CN115417418B - 一种微生物改性凹凸棒矿石粉及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微生物改性凹凸棒矿石粉及其制备方法和应用，所述微生物改性凹凸棒矿石粉通过已经堆肥腐熟的有机辅料与凹凸棒矿石粉混合，加入含有球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌的复合微生物菌群进行发酵，得到改性凹凸棒矿石粉；本发明的改性凹凸棒矿石粉制备过程简单、对环境友好，可显著提高植物地上、地下生物量，促进植物生长，提高了对土壤重金属的吸附能力，可广泛应用于农业种植领域、重金属吸附领域中。

Description

一种微生物改性凹凸棒矿石粉及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于农业种植技术领域，具体涉及一种微生物改性凹凸棒矿石粉及其制备方法和应用。

背景技术

凹凸棒矿石是一种含水镁铝硅酸盐材料，具有独特的链层状纤维结构及较高的吸附能力，被广泛应用于化工、农业、建材、铸造、环保及制药等领域，有“万用之土”等美称。但因其形成地形条件存在，导致其杂质含量及性质相差较大，若要得到纯度高且性能优良的凹凸棒矿石，需要对其进行改性。

目前，凹凸棒矿石改性方法主要有酸改性、热改性、有机改性。热改性是凹凸棒矿石作为吸附剂、催化剂、脱色剂必要的处理手段，热改性处理存在温度临界点，合适的温度提高比表面积、增强吸附能力，温度过高会导致内部烧结。酸改性较多采用硫酸和盐酸，酸改性后一般会使凹凸棒矿石孔数目增加，比表面积增大，阳离子可交换性能增大，虽然酸处理对凹凸棒矿石吸附性性能有一定的提高，但处理程序复杂且对环境不友好。有机改性方法主要是利用改性剂，如表面活性剂或偶联剂加以搅拌，辅以超声方法对凹凸棒矿石进行改性。目前也有利用微生物发酵法进行凹凸棒矿石改性的方法，本质上属于有机改性范畴，例如申请号为201710290212.1的中国专利公开了“一种利用生物发酵法对凹凸棒进行改性的方法”，其先用微生物发酵污泥，再将发酵污泥与凹凸棒矿石一起堆肥发酵，改性后凹凸棒的吸附性有所提高，但整个发酵进程周期过长，未对凹凸棒矿石性能全方面的提高；中国专利CN201610079859.5公开了“一种利用秸秆和凹凸棒土发酵制备水产养殖/作物种植生物有机肥的制备方法”，该有机肥包括秸秆粉碎的原料、添加营养元素Ⅰ、营养元素Ⅱ、负载复合菌剂的改性凹凸棒石黏土，进行通风发酵3～6周，干燥造粒得到种植/养殖生物有机肥，另外该负载复合菌剂的改性凹凸棒矿石还经过酸改性、高温煅烧等步骤处理得到，该发明制备的改性凹凸棒矿石过程复杂，产生大量对环境污染的废料，同时获得的改性凹凸棒矿石对有机肥的促进效果并不理想，仍需添加部分营养元素。

综上所述，基于目前现有技术中对凹凸棒矿石/粉改性的方法并不理想，开发一种高效、简单且对环境友好的凹凸棒矿石改性方法，对于有机肥、复合土壤应用于农业种植领域有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微生物改性凹凸棒矿石粉及其制备方法和应用，本发明的改性凹凸棒矿石粉采用微生物发酵改性，并通过对发酵微生物菌群进行了筛选、发酵条件优化，得到了一种性能优良的改性凹凸棒矿石粉，可促进植株生物量增长、调整土壤pH，并具有吸附土壤重金属离子的能力。

第一方面，本发明提供了一种微生物改性凹凸棒矿石粉的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、选择已经堆肥腐熟的有机辅料，控制有机辅料水分，然后经粉碎过筛；

S2、将凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料搅拌充分混合，控制混合物水分；

S3、将复合微生物菌群加入步骤S2混合物中进行发酵，发酵期间保持通风供氧，发酵得到改性凹凸棒矿石粉。

进一步地，所述步骤S1中控制有机辅料水分质量百分数为10～15％；

进一步地，所述步骤S1中粉碎过100～300目筛，优选为200目筛；

进一步地，所述步骤S2中凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料按质量比为5～20:1进行混合，优选为5:1；

进一步地，所述步骤S2中控制混合物水分质量百分数为30～35％；

进一步地，所述步骤S1、S2中水分控制采用通风、烘干或组合式控制方法；

进一步地，所述步骤S3中发酵时间为持续5-7天；

进一步地，所述步骤S3中复合微生物菌群的添加量为发酵物总质量的0.5～3％，优选为1％；

进一步地，所述步骤S3中复合微生物菌群包含球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌中的一种或几种；

进一步地，所述步骤S3中复合微生物菌群包含的球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌质量份数比为(0～45):(0～55):(0～45):(0～65):(0～35)。

第二方面，本发明还提供了一种通过微生物改性凹凸棒矿石粉的制备方法得到的改性凹凸棒粉。

第三方面，发明还提供了一种复合土壤，按质量百分数计，所述复合土壤包括改性凹凸棒矿石粉1％～45％和土壤55％～99％；

进一步地，所述改性凹凸棒矿石粉由如下制备方法获得：

S1、选择已经堆肥腐熟的有机辅料，控制有机辅料水分，然后经粉碎过筛；

S2、将凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料搅拌充分混合，控制混合物水分；

S3、将复合微生物菌群加入步骤S2混合物中进行发酵，发酵期间保持通风供氧，发酵得到改性凹凸棒矿石粉。

进一步地，所述土壤包括但不限于无菌土壤。

第四方面，本发明还提供了所述的改性凹凸棒矿石粉及其复合土壤在农业种植领域中的应用。

第五方面，本发明还提供了所述的改性凹凸棒矿石粉在重金属吸附领域中的应用。

需要说明的是，本发明制备的所述改性凹凸棒矿石粉的应用领域不局限于农业种植、重金属吸附等领域。

本发明所使用的凹凸棒矿石粉购买自甘肃昊地矿业开采有限公司，甘肃凹凸棒矿石粉属于湖海沉积岩型，可称为“混维凹凸棒石”，其工业提纯难度大，成本高，但价格便宜，其中微量元素含量丰富，适于做农业的开发。但是天然的凹凸棒石粉吸附污染物的选择性及其产物的稳定性均不够强，克服天然凹凸棒石的这些缺陷需要对其进行改性，改性使凹凸棒石各结构中的电荷得到变换，从而通过带电性的改变而改变凹凸棒石粉对不同物质的吸附性。

本发明利用微生物发酵法对凹凸棒矿石粉进行改性，通过筛选合适的复合菌群，并利用该菌群及其发酵产物与凹凸棒矿石粉发生有机或无机的离子置换，在减少成本的同时达到凹凸棒矿石粉改性的目的。

本发明选用的复合微生物菌群包含的球拟假丝酵母(Candida bombicolaATCC22214)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ACCC 19742)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum CICC 22704)、里氏木霉(Trichoderma reesei CICC 2626)、纺锤芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis BNCC195624)，其中球拟假丝酵母(Candidabombicola ATCC22214)，最适生长温度为28-37℃，其可产槐糖脂，槐糖脂作为常规表面活性剂具有的增溶、分散、降低表面张力等通用性能，且其耐高温、耐高盐、适应pH范围广及对环境友好等特性，将槐糖脂用于农业生产，可使肥料缓释，增肥增效，农药乳化减量、改良土壤、并且也可抑制致腐菌；枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ACCC 19742)可分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等多种酶系，具有较强的分解能力。发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentumCICC 22704)能分解糖类物质，具有良好的抗氧化及耐高温性能，具有溶磷、释钾和固氮功能，同时能在生长繁殖过程中产生有机酸、氨基酸、多糖、激素等有利于植物吸收和利用的物质。里氏木霉(Trichoderma reesei CICC 2626)产纤维素酶等多种水解酶类。纺锤芽孢杆菌(Candida bombicola ATCC22214)可产脲酶菌株。不同属微生物之间产生的酶和代谢的有机物种类不尽相同，本发明采用多种菌种协同发酵，提高了凹凸棒矿石粉改性速度及品质。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的改性凹凸棒矿石粉制备过程简单、对环境友好，具有改善土壤环境，显著提高植物地上、地下生物量，促进植物生长；

(2)本发明的改性凹凸棒矿石粉显著提高了对土壤重金属的吸附能力，对Cd²⁺、Pb^{2 +}、Cu²⁺和Ni⁺去除效率均有显著的提高，改性后凹凸棒矿石粉对Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺和Ni⁺去除效率相比不改性的凹凸棒矿石粉分别提高约16％、13％、9％和11％，相比现有技术中采用有机试剂和微生物菌群复合改性凹凸棒矿石粉，本发明采用的微生物复合菌群改性过程简单，效果更好。

具体实施方式

本发明下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用化学试剂，均为市售产品。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。

本发明的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下实施例对本发明做进一步的描述，但该实施例并非用于限制本发明的保护范围。

实施例1凹凸棒矿石粉改性

本实施例的凹凸棒矿石粉改性步骤具体如下：

S1、选择秸秆等已经进行堆肥腐熟的有机辅料，通风控制其水分在12％，后经粉碎过200目筛；

S2、将凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料以质量比20:1进行充分搅拌混合，通风控制混合物含水量在30％；

S3、将含有球拟假丝酵母(Candida bombicola ATCC22214)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ACCC 19742)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum CICC22704)、里氏木霉(Trichoderma reesei CICC 2626)、纺锤芽孢杆菌(Lysinibacillusfusiformis BNCC195624)的复合微生物菌群加入步骤S2混合物中进行发酵，复合微生物菌群添加量为发酵物总质量的1％，发酵期间保持通风供氧，发酵持续7天，得到改性凹凸棒矿石粉。

复合微生物菌群的筛选依据为：(1)对土壤及作物不产生有害因素；(2)不同菌株之间不存在相互竞争或拮抗关系；(3)代谢产物，如酶类具有协同作用；具体采用表1中的菌种组合：

表1：复合微生物菌群添加量(重量份)

试验例一、盆栽效果实验1

将容器为容量1L塑料花盆，底部覆无纺布，用75％酒精常规消毒，将改性凹凸棒矿石粉与无菌土壤混合得到混合土壤，其中混合土壤中的改性凹凸矿石棒粉质量分数为8％，将所述的混合土壤样品装入花盆，浇透水。将供试生菜的种子用75％酒精消毒2分钟，然后用蒸馏水彻底冲洗干净后播种于盛有混合土壤的花盆中，覆1cm混合土壤。然后移入光照培养箱中培养，温度设定为25℃，定期浇适量水，待幼苗发芽后每盆留1株幼苗，以不添加凹凸棒矿石粉的土壤为空白对照组ck，以不进行发酵改性的凹凸棒矿石粉为阴性对照组1。空白对照组ck、阴性对照组1与8组处理组(添加改性凹凸棒矿石粉的土壤，即实施例1编号1～8)各50盆，期间观察植株生病及生长情况，并对其进行统计，待生长至45天后，对存活植株进行株高测量，将地上部和地下部分对应分开，结果如表2所示。

表2：凹凸棒矿石粉对土壤pH、生菜生长的影响

由表2数据显示，对比阴性对照组1(添加未改性的凹凸棒矿石粉的土壤)、处理组(添加菌种发酵改性的凹凸棒矿石粉的土壤)以及对照组ck(不添加凹凸棒矿石粉的土壤)，处理组(编号2～8)的生菜地上高于阴性对照组1，处理组(编号1～8)地下生物量高于阴性对照组1，阴性对照组1相比对照组ck的生菜生物量仍然有一定的增加，说明凹凸棒矿石粉不进行发酵也会对植株生物量起到促进作用，但添加改性凹凸棒矿石粉的混合土壤培养的生菜地上生物量与ck的差距更显著，表明本发明改性凹凸棒矿石粉显著提高了凹凸棒矿石粉对植物的促生长作用。

同时，由处理组(编号1～8)数据可看出，编号3～5培养的生菜叶片数和地上、地下生物量没有明显差距，但相比编号1～2、6～8在促植物生长效果上仍有明显提高，表明本发明的以球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌组成的复合微生物菌群对凹凸棒矿石粉改性效果显著。

另外，凹凸棒矿石粉对土壤pH具有一定的缓冲作用，空白土壤偏酸性，pH为6.15，混合不改性凹凸棒后的土壤pH升高0.35个单位，混合改性凹凸棒后的土壤pHk可升高0.48个单位，改性凹凸棒矿石粉对土壤的影响是较长久的改变，改性凹凸棒矿石粉可对土壤的理化性质产生长久的影响，可调节土壤pH，疏松板结地，保水保肥，抗病虫害，促生根，且可固化重金属，有利于改善了植株生长的土壤环，增加植株产量，提高品质。

对比例1不同微生物菌群改性凹凸棒矿石粉对植物生长的影响与实施例1的制备方法相同，区别在于本对比例1采用表3中的3组不同微生物菌群进行发酵，其对凹凸棒矿石改性效果如表4所示：

表3：复合微生物菌群添加比例(重量份)

表3中所用的菌株为：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ACCC 19742)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum CICC 22704)、黑曲霉(Aspergillus niger CGMCC3.17612)，球拟假丝酵母(Candida bombicola ATCC22214)。

表4：不同微生物菌群改性凹凸棒矿石粉对土壤pH、生菜生长的影响

由表4结果与试验例一中表2结果对比可知，不同复合微生物菌群对植株的生长有显著的影响，其中表4中的三组对比组植株的生产情况显著低于试验例一中的编号3～5，表明本发明的以球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌组成的复合微生物菌群对凹凸棒矿石粉有显著的改性能力。

试验例二、盆栽效果实验2

选择实施例1中编号3的复合微生物菌群，选择最佳菌种组合：枯草芽孢杆菌35份、发酵乳杆菌32份、里氏木霉30份、球拟假丝酵母25份、纺锤芽孢杆菌8份，改性凹凸棒矿石粉的制备方法同实施例1，区别在于调整步骤S2中凹凸棒矿石粉与有机辅料的质量混合比例，在控制混合物总重量相同的情况下，凹凸棒矿石粉与有机辅料质量比分别以20:1、10:1、5:1进行混合，进一步进行生菜盆栽实验，具体方法同试验例一，得到的结果见表5；

表5：凹凸棒矿石粉与有机辅料混合比例对生菜生长的影响

由表5结果显示，凹凸棒矿石粉与有机辅料质量比为5:1时效果最好。随着混合物中有机辅料含量的增加，生菜不论是地上生物量还是地下生物量均有提高，但其地下生物量的增加随有机辅料的增加并不显著，结果表明，改性凹凸棒矿石粉是通过对植物地下根系的促进从而促进了整个植株的生物量的增加，但其需要有机辅料加以辅助共同促进植株生长。

试验例三、改性凹凸棒矿石粉对土壤重金属离子吸附能力研究

选择试验例二2中凹凸棒矿石粉与有机辅料质量5：1制备得到的凹凸棒矿石粉对土壤重金属离子吸附能力进行测试，具体步骤如下：

称取2g改性凹凸棒矿石粉置于50ml烧杯中，设置平行五组，分别加入20ml浓度为2g/L的Cd²⁺溶液，用0.1molHCl和0.1mol NaOH调节pH为5.5，在恒温振荡器上控制温度为25℃、160r/min震荡24h，静置一段时间后8000rpm离心10min，取上清过0.45μm的滤膜，测定Cd²⁺的浓度，以不添加改性凹凸棒矿石粉为空白对照组ck，添加未改性的凹凸棒矿石粉为阴性对照组，添加改性凹凸棒矿石粉为实验组，使用同样的方法测定Pb²⁺、Cu²⁺、Ni⁺的去除效率。结果如表6所示；

表6：改性凹凸棒矿石粉对土壤重金属离子去除能力

由表6结果可知，本发明的改性凹凸棒矿石粉显著提高了对土壤重金属的吸附能力，对Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺和Ni⁺去除效率均有显著的提高。

需要说明的是，本说明书中描述的具体特征、结构、材料或者特点可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合和组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种微生物改性凹凸棒矿石粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选择已经堆肥腐熟的有机辅料，控制有机辅料水分质量百分数为12％，然后经粉碎过筛；

S2、将凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料按质量比为5:1进行混合搅拌充分混合，控制混合物水分质量百分数为30％；

S3、将含有质量份数比为(30～40):(20～32):(15～30):(15～25):(8～35)的球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌的复合微生物菌群加入步骤S2混合物中进行发酵，得到改性凹凸棒矿石粉，所述复合微生物菌群的添加量为发酵物总质量的1％。

2.根据权利要求1所述微生物改性凹凸棒矿石粉的制备方法得到的改性凹凸棒矿石粉。

3.一种包含权利要求2所述的改性凹凸棒矿石粉的复合土壤，其特征在于，按质量百分数计，所述复合土壤包括改性凹凸棒矿石粉1％～45％和土壤55％～99％。

4.根据权利要求3所述的改性凹凸棒矿石粉的复合土壤，其特征在于，所述改性凹凸棒矿石粉由以下制备方法得到：

S1、选择已经堆肥腐熟的有机辅料，控制有机辅料水分，然后经粉碎过筛；

S2、将凹凸棒矿石粉与步骤S1过筛后的有机辅料搅拌充分混合，控制混合物水分；

S3、将含有球拟假丝酵母、枯草芽孢杆菌、发酵乳杆菌、里氏木霉、纺锤芽孢杆菌的复合微生物菌群加入步骤S2混合物中进行发酵，得到改性凹凸棒矿石粉。

5.根据权利要求2所述的改性凹凸棒矿石粉在农业种植领域的应用。