CN105149332B - 一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，将趋磁细菌与重金属污染的土壤混合，灌溉混合有趋磁细菌的重金属污染土壤，并在该重金属污染的土壤上设置磁场，收集含有趋磁细菌的重金属污染土壤，并淋洗上述重金属污染的土壤，填回；在经过趋磁细菌初步修复的重金属污染土壤中种植铜草，待10~12个月后将铜草整体移除；循环重复上述步骤，直至土壤中重金属的含量达到安全标准。本发明对重金属污染土壤治理效果好、操作简单、成本低廉，直接将重金属离子去除、不存在土壤的二次污染、适用于大面积污染土壤的治理、实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤治理领域，特别涉及一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法。
背景技术
土壤不仅是地球生态圈的重要组成部分，也是人类赖以生存的重要自然资源之一。随着矿产开采、冶炼等工业活动以及污水灌溉、施用污泥和劣质化肥等农业活动的进行，Cd，Pb等有害重金属不断进入土壤环境中，对正常的生产生活造成污染。因此，治理土壤重金属污染对生态文明的设及人类健康的生活具有重要意义。
土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法，如稀释和覆土法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等，传统的修复方法虽然治理效果好，历时较短，但都存在许多缺陷。比如传统治理方法的成本高、不易管理、易造成二次污染等等。
微生物修复是利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，从而降低土壤中重金属的毒性。该技术可以使重金属污染物从土壤中去除，对周围环境影响较小，不会产生二次污染，具有的巨大土壤修复潜力。但现有的重金属污染土壤的微生物修复技术存在一定的局限性，如微生物修复持续时间长、见效慢、一般形成络合物降低重金属的危害，并不能将重金属从土壤中除去。
植物修复技术是指利用植物及其根系对土壤污染物的吸收、挥发、转化、降解、固定作用而去除土壤中污染物的修复技术。重金属被植物吸收，如果进入植物可食部分，将危害人类健康。为避免对人体的暴露风险，近年来选择非食用性经济型作物进行植物修复的研究越来越引起关注，但大多数已报道的植物修复方法效果不显著、见效慢、修复效果不稳定，再加上受到气候、土壤环境的限制，使得这些植物的重金属积累量有限，从而在其应用上受到限制。
如上所述，为了更好地治理重金属污染的土壤，急需解决以下技术问题：
1. 培养合适的微生物，其对于重金属的吸附能力强、易于分离、生长能力强、对环境适应力强的特点。
2. 确定合适的耐性植物与微生物联合使用，该植物具有种植难度低、易于管理、适用于大面积污染土壤、生长迅速、生物量大的特点。
3. 避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低廉、修复效果好、不破坏土壤肥力、不存在土壤的二次污染、适用于大面积污染土壤治理的微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：
1)将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层厚15~18cm的土壤混合均匀，培养30~35天；
2)灌溉步骤1）重金属污染的土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持36~43天；
3)收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚9~12cm的土壤；
4)用水淋洗步骤3）中收集的重金属污染土壤，重复2~4次，然后将清洗过的土壤填回原处；
5)在步骤4）中修复的重金属污染土壤上面种植铜草，10~12个月后将铜草整体移除；
6)循环重复执行步骤1）~步骤5)5~8次。
优选的，步骤1）中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染的土壤中接种9.0×109~1.0×1010个趋磁细菌。
优选的，步骤2）所述磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~300高斯。
优选的，所述种植铜草的方法为幼苗栽种，6~8cm的幼苗倾斜30度埋入土壤表层3~5cm深度种植，株距为17~26cm，行距为20~28cm。
优选的，所述铜草幼苗由15%~20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12~15h，籽粒饱满且不下沉的铜草种子长成。
优选的，所述种植铜草的重金属污染土壤含水量保持在15~20%。
优选的，将步骤5）中移除的铜草进行无害化处理。
无害化处理为从铜草提炼得到铜，也可以经过粉碎后作为肥料用于修复缺铜的土壤。
本发明的有益效果是 ：
1. 趋磁细菌属于革兰氏阴性菌，是专性微好氧、兼性或专性厌氧细菌，具有负趋氧特性，细胞内有沿菌体长轴排列、由膜包被的磁小体颗粒链，在磁场的作用下可以定向运动，而且对重金属有较强的吸附能力；在地磁场的作用下趋磁细菌可以向地下深处移动，由于地磁场的作用力很弱，在土壤表面设置磁场，并通过控制磁场的方向使趋磁细菌集中在小面积内，步骤2）中灌溉重金属污染土壤的目的是降低土壤表层的含氧量，创造有利于趋磁细菌生存的环境。
2. 趋磁细菌对重金属离子的吸附是以细胞表面的吸附为主，因此趋磁细菌吸附重金属的速度很快，在其移动的过程中有效吸附土壤中的重金属，大大降低了土壤中重金属的积累量；同时也不会造成土壤的二次污染。
3. 本发明步骤4）得到的淋洗液回收重金属，一方面防止重金属在回到土壤或者水体，另一方面回收的重金属具有很高的附加价值，可以增加收益。趋磁细菌的回收率达到90%以上，淋洗液重金属回收率达到99%以上，有利于重金属污染土壤的修复。
4. 针对多种重金属元素同时存在时，重金属元素之间存在竞争关系，趋磁细菌对Cu元素的吸附率很低，而铜草能吸附土壤中的Cu元素，正好可以弥补趋磁细菌的不足；铜草的种植难度低，适用于大面积种植，做为非食用性植物用于修复土壤有效避免了污染物再次进入食物链，最大限度的减少了修复土壤中可引起的二次污染；吸附有大量Cu元素的铜草可以通过提炼得到铜，也可以经过粉碎后作为肥料用于修复缺铜的土壤。
总之，本发明微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、技术要求低、易于管理、直接将重金属离子去除、不存在土壤的二次污染、土壤治理效果好、不进入食物链、不破坏土壤结构、实用性强、适用于大面积污染土壤。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
趋磁细菌的提取方法：将南京锁金村污水处理厂的活性污泥与已经过灭菌降至室温的富集培养基按 l：2的体积比混合均匀，放入广口瓶中，用已灭菌的纱布封住瓶口，28℃静置避光培养30 d，用趋磁细菌收集器收集趋磁细菌（具体参考：刘琚，周培国，张齐生. 趋磁细菌处理含Cu、Zn废水的应用研究[J]. 环境科技，2013(26)4:20-24）。将收集的趋磁细菌按照15%的接种量，接种到富集培养基，静止避光、23℃下、当菌液浓度达到9.0×109~1.0×1010个/mL的时候，测定吸附重金属的性能，具体如下：
取菌液10ml，加到100ml的Cr3+离子含量 40mg/L、As3+离子含量4mg/L、Cd2+离子含量 0.4mg/L、Ni2+离子含量 12mg/L的溶液和Cu2+离子含量 50mg/L的溶液中28℃下培养2h，测定水中Cr3+、As3+、Cd2+、Ni2+和Cu2+离子的含量，Cr3+、As3+、Cd2+、Ni2+和Cu2+离子吸附率分别达到80%以上，即作为本发明的趋磁细菌使用。本发明中的趋磁细菌可以从其它活性污泥或者重金属污染的土壤中分离，也可以使是现有公开的趋磁细菌菌株，只要其吸附率得到要求即可。以下实施例中的所用到的趋磁细菌是按照上述方法筛选到的，不再赘述。
富集培养基的组成为：610 mg/L NaNO3，600 mg/L KH2PO4，1100 mg/LHOOCCH2CH2COONa，3980 mg/L Fe2(SO4)3，60 mg/L钴胺素，600 mg/L K2HPO4，500 mg/L硫代乙醇酸钠。
采用被重金属污染的土壤厚度为 40cm，面积为 100m2的土地作为实验区域，并将整块实验田进行样方划分，长宽均为5m，每个样方之间留宽为0.3m的垄，每个样方根据对角线原则设置6个采样点。收集试验田表层0~40cm的土壤，阴凉通风晾干，去除杂质。测定土壤pH为7.2，重金属Cr、As、Cd、Ni、Cu在土壤中的含量分别是：Cr元素的浓度为569 mg/kg，As元素的浓度为50 mg/kg，Cd元素的浓度为1.8 mg/kg，Ni元素的浓度为189 mg/kg，Cu元素的浓度为692 mg/kg。
根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH=6.5~7.5的情况下，农业用地旱地、菜地重金属 Cr、As、Cd、Ni和Cu二级标准值分别为200，25，0.45，90，100mg/kg，因此，上述整块实验田存在较严重的重金属污染。
实施例1
一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：
1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚15cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种9.0×109个趋磁细菌，培养30天；
2）灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为200高斯，保持36天；
3）收集步骤3）中重金属污染土壤表层厚度为9cm的土壤；
4）用水淋洗步骤4）收集的重金属污染土壤，重复3次，然后将清洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；
5）用15%的H2O2消毒液处理铜草种子，蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的铜草种子作为铜草幼苗培育的种子；
6）将铜草种子在室内培养6~8cm的幼苗，并将所得幼苗倾斜30度埋入步骤5）处理过的重金属污染土壤表层3cm深度处，株距为17cm，行距为20cm；
7）对种植的铜草要不定期浇水，使重金属污染的土壤含水量保持在15%；10个月后将铜草整体移除；
8）循环重复执行步骤1）~步骤8)8次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.5，重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别为198.12、24.69、0.43、89.91和99.83mg/kg，土壤中重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别下降了65.48%， 50.62%，76.11%，52.43%，85.57%。
实施例2
一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：
1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度为17cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种9.5×109个趋磁细菌，培养33天；
2）灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为250高斯，保持39天；
3）收集步骤3）中重金属污染土壤表层厚度为 10cm的土壤；
4）用水淋洗步骤4）收集的重金属污染土壤，重复2次，然后将清洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；
5）用18%的H2O2消毒液处理铜草种子，然后蒸馏水洗涤浸泡13h，选择籽粒饱满且不下沉的铜草种子作为铜草幼苗培育的种子；
6）将铜草种子在室内培养成6~8cm的幼苗，并将所得无虫害幼苗倾斜30度埋入步骤5）处理过的重金属污染土壤表层4cm深度处，株距为19cm，行距为25cm；
7）对种植的铜草要不定期浇水，使重金属污染的土壤含水量保持在18%； 11个月后将铜草整体移除；
8）循环重复执行步骤1）~步骤8)6次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.4，重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别为202.6、48.9、0.20、66.7和16.5mg/kg，土壤中重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别下降了68.61%， 54.74%，76.67%，53.65%，86.14%。
实施例3
一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：
1）将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度为18cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种1.0×1010个趋磁细菌，培养35天；
2）灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为300高斯，保持43天；
3）收集步骤3）中重金属污染土壤表层厚度为 12cm的土壤；
4）用水淋洗步骤4）收集的重金属污染土壤，重复4次，然后将清洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；
5）用20%的H2O2消毒液处理铜草种子，蒸馏水洗涤浸泡15h，选择籽粒饱满且不下沉的铜草种子作为铜草幼苗培育的种子；
6）将铜草种子在室内培养成6~8cm的幼苗，并将所得无虫害幼苗倾斜30度埋入步骤5）处理过的重金属污染土壤表层5cm深度处，株距为26cm，行距为28cm；
7）对种植的铜草要不定期浇水，使重金属污染的土壤含水量保持在20%；12个月后将铜草整体移除；
8）循环重复执行步骤1）~步骤8)5次。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.6，重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别为158.52、20.67、0.39、82.57和92.86 mg/kg，土壤中重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别下降了72.14%， 58.66%，78.33%，56.31%，86.58%。
实施例4：
本实施例中提供一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其具体过程与实施例1的区别仅在于步骤三中磁场强度为300高斯，其他各步骤与实施例1完全相同。
结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7.5，重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别为198.25、23.97、0.43、89.06和98.89mg/kg，土壤中重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓度分别下降了65.12%， 52.06%，76.11%，52.88%，85. 71%。
从实施例1~4的修复结果可知，在重金属污染土壤中趋磁细菌和铜草经过5~8年的联合修复试验能够大大的降低土壤中Cr、As、Cd、Ni和Cu重金属的含量，使得土壤中Cr、As、Cd、Ni和Cu重金属的含量达到安全标准，解决了重金属吸收效率低下、重金属修复元素单一、修复时间太长、植物难以存活的难题，同时也避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。
为了突出本发明的创新点，使本领域的技术人员能够充分理解本发明，现列举本发明在试验阶段或采用现有技术的对比实施例，并对其与本发明的实施例进行效果说明。
对比例1：
在上述试验田中仅实施趋磁细菌，将趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度为18cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种1.0×1010个趋磁细菌，培养35天；灌溉上述重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为200高斯，保持43天；收集表层厚度为 11cm的重金属污染土壤；用清水淋洗收集的重金属污染土壤，重复淋洗4次，然后将清洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；循环重复执行上述步骤8次，对土壤pH值和重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的含量进行测定。
对比例2
在上述试验田中仅种植铜草，种植铜草的时间为8个周期，以从铜草栽种到移除铜草为一个周期。
选用通过20%的H2O2消毒处理，蒸馏水洗涤浸泡15h，选择籽粒饱满且下沉的铜草种子，在室内下培养成5～7cm的幼苗；选择6cm的无虫害幼苗倾斜30度埋入土壤表层5cm深度处，株距为20cm，行距为25cm，不定期浇水除草，使重金属污染的土壤含水量保持在20%；12个月后将铜草整体移除；循环重复执行上述步骤8次，对土壤pH值和土壤中重金属 Cr、As、Cd、Ni和Cu的含量进行分析。
对比例3
在上述试验田内先种植铜草，再引入趋磁细菌；
1）用19%的H2O2消毒液处理铜草种子，蒸馏水洗涤浸泡14h，选择籽粒饱满且不下沉的铜草种子作为铜草幼苗培育的种子；
2）将铜草种子在室内培养成6cm的幼苗，并将所得无虫害幼苗倾斜30度埋入重金属污染土壤表层5cm深度处，株距为26cm，行距为28cm；
3）对种植的铜草要不定期浇水，使重金属污染的土壤含水量保持在20%；12个月后将铜草整体移除；
4）将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层厚度为17cm的土壤混合均匀，趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种1.0×1010个趋磁细菌，培养34天；
5）灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向平行于地面指向西侧，磁场强度为260高斯，保持42天；
6）收集重金属污染土壤表层厚度为 12cm的土壤；
7）用水淋洗步骤7）收集的重金属污染土壤，重复4次，然后将清洗过的土壤填回原处，淋洗液回收重金属；
8）循环重复执行步骤1）~步骤8)7次。
对土壤pH值和和土壤中重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的含量进行测试分析。
土壤治理效果：
根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH= 6.5~7.5的情况下，农业用地旱地、菜地重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu二级标准值分别为200，25，0.45，90，100mg/kg。对本发明实施例1~4及对比例1~3所述重金属污染的土壤治理方法的效果从土壤PH值和重金属最终含量（mg/kg）两个方面进行评价和检验，如表1所示。
表1 实施例和对比例的检测结果
由表1可以看出，1）对比实施例1~4，经过5~8年的修复后土壤中重金属的含量均在国家土壤环境质量标准二级标准值以下，在很短的时间内即可完成对土壤重金属的修复；2）实施例1与实施例4表明磁场强度的大小对趋磁细菌吸附率的影响不大；3）对比例1~2与实施例1~4相比，不论减少哪一个治理步骤，对土壤的治理效果均会下降，表明各种治理方法之间的协同调节作用是密不可分的。4）对比例3与实施例1~4相比，治理步骤的调整会导致重金属污染土壤的修复效果变差。
本发明一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法所述及的各项权利要求及技术支撑已经明确，凡依据本发明的技术支撑实质所作的任何修改与变化仍属于本发明技术支撑的范围内。
Claims (7)
1.一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层厚15~18cm的土壤混合均匀，培养30~35天；
2）灌溉步骤1）重金属污染的土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场，保持36~43天；
3）收集步骤2）所述重金属污染土壤表层厚9~12cm的土壤；
4）用水淋洗步骤3）中收集的重金属污染土壤，重复2~4次，然后将清洗过的土壤填回原处；
5）在步骤4）中修复的重金属污染土壤上面种植铜草，10~12个月后将铜草整体移除；
6）循环重复执行步骤1）~步骤5) 5~8次。
2.如权利要求1所述一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：步骤1）中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染的土壤中接种9.0×109~1.0×1010个趋磁细菌。
3.如权利要求1所述一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：步骤2）所述磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~300高斯。
4.如权利要求1所述一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述种植铜草的方法为幼苗栽种，6~8cm的幼苗倾斜30度埋入土壤表层3~5cm深度种植，株距为17~26cm，行距为20~28cm。
5.如权利要求4所述的一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述铜草幼苗由15%~20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12~15h，籽粒饱满且不下沉的铜草种子长成。
6.如权利要求1所述的一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述种植铜草的重金属污染土壤含水量保持在15~20%。
7.如权利要求1所述的一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤5）中移除的铜草进行无害化处理。
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