CN113875343B - 快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数控制在4.0％～5.0％范围内，添加的赤泥量质量分数控制在0.5％～1.0％范围内。本发明中巧妙利用鱼粪和赤泥施入汞铊矿废弃物中以显著改善高毒性汞铊矿废弃物的环境条件，实现以废治废、废物利用后为植物修复提供更适宜的环境，而且还可以实现水土保持、固碳、生物多样性等生态功能。

Description

快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法
技术领域
本发明涉及一种快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，特别是一种实现特殊高毒性酸性矿山尾矿及废弃物中群落物种丰富度和多样性的增加方法。
背景技术
我国是全球矿业大国，矿产资源的开发推动了我国社会经济的发展，也对环境造成了严重的污染。位于贵州省黔西南地区的汞铊矿矿区废弃物堆场通常呈现出养分含量低、有机碳量低、pH呈酸性、有限的持水量(WHC)和重金属(Hg、Tl、Sb、As)的潜在毒性浓度等特征，导致汞铊矿矿区废弃物堆场生物毒性强烈、生境较为恶劣、植物难以自然着生、群落物种丰富度和多样性的极差，由此导致汞铊矿废弃物堆场持续形成大面积裸露——水土流失与环境污染加剧——生境加剧恶化的恶性循环。由于汞铊矿矿区废弃物中大量铊硫化物长期裸露后的持续自然风化作用与风吹移送、降雨冲刷淋洗，导致汞铊矿矿区及周边土壤、河水、农作物受到重金属(Hg、Tl、Sb、As)的严重污染，这对生活在汞铊矿矿区周围的人类和动物的健康安全将构成重大威胁，在1960-1970年发生了多起Tl中毒事件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法。本发明中巧妙利用鱼粪和赤泥施入汞铊矿废弃物中以显著改善高毒性汞铊矿废弃物的环境条件，实现以废治废，废物利用后为植物修复提供更适宜的环境，而且还可以实现水土保持、固碳、生物多样性等生态功能。
本发明的技术方案：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数控制在4.0％～5.0％范围内，添加的赤泥量质量分数控制在0.5％～1.0％范围内。
前述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法中，具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀；
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。
前述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法中，所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
前述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法中，所述步骤B中，加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
前述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法中，所述步骤C中，播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。
前述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法中，步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的有益效果：与现有技术相比，目前针对酸性矿山的污染治理方法主要分为物理法、化学法和生物法，其中植物修复是酸性矿山生态修复中最具应用前景的技术之一，是一种无药剂且经济环保的方法，在改善矿山环境、控制场地污染物迁移方面具有特殊、持久、综合的作用。作为一种重要的修复方法，由于植物及其相关微生物具有稳定土壤结构，去除、积累、固定或无害化污染物的能力，所以植物修复已受到越来越多的关注。鱼粪中富含氮、磷、钾等营养盐及生物絮凝剂及保水成分，赤泥呈碱性，添加至汞铊矿废弃物后，其pH稳定上升，从酸性升至接近中性，而且对重金属还有一定控制作用。因此本发明中巧妙利用鱼粪和赤泥施入汞铊矿废弃物中以显著改善高毒性汞铊矿废弃物的环境条件，实现以废治废，废物利用后为植物修复提供更适宜的环境，而且还可以实现水土保持、固碳、生物多样性等生态功能。
本发明的原理在于：利用养殖废弃物(鱼粪)和工业废弃物(赤泥)作为复合改良剂联合植物修复实现快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性。首先，汞铊矿废弃物的酸度会抑制微生物活动和细菌生长，使得汞铊矿废弃物堆场群落物种丰富度和多样性极低，这主要是因为较高的H+浓度会破坏细菌细胞膜的通透性和稳定性；其次，施用含有大量外源微生物的鱼粪会丰富细菌多样性，可增加微生物多样性和生物量。另外，植物的生命活动会促进微生物群落通过创造有吸引力的环境(如根系分泌物、脱落的根系细胞和粘液)来促进发育，在这过程中会使群落物种丰富度和多样性增加。反过来，汞铊矿废弃物堆场微生物参与生物降解、固氮和矿物风化，这可以促进植物的生长。植物和微生物相互作用有利于植物的建立和汞铊矿废弃物堆场群落物种的改善，从而快速实现酸性矿山废弃物堆场的生境显著改善和保障生物生长与促进生态修复的作用。
我方前期曾使用过牛粪、碳酸盐岩等材料进行实验，但效果不及鱼粪和赤泥。主要是因为鱼粪中富含氮、磷、钾等营养盐及生物絮凝剂及保水成分，赤泥呈碱性，添加至汞铊矿废弃物后，其pH稳定上升，从酸性升至接近中性，并对重金属有一定控制作用。而且，鱼粪和赤泥是贵州喀斯特地区广泛存在的废物，将其资源化利用在汞铊矿废弃物堆场中既可实现以废治废，又可提高资源利用率。通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工农业废弃物(鱼粪和赤泥)作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性。
确认使用鱼粪和赤泥作为复合改良剂后，对其用量我方经过大量实验发现，鱼粪添加量在5％以上易导致汞铊矿废弃物重金属的大量释放，在4％以下所提供养分不足以使植物存活；赤泥添加量在1％以上汞铊矿废弃物pH呈弱碱性，不利于汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性的提高，在0.5％以下对重金属控制作用较弱。故复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量(w/w)控制在4.0％～5.0％范围内，添加的赤泥量(w/w)控制在0.5％～1％范围内。
选择黑麦草和巨菌草主要基于其具有较强的耐酸性和在汞铊矿废弃物中的生长能力以及在该地区良好的气候适应性。
步骤B保持最大田间持水量60％是为了稳定、钝化汞铊矿废弃物；步骤C的最大田间持水量60％～75％，一方面是为了给植物提供足够水分，使其萌发成苗，另一方面是提供和维持厌氧微生物生存环境及生物活性、生化活动所需的相对厌氧环境，故所需水量较步骤B要多。
综合而言，本发明提供了一种快速增加汞铊矿废弃物堆场群落物种丰富度和多样性的方法，该方法所用的复合改良剂为破碎后呈粉末状的鱼粪和赤泥，该方法还提供了鱼粪和赤泥的来源、资源特性、施加量以及添加方式，为汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性的改善提供了可行方案。该方法使用材料安全、使用量少、使用成本低廉、价格合理且能提高群落物种丰富度和多样性，可为喀斯特地区特殊高毒性酸性矿山尾矿及废弃物堆场的无土快速生态修复提供有效的方法手段。
附图说明
附图1是实施后处理与对照在门水平下细菌群落丰度的差异；
附图2是实施后处理与对照在属水平下物种丰度聚类热图的差异。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例1：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为4.0％，添加的赤泥量质量分数为0.5％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的实施例2：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为5.0％，添加的赤泥量质量分数为1.0％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的实施例3：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为4.0％，添加的赤泥量质量分数为1.0％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的实施例4：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为5.0％，添加的赤泥量质量分数为0.5％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的实施例5：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为4.5％，添加的赤泥量质量分数为0.75％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
本发明的实施例6：快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数为4.3％，添加的赤泥量质量分数为0.8％。所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀。加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60％，稳定十五天后，进行步骤C。
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物。具体播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中。步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
为验证本发明方法的可行性，特做如下对比试验。
快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，具体包含以下内容：
汞铊矿废弃物处理：所用汞铊矿废弃物样品采自贵州省西南部滥木厂一个废弃多年的汞铊矿矿区，所采集的汞铊矿废弃物去除石块等杂质，自然风干，研磨过10目筛备用。
实验设计：下列6个处理设置3个平行，并按空间随机设计的方式进行了布置：(i)对照组(CK)：汞铊矿废弃物；(ii)鱼粪组(FY)：汞铊矿废弃物与5％鱼粪(w/w)混合；(iii)赤泥组(FC)：汞铊矿废弃物与1％赤泥(w/w)混合；(iv)混合组(FYC)：汞铊矿废弃物与5％鱼粪(w/w)和1％赤泥(w/w)混合；(v)巨菌草组(FYCJ)：汞铊矿废弃物与5％鱼粪(w/w)和1％赤泥(w/w)混合并移栽巨菌草；(vi)黑麦草组(FYCH)：汞铊矿废弃物与5％鱼粪(w/w)和1％赤泥(w/w)混合并播种黑麦草。
将不同组添加剂研磨碾碎，与汞铊矿废弃物混合均匀并装于PVC管，加去离子水保持最大田间持水量为60％，稳定十五天后播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，发育程度一致的巨菌于基质中，定期浇水维护5个月后分离植株与废弃物。
汞铊矿废弃物微生物指标测定：使用HiPure Soil NDA Kit试剂盒(美国OMEGA公司)提取实验样品中细菌总的DNA，扩增区域为16S rRNA基因的V3-V4区，引物为338F：5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’和806R：5’-GGACTACHVGGGTWTCTA AT-3’。利用1％琼脂糖凝胶电泳检测所提取的基因组DNA，然后进行PCR扩增(PCR仪，ABI9700型)，利用AxyprepDNA凝胶回收试剂盒(美国AXYGEN公司)切胶回收PCR产物，Tris_HCl洗脱，2％琼脂糖电泳检测。参照电泳初步定量结果，将PCR产物用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统(美国，Promega公司)进行定量分析检测。构建Illumina PE 250文库，通过Illumina公司的NovaSeq PE250平台进行测序。
上述对比试验中，细菌群落丰富度和多样性指数见表1，实施后处理与对照在门水平下细菌群落丰度的差异和实施后处理与对照在属水平下物种丰度聚类热图的差异分别见说明书附图1和附图2。
表1为细菌群落丰富度和多样性指数
由此可见，利用工农业废弃物(鱼粪和赤泥)作为复合改良剂联合植物修复后，实现快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性的方法，在细菌群落丰富度和多样性指数表中，根据chao指数和ace指数，各处理组均高于对照组，这表明群落物种丰富度有所提高，其中，黑麦草组的细菌群落丰富度最高，chao和ace指数分别是对照组的18.45倍和18.74倍；shannon指数综合考虑了细菌群落的均匀度和丰富度，各处理组的shannon指数达到对照组的2.11-3.10倍，这表明细菌群落物种的多样性也提高了；实施后处理与对照在门水平下细菌群落丰度的差异对比中，丰度较高的前5个是变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Acidobacteria)、酸杆菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和绿弯菌门(Chloroflexi)；实施后处理与对照在属水平下物种丰度聚类热图的差异对比中，厌氧绳菌属(Anaerolineaceae_uncultured)、铜绿假单胞菌属(Pseudomonas)和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)的相对丰度是增加的。以上表明复合改良剂联合植物修复不仅可快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度，还可快速提高堆场环境中群落物种的多样性。本发明提出的利用工农业废弃物(鱼粪和赤泥)作为复合改良剂联合植物修复后，实现快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性的方法为喀斯特地区特殊高毒性酸性矿山尾矿及废弃物堆场的无土快速生态修复提供有效的方法手段。

Claims (2)

1.快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，其特征在于：针对汞铊矿矿区废弃物堆场通常呈现出养分含量低、有机碳量低、pH呈酸性、有限的持水量和重金属——Hg、Tl、Sb、As的潜在毒性浓度特征，通过向汞铊矿废弃物中加入少量的工、农业废弃物作为复合改良剂联合植物修复，以快速增加汞铊矿废弃物堆场环境中群落物种丰富度和多样性；所述工、农业废弃物分别为赤泥和鱼粪，所述复合改良剂在汞铊矿废弃物中添加的鱼粪量质量分数控制在4.0%～5.0%范围内，添加的赤泥量质量分数控制在0.5%～1.0%范围内；
具体包括以下步骤：
A：对汞铊矿废弃物堆场表面2cm～40cm深度的废弃物用机械或人工翻挖破碎，使粒径≤5cm；
B：向经预处理的汞铊矿废弃物中加入已经研磨碾碎的复合改良剂，与汞铊矿废弃物混合均匀；
C：向添加复合改良剂的汞铊矿废弃物堆场播种植物；
所述步骤B中，加研磨碾碎鱼粪和赤泥、与废弃物混合均匀后，定期加水，保持最大田间持水量≥60%，稳定十五天后，进行步骤C；
所述步骤C中，播种颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，或移栽发育程度一致的巨菌草于废弃物中；
步骤C中，播种植物后需定期浇水维护，期间保持最大田间持水量为60％～75％，直至植物萌发成苗。
2.根据权利要求1所述的快速增加汞铊矿废弃物堆场物种丰富度和多样性的方法，其特征在于：所述鱼粪采自水产养殖基地，所述赤泥采自铝厂赤泥堆场，二者干燥处理后、研磨并过10目筛，充分混匀备用。
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