CN115568400B - 一种菌藻共生种植基及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种菌藻共生种植基及其制备方法和应用。本发明研制的产品包括20‑30份粘合剂黄土，15‑20份固化剂硅酸盐水泥，1‑2份功能细菌，1‑2份微藻孢子；其中，所述功能细菌选自硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化细菌、硫氧化细菌中的一种或多种；所述微藻孢子选自鱼腥藻、聚球藻、川蔓藻中的一种或多种。制备时，包括将混合均匀后的原料上机压制成规格为长轴长：短轴长为1.5:1‑2.5:1的椭球形；将压制成型的种植基送入养护室进行养护3‑4d至表面硬结固化，得到菌藻共生种植基。应用时，包括将所述菌藻共生种植基铺设于河道，待铺设完成后，向铺设区域种植耐污沉水植物。

Description

一种菌藻共生种植基及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环保技术领域。更具体地，涉及一种菌藻共生种植基及其制备方法和应用。

背景技术

河湖底泥汇集了人们在生产和生活中产生的包括氮磷营养盐、含硫化合物和有机污染物在内的大量污染物，底泥污染已经逐渐成为水生态修复中的突出问题，因此如何有效控制底泥中氮磷营养盐、含硫化合物和有机污染物的释放则成为改善河流湖泊污染问题的关键所在。

底泥修复技术主要包括异位修复和原位修复。异位修复的主要缺点是工程量大、费用高、破坏水底生态系统。原位修复主要通过抑制氮磷营养盐、含硫化合物和有机污染物的释放而起到净化水体的作用，对水体和底泥的干扰程度较小，通常不会对底泥生态环境造成破坏，是当前研究的热点问题。

目前报道的一些通过抑制底泥污染物释放修复底泥污染的专利中也还存在一些不足，如中国专利CN101830534A公开了一种天然沸石直接吸附湖泊河流水库污染元素的物理治理方法，该方法沸石的吸附量有限，无法长期稳定控制污染底泥内源释放。中国专利CN111533395A公开了一种污染河道底泥的基底改良材料及制备方法，该方法在底泥中加入改性生物炭进行污染物质释放控制，该方法制备改性生物炭需将毛竹送入燃烧炉烧制，产生大量烟尘，对环境造成污染。因此，开发一种可以持续稳定控制污染底泥内源释放，并且生态环保的种植基具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前污染底泥污染物释放控制不稳定，减量化、资源化程度低，生态改造效果差的问题，提供一种菌藻共生种植基及其制备方法和应用。

本发明的目的是提供一种菌藻共生种植基。

本发明另一目的是提供一种菌藻共生种植基的制备方法。

本发明另一目的是提供一种菌藻共生种植基的应用方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种菌藻共生种植基，包括以下重量份数的原料：

20-30份粘合剂黄土，15-20份固化剂硅酸盐水泥，1-2份功能细菌，1-2份微藻孢子；

其中，所述功能细菌选自硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化细菌、硫氧细菌中的一种或多种；

所述微藻孢子选自鱼腥藻、聚球藻、川蔓藻中的一种或多种。

黄土的粘性主要来自于颗粒之间产生的粘聚力，从而使黄土能够作为粘结剂将各原料粘合在一起，硅酸盐水泥的加入使得种植基结构更加致密紧实；将种植基使用时投入水中后，黄土和硅酸盐水泥都会一定程度上吸收河道中的水分，黄土吸水后，给颗粒之间提供了润滑，表现为内摩擦角有一定程度的减小，有利于种植基内外之间进行传质，而混凝土的存在则保持骨架整体形状稳定，尤其是避免前期骨架坍塌粉化，如此，在实际使用过程中，分散于孔道中的功能细菌和微藻孢子可以顺利的生长，并且在润滑之后的孔隙中扩散渗透。

微藻和功能细菌共生体是一个物种丰富、相互作用复杂的群落，微藻通过提供O₂和有机碳来维持细菌的生命活动，功能细菌则通过提供无机C、P供藻类生长利用，释放CO₂促进藻类光合作用，二者属于共生关系。

特定的微藻物种和功能细菌可进行污染物质的吸收转化，如丝状微藻具有较高氮磷吸收率，枝状藻和聚磷酸盐累积细菌，能够有氧吸收大量磷，并将其储存为细胞内多磷酸盐。微藻和功能细菌之间的生物协同作用也在污染物去除能力中发挥着关键作用，包括厌氧氨氧化、硝化和反硝化过程。

厌氧氨氧化以厌氧氨氧化菌为主要功能菌群，以氨氮作为电子供体，亚硝酸盐作为电子受体，将两者还原为氮气，其化学计量式如下：

NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO₃ ^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

硝化作用是通过氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)将氨氧化为亚硝酸盐，利用亚硝酸盐氧化细菌(NOB)将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，可为微藻提供无机氮，其化学计量式如下：

2NH₄ ⁺+3O₂→2NO₂ ^-+4H⁺

2NO₂ ^-+O₂→2NO₃ ^-

反硝化是在环境中没有O₂的情况下，通过反硝化细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，然后还原为N₂释放，其化学计量式如下：

C₆H₁₂O₆+12NO₃ ^-→6H₂O+6CO₂+12NO₂ ^-+能量

5CH₃COOH+8NO₃ ^-→6H₂O+10CO₂+4N₂+8OH^-+能量

人工接种和种植基定殖是获得附着微藻菌群的主要机制，在存在光合有效辐射和必需营养素的情况下，菌藻共生联合体通过分泌胞外聚合物(EPS)形成巨大的网状结构将藻类和细菌固定在一起，可在浸入水中的表面粗糙材料表面上以及润滑后的孔道内部形成内外连续的生物膜，进一步强化种植基的整体结构，保持其形状稳定。

进一步的，还包括黄土质量0.1-0.15倍的海藻酸钠。

进一步的，还包括黄土质量0.1-0.15倍的沸石，以及黄土质量0.05-0.08倍的造孔剂。

进一步的，所述造孔剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乳化剂OP-10、吐温-60、斯潘-80中的任意一种。

通过造孔剂的引入，可以在产品制造过程中，获得孔隙率较为丰富的产品，从而有利于产品初期水分顺利进入内部。

进一步的，还包括固化剂硅酸盐水泥质量0.03-0.06倍的草酸。

一种菌藻共生种植基的制备方法，具体制备步骤包括：

S1：原料混合

按原料组成称量各组分，再将所得原料混合均匀；

S2：压制成型

将混合均匀后的原料上机压制成规格为长轴长：短轴长为1.5:1-2.5:1的椭球形；

S3：人工养护

将压制成型的种植基送入养护室进行养护3-4d至表面硬结固化，得到菌藻共生种植基。

进一步的，具体制备步骤还包括：

在所述S1步骤的原料混合过程中，先将海藻酸钠和水混合溶胀后，加热搅拌溶解，待降至室温后，再加入草酸、功能细菌和微藻孢子，搅拌混合均匀后，得分散液，再将所得分散液与其他组分进行混合。

通过先将海藻酸钠和草酸、功能细菌以及微藻孢子混合，在此过程中，在海藻酸钠的作用下，可以尽可能的将草酸、功能细菌以及微藻孢子进行保护，避免碱性的水泥直接对功能细菌和微藻孢子造成不良影响，从而影响实际使用过程中，功能细菌和微藻孢子的繁殖；并且，在海藻酸钠的作用下，可以给产品制造过程中提供一定的水分保持效果，从而有利于内部水泥的充分水化，避免水泥未完全水化而残留较多的碱性氢氧化钙，在实际产品存储和使用过程中，残留的碱性氢氧化钙对细菌和微藻孢子活性造成不良影响。

进一步的，具体制备步骤还包括：

将所得分散液分为质量比为7：3-9：1的两部分，质量多的一部分为A部分，质量少的一部分为B部分；

将A部分在所述S1步骤的原料混合过程中，与其他组分进行混合；

在所述S2步骤的压制成型后，将B部分涂布于压制成型的种植基表面，随后再进行所述S3的人工养护步骤。

通过将分散液分为两个部分，如此，可以使得表面涂布的部分可以在应用过程中，有限激活并成膜，尽早维持种植基形状稳定，如此，可以避免前期由于细菌或微藻孢子的激活和繁殖速度过慢引起种植基的溃散。

一种菌藻共生种植基的应用方法，具体应用步骤包括：

将所述菌藻共生种植基铺设于河道，待铺设完成后，向铺设区域种植耐污沉水植物。

进一步的，所述种植耐污沉水植物包括：调控种植密度为5000-7500株/㎡；所述耐污沉水植物选自苦草、灯芯草、莎草中的一种或多种。

附图说明

图1为种植基吸收转化污染物物质原理机制图。

图2为种植基修复水生态系统上覆水化学指标变化图，A～D分别为水体TOC、氨氮、总氮、总磷浓度变化情况。

图3为种植基化学指标变化图，A～F分别为种植基TOC、氨氮、总氮、总磷、AVS、VS含量变化情况。

图4为实际种植操作示意图。

图5为种植基菌藻共生层的电镜图像。

图6-8为种植基菌藻物种组成情况。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1：抗压、抗冲刷能力试验

调节种植基原料中黄土、硅酸盐水泥的质量分数比例，使其具有一定机械强度，以抵抗自然环境下水体的压力和冲刷力。具体步骤如下：

S1：分组试验。种植基按照表1中组分的不同分为8组，原料配比情况见表1；

S2：搅拌压制。根据表1原料配比情况，分别将8个组别的原料混合均匀，先将海藻酸钠和水混合溶胀后，加热搅拌溶解，待降至室温后，再加入草酸、功能细菌和微藻孢子，搅拌混合均匀后，得分散液，将所得分散液分为质量比为7：3-9：1的两部分，质量多的一部分为A部分，质量少的一部分为B部分；将A部分在与其他组分进行混合，上机压制成型，规格为长轴长：短轴长为1.5:1-2.5:1的椭球形，预制种植基直径约为7-10cm，随后将B部分涂布于压制成型的种植基表面；

S3：养护处理。压制成型的种植基放入标准养护室养护3-4d左右，至表面固结硬化。

S4：实际测试。进行为期90d的标准养护室养护实验，分别在7d、14d、28d、56d、90d进行抗压强度测试，筛选抗压强度符合自然水力条件的种植基进行抗冲刷试验。预制种植基单层、双层、三层码放，高度分别为7-10cm、14-17cm、22-25cm；水深50cm左右；流速梯度0.1-1.2m/s；

标准养护室空气湿度大于95％的养护条件下，组别1抗压强度偏低且上升最为缓慢，其余组别抗压强度均高于阻别1。14d时，组别2、3、4、5、6、7的种植基组别抗压强度大于0.5MPa，足以抵抗自然水体压力。90d时，组别2、3、4性状仍然保持稳定，其抗压强度仍然保持在0.5MPa以上，足以抵抗自然水体压力。

当水流流速达到0.9m/s时，60％以上双层、三层码放的顶层底泥块摆动，极少数发生滚动，流速达到1.0m/s时，约10％双层、三层码放的顶层底泥块滚动，流速达到1.1m/s时，约50％双层、三层码放的顶层底泥块滚动，带动其他底层底泥块滚动。综上，认为预制底泥块的抗冲流速为0.9m/s，足以抵抗自然水流冲刷力。

实施例2：污染物质释放试验

具体实施步骤为：

S1:物料混合。原料组成及分组配比情况见表1；

S2:搅拌压制。根据表1原料配比情况，分别将1-4四个组别的原料混合均匀，先将海藻酸钠和水混合溶胀后，加热搅拌溶解，待降至室温后，再加入草酸、功能细菌和微藻孢子，搅拌混合均匀后，得分散液，将所得分散液分为质量比为7：3-9：1的两部分，质量多的一部分为A部分，质量少的一部分为B部分；将A部分在与其他组分进行混合，上机压制成型，规格为长轴长：短轴长为1.5:1-2.5:1的椭球形，预制种植基直径约为7-10cm，随后将B部分涂布于压制成型的种植基表面；

S3：养护处理。压制成型的种植基放入标准养护室养护3-4d左右，至表面固结硬化。

S4：制作试验水箱。水箱规格54×42×30cm，箱底撒入3-4cm河沙，养护好的种植基8kg平铺于河沙上，向实验水箱中加入40L自来水；

S5：监测上覆水、种植基中氮磷营养盐、含硫化合物和有机污染物等指标变化的变化情况，用以表征种植基污染物向水体释放的速率。

如图2所示，在2、3、4组(种植基原料含硅酸盐水泥)中，上覆水TOC、氨氮、总氮、总磷浓度远低于1组(种植基原料不含硅酸盐水泥)，且随着硅酸盐水泥含量的升高，缓释作用越强，相同时期内，种植基上覆水TOC、氨氮、总氮、总磷浓度最低分别仅为空白对照组上覆水TOC、氨氮、总氮、总磷浓度的60.9％、50％、46.3％、15.1％。

如图3所示，1组(种植基原料不含硅酸盐水泥)种植基中TOC、氨氮、总氮、总磷、硫化物、AVS含量均低于2、3、4组(种植基原料含硅酸盐水泥)，且缓释作用的效果随着硅酸盐水泥含量的升高而增强，相同时期内，空白对照组中TOC、氨氮、总氮、总磷、硫化物、AVS含量最低分别仅为种植基中TOC、氨氮、总氮、总磷、硫化物、AVS含量的25％、42.8％、62.5％、58.3％、20％、55.6％。

综上表明种植基中硅酸盐水泥的添加，使得种植基对污染物的缓释作用明显增强，降低了氮磷营养盐、含硫化合物和有机污染物向水体中释放的速率，使水体黑臭问题的内源因素得到有效控制，为生态系统的再建立提供了基础条件。

实施例3：种植基在河湖生态修复中的应用

具体实施步骤：

S1：选用表1中组别1-8获得的种植基分别置入。将种植基铺设于河道，河道宽度为5m，长度为30m，铺设密度为350-400个/m²，铺设层数为2-3层，覆盖厚度为5-10cm；

S2：沉水植物种植。待S1完成2-3天后，向种植基覆盖区域种植耐污沉水植物，植株高度为15-20cm，种植密度为5000-7500株/m²(如图4)。

S3：连续监测。定期连续观测种植基和水体状况变化情况。

其中，相比较而言，组别2、3、4沉水植物植入后根系逐渐稳固，生长情况最为良好，菌藻共生种植基表面附着致密功能微生物共生层，生态系统重新建立；组别1相比较之下最差，而组别5-8情况相当。

实施例4：种植基菌藻共生层电镜微观结构

具体实施步骤：

S1：样品制备。用手术刀刮取表1对应的组别2种植基表层菌藻共生物，在4℃下，2.5％戊二醛磷酸缓冲溶液浸泡12小时固定，经乙醇梯次脱水、乙酸异戊酯置换、干燥室干燥后待用。

S2：样品粘台。取0.1g菌藻共生物于混合膜(孔径为0.45μm)上，待大部分水滤过后，迅速用冷冻胶水将混合膜粘于样品台上。

S3：液氮雪泥速冻。将粘有样品的样品台投入液氮雪泥中30s后，使用低温冷冻制备传输系统在真空状态下将其转移至样品制备腔室进行升华镀金处理。

S4：升华和镀金。样品在-90℃升华2min，之后以10mA的电流溅射镀金60s，送入扫描电镜样品仓观察。

S5：电镜下观察。电镜型号为Hitachi,S-4800，放大倍数为2500-10000倍，冷态温度-145℃，加速电压3kV。

如图7，电镜下观察，微藻和功能细菌数量较多，分布致密均匀，细胞形态饱满，功能细菌与微藻细胞交错生长，菌藻共生结构清晰明显，如图5所示。

实施例5：种植基菌藻物种组成分析

具体实施步骤：

S1：取样。将表1组别2种植基以1mm、5mm、7mm的厚度分为好氧层、兼性厌氧层、厌氧层，用手术刀刮取下来准备制样。

S2：样本保存。将取下的样本置于保温箱，倒入适量干冰至没过样本，保存2-4h。

S3：基因检测。对采集的好氧层、兼性厌氧层、厌氧层样本进行菌藻物种组成、QPCR检测。

由图6-8可以看出，种植基中的菌类以AOB、Nitrospira、NapA、NosZ等功能菌为主。其中，种植基中AOB、Nitrospira、NapA、NosZ等功能菌数量最多分别为未处理底泥的4.85、1.43、13.9、1.15倍。进一步证明种植基在厌氧氨氧化、硝化和反硝化过程中具有较佳性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种菌藻共生种植基，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

20-30份粘合剂黄土，15-20份固化剂硅酸盐水泥，1-2份功能细菌，1-2份微藻孢子；

其中，所述功能细菌选自硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化细菌、硫氧细菌中的一种或多种；

所述微藻孢子选自鱼腥藻、聚球藻、川蔓藻中的一种或多种；

所述菌藻共生种植基通过如下方式制备得到：

S1：原料混合

按原料组成称量各组分，再将所得原料混合均匀；

S2：压制成型

将混合均匀后的原料上机压制成规格为长轴长：短轴长为1.5:1-2.5:1的椭球形；

S3：人工养护

将压制成型的种植基送入养护室进行养护3-4d至表面硬结固化，得到菌藻共生种植基；

在所述S1步骤的原料混合过程中，先将海藻酸钠和水混合溶胀后，加热搅拌溶解，待降至室温后，再加入草酸、功能细菌和微藻孢子，搅拌混合均匀后，得分散液，再将所得分散液与其他组分进行混合；

将所得分散液分为质量比为7：3-9：1的两部分，质量多的一部分为A部分，质量少的一部分为B部分；

将A部分在所述S1步骤的原料混合过程中，与其他组分进行混合；

在所述S2步骤的压制成型后，将B部分涂布于压制成型的种植基表面，随后再进行所述S3的人工养护步骤。

2.根据权利要求1所述的一种菌藻共生种植基，其特征在于，还包括黄土质量0.1-0.15倍的海藻酸钠。

3.根据权利要求1所述的一种菌藻共生种植基，其特征在于，还包括黄土质量0.1-0.15倍的沸石，以及黄土质量0.05-0.08倍的造孔剂。

4.根据权利要求3所述的一种菌藻共生种植基，其特征在于，所述造孔剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乳化剂OP-10、吐温-60、斯潘-80中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种菌藻共生种植基，其特征在于，还包括固化剂硅酸盐水泥质量0.03-0.06倍的草酸。

6.一种如权利要求1-5所述的菌藻共生种植基的应用方法，其特征在于，具体应用步骤包括：

将所述菌藻共生种植基铺设于河道，待铺设完成后，向铺设区域种植耐污沉水植物。

7.根据权利要求6所述的一种菌藻共生种植基的应用方法，其特征在于，所述种植耐污沉水植物包括：调控种植密度为5000-7500株/㎡；所述耐污沉水植物选自苦草、灯芯草、莎草中的一种或多种。