CN114345925A - 一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，属于沙漠治理领域。该方法包括以下步骤：菌种活化与培养、微生物菌剂和胶结液的制备、沙漠化土地的微生物菌剂修复。本发明提供的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，采用喷洒微生物菌液和胶结液的方式，能高效快速的对沙漠化土地进行修复，达到良好的防风固沙效果，同时还能固化表层土壤中的重金属污染物；微生物菌剂也能很好的适应沙漠地区的极端环境，对沙漠化土地的修复能取得良好的效果。
Description
技术领域
本发明属于沙漠治理领域，涉及一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法。
背景技术
土壤沙化是在风蚀和风力作用下，有机质含量较多的土壤或可利用土地变成含沙量较多的土壤或土地，甚至最终变成沙漠的过程。在我国西北干旱及半干旱地区，近年来由于过渡放牧、农田开垦等人为原因，造成大面积植被破坏，土壤因失水而变得干燥，土壤黏性降低，土粒分散。而在风力减弱地段，风沙颗粒逐渐堆积于土壤表层而使土壤沙化。土壤沙化危害严重，会引起土壤退化，生态失衡和环境污染等；因此，沙漠化土地的治理成为了我们的重要任务。
传统的沙漠化土地治理方法主要有：人工造林，如种植红柳、沙蒿等植物，利用植物根系及枝干来阻拦流沙；草方格沙障，作为目前使用较多的机械治沙手段，可在草方格内种植植物与草方格联合治沙；水保设施，建立拦沙坝等，防止沙石下泄危害；土壤改良措施，如施农家肥，改良土壤性状，提高土壤肥力。
土壤改良作为最根本的治沙措施，近年来受到越来越多的关注，如李佳(利用有机/无机废弃物制备沙化土壤生态改良剂[J].化工矿物与加工：1-8[2021-11-26].)等利用养殖废液与膨润土等提高沙漠化土地中有机质含量；孔凡磊(秸秆和菌渣改良剂对高寒沙地土壤有机碳库的影响[J].水土保持学报，2020，34(04)：288-294.)等利用秸秆和菌渣显著提高了土壤中有机碳的含量，但以上方法仅单一的提高了土壤的肥力；张哲超(微生物群落驱动AM真菌、生物炭及联合改良沙化土壤作用潜力[J].环境科学，2021，42(04)：2066-2079.)等利用AM真菌和生物炭联合对沙漠化土地进行改良，发现对沙漠植物小果白刺的生长有明显的促进作用，同时也能一定程度上提高土壤肥力；但在沙漠化严重，植物难以生长的地方难以实施，且实施的同时无法对沙漠化土地进行固化。
综上所述，现有技术存在的问题包括：1、传统的机械治沙手段治理效果差；2、采用化学物质对沙漠化土地进行改良容易造成污染；3、盐渍化和有害金属对沙漠化土地修复的生物手段有制约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，以解决上述沙漠化土地修复过程中所存在的问题，且操纵简单，修复效率高，修复效果好。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，步骤如下：
步骤1，菌种活化与培养
步骤1.1，培养器皿灭菌
将锥形瓶、烧杯、接种环均放入高温蒸汽灭菌锅中，在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，温度降至室温时待用；
步骤1.2，菌种活化
所述菌种为巴氏芽孢杆菌的菌种，其初始状态为装在菌种管中的冻干菌粉；
将冻干菌粉甩至菌种管底部，尖头一侧用酒精消毒后敲开，取0.2ml-0.3ml溶解液加入菌种管中，轻轻弹至溶解液与菌粉混合均匀得到菌粉溶剂；然后用接种环取一接种环的菌粉溶剂，在琼脂培养基上划线接种，即在琼脂培养基上长出巴氏芽孢杆菌的菌落，完成菌种活化；
步骤1.3，培养液的配置
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376NH4-YE配制初始培养液，然后将初始培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，并在温度降至室温时待用；
将完成上述处理且降至室温的初始培养液记为培养液；
步骤1.4，菌种培养
菌种活化完成后，用接种环将琼脂培养基中生长的菌落接种在培养液中，然后将含有接种菌落的培养液放入培养箱中进行培养，得到初始菌液；
在培养过程中，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为180rpm～220rpm，培养时间为24h～48h；
步骤2，微生物菌剂和胶结液的制备
先在锥形瓶中加入培养液，再用无菌移液器将初始菌液加入到培养液内得到菌液，初始菌液与培养液的容量比为1∶100，然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为100rpm～250rpm，培养时间为48h～72h；
培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝0.8～1.2时取出待用；
将完成上述处理的菌液记为微生物菌剂；
取摩尔比为1∶1的无水氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中无水氯化钙与尿素的质量浓度分别为1％；
步骤3，沙漠化土地重金属污染物的检测
在待修复沙漠化土地中取表层土样，密封保存至实验室，检测重金属污染物浓度，当土样的重金属污染物浓度超出国家标准时，认定该待修复沙漠化土地为重金属污染场地；
所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
步骤4，沙漠化土地的微生物菌剂修复
步骤4.1，喷洒微生物菌剂和胶结液
按照10m3/亩～15m3/亩的用量将微生物菌剂均匀的喷洒在待修复沙漠化土地的土体表面；间隔0.2h～0.3h后，将相同体积的胶结液喷洒在微生物菌剂喷洒过的区域；
步骤4.2检测修复效果
令设计固化层厚度为Y，分为以下两种情况进行检测：
第一种，若待修复沙漠化土地未被认定为非重金属污染场地
步骤4.1的喷洒完成后，间隔24h，检测喷洒区域土体上形成的固化层厚度H，
若H≥Y，则修复完成，进入步骤5；
若H＜Y，则返回步骤4.1；
第二种，若待修复沙漠化土地为认定的重金属污染场地
步骤4.1的喷洒完成后，间隔24h，检测喷洒区域土体上形成的固化层厚度H，同时，从固化层中取表层土样进行重金属污染物浓度检测，
若H≥Y，且表层土样的重金属污染物浓度满足步骤3所述国家标准，则修复完成，进入步骤5；
否则，返回步骤4.1；
步骤5，在完成微生物菌剂修复的土地上种植植物。
优选地，所述巴氏芽孢杆菌为美国菌种保藏中心编号ATCC 11859。
优选地，所述琼脂培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母提取物1g，葡萄糖10g，NaCl10g，琼脂15g，加去离子水1000ml，调pH至7.0～7.2，并在121℃下灭菌15min。
优选地，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的初始培养液的配方为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节初始培养液pH＝9.0。
优选地，所述设计固化层厚度Y＝5cm。
优选地，所述重金属污染物浓度的检测方法为：使用消解法提取重金属污染物，采用原子吸收分光光度计测量重金属污染物的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益的效果包括：
1.微生物菌剂能增加沙漠化土地中生物多样性，改善沙漠化土地养分贫瘠等缺点，为微生物和动植物提供良好的生存环境，实现对沙漠化土地生态系统的重构；
2.微生物菌剂中的巴氏芽孢杆菌，能突破盐渍化和有害金属对沙漠化土地改良效果的制约。此外，微生物菌剂与胶结液反应生成的胶结物在胶结土壤颗粒的同时，还能对重金属污染物进行包裹固化，且固化之后的重金属污染物不易重新释放到环境中；
3.微生物菌剂固化反应快速，喷洒在沙漠化土地表面24h即可有效固化土壤颗粒，修复周期短，修复效率较高；
4.修复后在沙漠化土地表面形成钙质硬层，能有效防风固沙，增强水土保持能力，修复后的土壤更利于植物的生长；
5.所用巴氏芽孢杆菌能传代培养6～8代，可大量扩大培养，减少了购买菌种的成本，降低修复总成本；
6.微生物菌剂修复沙漠化土地是一种技术革新，修复过程中清洁无污染，绿色生态。
综上所述，本发明提供的方法，使用的微生物菌剂不仅能改善土壤肥力，还能胶结沙漠化土地表层土壤，并对表层土壤重金属进行固化，能有效改善土壤环境，增加生物多样性，促进植物生长，健全沙漠化土地的生态功能，使沙漠化土地的土壤恢复到优质土壤的状态。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为本发明实施例中巴氏芽孢杆菌生长曲线图；
图4为本发明实施例中微生物菌剂固化修复示意图；
图5为本发明实施例中沙漠化土地修复前后渗透系数对比图；
图6为本发明实施例中沙漠化土地无侧限抗压强度的柱状图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法做进一步详细的描述。
图1为本发明方法的示意图，图2为本发明方法的流程图，由图1、图2可见，本发明一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，包括以下步骤：
1、一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，菌种活化与培养
步骤1.1，培养器皿灭菌
将锥形瓶、烧杯、接种环均放入高温蒸汽灭菌锅中，在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，温度降至室温时待用。
在本实施例中，培养器皿在121℃下灭菌30min后放入超净工作台备用。
步骤1.2，菌种活化
所述菌种为巴氏芽孢杆菌的菌种，其初始状态为装在菌种管中的冻干菌粉。
将冻干菌粉甩至菌种管底部，尖头一侧用酒精消毒后敲开，取0.2ml-0.3ml溶解液加入菌种管中，轻轻弹至溶解液与菌粉混合均匀得到菌粉溶剂；然后用接种环取一接种环的菌粉溶剂，在琼脂培养基上划线接种，即在琼脂培养基上长出巴氏芽孢杆菌的菌落，完成菌种活化。
在本实施例中，所述巴氏芽孢杆菌为美国菌种保藏中心编号ATCC 11859。所述琼脂培养基的配方为：蛋b胨10g，酵母提取物1g，葡萄糖10g，NaCl10g，琼脂15g，加去离子水1000ml，调pH至7.0～7.2，并在121℃下灭菌15min。
步骤1.3，培养液的配置
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配制初始培养液，然后将初始培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，并在温度降至室温时待用。在本实施例中，初始培养液在121℃下灭菌20min。
将完成上述处理且降至室温的初始培养液记为培养液。
在本实施例中，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的初始培养液的配方为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节初始培养液pH＝9.0。
步骤1.4，菌种培养
菌种活化完成后，用接种环将琼脂培养基中生长的菌落接种在培养液中，然后将含有接种菌落的培养液放入培养箱中进行培养，得到初始菌液。
在培养过程中，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为180rpm～220rpm，培养时间为24h～48h。
在本实施例中，培养箱温度设定为30℃，振荡频率设定为200rpm，培养时间为36h。
步骤2，微生物菌剂和胶结液的制备
先在锥形瓶中加入培养液，再用无菌移液器将初始菌液加入到培养液内得到菌液，初始菌液与培养液的容量比为1∶100，然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为100rpm～250rpm，培养时间为48h～72h。
培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝0.8～1.2时取出待用。
将完成上述处理的菌液记为微生物菌剂。
在本实施例中，培养箱温度设定为30℃，振荡频率设定为200rpm，培养时间为48h。菌液在OD600＝1.0时取出待用。
取摩尔比为1∶1的无水氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中无水氯化钙与尿素的质量浓度分别为1％。
步骤3，沙漠化土地重金属污染物的检测
在待修复沙漠化土地中取表层土样，密封保存至实验室，检测重金属污染物浓度，当土样的重金属污染物浓度超出国家标准时，认定该待修复沙漠化土地为重金属污染场地。
所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》。
在本实施例中，检测所取表层土样的重金属污染物种类及浓度，Pb2+浓度为500mg/kg。
步骤4，沙漠化土地的微生物菌剂修复
步骤4.1，喷洒微生物菌剂和胶结液
按照10m3/亩～15m3/亩的用量将微生物菌剂均匀的喷洒在待修复沙漠化土地的土体表面；间隔0.2h～0.3h后，将相同体积的胶结液喷洒在微生物菌剂喷洒过的区域。
在本实施例中，微生物菌剂和胶结液的用量为10m3/亩，间隔时间为0.3h。
步骤4.2检测修复效果
步骤4.1的喷洒完成后，间隔24h，检测喷洒区域土体上形成的固化层厚度H，同时，从固化层中取表层土样进行重金属污染物浓度度检测，
若H≥Y，且表层土样的重金属污染物浓度满足步骤3所述国家标准，则修复完成，进入步骤5；
否则，返回步骤4.1。
在本实施例中，设计固化层厚度Y＝5cm。在本实施例中，共进行了3次喷洒。
步骤5，在完成微生物菌剂修复的土地上种植植物。
在本实施例中，表层土样的重金属污染物浓度的检测采用消解法，消解法的步骤为：称取1.0g已烘干水分的待检测表层土样，放于烧杯中，加入少许去离子水湿润，然后加入浓HNO315ml，于电热板上缓慢加热分解，并加以回流，蒸至近干。取下烧杯稍冷后再加入混酸(V(HNO3)∶V(HClO4)＝1∶4)10mL，放于加热板上使样品继续分解，蒸至近干。稍冷后反复(5-10次)加入10mL浓HNO3，蒸至近干。稍冷后取下加入10％HNO3溶液，过滤、定容于50ml的容量瓶中待测。
为了佐证本发明的效果，对本实施例中微生物菌剂及修复情况作进一步描述。
在本实施例中，通过向沙漠化土地表面喷洒微生物菌剂来修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属，在土体表面形成一定厚度的胶结层，使得表层土壤的渗透系数至少降低3个数量级；且检测修复后的表层土样Pb2+浓度为62.81mg/kg。
图3为本发明实施例中巴氏芽孢杆菌生长曲线图，给出了培养箱温度设定为30℃、振荡频率设定为200rpm条件下，巴氏芽孢杆菌的生长曲线。图中横坐标为巴氏芽孢杆菌接种后时间的变化，纵坐标为菌液浓度的变化，由图可见，接种24h后，菌液浓度即能达到1.0以上，培养快速高效，能满足实际工程中对菌液的使用需求。
图4为本发明实施例中微生物菌剂固化修复示意图，描述了微生物菌剂修复沙漠化土地的反应机理。由图3可见，在沙漠化土地中加入微生物菌剂和胶结液后，微生物菌剂中的巴氏芽孢杆菌新陈代谢产生的脲酶可分解胶结液中的尿素产生CO3 2-，并与钙源结合生成碳酸钙沉淀，形成胶结物，能固化重金属污染物，胶结土壤颗粒提高土体强度，填充土体空隙降低渗透性，达到防风固沙、增强土体保水性的效果，利于植物生长。
图5为本发明实施例中沙漠化土地修复前后渗透系数对比图，纵坐标为渗透系数。由该图可见，修复后沙漠化土地的土体渗透系数明显降低，土体水土保持能力明显增强。
图6为本发明实施例中沙漠化土地无侧限抗压强度的柱状图，该柱状图描述了微生物菌剂和胶结液喷洒次数对无侧限抗压强度的影响趋势。在本次试验中，采用干沙制成高度80mm、直径39.1mm的沙柱，分别在喷洒1次、2次、3次后测量无侧限抗压强度。结果表明，随喷洒次数增加，会促使沙土的无侧限抗压强度增加，提高土体的固化效果。
Claims (6)
1.一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，菌种活化与培养
步骤1.1，培养器皿灭菌
将锥形瓶、烧杯、接种环均放入高温蒸汽灭菌锅中，在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，温度降至室温时待用；
步骤1.2，菌种活化
所述菌种为巴氏芽孢杆菌的菌种，其初始状态为装在菌种管中的冻干菌粉；
将冻干菌粉甩至菌种管底部，尖头一侧用酒精消毒后敲开，取0.2ml-0.3ml溶解液加入菌种管中，轻轻弹至溶解液与菌粉混合均匀得到菌粉溶剂；然后用接种环取一接种环的菌粉溶剂，在琼脂培养基上划线接种，即在琼脂培养基上长出巴氏芽孢杆菌的菌落，完成菌种活化；
步骤1.3，培养液的配置
采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配制初始培养液，然后将初始培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，并在温度降至室温时待用；
将完成上述处理且降至室温的初始培养液记为培养液；
步骤1.4，菌种培养
菌种活化完成后，用接种环将琼脂培养基中生长的菌落接种在培养液中，然后将含有接种菌落的培养液放入培养箱中进行培养，得到初始菌液；
在培养过程中，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为180rpm～220rpm，培养时间为24h～48h；
步骤2，微生物菌剂和胶结液的制备
先在锥形瓶中加入培养液，再用无菌移液器将初始菌液加入到培养液内得到菌液，初始菌液与培养液的容量比为1∶100，然后将菌液放入培养箱内进行培养，培养箱温度设定为28℃～32℃，振荡频率设定为100rpm～250rpm，培养时间为48h～72h；
培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝0.8～1.2时取出待用；
将完成上述处理的菌液记为微生物菌剂；
取摩尔比为1∶1的无水氯化钙与尿素溶液置于烧杯中，加入去离子水进行搅拌，溶解后构成胶结液，胶结液中无水氯化钙与尿素的质量浓度分别为1％；
步骤3，沙漠化土地重金属污染物的检测
在待修复沙漠化土地中取表层土样，密封保存至实验室，检测重金属污染物浓度，当土样的重金属污染物浓度超出国家标准时，认定该待修复沙漠化土地为重金属污染场地；
所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
步骤4，沙漠化土地的微生物菌剂修复
步骤4.1，喷洒微生物菌剂和胶结液
按照10m3/亩～15m3/亩的用量将微生物菌剂均匀的喷洒在待修复沙漠化土地的土体表面；间隔0.2h～0.3h后，将相同体积的胶结液喷洒在微生物菌剂喷洒过的区域；
步骤4.2检测修复效果
令设计固化层厚度为Y，分为以下两种情况进行检测：
第一种，若待修复沙漠化土地未被认定为非重金属污染场地
步骤4.1的喷洒完成后，间隔24h，检测喷洒区域土体上形成的固化层厚度H，
若H≥Y，则修复完成，进入步骤5；
若H＜Y，则返回步骤4.1；
第二种，若待修复沙漠化土地为认定的重金属污染场地
步骤4.1的喷洒完成后，间隔24h，检测喷洒区域土体上形成的固化层厚度H，同时，从固化层中取表层土样进行重金属污染物浓度检测，
若H≥Y，且表层土样的重金属污染物浓度满足步骤3所述国家标准，则修复完成，进入步骤5；
否则，返回步骤4.1；
步骤5，在完成微生物菌剂修复的土地上种植植物。
2.根据权利要求1所述的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌为美国菌种保藏中心编号ATCC 11859。
3.根据权利要求1所述的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，所述琼脂培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母提取物1g，葡萄糖10g，NaCl 10g，琼脂15g，加去离子水1000ml，调pH至7.0～7.2，并在121℃下灭菌15min。
4.根据权利要求1所述的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的初始培养液的配方为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/LHCl调节初始培养液pH＝9.0。
5.根据权利要求1所述的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，所述设计固化层厚度Y＝5cm。
6.根据权利要求1所述的一种微生物修复沙漠化土地并固化表层土壤重金属的方法，其特征在于，所述重金属污染物浓度的检测方法为：使用消解法提取重金属污染物，采用原子吸收分光光度计测量重金属污染物的浓度。
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