CN114806593A - 一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法 - Google Patents

一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含3‑羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法，其修复成分由3‑羟基丙酸发酵液、表面活性剂CTAB以及玉米秸秆生物炭组成。按质量百分比计：修复剂中3‑羟基丙酸含量为6％～15％，玉米秸秆生物炭含量为5％～17％，表面活性剂CTAB含量为73％～86％。本发明中通过发酵生产3‑羟基丙酸，经简单的絮凝除菌，用于土壤修复，用量为150～250g/kg土壤。土壤重金属铅浓度为350～450mg/kg的土壤中施用此复合土壤修复剂，9～12天后铅的有效含量下降95％以上，大幅度降低土壤有效重金属含量。该含3‑羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂具有修复、改良土壤和减轻环境污染的功效，具有使用方便、高效等特点。

Description

一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法
技术领域
本发明属于土壤修复领域，涉及一种用于修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法。
背景技术
土壤重金属污染是威胁人类健康和食品安全的世界性难题。除了罕见的地质成因外，重金属污染物也可通过人为活动无意中引入土壤，如采矿、冶炼、战争和军事训练、电子工业、化石燃料消耗、废物处理、农用化学品使用和灌溉等。例如，普通化石燃料煤含有一系列重金属，包括汞、铅、镉和铬等。这些重金属在煤燃烧时以蒸汽、烟气颗粒物、飞灰和底灰的形式排放到环境中。此外，对矿废料、工业废物和建筑废物进行不适当的土壤处理经常会导致重金属污染。在土地中施用氮(磷)肥料、铜基杀虫剂、生物固体和动物粪便或用污水和处理不当的工业废水灌溉作物是重金属进入农业土壤的主要途径。受污染土壤中的重金属损害自然生态系统，并最终通过食物链威胁人类健康。多年来，已经开发了各种原位和异位修复技术来控制、清理或恢复重金属污染的土壤，例如表面覆盖、土壤冲洗、电动提取、固化、玻璃化和植物修复等。这些技术可分为五类:物理、化学、电学、热学和生物修复。一般来说，这些土壤修复方法采用不同的工作机制，并显示出具体的应用优势和局限性。更重要的是，这些技术在实地实践中的有效性和成本差异很大。
3-羟基丙酸(3-Hydroxypropionic acid,3-HP)是一种三碳、具有光学活性(非手性)的重要的平台化合物。3-羟基丙酸作为一种弱有机酸，可释放土壤中的营养物质，促进植物生长；也可活化土壤中铅、镉等重金属，改变土壤中重金属的状态，从而修复土壤；此外，3-羟基丙酸还可作为一种抗线虫剂，用于植物保护。
目前部分土壤修复采用单一成分，如：硅藻土、羟基磷灰石、活性炭以及生物炭等，其作用效果不如复合型修复剂，且作用时间较长；而直接施加微生物对重金属污染土壤修复，微生物的流失以及生长代谢能力不佳，对重金属的固定能力有限；对于有机酸的研究发现，当柠檬酸添加5％时，Pb的稳定效率达到50％；草酸添加10％时，Pb稳定效率为20％，低于3-羟基丙酸发酵液的稳定效率98％；对于复合型腐殖酸类的修复剂，其制备工艺较复杂，本修复成分中的3-羟基丙酸采用发酵技术大批量生产，经过除菌后可直接用于修复剂制备。
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种发酵液、表面活性剂以及玉米秸秆生物炭复配的修复剂，不仅对玉米秸秆资源充分利用，而且使重金属的迁移率/溶解度及其在土壤孔隙水中的浓度急剧下降，最大限度地减少它们向植物、微生物和水的潜在迁移，显著降低土壤中有效铅含量。
本发明的优点在于：
(1)通过发酵生产3-羟基丙酸，经过絮凝后用于土壤修复，发酵液中含有的3-羟基丙酸不仅可以降低重金属的有效含量，而且发酵液中的营养物质可以增加土壤肥力，有利于作物生长。
(2)玉米秸秆生物炭的加入不仅充分利用了玉米秸秆资源，而且提高本修复剂对土壤的修复效果。
发明内容
1.本发明涉及一种土壤修复剂的制备方法。
2.本发明的目的是提供含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法。
3.上述复合土壤修复剂的制备方法包括以下步骤：
(1)发酵生产3-羟基丙酸；
(2)壳聚糖-海藻酸钠对发酵液絮凝；
(3)筛选表面活性剂：比较吐温-80、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的修复效果，确定修复效果最佳的十六烷基三甲基溴化铵作为修复剂成分；
(4)筛选出3-羟基丙酸、表面活性剂CTAB以及玉米秸秆生物炭复配的最佳配比，按质量百分比计：修复剂中3-羟基丙酸含量为6％～15％，玉米秸秆含量为5％～17％，表面活性剂CTAB含量为73％～86％。
(5)配制修复剂，检测其对重金属铅污染土壤的修复效果，在铅浓度为350～450mg/kg的土壤，用量为150～250g/kg土壤，施用9～12天，可使土壤重金属铅的有效的含量下降95％以上。
附图说明
图1是含3-羟基丙酸发酵液成分检测图。5.475min为3-HP，6.029min为乳酸，6.459min为乙酸，此图为稀释100倍的结果。
具体实施方式
现结合实例详细说明本发明的技术方案。所有的实例都严格按照上述制备方法的操作步骤进行操作。下面的具体方法可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
材料来源(采购地点)
Figure BDA0003626880490000031
实施例1
发酵生产3-羟基丙酸
(1)菌种复苏：从-70℃保存箱中取出菌株，解冻后按1％(V/V)的接种量加入到4mLLB培养基中，加入硫酸卡那霉素使培养基抗生素终浓度达到50μg/mL，于振荡器中37℃，200rpm培养12h。
LB培养基：准确称量1g NaCl、0.5g酵母粉和1g蛋白胨，加至100mL水中，搅拌至溶解，高温灭菌。
(2)种子液培养：将复苏的菌液以1％(V/V)的接种量接种于100mL的液体LB培养基中。加入硫酸卡那霉素使培养基抗生素终浓度达到50μg/mL，于振荡器中37℃，200rpm培养12h。
(3)上罐发酵：配制3L甘油培养基于5L发酵罐，分别配制植物油消泡剂、5M NaOH、甘油培养基于补料瓶中，121℃灭菌25min。冷却，将发酵罐置于控制装置，连接补料管及感应电极。准确称量0.36g诱导剂IPTG和0.15g硫酸卡那霉素溶于10mL无菌水中，将100mL种子液与抗生素、诱导剂溶液分别加入发酵罐。发酵条件设置：温度37℃，转速400rpm，通气量4.5L/min，调节pH为7。
甘油培养基：1L去离子水中加入40g甘油，3.4g K2HPO4·3H2O，0.5g MgSO4·7H2O，3g酵母浸粉，4g(NH4)2SO4，0.1g CaCO3，1.3g KH2PO4和1.25mL微量元素溶液，搅拌混匀，高温灭菌。
微量元素溶液:1L去离子水中加入0.02g Na2MoO4，2.72g ZnCl2·6H2O，0.24gH3BO3，32g FeSO4，1.88g CoCl2·6H2O，0.68g MnCl2·4H2O，1.88g CuCl2·2H2O和40mL的盐酸(质量分数为37％)，充分搅拌即得。
实施例2
发酵液絮凝精制3-羟基丙酸
向发酵液中依次加入壳聚糖和海藻酸钠，二者终浓度均为1.6g/L，pH＝7.0，搅拌时间20min，静置沉淀30min，使用滤纸过滤除去絮凝物。
絮凝后发酵液组分为：3-HP 63.24g/L；乳酸12.77g/L；乙酸16.20g/L。
实施例3
污染土壤制备方法：采用标准铅溶液处理土壤，土壤干燥，采用五点取样法取样，取污染土壤于离心管中，加入DTPA浸提液，于振荡器振荡，过滤，加硝酸消解，采用电感耦合等离子体光谱仪检测，测定土壤中有效铅，含量稳定在230mg/kg。
实施例4
3-羟基丙酸发酵液对污染土壤的修复
采用相同的培养基，以不产3-羟基丙酸的野生型菌株作对照进行发酵，絮凝后用于实验。于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入含0.75g3-羟基丙酸发酵液(该浓度表示一定体积发酵液中包含3-羟基丙酸的质量为0.75g)、不含3-羟基丙酸的发酵液、乳酸以及乙酸。放置15d后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，加硝酸消解后采用电感耦合等离子体光谱仪进行检测，测定土壤有效铅含量。15d后测定，不含3-羟基丙酸的发酵液的土壤有效铅含量为225.0mg/kg；乳酸处理的土壤有效铅含量212.9mg/kg；乙酸处理的土壤有效铅含量为215.5mg/kg；含有0.75g 3-羟基丙酸的实验组土壤有效铅含量显著下降至69.03mg/kg，下降69.98％。
Figure BDA0003626880490000051
实施例5
对照实验：柠檬酸对土壤的修复效果
于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入0.25g的柠檬酸和3-羟基丙酸发酵液，摇匀，室温放置15d后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，加硝酸消解后采用电感耦合等离子体光谱仪进行检测，测定土壤有效铅的含量。含有0.25g 3-羟基丙酸的实验组土壤有效铅含量显著下降至99.8mg/kg，下降56.6％，含0.25g柠檬酸的实验组土壤有效铅含量显著下降至145.5mg/kg，下降36.7％，其修复效果弱于3-羟基丙酸。
Figure BDA0003626880490000061
实施例6
修复剂中3-羟基丙酸浓度的筛选
于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入含有0.25g、0.50g、0.75g、1.00g、1.50g的3-羟基丙酸发酵液。15d后检测测定土壤有效铅含量。0.25g～1.50g的3-羟基丙酸可降低土壤有效铅含量。随着时间的延长，3-羟基丙酸作用效果明显，在15d时趋向稳定，0.50g 3-羟基丙酸处理的污染土壤在15天时有效铅含量下降了165.2mg/kg，下降71.8％。
Figure BDA0003626880490000062
实施例7
修复剂中表面活性剂的筛选
选择表面活性剂：吐温-80、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入等量的吐温-80、SDBS和CTAB表面活性剂。放置10d后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，加硝酸消解后采用电感耦合等离子体光谱仪进行检测，测定土壤有效铅的含量。从下表可知：表面活性剂CTAB的作用效果优于非离子型表面活性剂吐温80以及阴离子表面活性剂SDBS。
Figure BDA0003626880490000071
实施例8
修复剂中CTAB浓度的筛选
于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入1g、2g、3g、4g、5g的CTAB。放置15d后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，加硝酸消解后采用电感耦合等离子体光谱仪进行检测，测定土壤有效铅的含量。1.0g～5.0g的CTAB均可降低土壤有效铅的含量，不同浓度的CTAB对土壤有效铅的影响较大，当表面活性剂CTAB为4g时，土壤有效铅的含量下降了178.9mg/kg，下降77.7％。
Figure BDA0003626880490000072
Figure BDA0003626880490000081
实施例9
修复剂中玉米秸秆生物炭浓度的筛选
于50mL离心管中加入铅浓度为230mg/kg的污染土20.00±0.05g，分别加入0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g玉米秸秆生物炭。放置15d后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，加硝酸消解后采用电感耦合等离子体光谱仪进行检测，测定土壤有效铅的含量。0.5g至3.0g不同浓度的玉米秸秆生物炭均可降低土壤中有效铅的含量，不同浓度玉米秸秆生物炭对土壤有效铅的影响较小。当玉米秸秆生物炭含量为0.5g时，土壤有效铅的含量下降了119.0mg/kg，下降51.7％。
Figure BDA0003626880490000082
实施例10
按照质量比：3-羟基丙酸0％，玉米秸秆生物炭50％，表面活性剂CTAB 50％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量为108.486mg/kg，含量下降121.514mg/kg，下降52.83％。
实施例11
按照质量比：3-羟基丙酸9％，玉米秸秆生物炭6％，表面活性剂CTAB 85％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量为9.980mg/kg，含量下降220.02mg/kg，下降95.66％。
实施例12
按照质量比：3-羟基丙酸7％，玉米秸秆生物炭15％，表面活性剂CTAB 78％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量为6.447mg/kg，含量下降223.553mg/kg，下降97.2％。
实施例13
按照质量比：3-羟基丙酸11％，玉米秸秆生物炭16％，表面活性剂CTAB73％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量10.074mg/kg，含量下降219.926mg/kg，下降95.62％。
实施例14
按照质量比：3-羟基丙酸14％，玉米秸秆生物炭11％，表面活性剂CTAB75％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量4.742mg/kg，含量下降225.258mg/kg，下降97.93％。
实施例15
按照质量比：3-羟基丙酸13％，玉米秸秆生物炭5％，表面活性剂CTAB 82％制备土壤修复剂。取20.00±0.05g铅浓度为230mg/kg的污染土于50mL离心管中，放置9天后进行有效铅的检测。向待测样品中加入DTPA浸提液，于振荡器中振荡，过滤，测定土壤有效铅的含量12.018mg/kg，含量下降217.982mg/kg，下降94.77％。

Claims (4)

1.一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法，其特征在于：修复剂由3-羟基丙酸发酵液、表面活性剂以及玉米秸秆生物炭组成，按质量百分比计：修复剂中3-羟基丙酸含量为6％～15％，玉米秸秆生物炭含量为5％～17％，表面活性剂CTAB含量为73％～86％。
2.根据权利要求1所述的一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法，其特征在于：3-羟基丙酸通过发酵获得。
3.如权利要求2根据权利要求1所述的一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂的制备方法，其特征在于：向发酵液中加入壳聚糖与海藻酸钠，使两者终浓度均达到1.6g/L，搅拌时间20min，静置30min，过滤。
4.一种含3-羟基丙酸发酵液的复合土壤修复剂在铅浓度为350～450mg/kg的土壤，用量为150～250g/kg土壤，施用9～12天。
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