CN115007638B - 一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，涉及综合环境修复技术领域。本发明的目的是为了解决镉污染对植物的生理生化造成不利影响，以及抑制叶绿素的生物合成进而导致植物生物量的减少或植物死亡等现象的问题。方法：首先在含镉盐碱地上种植能源作物甜高梁，成熟后收割甜高梁，以茎秆进行L‑乳酸发酵，提取的L‑乳酸进行PLA材料的制备，产生经济效益。收集发酵产生的废渣用作生物燃料颗粒实现能源循环，回收废液回用于含镉盐碱地进行修复，循环往复。本发明可获得一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法。

Description

一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐 碱地的方法

技术领域

本发明涉及综合环境修复技术领域，具体涉及一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法。

背景技术

中国土壤污染中最为严重的是镉污染，其点位超标率高达7.0％，踞重金属污染之首。镉作为一种迁移性强和毒性高的金属，极易转化为营养覆盖，最终进入食物链，且经营养级的传递，镉的浓度能够通过生物放大作用逐级增加。土壤中的镉很容易被植物摄取，随后对植物的生理生化产生极大的影响；它可通过影响植物的抗氧化系统，增加植物中活性氧的产生，出现氧化应激，进而导致植物氧化损伤。另外镉胁迫会抑制叶绿素的生物合成，进而影响光合作用，最终表现在植物生物量的减少或植物死亡等现象。土壤中重金属的形态是影响其生物有效性及生物毒性的关键，镉在土壤中存在多种化学形态，如交换态、碳酸盐结合态和氧化物结合态等，不同化学形态之间的活性差异较大，了解其在土壤中化学形态的改变对于镉污染土壤的修复至关重要。通过不同土壤改良剂的施用，可以达到改变镉在土壤中的化学形态，从而降低镉的生物毒性，或促进其向地上部分迁移，进而减少土壤中镉的含量。

目前土壤镉污染修复的研究热点主要集中在：1、植物修复，通过超富集植物，减少土壤中镉的含量，如皇竹草、菖蒲和龙葵等，虽然具有较强的富集镉性能，但富集后仍需解决资源利用的问题，避免吸收的镉进入食物链。因此急需寻找生物量大、再利用价值高、富集能力强以及生长周期短的植物。2、生物炭，大量研究表明在污染土壤中投加生物炭可减少土壤中有效镉的含量，通过生物炭的吸附固定作用，减少其对植株的胁迫，但原料不同的生物炭，效果差异明显，且长期使用存在镉溢出的风险。而土壤性质的改善是持久战，需要长久的进行下去，故在达到环境效益的同时，仍需实现经济效益，如此才可可持续的发展。故植物修复是最为合适的，但需要综合可持续的修复方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法。本发明基于重金属污染土壤修复，土壤修复的可持续性问题提出的综合治理方法，提出以植物修复技术为主，施加土壤改良剂为辅的综合策略进行土壤修复工作，以降低土壤镉含量，提升土壤有机质，优化土壤结构。提出“先除镉，后降碱”的方案实现修复含镉盐碱地的目的，本发明方法所述的方案为：首先在含镉盐碱地上种植能源作物甜高梁，成熟后收割甜高梁，以茎秆进行L-乳酸发酵，提取的L-乳酸进行PLA材料的制备，产生经济效益。收集发酵产生的废渣用作生物燃料颗粒实现能源循环，回收废液回用于含镉盐碱地进行修复，循环往复。通过持续的甜高粱种植，含镉盐碱地中的镉被转移，土壤镉含量降低至安全阈值，产生的发酵残渣无需进行镉回收，可直接施用于土壤，利用其中的有机酸，如乳酸、少量的乙酸中和土壤碱度，减轻盐碱胁迫。同时富含的有机、无机养分可提升土壤微生物活跃度，改善土壤理化结构，最终实现土壤修复的目的。

一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，按以下步骤进行：

步骤一：在含镉盐碱地上种植甜高粱；待甜高粱收获时，切除其叶和根部，将甜高粱茎秆粉碎后打包，并在阴凉、密闭条件下青贮，得到甜高粱青贮，甜高粱青贮的总含固率为5～10％；

步骤二：将L菌株接种于MRS培养基中，在37～45℃的温度条件下，恒温厌氧培养16～24h，得到发酵种子液，L菌株的接种量为1～2接种环/100～150μL；然后将甜高粱青贮与发酵种子液混合，在35～40℃的温度条件下厌氧发酵48～72h，得到发酵液；将发酵液经压滤过滤、超滤、脱色、蒸馏浓缩、酸化、酯化和水解，得到L-乳酸；压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣通过燃烧为甜高粱青贮的发酵供电供热；

步骤三：重复步骤一和步骤二直至含镉盐碱地土壤中的镉含量低于风险阈值时，继续在含镉盐碱地上种植甜高粱，并按照步骤二将甜高粱青贮进行发酵，并将发酵液经压滤过滤、超滤、提取和纯化，得到L-乳酸；将步骤二和步骤三中压滤过滤和超滤过程得到的发酵残液用于灌溉含镉盐碱地；当甜高粱生长至成熟期阶段，将压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣施用于甜高粱所在的土壤中。

本发明的有益效果：

(1)本发明结合能源作物甜高粱，利用植物修复和微生物修复，阶段性的治理含镉盐碱地，实现土壤重金属移除、改善土壤盐渍化、生物基产品的制造的同时，吸收二氧化碳、拓宽农用耕地面积、产生高价值副产物、提供新的可持续土壤修复模式。

(2)甜高梁以耐盐碱、耐干旱著称，具有生物量大和糖分高等特点，是最适种植于盐碱地上的能源作物。有研究表明，甜高梁在镉污染土壤渍化且水分较少时仍可生长，具备富集镉的能力，且甜高梁耐干旱、耐盐碱，生物产量较高，是理想的镉污染修复植物。同时甜高梁是最具潜力的能源作物，其茎秆含糖分高，可用作生物炼制的原料，进而产生一定的经济效益。且甜高梁在北方为一年生作物，而在温度较高的南方可实现一年2熟或3熟，收割后，留茬仍可继续生长，是理想的土壤修复作物和能源作物。收获的甜高梁可通过发酵工程进行L-乳酸的炼制，生产可生物降解塑料PLA的原料，进而产生一定经济效益。同时产生的废渣富含养分，可增强土壤有机质含量，改善土壤肥力；并且含有大量未经消化的木质纤维素是较好的生物燃料原料。在L-乳酸发酵液的提取纯化过程中，发酵液中的菌体蛋白、代谢产物和有机酸等物质经除杂处理进入废液中，该废液中不存在有毒有害物质，内含的有机物可作为土壤微生物的可利用碳源和氮源。而废渣废液中含有的少量有机酸对于土壤中镉的迁移有利，相关研究证明，酸性物质能够促进植物根系对镉的吸收，小分子酸性物质可以溶解镉，使其转化为植物可吸收的化学形态，从土壤中迁移至植物中。在镉污染土壤上种植甜高梁，通过植物修复吸收土壤中的镉，同时辅以甜高梁L-乳酸的发酵回收废液作为土壤改良剂，滤渣为发酵工艺供热供电以实现能源的循环利用。经过长期的种植，当土壤镉含量降低至风险阈值后，经L-乳酸发酵产生的发酵残渣也可和回收废液一样，直接回用于土壤中，进一步降低土壤盐碱化，提升土壤有机质，提高土壤养分，丰富土壤微生物多样性，改善土壤理化特征，从而实现可持续性改良镉污染土壤的目的。

本发明可获得一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法。

附图说明

图1为本发明一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的工艺流程图，1表示第一阶段的处理方式，2表示第二阶段的处理方式。

图2为实施例3中甜高梁植株的室内栽培的白天光照模拟。

图3为实施例3中甜高梁植株的室内栽培的夜间模拟。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，按以下步骤进行：

步骤一：在气温回暖至10-15℃的时节(4-5月)对含镉盐碱地进行土地翻整，使用农耕用具，如犁，松土机、旋耕机等，翻整深度为8-15cm厚度的表层土壤。

在翻整好的含镉盐碱地上种植甜高粱，甜高粱品种为经筛选的当地品种，采用适当的栽培管理措施确保甜高粱的正常生长，包含每亩施加农家肥，农家肥中包含畜禽粪便、草木灰等，并在施肥后进行灌溉，病虫害治理通过生物防治手段进行。

将甜高粱种子点播于第二步已施肥灌溉的土壤上，种子左右前后之间的间隔为10-20cm，播种后用周围的土轻轻覆盖即可。在其生长期间，水分来源于自然降水及发酵回收废液。

于9、10月收获甜高粱全株，切除其叶和根部，将甜高粱茎秆粉碎后打包，青贮袋需按压紧实，排除内里空气后封紧，贮藏于阴凉处，得到甜高粱青贮，甜高粱青贮的总含固率为5～10％；

步骤二：将L菌株接种于MRS培养基中，在37～45℃的温度条件下，恒温厌氧培养16～24h，得到发酵种子液，L菌株的接种量为1～2接种环/100～150μL；然后将甜高粱青贮与发酵种子液混合，在35～40℃的温度条件下厌氧发酵48～72h，得到发酵液；将发酵液经压滤过滤、超滤、脱色、蒸馏浓缩、酸化、酯化和水解，得到L-乳酸；压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣通过燃烧为甜高粱青贮的发酵供电供热；

步骤三：重复步骤一和步骤二，测定含镉盐碱地中的镉含量，至含镉盐碱地土壤中的镉含量低于风险阈值时，继续在含镉盐碱地上种植甜高粱，并按照步骤二将甜高粱青贮进行发酵，并将发酵液经压滤过滤、超滤、提取和纯化，得到L-乳酸；将步骤二和步骤三中压滤过滤和超滤过程得到的发酵残液用于灌溉含镉盐碱地；当甜高粱生长至成熟期阶段，将压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣施用于甜高粱所在的土壤中，具体施用于甜高粱植株5-10cm半径范围内，施用时需与3-7cm的表层土壤混合，以实现发酵残渣中养分的充分利用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中含镉盐碱地施加农家肥，农家肥施用量为3～4吨/每亩地。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：步骤一中甜高粱种子的编号为12Fs9005。

其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中甜高粱切除的叶和根部进行镉回收处理。

其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中将粉碎后的甜高粱茎秆青贮6～8天，青贮期间喷洒浓度为1～2g/L的焦亚硫酸钠溶液，喷洒量为粉碎后的甜高粱茎秆体积的5％，甜高粱青贮的含水量为68～75％。

其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣与花生壳、麸皮和秸秆混合，混合后含水量为15％以下，制成生物燃料颗粒进行燃烧。

其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的发酵种子液的体积为发酵液体积的2～5％。

其他步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的MRS培养基由1g蛋白陈、0.5g牛肉粉、0.4g酵母粉、0.2g葡萄糖、0.1mL吐温80、0.2g磷酸氢二钾、0.5g乙酸钠、0.2g柠檬酸三铵、0.02g硫酸镁、0.005g硫酸锰、1.5～2.0g琼脂粉和100mL纯水组成，MRS培养基在121℃的温度条件下灭菌20min。

其他步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：甜高粱青贮发酵过程中，采用氨水调节pH至6.0～6.2。

其他步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三中所述的风险阈值为标准GB38400-2019中规定的镉含量的最低阈值。

其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

以下实施例采用室内栽培试验进行，供试甜高梁植株原载于大庆室外试验田。选取生长期植株，连根带土将整株带回实验室，同时将植株附近的土壤一并带回。甜高梁种植品种为当地常见品种。所有试验均设立平行组，以试验田土壤为对照组(CK)，1组为镉处理组对照，2、3和4组为废液处理组，5、6和7组为发酵残渣处理组。

实施例1：供试土壤理化特征；

原试验田周围无镉污染源，该土壤未经镉污染。现场按5分法获取供试土壤，将其混合后置于密封袋内送回实验室。于洁净托盘内平铺成约0.5-1cm的厚度，用镊子将土壤中的植物根，叶，动物残肢，石头等杂物清除，于室温条件下风干24小时。风干后土壤过筛后保存于干燥环境中。通过相关土壤测定标准方法测定供试土壤理化特征，如取风干土壤与纯水，按照水：土为2.5：1的重量比混合，超声3-5min，静止1-3小时后测定土壤pH值；取风干土壤与纯水，按照水：土为5：1的重量比混合，超声3-5min，于滤纸过滤，滤液用于盐度、电导率等指标的测定。上述指标通过水质分析仪测定，其他指标测定方法参考相关国标，表1为供试土壤的基本理化性质。

表1

注：试验田位于大庆，土壤类型为苏打盐碱地，土壤碱度较高，有机质含量较低。

实施例2：定量含镉溶液的配置与含镉土壤调制；

取适量CdNO₃·2.5H₂O加入纯水，配置含Cd²⁺20-80mg/L浓度的母液，通过稀释的方法将土壤中的含镉量控制在20-40mg/kg。通过喷洒的方式进行添加。将供试土壤平铺于托盘内，铺平至2-5厘米厚度，使用喷壶将稀释好的含镉溶液均匀的喷洒至表面后，翻动铺好的土壤，上下翻动，重复喷洒的动作。

实施例3：甜高梁植株的室内栽培；

将试验田移出的甜高梁植株，移栽至实验室塑料花盆中。花盆大小为高38cm,直径30cm。将实施例2中调配好的供试土壤先铺于花盆底部，厚度约为5-10cm,将带土的甜高梁植株固定于中心位置，向内置入调制好的供试土壤。完成后轻压土壤，加固植株位置。栽好甜高梁后，花盆内留4-5cm厚度空间，以备乳酸发酵残渣的施用。室内栽培情况如图2-3所示。

实施例4：甜高梁乳酸发酵及废弃物的收集；

按照TS5-10％进行甜高梁青贮乳酸发酵，发酵菌种为L菌株，该菌株为市售植物乳杆菌(GDMCC1.191)，经驯化后用于L-乳酸发酵，以MRS培养基配制发酵种子液(培养基配方：100mL纯水，1g蛋白陈、0.5g牛肉粉、0.4g酵母粉、0.2g葡萄糖、0.1mL吐温80、0.2g磷酸氢二钾、0.5g乙酸钠、0.2g柠檬酸三铵、0.02g硫酸镁、0.005g硫酸锰、1.5-2.0g琼脂粉，121℃，灭菌20min；菌株接种：接种环1-2环/菌液100-150μL；恒温培养：37-45℃，16-24h，厌氧)，种子液按发酵体积2-5％添加入发酵罐中，于37-45℃温度下进行厌氧发酵。发酵过程中以氨水进行调控pH(自动调控)，促进L乳酸发酵，使发酵液pH控制于6.00-6.2，发酵48-72小时。发酵结束后，发酵液经压滤过滤，滤液再经超滤后用于L-乳酸的提取。压滤后等到的发酵残渣收集用于土壤修复。滤液经过膜过滤除杂、活性炭脱色、蒸馏浓缩得到高浓度的L-乳酸铵溶液，再经过酸化、酯化、水解得到纯化的L-乳酸溶液。该过程中因洗涤，蒸馏冷凝，反应等步骤产生的废液，统一回收至塑料桶内备用，用于2、3和4处理组。

实施例5：乳酸发酵残渣中镉的去除；

研究表明甜高梁富集镉后，个部分器官中的镉浓度排序为根>茎>叶，茎秆茎秆发酵后，发酵残渣中残存少量的镉，通过测定发现发酵残渣中的镉含量高于GB38400-2019《肥料中有毒物质的限量要求》(见表2)，无法直接回用至含镉盐碱地中。含镉的发酵残渣含水率较大，通过添加其他干状的废弃物如花生壳，麸皮，秸秆，稻草等将将其含水率调整至15％以下，通过颗粒压制设备压合成直径1-5mm，长度2-5cm的颗粒，作为生物燃料颗粒，通过燃烧该颗粒为发酵及提取步骤提供所需的热能和电力。燃烧所产生的灰分再进行镉回收处理。表2为各阶段甜高梁茎秆中的镉含量。

表2

	pH	镉浓度(mg/kg)
			收获时	5.48	8.02
乳酸发酵残渣	6.02	5.81

实施例6：甜高粱的镉吸收能力研究；

室内栽培试验时间为30-90天，参照实施例1进行土壤理化指标的测定。调制后土壤的初始含镉量约为35.59mg/kg。按照实施例4收集的废液，通过每3-5天一次，每次300-1000mL进行浇灌，于试验最后1天，取20-50g盆中土壤进行修复后相关理化指标的测定。表3为甜高梁修复后土壤理化特性。

表3

甜高梁自身具有一定富集镉的能力，实施例中的镉污染程度在试验期间未对其生长造成较明显影响，土壤环境并未有较大改变。回收废液呈弱酸性或中性，在施加回收废液后，土壤中盐度无明显差异，碱度有小幅度下降，全氮含量有所升高，有机碳含量有小幅度上升，其富集镉能力显著提升，这说明，废液的施加，增加了土壤微生物的碳源及氮源，使微生物代谢增强，植物与微生物之间的交流增强，致使促进了植物根系对镉的吸收，达到土壤中镉的移除。相信通过持续的种植，土壤中镉含量可以达到风险阈值之下。

实施例7：乳酸发酵残渣的室内盆栽施用及修复情况；

通过施用试验田甜高粱茎秆L-乳酸发酵产生的发酵残渣，模拟在除去含镉盐碱地中大量的镉后，含镉浓度低于GB38400-2019中的最低阈值的发酵残渣对于土壤的修复影响。对照组的乳酸发酵残渣含水量较大，水分含量约为50-70％。发酵滤渣为未经完全消化的甜高梁茎秆，其中包含乳酸菌菌体，菌体蛋白，未完全消化的纤维素、木质素、铵盐、乙酸等，具有较高的再利用价值，可直接进行土壤施用。添加比例按照土壤质量的4-10％进行添加。发酵残渣先平埔于花盆土壤表面，轻翻土壤，将约2-5cm土壤向上翻动，与发酵残渣混合后压实即可。

室内栽培试验时间为30-90天，参照实施例1，对残渣处理组5，6，7进行土壤理化指标的测定。表4为乳酸发酵残渣处理组土壤理化特征情况；

表4

可见，在施用乳酸发酵残渣后，降低了供试土壤pH值，而从电导率结果来看，施加了乳酸发酵残渣的土壤中的总盐分有轻微下降，这说明施用乳酸发酵残渣后，土壤的碱化得到了一定改善。并且，土壤中全氮、有机碳的含量也有较大幅度的提升，这说明乳酸发酵残渣增强了土壤肥力，这直接的说明乳酸发酵残渣改善了土壤环境及质量，对土壤中微生物群落产生有利影响，证明乳酸发酵残渣在提升土壤肥力方面具有巨大的潜能。

通过本发明可表明，含镉盐碱地对于土壤微生物及植物的双重胁迫程度减缓，贫瘠的土壤能够再次焕发生机。通过长期往复的进行本发明所述的修复方案，不仅可以实现可持续性的土壤重金属污染治理，还可以通过土壤、植物和生物基产品的三方维度减少二氧化碳排放，增加可耕地面积。不仅如此，迁移至根和茎秆中的镉通过一定的处理不会回到食物链或土壤中造成二次污染。

Claims (4)

1.一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，其特征在于该修复方法按以下步骤进行：

步骤一：在含镉盐碱地上种植甜高粱；待甜高粱收获时，切除其叶和根部，将甜高粱茎秆粉碎后打包，并在阴凉、密闭条件下青贮，得到甜高粱青贮，甜高粱青贮的总含固率为5～10％；

步骤一中甜高粱种子的编号为12Fs9005；

步骤一中甜高粱切除的叶和根部进行镉回收处理；

步骤一中将粉碎后的甜高粱茎秆青贮6～8天，青贮期间喷洒浓度为1～2g/L的焦亚硫酸钠溶液，喷洒量为粉碎后的甜高粱茎秆体积的5％，甜高粱青贮的含水量为68～75％；

步骤二：将L菌株接种于MRS培养基中，在37～45℃的温度条件下，恒温厌氧培养16～24h，得到发酵种子液，L菌株的接种量为1～2接种环/100～150μL；然后将甜高粱青贮与发酵种子液混合，在35～40℃的温度条件下厌氧发酵48～72h，得到发酵液；将发酵液经压滤过滤、超滤、脱色、蒸馏浓缩、酸化、酯化和水解，得到L-乳酸；压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣通过燃烧为甜高粱青贮的发酵供电供热；

甜高粱青贮发酵过程中，采用氨水调节pH至6.0～6.2；

步骤二中压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣与花生壳、麸皮和秸秆混合，混合后含水量为15％以下，制成生物燃料颗粒进行燃烧；

步骤二中所述的MRS培养基由1g蛋白陈、0.5g牛肉粉、0.4g酵母粉、0.2g葡萄糖、0.1mL吐温80、0.2g磷酸氢二钾、0.5g乙酸钠、0.2g柠檬酸三铵、0.02g硫酸镁、0.005g硫酸锰、1.5～2.0g琼脂粉和100mL纯水组成，MRS培养基在121℃的温度条件下灭菌20min；

步骤三：重复步骤一和步骤二直至含镉盐碱地土壤中的镉含量低于风险阈值时，继续在含镉盐碱地上种植甜高粱，并按照步骤二将甜高粱青贮进行发酵，并将发酵液经压滤过滤、超滤、提取和纯化，得到L-乳酸；将步骤二和步骤三中压滤过滤和超滤过程得到的发酵残液用于灌溉含镉盐碱地；当甜高粱生长至成熟期阶段，将压滤过滤和超滤过程得到的发酵残渣施用于甜高粱所在的土壤中。

2.根据权利要求1所述的一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，其特征在于步骤一中含镉盐碱地施加农家肥，农家肥施用量为3～4吨/每亩地。

3.根据权利要求1所述的一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，其特征在于步骤二中所述的发酵种子液的体积为发酵液体积的2～5％。

4.根据权利要求1所述的一种利用能源植物甜高梁及其衍生产品可持续性修复含镉盐碱地的方法，其特征在于步骤三中所述的风险阈值为标准GB38400-2019中规定的镉含量的最低阈值。