方厘米土壤上投加0.3～0.6mL色球藻修复液；
进一步优选地，每平方厘米土壤上投加0.5mL色球藻修复液。
进一步的，投加色球藻修复液后，通过灌溉使土壤含水率保持在30％以上。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种色球藻修复液：
选用一株常见色球藻(Chroococcus sp.)，保藏单位为中国科学院水生生物研究所，编号FACHB-193，来源是武昌东湖。首先用BG11培养基将色球藻培养至细胞密度为2×109cells/mL。
BG11液体培养基的成分如下：K2HPO4·3H2O 0.04g/L、NaNO3 1.5g/L、MgSO4·7H2O0.075g/L、CaCl2·2H2O 0.036g/L、柠檬酸0.006g/L、柠檬酸铁铵0.006g/L、EDTANa20.001g/L、Na2CO3 0.02g/L、H3BO3 2.86mg/L、Na2MoO4·2H2O 0.39mg/L、ZnSO4·7H2O0.22mg/L、CuSO4·5H2O 0.079mg/L、MnCl2.4H2O 1.86mg/L、Co(NO3)2·6H2O 0.05mg/L。
收集一定体积的培养液，通过离心收集色球藻，弃去上清培养液后，加入灌溉用水，使色球藻再次悬浮，制成细胞密度为2×108cells/mL的色球藻修复液。
实施例2
采用实施例1中的色球藻修复液进行修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法：
在露天农田土壤中，投加色球藻修复液进行修复。该露天农田土壤上种植小麦、玉米等作物，常年施用尿素作为氮肥。
色球藻在土壤表面的投加量为1.0×108cells/cm2，即每平方厘米土壤上投加0.5mL色球藻修复液。环境温度为20～30℃，相对湿度为30％。投加色球藻修复液后，通过灌溉保持土壤含水率在30％以上。修复时间为40天。
实施例3
采用实施例1中的色球藻修复液进行修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法：
在某温室大棚内的设施菜地土壤中，投加色球藻修复液进行修复。该设施菜地土壤上轮耕辣椒、卷心菜和豆角等作物，常年施用尿素作为氮肥。
色球藻在土壤表面的投加量为1.2×108cells/cm2，即每平方厘米土壤上投加0.6mL色球藻修复液。棚内温度为25℃，相对湿度为50％。投加色球藻修复液后，通过灌溉保持土壤含水率在30％以上，修复时间为35天。
实施例4
采用实施例1中的色球藻修复液进行修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法：
在某温室大棚内的设施菜地土壤中，投加色球藻修复液进行修复。该设施菜地土壤上轮耕辣椒、卷心菜和豆角等作物，常年施用尿素作为氮肥。
色球藻在土壤表面的投加量为1.0×108cells/cm2，即每平方厘米土壤上投加0.5mL色球藻修复液。棚内温度为30℃，相对湿度为50％。投加色球藻修复液后，通过灌溉保持土壤含水率在30％以上。每隔10天采集土壤样本测定土壤中硝态氮、铵态氮、有机质、pH和盐度，以及土壤亚硝酸还原酶、硝酸还原酶、过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性。修复时间为40天。
土壤修复程度测试：
土壤中硝态氮、铵态氮、有机质和pH采用相应的国标法测定。土壤亚硝酸还原酶、硝酸还原酶、过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性采用江苏酶标生物科技有限公司依据不同酶而设计的ELISA试剂盒测定。
土壤盐度测定方法为：将风干土样过1mm筛板后，称25g放入100mL烧杯中，加蒸馏水25mL，搅拌使土样充分分散，静置半小时，利用盐度计测定。
实施例4中设施菜地土壤修复前后的污染指标和肥力指标对比如表1所示。
表1色球藻对硝酸盐污染的酸化设施菜地土壤的修复效果
Figure BDA0003274705180000061
如表1所示，经过40天的修复色球藻可以有效降低土壤中的硝态氮含量，硝态氮去除率为77％；同时将土壤的pH值提升到中性范围，并显著降低土壤的盐度。此外，色球藻可以显著提升脲酶活性，从而提高农作物对尿素化肥的利用率，降低施肥量。
土壤中的铵态氮含量在投加色球藻前后并无显著变化，这表明色球藻并不吸收铵态氮，而是选择性地利用土壤中的硝酸盐作为氮源。
土壤中亚硝酸还原酶和硝酸还原酶的活性上升，表明色球藻可以促进亚硝酸盐和硝酸盐的反硝化过程，削减亚硝酸盐和硝酸盐污染。土壤中过氧化氢酶活性也有增加，这可以提升农作物根系对不良环境的耐受性。色球藻加入后，土壤有机质含量显著上升，蔗糖酶含量也相应上升，这表明土壤中有机营养物质，尤其是易溶性有机营养物质含量上升，土壤肥力得到提升。
土壤表面的色球藻密度先快速上升，然后趋于稳定，这表明色球藻并不会在土壤表面过度生长，而是会和土壤中的硝酸盐含量、土著微生物之间维持一个平衡状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.色球藻在修复酸化硝酸盐污染耕作土壤中的应用。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述耕作土壤包括果园土壤、温室大棚土壤和露天农田土壤。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述酸化硝酸盐污染耕作土壤中的硝酸盐浓度范围为20～300mg/kg，pH值为5.5～6.5。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述色球藻为蓝藻门的色球藻属中的任意一株淡水色球藻。
5.一种色球藻修复液，其特征在于：具体制备方法为：
(1)在色球藻扩大培养装置中，利用液体培养基，将色球藻扩大培养，离心收集藻细胞；
(2)将离心收集的藻细胞重新悬浮于不含氮磷的灌溉用水中，制成色球藻修复液。
6.如权利要求5所述的色球藻修复液，其特征在于：将色球藻扩大培养至细胞密度为1×109-3×109cells/mL；
或，色球藻修复液的细胞密度为2×108cells/mL；
或，液体培养基包括BG11培养基、CT培养基或SE培养基；
或，所述色球藻扩大培养装置包括锥形瓶、敞开池体或密闭式光生物反应器。
7.一种修复酸化硝酸盐污染耕作土壤的方法，其特征在于：
将权利要求5或6所述的色球藻修复液投加在受污染土壤的表层，在自然光照下进行修复。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述修复过程的环境温度为10～35℃，优选为20～35℃，进一步优选为25～30℃之间；修复时间为30～40天。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述色球藻修复液的投加方式为水肥机投加、滴灌、喷灌或手工浇灌。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：每平方厘米土壤上投加0.1～1mL色球藻修复液；
优选地，每平方厘米土壤上投加0.3～0.6mL色球藻修复液；
进一步优选地，每平方厘米土壤上投加0.5mL色球藻修复液。
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