CN118084564A

CN118084564A - 一种微生营养激励素养分富集及其应用

Info

Publication number: CN118084564A
Application number: CN202410206645.4A
Authority: CN
Inventors: 李激; 张悦; 王硕; 郝家厚; 卓扬; 李巧巧; 谭嘉怡; 李左月
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2024-02-26
Filing date: 2024-02-26
Publication date: 2024-05-28

Abstract

本发明公开了一种微生营养激励素养分富集及其应用，属于农业技术领域。该方法包括以下步骤：配制营养激励素稀释液，之后投入生物质活性炭进行混合，搅拌一段时候后，过滤，得到吸附了污泥源营养物的材料。该方法通过生物炭耦合微生物营养激励素中的营养物质，可以改善单独施加微生物营养激励素易流失，施加分布不均匀的缺点。生物炭是一种环境友好，成本低，吸附种类多的吸附材料。生物炭改善了土壤微生物细胞的附着特性，促进了某些特定土壤微生物群的生长，还增强了土壤微生物群的活性和固氮能力。

Description

一种微生营养激励素养分富集及其应用

技术领域

本发明涉及一种微生营养激励素养分富集及其应用，属于农业技术领域。

背景技术

化肥施入农田后，大部分随农田排水流入江河湖泊或残留于土壤和植株及农作物体内，不仅带来环境污染而且危及人类和生命的安全和健康，这些都成为农业可持续性发展的障碍。近年来，为了资源回收和农业发展，越来越多的研究将重点放在从污泥中生产含氮植物生长促进养分上。碱式热水解技术、闪蒸、固液分离和浓缩上清混合液等步骤处理活性污泥，最终形成低聚物、多肽和游离氨基酸等产物(微生营养激励素，microbialnutrient stimulants，MNS)。污水污泥生产含氮营养物和激励素的液体肥料具有优异的施肥效果和资源循环特性。

污泥基营养生物刺激剂(MNS)，不仅含有基本营养物质N、P、钾(K)，还含有腐植酸、多肽、蛋白质和氨基酸。它可以实现致病菌的失活、重金属的去除、难降解有机物的稳定。但MNS作为一种水溶性含氮液体肥料，在应用的过程中存在养分易流失，养分未能有效利用的缺点。微生营养激励素含有大量的易溶解性营养物质，包含大量的蛋白质、多肽、有机酸等含氮含碳物料，施加到土壤中并不能直接的被植物根部吸收利用，易流失，激励素成分可能无法得到有效利用。单独使用微生营养激励素，会影响土壤结构、土壤持水能力和土壤养分转化能力，营养物质在土壤中分布不均匀。因此，需要研究一种提高MNS利用率的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微生营养激励素养分富集方法，该方法是将微生物营养激励素中的营养成分，植物激素和化感物质和有机物质被生物质炭吸附，这样可以改善单独施加微生物营养激励素所存在的养分易流失，分布不均匀的问题。微生物营养激励素耦合生物质炭施用于土壤提高其农艺价值并最大程度地减少养分损失，成为氮肥的潜在替代品。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微生营养激励素养分富集的方法，包括以下步骤：

配制营养激励素稀释液，之后投入生物质活性炭进行混合，搅拌一段时候后，过滤，得到吸附了营养激励素的材料。

进一步的，营养激励素稀释液的浓度为0.5～5mg/mL。

进一步的，营养激励素稀释液的pH为6.5～7.5。

进一步的，营养激励素稀释液的体积和生物质活性炭的质量之比为250～350mL:1g。

进一步的，生物质活性炭包括木屑生物炭或秸秆生物炭。

优选的，生物质活性炭为木屑生物炭。

进一步的，所述搅拌的时间为20～24h。

本发明提供根据上述方法制备得到的吸附了污泥源营养物的材料。

本发明提供的吸附了污泥源营养物的材料在农业技术领域的应用。

本发明还提供一种微生营养激励素养分富集的应用，该应用为将吸附了污泥源营养物的材料和水混合之后，用于浇灌农作物。

进一步的，吸附了污泥源营养物的材料和水的混合比例为0.5～1g:300mL。

本发明的优点和效果：

通过生物炭耦合微生物营养激励素中的营养物质，可以改善单独施加微生物营养激励素易流失，施加分布不均匀的缺点。生物炭是一种环境友好，成本低，吸附种类多的吸附材料。生物炭改善了土壤微生物细胞的附着特性，促进了某些特定土壤微生物群的生长，还增强了土壤微生物群的活性和固氮能力。此外，高C含量的生物炭与高N含量的MNS耦合可以平衡C/N比，对提高植物生长效率和产量具有重要作用。MNS含有丰富的养分，能发挥刺激作用，与生物炭结合可减少养分流失，改善土壤功能。WCB和SB对大分子(蛋白质)和还原性物质(木质素和脂质)具有较强的亲和力，对植物激素和化感化学物质具有良好的固定能力。生物炭作为MNS的吸附载体，可以作为加强土壤肥力管理的施肥策略。

WCB对碱性和中性MNS的总有机碳(TOC)吸附量分别为61.14％和89.73％，高于SB的56.25％和83.36％。此外，中性MNS的TOC更容易被吸附，特别是对黄腐酸和腐植酸。与SB相比，WCB吸附了更多种类的分子物质，同时保持了较高的固定率。生物炭的表面氨基参与了吸附，而WCB由于氢键吸附和孔径排斥效应具有较高的吸附效率。SB对钙离子和氮(TKN、硝态氮、蛋白质、氨基酸)有较强的吸附能力，释放出大量的P。WCB和SB对大分子(蛋白质)和还原性物质(木质素和脂质)有较强的亲和力，对植物激素和化感物质有较好的固定能力。

附图说明

图1为实施例3中PO₄ ^3--P和TP的含量变化。

图2为实施例3中NO^3--N和TKN的含量变化。

图3为实施例3中初始蛋白质含量的变化。

图4为实施例3中游离氨基酸(FAA)含量的变化。

图5为实施例3中SB和WCB在吸附前碳氮比的变化。

图6为实施例4中总有机碳的吸附能力。

图7为实施例4中秸秆活性炭对碱性MNS的吸附能力。

图8为实施例4中木屑活性炭对碱性MNS吸附能力。

图9为实施例4中秸秆活性炭对中性MNS的吸附能力。

图10为实施例4中木屑活性炭对中性MNS的吸附能力。

图11为实施例4微生营养激励素耦合生物质炭对植物激素和化感物质吸附效果图。

图12为实施例5中经WSB吸附后的剩余分子的公式。

图13为实施例5中经SB吸附后的剩余分子的公式。

图14为实施例5中MNS中有机分子的分子式。

图15为实施例6的生菜生物量。

具体实施方案

原料来源

木屑生物炭(WCB)、秸秆生物炭(SB)均购于中国河南省平顶山塔诺环保材料有限公司有限公司；WCB的粒度200目，比表面积和孔隙体积为557.49m²·g^-1和0.40cm³·g^-1；SB的粒度为50-100目，比表面积和孔隙体积为762.93m²·g^-1和0.66cm³·g^-1。

微生营养激励素(MNS)购自山西晋联环境科技有限公司；该营养激励素是将采集到的活性污泥进行碱性热水解处理，添加石灰产生的碱性-热环境加速活性污泥细胞破裂、细胞外聚合物絮体分解和大分子降解，然后进行闪蒸、固液分离、上清混合物浓缩得到的。

实施例1

营养激励素的的吸附：将1g WCB分别与300mL中性(pH＝6.93)MNS稀释液(1.25mg/mL)混合，在25℃和180rpm下搅拌24h，之后过滤，得到吸附了污泥源营养物的材料。

实施例2

污泥源营养物的的吸附：将1g SB与300mL的中性(pH＝6.93)MNS稀释液(1.25mg/mL)混合，在25℃和180rpm下搅拌24h，之后过滤，得到吸附了污泥源营养物的材料。

实施例3

检测过程：

调节制备的微生营养激励素pH,获得中性和碱性的营养激励素。将1g SB和WCB分别与300mL的碱性(pH＝10.49)和中性(pH＝6.93)MNS稀释液(稀释800倍，1.25mg/mL)混合，自然沉淀48h后用上清分析营养指标和分子组成。

采用钼蓝比色法测定总磷(TP)和磷酸盐(PO₄ ^3--P)；总凯氏定氮(TKN)通过全自动凯氏定氮仪测定，粗蛋白的转化系数为6.25。此外，按照标准方法进行铵态氮和硝态氮的分析。

检测结果：

如图1所示，在WCB吸附后，碱性MNS溶液中的PO₄ ^3--P和TP分别下降29.63％和61.99％，说明WCB可以吸附碱性MNS溶液中各种形态的P，尤其是有机磷；而在SB吸附后，碱性MNS溶液中PO₄ ^3--P和TP含量显著增加(10.78-20倍)，这可能是由于SB中含有PO₄ ^3--P引起的。在中性MNS溶液中，WCB和SB的吸附情况也出现了类似的结果。所以，WCB主要将有机磷固定在MNS溶液中，而SB则释放了大量的磷。

如图2所示，WCB吸附后，MNS两种溶液中NO^3--N和TKN的含量分别降低了34.86～81.61％和17.42～51.96％。SB吸附后，MNS两种溶液中NO^3--N和TKN含量分别降低了76.82～93.61％和32.30～65.49％。这些结果表明，SB对NO^3--N和TKN的吸附能力强于WCB。在WCB和SB吸附实验中，两种MNS溶液中NH⁴⁺-N的含量均增加，这可能是由于生物炭浸出的氨基与奈斯勒试剂反应引起的。

如图3所示，中性MNS溶液的初始蛋白质含量高于碱性MNS溶液，但在WCB和SB上吸附后，两种溶液中的蛋白质含量都有所下降，SB对蛋白质的吸附量(47.37％～57.09％)高于WCB(42.11％～53.12％)。

如图4所示，在WCB和SB吸附过程中，两种MNS溶液中游离氨基酸(FAA)含量均未明显下降，氨基酸组分组成无明显变化，说明生物炭对FAA的吸附能力较弱。

测定生物炭吸附后元素组成的变化，结果如图5所示，SB和WCB在吸附前的碳氮比分别高达137.78和492.4。研究表明，如果碳氮比非常大，土壤中微生物分解和矿化缓慢，且消耗活性氮，不利于土壤养分的管理。在两种MNS溶液中，SB和WCB的碳氮比分别下降到43.31-43.35和50.78-51.37，表明MNS中大量的N被固定在生物炭上。因此，生物炭与MNS的偶联使碳氮比降低到一个更有利于作物生长的范围。

总的来说，生物炭不仅减少MNS的氮损失，而且作为载体，与NO^3--N、TKN和蛋白质一起促进土壤微生物的增殖，从而促进植物生长。虽然生物炭对氨基酸的固定能力较弱，但氨基酸很容易被植物吸收，并被用作快速作用的肥料。

实施例4

批量吸附实验：

(1)在300mL碱性MNS(稀释800倍，pH＝10.49)和中性MNS(稀释800倍，pH＝6.93)中分别加入1gSB和WCB，并在25℃和180rpm下振荡。

(2)样品采集时间间隔为1、5、10、15、60、240最小值；每次采集1ml样品，通过0.45-μm膜过滤。本实验用总有机碳(Totalorganiccarbon,TOC)代表SB和WCB对MNS营养物的吸附能力。数据见图6。

吸附量的计算方法如下:Q_t＝(C₀-C_t)×V/m。其中C₀和C_t分别为初始时间和t时间的TOC浓度(mgTOC/g)，Q_t表示t时间SB和WCB吸附的TOC量(mgTOC/g)，m表示SB和WCB的质量(g)，V表示MNS溶液的体积(L)。

当吸附达到平衡时，用平衡TOC浓度C_e表示C_t，随后得到平衡吸附量Q_e。数据见图7、8、9、10。

检测过程：

取0.4g SB和WCB分别加入30mL的碱性(pH＝10.49)和中性(pH＝6.93)MNS稀释液(稀释200倍，5mg/mL)中，在25℃和180rpm下搅拌24h。吸附后静置24h，将上清和未吸附的MNS稀释液(碱性和中性)用于测定植物激素和化感物质。

检测结果：

如图11所示，在MNS中检测到大量的植物激素(茚乙酸AAAs和羟基苯乙酸IDDs)和化感物质(茚衍生物HPAs和芳香族氨基酸IAA)。碱性溶液中茚氏乙酸、羟基苯乙酸、茚氏衍生物和芳香族氨基酸的浓度均高于中性MNS溶液。其中，碱性MNS中芳香族氨基酸的浓度为中性MNS的1.81倍，碱性MNS含有更多的生物刺激剂和化感物质。经WCB和SB吸附后，在MNS溶液中均未检测到植物激素(茚乙酸和化感物质)，表明植物激素完全固定在生物炭上。

此外，WCB和SB吸附后，吲哚衍生物的浓度分别下降了31.40％～62.86％和74.12％～100％，表明SB对吲哚衍生物具有更高的固定效率。中性MNS溶液中WCB和SB对芳香氨基酸的固定效率(89.29％-99.34％)均高于碱性MNS溶液，这与中性MNS溶液中较高的TOC去除率相一致。(图11与图6比较)

总体上，WCB和SB有效地吸附和固定MNS溶液中的植物激素和化感物质。

实施例5

检测过程：

采用改进的苯乙烯-二乙烯基苯聚合物萃取柱(500mg in 6mL，BondElutPPL，Agilent)进行固相萃取(SPE)(Shietal.2020)，从MNS溶液中提取有机分子，用9.4TFT-ICR-MS布鲁克solariX(布鲁克，德国)负电喷雾电离(ESI)模式分析浓缩后的样品。采用FTICR-MS分析WCB和SB吸附对MNS分子组成的变化，测量精度小于1.0ppm。

检测结果：

用FTICR-MS分析WCB和SB吸附对MNS分子组成的变化。附表总结了碳的平均分子量(MW)、H/C比、O/C比、双键当量(DBE)、改性芳香度(AImod)和标称氧化态(NOSC)。生物炭吸附后变化最显著的是MW和DBE值降低，NOSC值增加，表明生物炭固定了大分子物质、不饱和分子和还原物质。这些物质可能包括木质素衍生物、脂类、脂肪酸和芳香族化合物。生物炭吸附后，中性MNS溶液中H/C、O/C和分子极性增加，表明生物炭对低极性分子具有很强的亲和力。AImod在碱性和中性的MNS溶液中分别增加和减少，表明两种生物炭吸附的分子化合物相似，而MNS的pH是影响吸附的主要因素。

图12和13直观地显示了MNS中的分子以及在生物炭上吸附后的剩余分子的公式。主要生物地球化学化合物在图表上绘制在地图上的特定位置。根据H/C、O/C、N/C和AImod，所有鉴定的分子被分为8个不同的组，包括脂肪类、富氮(类蛋白)、氨基糖类、高不饱和和酚类、木质素类和单宁类物质、多酚和缩合芳香烃。碱性MNS中有机分子数为8363，经WCB和SB吸附后分别减少到4507和6737。中性MNS(9445)经WCB和SB吸附后，有机分子数量分别减少到4306和7246。

结果表明，生物炭在MNS中吸附了有机分子，且WCB(46.11％-54.41％)的吸附效率明显高于SB(19.44％-23.28％)。

图14显示了MNS中有机分子的分子式。MNS中有机分子的分子式分为CHO、CHON、CHOS、CHOP、CHONS、CHONP、CHOSP、CHONSP，它们广泛参与土壤氮磷循环，影响土壤和作物的质量。在WCB和SB上吸附后，N-(CHON、CHONS、CHONP、CHONSP)、P-(CHOP、CHONP、CHOSP、CHONSP)和S-相关分子式(CHONS、CHOSP、CHONSP)在两种MNS溶液中的贡献分别为68.96％～76.20％、38.73％～50.44％和49.95～54.20％。而WCB对N-、P-和S-相关分子式的固定化率分别为47.28％-52.86％、40.62％-50.89％和44.47％-50.53％，远高于SB对N-为21.67％-23.59％，P-为19.22％-26.32％，S-相关分子式为18.00％-19.18％。

综上所述，FTICR-MS和EEM结果一致，表明生物炭对大分子(腐殖酸和蛋白质)具有较高的亲和力。此外，WCB对MNS中的N-、P-和S-相关分子式具有较高的吸附效率，其吸附机理可能与生物炭的表面官能团和内孔结构有关。

实施例6

检测过程：

(1)取500g干土置于长、宽、高为10x8x6.7cm的种植盆中；

(2)一周后，将生菜种植在种植盆中，每盆种植4株幼苗；

(3)取实施例1和2中制备的吸附了污泥源营养物的材料0.5g与300mL水混合，之后平均浇灌于每株幼苗的根部，每隔3天重复该浇灌操作；

(4)保持生菜的生长温度在23～35℃之间，生长47天后收获。

参照上述操作，设置空白组(仅浇灌等量的水)、秸秆组(等量粉碎过的秸秆不进行高温处理，直接对MNS进行吸附)、木屑组(等量的木屑不进行高温处理，直接对MNS进行吸附)。

检测结果：

表1

处理组	产量(g/plant)
		空白(CK)	0.4
秸秆	1.78182
		木屑	1.9
秸秆富集	2.07273
		木屑富集	2.45714

生物质炭对中性微生激励素富集较好，选用秸秆和木屑富集的微生激励素种植生菜，可以显著提升产量，并且木屑提升效果较好。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种微生营养激励素养分富集的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，营养激励素稀释液的浓度为0.5～5mg/mL。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，营养激励素稀释液的pH为6.5～7.5。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，营养激励素稀释液的体积和生物质活性炭的质量之比为250～350mL:1g。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，生物质活性炭包括木屑生物炭或秸秆生物炭。

6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，生物质活性炭为木屑生物炭。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述搅拌的时间为20～24h。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述方法制备得到的吸附了污泥源营养物的材料。

9.权利要求8中所述吸附了污泥源营养物的材料在农业技术领域的应用。

10.一种微生营养激励素养分富集的应用，其特征在于，该应用为将吸附了污泥源营养物的材料和水混合之后，用于浇灌农作物；吸附了污泥源营养物的材料和水的混合比例为0.5～1g:300mL。