CN115026128B - 基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法，包括：在稻田撒施人工载体，诱导稻田中周丛生物生长；其中，所述人工载体为包埋周丛生物培养基的球状载体；所述周丛生物培养基为优化成分的周丛生物培养基。本发明的方法操作方便，效果好，提供的人工载体制备方法、应用操作方法方便简捷，廉价且环境友好，优化的周丛生物培养基在诱导出的周丛生物不仅生长成膜速度快，在重金属防控方面的作用也更加显著，并降低了成膜成本；本发明使用人工载体人工诱导稻田周丛生物的快速与大量生长，协同发挥其“库”与“盖子”的作用，降低了典型重金属超标农区的稻田（包括土壤与上覆水）重金属的迁移与污染传播的风险。

Description

基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法

技术领域

本发明属于农业面源污染控制及农业重金属防控领域，特别涉及基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法。

背景技术

修复土壤重金属污染，保障食物安全和农业的可持续发展，是当前农业环境领域的重大问题。在众多农业生产模式中，唯有稻田由土相和上覆水相两部分组成。稻田特殊的耕作方式使得其已经成为下游水体污染物的重要污染源（如氮、磷以及重金属等）。典型重金属超标农区稻田土壤是重金属污染的潜在污染源，这是因为稻田土壤由于含水率高，使得土壤中的重金属具有较大的移动性，具有随上覆水迁移的巨大潜势，随水迁移的重金属具有污染毗邻土壤以及下游水体的巨大风险。目前，典型重金属超标农区稻田土壤重金属治理工作是导致农村生态环境恶化及制约农业可持续发展的主要原因之一，由土壤中溶出的重金属污染物的分散性大、随机性强与隐蔽性高等特征，已形成的污染治理难度很大，因此我们需要从源头阻断重金属的迁移并减少水体中重金属的浓度，降低污染传播的风险。

土壤重金属污染阻控技术主要是指通过化学行为将重金属钝化在土壤中，或利用植物生理作用，喷施各种阻隔剂抑制重金属在植物体内的流动，或通过水分管理、深耕等农艺措施调控重金属进入植物体内的行为。由此可见，目前对于农田土壤阻控技术主要聚焦在重金属钝化和植物页面阻隔剂的研究中。而我们应该认识到，阻断土壤中重金属的迁移并消纳水体中的重金属也是土壤重金属污染阻控技术的重要方向，但目前新型修复材料研发力度不大，修复成本较高，且化学材料引入农田有可能造成二次污染。对于农田而言，我们在注重重金属阻控治理效果的同时还应该关注其环保性与安全性。因此，开发一些高效、廉价且环境友好，且能够阻断土壤中重金属的迁移并消纳水体重金属的新技术，将丰富土壤重金属污染阻控技术种类，且进一步推进我国土壤重金属治理研究工作。

周丛生物在防治稻田重金属方面已经表现出巨大的潜力。应用周丛生物治理稻田重金属的核心在于如何人工调控周丛生物的生物量与组成以使其最大限度地发挥作用。周丛生物是一种以细菌、藻类为主要成分的微生物聚集体，不同技术调控的周丛生物会使得周丛生物在组成上出现较大的差异，进而使得其功能（如重金属防治）千差万别。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种高效且环境友好的基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：

基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法，包括：

在稻田中撒施人工载体，诱导稻田中周丛生物生长；

其中，所述人工载体为包埋周丛生物培养基的球状载体；

所述周丛生物培养基的成分为：称取硝酸钠7~8.5g，氯化钠 0.08~0.12g，葡萄糖9~11 g，磷酸氢二钾0.15~0.25g，蛋白胨 9~11 g，七水硫酸镁0.36~0.40g， 酵母提取物4~6g，硅酸钠 0.8~0.12g，柠檬酸 0.02~0.04g，四水氯化锰 0.008~0.01g，柠檬酸铁铵0.02~0.04g，硫酸锌 0.001~0.03g，溶剂为1L稻田上覆水或蒸馏水。

本发明技术方案的原理如下：

人工诱导的周丛生物具有更大的重金属储存能力以及重金属迁移拦截阻断能力。人工诱导的周丛生物在稻田土水界面上形成一层“盖子”，比自然生长的周丛生物表现出更大的土壤Cd和As阻控潜力，从而能更有效地抑制土壤中重金属Cd和As的流出。基于周丛生物“库”的特性，发现相比于自然生长的周丛生物而言，人工诱导的周丛生物表现出更大Cd和As的富集潜力，进而使得人工诱导周丛生物表现出更强的上覆水Cd和As消纳能力。使用人工载体在水稻生产的不同时期人工诱导稻田周丛生物的快速与大量生长，协同发挥“库”与“盖子”的作用，通过周丛生物的生长在稻田土水界面上形成一层“盖子”，阻控土壤中重金属向上覆水中的迁移，此外，通过周丛生物“库”的作用，从上覆水中储存重金属减少上覆水中重金属的浓度，最终降低了典型重金属超标农区的稻田（包括土壤与上覆水）重金属的迁移与污染传播的风险。

基于上述原理，本发明设计了一种周丛生物培养方式，利用球状载体包埋培养基来诱导周丛生物生长，并对培养基进行了优化设计，基于常规周丛生物培养基，对非必需的营养元素进行了大幅度缩减，同时增加了原核微生物（如细菌等）生长所需的基础营养成分，同时考虑细菌与藻类的协同生长，即同时为细菌和藻类提供其生长所必需的养分，通过“以藻促菌”实现周丛生物的快速成膜生长，并对改良成分的培养基进行了4~6倍的浓缩。最终获得的优化周丛生物培养基相比常规周丛生物培养基，既可以保证载体中的养分缓释过程，并能够缓释出充足浓度的养分供周丛生物生长所需，有效地促进稻田周丛生物的快速成膜，又能提高周丛生物中的生物多样性，且浓缩了4~6的周丛生物培养基降低了该技术推广应用的成膜成本并显著提高技术的有效性。以此诱导出的周丛生物不仅生长成膜速度快，在重金属防控方面的作用也更加显著。

作为一种优选的实施方式，在稻田泡田期、稻田撒施分蘖肥后、稻田撒施穗肥后三个时间节点在稻田中撒施人工载体，诱导稻田中周丛生物生长。

泡田期是周丛生物生长成膜的关键且常被忽视的时期。本发明将常规的在幼苗期第一次撒施载体拓展到在泡田撒施人工载体，可同时诱导泡田期与幼苗期周丛生物的生长，发挥这两个时期生长的周丛生物对重金属的阻控与拦截的作用。本发明中人工诱导的周丛生物能显著能够更加有效阻控重金属由土壤向上覆水中迁移，并可有效减少上覆水中重金属的浓度，减少稻田（包括土壤与上覆水）中重金属的迁移与污染传播风险。添加载体可诱导土著周丛生物的快速生长，人工诱导的周丛生物具有更强的土壤重金属阻断潜力，并且具有更大的重金属储存潜力，能够有效减少上覆水中重金属浓度，减少重金属扩散的风险。

作为一种优选的实施方式，在稻田泡田期撒施的人工载体多于撒施分蘖肥后和撒施穗肥后向稻田中撒施的人工载体。

作为一种优选的实施方式，

在稻田泡田期，向稻田中撒施25~35kg/ha的人工载体；

在撒施分蘖肥后，向稻田中撒施15~25kg/ha的人工载体；

在撒施穗肥后，向稻田中撒施15~25kg/ha的人工载体。

作为一种优选的实施方式，

在稻田泡田期，向稻田中撒施30 kg/ha人工载体；

在水稻分蘖肥后，向稻田中撒施20 kg/ha人工载体；

在水稻穗肥后，再次向稻田中撒施20 kg/ha人工载体。

作为一种优选的实施方式，所述球状载体直径为1~3 mm。

作为一种优选的实施方式，所述人工载体为包埋周丛生物培养基的海藻酸钠球状载体。

作为一种优选的实施方式，所述人工载体的制备方法为：

以周丛生物培养基作为溶剂，海藻酸钠为溶质配制海藻酸钠混合溶液；

将所述海藻酸钠混合液滴加至含Ca²⁺溶液中交联形成球状载体，即所述人工载体。

作为一种优选的实施方式，海藻酸钠混合溶液中海藻酸钠浓度为15~25g/L。

作为一种优选的实施方式，所述含Ca²⁺溶液为18~22 g/L CaCl₂溶液。

作为一种优选的实施方式，在100℃下加热搅拌溶解海藻酸钠粉末。

作为一种优选的实施方式，所述海藻酸钠混合液滴加至混合液5倍的CaCl₂溶液中。

作为一种优选的实施方式，所述海藻酸钠混合液滴加完毕后，继续固定交联18~24h。

作为一种优选的实施方式，交联反应及球状载体保存的温度为4~6 ℃。

本发明的方法用于典型重金属超标农区的稻田中使用。

本发明的方法操作方便，效果好，提供的人工载体制备方法方便简捷，人工载体的应用操作方法方便，类似于水稻生产过程中化肥的撒施过程，操作方法简便，其使用能显著阻控土壤中重金属向上覆水中的迁移，并减少上覆水中重金属的浓度，降低了典型重金属超标农区的稻田土壤中重金属的迁移与污染传播的风险。该生物技术源于稻田土著微生物，因此相对于引入外源材料而言，该技术具有极高的环境安全性。具体地，针对典型重金属超标农区稻田土壤环境背景值高，且其稻田土壤中重金属迁移潜力大的实际情况，我们需要构建基于高背景区稻田土壤精准阻控技术原理。通过在水稻生产的不同时期诱导稻田周丛生物的快速生长，过周丛生物的生长在稻田土水界面上形成一层“盖子”，阻控土壤中重金属向上覆水中的迁移，此外，通过周丛生物“库”的作用，从上覆水中储存重金属减少上覆水中重金属的浓度，最终减少典型重金属超标农区的稻田土壤中重金属的迁移与污染传播的风险。

附图说明

图1是本发明方法使用流程示意图。

图2是实验组与对照组中周丛生物中重金属(A: Cd; B: As)的含量。

图3是实验组与对照组中稻田土壤中重金属(A: Cd; B: As)的含量。

图4是实验组与对照组中稻田上覆水中重金属(A: Cd; B: As)的含量。

图5是实验组中在泡田期与幼苗期撒施载体诱导的稻田周丛生物生物量。

具体实施方式

实施例使用的稻田重金属阻控与消纳方法包括如下步骤：

称取硝酸钠7~8.5g，氯化钠 0.08~0.12g，葡萄糖 9~11 g，磷酸氢二钾0.15~0.25g，蛋白胨 9~11 g，七水硫酸镁0.36~0.40g， 酵母提取物 4~6 g，硅酸钠0.8~0.12g，柠檬酸 0.02~0.04g，四水氯化锰 0.008~0.01g，柠檬酸铁铵0.02~0.04g，硫酸锌 0.001~0.03g，溶解于1L稻田上覆水（或蒸馏水）中，制备出浓缩了4~6倍的周丛生物培养基。

将配置的体积为1L的周丛生物培养基作为溶剂，在100℃下加热且不断搅拌溶解15~25 g海藻酸钠粉末，制备出海藻酸钠浓度15~25g/L混合液；将冷却后的所述1 L海藻酸钠混合液采用蠕动泵以100 rpm的流速滴入体积为5L，18~22 g/L CaCl₂溶液（温度为 4~6℃）中交联形成直径为1~3 mm的球状载体，制备出的球状载体连同CaCl₂溶液一起置于温度为4~6 ℃的冰箱中固定交联18~24 h，之后取出球状载体保存于4~6 ℃冰箱中，待用。

在稻田泡田期向稻田中均匀撒施30kg/ha 的周丛生物生长诱导人工载体，诱导稻田中周丛生物的生长，此外，分别在分蘖肥和穗肥撒施后，向稻田中均匀撒施20 kg/ha的周丛生物生长诱导人工载体。

实施例1~5以江苏省句容市白兔镇白兔村的水稻田实验为例，说明本发明方法的应用效果。

在江苏省句容市白兔镇白兔村选择两块面积（均为10亩）相等的水稻田，两块水稻田施肥量相同。两块田块均在2021年6月8日进行泡田，2020年6月18日插入相同的秧苗，2020年6月28日施入分蘖肥，2020年7月8日施入穗肥。其中，试验田中分别于稻田灌水泡田后（2020年6月8日）立即向稻田中撒施30 kg/ha的人工载体以诱导周丛生物的生长，然后在2021年6月28日和2021年7月8日分别向稻田中均匀撒施人工载体20 kg/ha，对照田中不撒施人工载体。分别在6月11，6月18，6月25，7月2，7月9，7月16，7月23，7月30，8月6，8月13，8月20，8月27，9月3，9月10，9月17，9月24，10月1，10月8，10月15，10月22，以及10月29共20个时间点采集试验田与对照田中的周丛生物、土壤以及上覆水样品，测定其中的重金属含量并监测其中重金属的变化情况。

实施例1试验田与对照田中周丛生物样品中的Cd和As浓度变化情况比较

如图2所示，我们比较了不同采样时期周丛生物中Cd和As浓度与第一次采集的样品中的Cd和As浓度（默认为背景值），得出周丛生物中重金属与第一次采集的样品中的相应Cd和As浓度的变化情况。对于重金属Cd而言，实验组中人工诱导的周丛生物中Cd的平均变化量为0.12 mg/kg，而对照组中自然生长的周丛生物中Cd的平均变化量为0.05 mg/kg，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物中的Cd浓度增加了0.12 mg/kg，而自然生长的周丛生物中的Cd浓度仅增加了0.05 mg/kg，说明人工诱导的周丛生物（实验组）表现出比自然生长的周丛生物（对照组）表现出更大Cd富集潜力。对于As而言，实验组中人工诱导的周丛生物中As的平均变化量为5.1 mg/kg，而对照组中自然生长的周丛生物中As的平均变化量为4.2 mg/kg，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物中的As浓度增加了5.1 mg/kg，而自然生长的周丛生物中的As浓度仅增加了4.2 mg/kg，说明人工诱导的周丛生物（实验组）表现出比自然生长的周丛生物（对照组）表现出更大As富集潜力。

实施例2试验田与对照田中土壤中的Cd和As浓度变化情况比较

如图3所示，我们比较了不同时期采样的土壤中Cd和As浓度与第一次采集的样品中的Cd和As浓度（默认为背景值），得出土壤中重金属与第一次采集的样品中的相应Cd和As浓度的变化情况。对于重金属Cd而言，实验组中土壤中Cd的平均变化量为0.17 mg/kg，而对照组土壤中Cd的平均变化量为0.04 mg/kg，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物导致其土壤中的Cd浓度增加了0.17 mg/kg，而自然生长的周丛生物导致其土壤中的Cd浓度仅增加了0.04 mg/kg，这是由于周丛生物可将其从上覆水（易迁移与流失）中富集的Cd封存到土壤中，而人工诱导的周丛生物（实验组）表现出比自然生长的周丛生物（对照组）更大的Cd阻控与消纳潜力，其综合效果是人工诱导的周丛生物能更有效地将Cd封存在土壤中进而抑制稻田Cd的迁出。就重金属As而言，实验组中土壤中As的平均变化量为5.1 mg/kg，而对照组土壤中As的平均变化量为4.4 mg/kg，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物导致其土壤中的As浓度增加了5.1 mg/kg，而自然生长的周丛生物导致其土壤中的As浓度仅增加了4.4mg/kg，这是由于周丛生物可将其从上覆水（易迁移与流失）中富集的As封存到土壤中，而人工诱导的周丛生物（实验组）表现出比自然生长的周丛生物（对照组）更大的As阻控与消纳潜力，其综合效果是人工诱导的周丛生物能更有效地将As封存在土壤中进而抑制稻田As的迁出。实验组与对照组相比，增加的Cd与As主要是来自于周丛生物从上覆水等富集的Cd与As，这部分富集在周丛生物中的重金属被周丛生物所钝化，不会对水稻生产产生不良影响，反而起到了抑制稻田Cd与As迁出的作用。

实施例3试验田与对照田中上覆水中的Cd和As浓度变化情况比较

如图4所示，我们比较了不同时期采样的上覆水中Cd和As浓度与第一次采集的样品中的Cd和As浓度（默认为背景值），得出上覆水中重金属与第一次采集的样品中的相应Cd和As浓度的变化情况。对于重金属Cd而言，实验组上覆水中Cd的平均变化量为-0.48 mg/L，而对照组上覆水中Cd的平均变化量为0.003 mg/L，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物导致其上覆水中的Cd浓度降低了0.48 mg/L，而自然生长的周丛生物导致其上覆水中的Cd浓度增加了0.003 mg/L，说明人工诱导的周丛生物（实验组）能够通过Cd富集减少其上覆水中的Cd浓度，而自然生长的周丛生物则会向上覆水中释放一定的Cd，由此可见，人工诱导周丛生物具有更强的上覆水Cd消纳能力。对于As而言，对于重金属As而言，实验组中上覆水中As的平均变化量为-4.8 mg/L，而对照组上覆水中As的平均变化量为1.5 mg/L，换言之，与背景值比人工诱导的周丛生物导致其上覆水中的As浓度降低了4.8 mg/L，而自然生长的周丛生物导致其上覆水中的As浓度增加了1.5 mg/L，说明人工诱导的周丛生物（实验组）能够通过As富集减少其上覆水中的As浓度，而自然生长的周丛生物则会向上覆水中释放一定的As，由此可见，人工诱导周丛生物具有更强的上覆水As消纳能力。

实施例4 在泡田期与幼苗期撒施载体诱导的稻田周丛生物生物量研究

本实施例对比了在不同时期第一次撒施人工载体诱导稻田周丛生物生长的生物量区别。

如图5所示，分别在幼苗期和泡田期第一次撒施人工载体，且诱导时间均为泡田期到幼苗期的时间长度。相同诱导时间长度内，第一次撒施人工载体的时间节点为幼苗期，诱导的周丛生物的生物量为901.1±45.1 kg/ha，而第一次撒施人工载体的时间节点为泡田期，诱导的周丛生物的生物量为1979.4±98.9 kg/ha。由此可见，将载体第一次撒施时间提前至泡田期能有显著增加稻田周丛生物的生物量。由于泡田期水分充足且易于周边环境发生水质交换，而泡田期显著改变了原有土壤的外在环境，如氧化还原电位等，进而改变了重金属的形态，增加了重金属的迁移风险。而该时期同时也是周丛生物快速生长的第一个阶段，但该阶段生长的周丛生物往往未引起人们的充分重视，因此在泡田期有望成为阻控与拦截稻田重金属迁移的关键时间节点，而在该时期诱导周丛生物的快速成膜，可更加有效地阻控与拦截稻田重金属迁移。

实施例5 海藻酸钠载体在稻田中的存留时间及其对稻田重金属的影响

由于海藻酸钠载体也属于具备重金属脱除的能力，因此我们进行了海藻酸钠载体检测试验，以分析实验组中海藻酸钠载体是否可能辅助周丛生物产生额外的重金属阻控/消纳效果。

我们检测了撒施的海藻酸钠载体在稻田中的存留时间，结果发现，本发明制备的海藻酸钠载体在养分的释放过程中逐渐溶解，最多停留时间为20-30天。因此，即使海藻酸钠载体本身具备一定的吸附重金属的潜力，其吸附的重金属也会随着载体本身的溶解而重新释放出来，因此，本发明中海藻酸钠载体仅作为包埋剂为周丛生物的生长缓释营养物质，而不作为重金属钝化或者吸附材料，因此本发明不考虑海藻酸钠载体小球对稻田重金属的吸附效果，重金属阻控/消纳效果是由人工诱导的周丛生物本身带来的。

Claims (7)

1.基于周丛生物的稻田重金属阻控与消纳方法，其特征在于，包括：

在稻田泡田期、稻田撒施分蘖肥后、稻田撒施穗肥后三个时间节点在稻田中撒施人工载体，诱导稻田中周丛生物生长；

其中，所述人工载体为包埋周丛生物培养基的球状载体；所述人工载体的制备方法为：

以周丛生物培养基作为溶剂，海藻酸钠为溶质配制海藻酸钠混合溶液；

将所述海藻酸钠混合液滴加至含Ca²⁺溶液中交联形成球状载体，即所述人工载体；

所述周丛生物培养基的成分为：硝酸钠7~8.5g，氯化钠 0.08~0.12g，葡萄糖 9~11 g，磷酸氢二钾0.15~0.25g，蛋白胨 9~11 g，七水硫酸镁0.36~0.40g， 酵母提取物4~6 g，硅酸钠 0.8~0.12g，柠檬酸 0.02~0.04g，四水氯化锰 0.008~0.01g，柠檬酸铁铵0.02~0.04g，硫酸锌 0.001~0.03g，溶剂为1L稻田上覆水或蒸馏水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在稻田泡田期撒施的人工载体多于撒施分蘖肥后和撒施穗肥后向稻田中撒施的人工载体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在稻田泡田期，向稻田中撒施25~35kg/ha的人工载体；

在撒施分蘖肥后，向稻田中撒施15~25kg/ha的人工载体；

在撒施穗肥后，向稻田中撒施15~25kg/ha的人工载体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在稻田泡田期，向稻田中撒施30kg/ha的人工载体；

在撒施分蘖肥后，向稻田中撒施20kg/ha的人工载体；

在撒施穗肥后，向稻田中撒施20kg/ha的人工载体。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球状载体直径为1~3 mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，海藻酸钠混合溶液中海藻酸钠浓度为15~25g/L。

7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含Ca²⁺溶液为18~22 g/L CaCl₂溶液。