CN106734188B - 一种农田重金属污染的微生态修复方法及组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农田重金属污染的微生态修复方法，属于土壤重金属污染农田治理技术领域，该方法的步骤如下：(1)种植农作物前，随着土壤翻耕，将木炭粉、微生物混合菌液施入土壤中；(2)在植物生长的中期，将微生物混合菌液和微生物混合培养基，通过喷淋的形式，施入地表。本发明的微生态修复方法随农事操作进行，效果好、可以规模化使用，特别是所使用的微生物复合菌剂大部分为活性菌，可在土壤环境中进行繁殖，能够持续对重金属的吸附和络合，且由于所使用的木炭粉和微生物等均为生物材料，可完全降解为有机质，为植物所吸收，不对土壤造成二次污染，因此，该方法在当前来说，优势特别明显。

Description

一种农田重金属污染的微生态修复方法及组合物
技术领域
本发明涉及一种微生态修复农田重金属污染的方法，特别是针对无休耕的重金属污染农田的原位修复方法，属于土壤重金属污染农田治理技术领域。
背景技术
近年来，随着工业化、城市化进程的加快，我国环境污染情况呈现加剧态势，整体状况不容乐观，特别是土壤重金属污染方面的问题尤为突出，它不但对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁，而且还导致农作物无法生长和重金属在作物中积累的情况。众所周知，土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可或缺、不可再生的自然资源。不仅仅因为它具有生产绿色植物的功能，同时也是各种污染物天然净化的场所。由于对于土壤环境保护工作重视不足，导致重金属污染治理工作的开展较为滞后，现如今,土壤污染防治行动计划(简称“土十条”)在2016年 5月正式出台，从国家到地方，土壤污染的治理工作都在有序地进行。
由于农田重金属污染形成的复杂性、长期的累积性、发生的隐蔽性，导致在农田重金属的治理过程中困难重重。当前的关于土壤修复技术的研究主要包括客土法、稀释法、稳定/固定技术、玻璃法、原位钝化、热脱附(挥发重金属)、电动修复、化学淋洗、植物修复和微生物修复等，在这些方法中，原位钝化修复技术是一种相对较理想的技术，可用于修复大面积污染土壤。客土法、稀释法、稳定/固定化技术、原位钝化和植物修复均为原位修复土壤，然而在实际应用过程中，客土法和稀释法虽然容易工程化操作，但是修复成本高，难以大面积推广应用；固定化技术修复土壤后，土壤被固化，作物在未修复的土壤中难以生长；植物修复技术一般修复年限时间长，且受气候和土壤条件影响较大。
因此，针对重金属污染农田可行性较高的办法通常是采用钝化及植物联合修复技术为主，通过添加到土壤中的活性剂，调节土壤的物理化学性质，经过吸附、沉淀、离子交换、腐殖化、氧化-还原等一系列反应，将土壤中的有毒重金属固定起来，或者将重金属转化成化学性质不活泼的形态，降低其生物有效性，从而阻止重金属从土壤通过植物根部向农作物地上部的迁移累积，从而达到农田修复的要求。
目前，用于重金属钝化的材料(钝化剂)有天然黏土矿物、磷酸盐、硅酸盐、碳酸盐、有机堆肥和微生物材料等，但现有技术有可能造成土壤的二次污染。
因此，提供一种生产工艺简单、操作成本低、高吸附率、高选择性、可提供增量动态的吸附重金属离子并且不产生二次污染的农田修复方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种生产工艺简单、操作成本低、高吸附率、高选择性、可提供增量动态的吸附重金属离子并且不产生二次污染的农田重金属污染的微生态修复用组合物。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种农田重金属污染的微生态修复用组合物，其配比如下：第一阶段50～200 目的木炭粉3～10重量份，假丝酵母2～8重量份，啤酒酵母2～8重量份，枯草芽孢杆菌2～8重量份，沼泽红假单胞菌2～8重量份，微生物混合培养基10重量份；第二阶段假丝酵母2～8重量份，啤酒酵母2～8重量份，枯草芽孢杆菌2～8重量份，沼泽红假单胞菌2～8重量份，微生物混合培养基10重量份。
优选地，所述第一阶段和所述第二阶段中假丝酵母，啤酒酵母，枯草芽孢杆菌和沼泽红假单胞菌组成的微生物复合菌总计用量均为8-32重量份。
优选地，所述木炭粉为农作物秸秆、林业剩余物制成的炭粉，或者采用木材、植物残体经过高温高压缺氧的条件下形成，且经过粉碎后细度在50～200目的碳粉。
优选地，所述的假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、邵泽红假单胞菌为菌种保藏中心的工业生产菌株。
优选地，所述的微生物复合菌，假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、邵泽红假单胞菌总量为10重量份。
优选地，所述微生物混合培养基为牛肉汤蛋白胨、葡萄糖、可溶性淀粉和黄豆粉，其比例为0.5～1％、2～3％、1～2.85％、0.2～1.5％，其余部分水补足。
优选地，所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的比例为3：3：3：1，2：2：3：3，4：4：1：1，3：3：2：3或2：3：4：3。
优选地，所述啤酒酵母为工业菌株，菌种保藏号：CICC1928；假丝酵母工业菌株，菌种保藏编号：CICC1268；沼泽红假单胞菌，菌种保藏编号：CICC 23812；枯草芽胞杆菌R31(Bacillus subtilis R31，菌种保藏编号：CCTCC M209261。
本发明的另一目的是提供上述的组合物在农田中的应用。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案达到的：
所述的组合物在农田重金属污染的微生态修复中的应用。
本发明的再一目的是克服现有技术的不足，提供一种可持续的、动态平衡控制农田重金属污染的生态修复方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种农田重金属污染的微生态修复方法，其步骤如下：
(1)种植农作物前，随着土壤翻耕，将木炭粉、微生物混合菌液施入土壤中；
(2)在植物生长的中期，将微生物混合菌液和微生物混合培养基，通过喷淋的形式，施入地表。
优选地，所述步骤(1)中所述土壤为0～25cm的土壤。
优选地，所述步骤(1)中所述微生物混合菌液包括部分活菌及发酵废弃物。
优选地，所述步骤(2)中所述微生物混合培养基为牛肉汤蛋白胨、葡萄糖、可溶性淀粉和黄豆粉，比例为0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、0.2～1.5 重量％，其余部分水补足。
优选地，所述步骤(1)中所述木炭粉的加入量为3～10kg/亩；微生物混合菌液的加入量为5～15kg/亩。
优选地，所述步骤(2)中所述微生物混合菌液的加入量为5～15kg/亩；所述微生物混合培养基的加入量为10L/亩。
优选地，所述步骤(1)中所述木炭粉为农作物秸秆、林业剩余物制成的碳粉，或者采用木材、植物残体经过高温高压缺氧的条件下形成，且经过粉碎后细度在 50～200目的碳粉。
优选地，所述步骤(1)和所述步骤(2)中所述微生物混合菌液中的菌为假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌。
优选地，所述步骤(1)和所述步骤(2)中所述微生物混合菌液中的菌为假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌的有效活性芽孢的含量大于 10～20亿个活性孢子/克。
优选地，所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的重量比为4：2：1：1～2：4：3：3。
优选地，所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的重量比为3：3：3：1，2：2：3：3，4：4：1：1，3：3：2：3或2：3：4：3。
优选地，所述啤酒酵母为当前的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1928)，假丝酵母的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1268)，沼泽红假单胞菌(菌种保藏编号： CICC 23812)、枯草芽胞杆菌R31菌种保藏编号：CCTCC NO:M209261。
与目前的重金属污染修复技术相比较，本发明的优势在于：
1)在整个有效生长期内能有效地阻控重金属在作物中的积累；
2)该方法所用材料均为生物材料，在自然界中可完全降解，不会造成土壤的二次污染，同时微生物降解后可增加土壤的肥力，一举两得；
3)该方法属于原位农业生态修复，省工、省力，能够快速实现重金属的阻隔。
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。
具体实施方式
一种农田重金属污染的微生态修复用组合物，其配比如下：
(1)种植农作物前：50～200目的木炭粉3～10kg/亩，假丝酵母1～4kg/亩，啤酒酵母1～4kg/亩，枯草芽孢杆菌1～4kg/亩，沼泽红假单胞菌1～4kg/亩，微生物复合菌总计用量为10kg；
(2)在植物生长的中期：假丝酵母1～4kg/亩，啤酒酵母1～4kg/亩，枯草芽孢
杆菌1～4kg/亩，沼泽红假单胞菌1～4kg/亩，微生物复合菌总计用量为10kg，微
生物混合培养基10L/亩。
木炭粉为生活中用农作物秸秆、林业剩余物制成的碳粉，或者是家庭用废弃的活性炭经过粉碎后，或者采用木材、植物残体经过高温高压缺氧的条件下形成，其经过粉碎后细度为50～200目的碳粉，亩用量3～10kg。
假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、邵泽红假单胞菌为菌种保藏中心的工业生产菌株。
微生物复合菌：假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌总量为10kg/亩。
微生物混合培养基为：牛肉汤蛋白胨+葡萄糖+可溶性淀粉+黄豆粉，其比例为 0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、0.2～1.5重量％，余量为水。
在应用过程中需配合真菌液体培养基和细菌的液体培养基使用，其中，牛肉汤蛋白胨和黄豆粉用于培养细菌，葡萄糖和可溶性淀粉用于培养真菌；使微生物在起到吸附重金属的同时进行繁殖，以此增加微生物的总体数量，为重金属的吸附和固定提供一种动态平衡。
以下对本发明一种农田重金属污染的微生态修复方法作进一步描述：
(1)种植农作物前，随着土壤翻耕将木炭粉、微生物混合菌液(部分活菌及发酵废弃物啤酒酵母泥、假丝酵母浸膏)和微生物混合培养基(牛肉汤蛋白胨+葡萄糖+可溶性淀粉+黄豆粉，0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、0.2～1.5重量％，余量为水，做成培养基10L)施入土壤0～25cm的土壤中，利用生物材料的吸附作用钝化土壤中重金属有效态离子
(2)在植物生长的中期，将培养好复合微生物(活菌)混合液，加入牛肉汤蛋白胨+葡萄糖+可溶性淀粉+黄豆粉，0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、 0.2～1.5重量％的比例，余量为水，做成培养基10L，通过喷淋的形式，施入地表，随后采用小水灌溉的方式，将其培养液冲入土层中，如遇下雨，则不用浇水。
实施例1
在农田重金属污染的地块，可在种植前按照下表的用量进行翻耕撒施
表1前期微生态修复土壤重金属优选比例
材料 配方1(kg) 配方2(kg) 配方3(kg) 配方4(kg) 配方5(kg)
木炭粉 10 7 5 3 10
假丝酵母 3 2 4 3 2
啤酒酵母 3 2 4 2 3
邵泽红假单胞菌 3 3 1 2 2
枯草芽孢杆菌 1 3 1 3 3
其中，啤酒酵母为当前的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1928)，假丝酵母的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1268)，沼泽红假单胞菌(菌种保藏编号：CICC 23812)、枯草芽胞杆菌R31(菌种保藏编号：CCTCC M209261)。
实施例2
在作物的生长中期，通过按照以下的配方进行喷淋，控制土壤中的重金属的有效态。
表2作物生长中期微生态修复土壤重金属优选比例
材料 配方1(kg) 配方2(kg) 配方3(kg) 配方4(kg) 配方5(kg)
假丝酵母 3 2 4 3 2
啤酒酵母 3 2 4 2 3
邵泽红假单胞菌 3 3 1 2 2
枯草芽孢杆菌 1 3 1 3 3
其中，啤酒酵母为当前的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1928)，假丝酵母的工业菌株(菌种保藏编号：CICC1268)，沼泽红假单胞菌(菌种保藏编号：CICC 23812)、枯草芽胞杆菌R31(菌种保藏编号：CCTCC M209261)。
实施例3
供试土壤位于广东省中山市郊区附近菜地，试验面积总计1亩地，平均分为5 个小区，同时栽种空心菜、白菜、辣椒、番茄四种作物，并于60天后全株采收，测定整株植物中的重金属含量，其中处理的土壤为第一阶段使用木炭粉50目10kg/ 亩、假丝酵母菌3kg/亩、啤酒酵母3kg/亩、枯草芽孢杆菌2kg/亩、邵泽红假单胞杆菌2kg/亩；第二阶段假丝酵母菌3kg/亩、啤酒酵母3kg/亩、枯草芽孢杆菌2kg/ 亩、邵泽红假单胞杆菌2kg/亩以及混合液培养基(牛肉汤蛋白胨+葡萄糖+可溶性淀粉+黄豆粉，0.5重量％、3重量％、1.5重量％、1.5重量％)10L；其中每种微生物的有效活性芽孢的含量大于10～20亿个活性孢子/克。
植物样品种重金属含量的测定，称取0.5g干样品于消化罐中，每种样品设3 个平行样，各加入10ml浓硝酸和1mL30％的双氧水，预消化，然后放入微波炉消解罐中180℃高温消化15min，使酸处理体积至终体积约0.5ml。Pb、Cd采用石墨炉原子吸收光谱法测定，Cu、Zn、Cr采用电感耦合等离子体发射光谱测定。
表3微生态修复对四种蔬菜修复效果比较
Figure BDA0001218116650000061
实施例4
在广东大宝山下游酸性矿山废水污灌区的水稻田随机布设样点采集水稻土样6个，每样点在5㎡范围内采用“S”型采集0-20cm表层土壤样品，用聚乙烯薄膜包装，其中处理的土壤为第一阶段使用木炭粉200目10kg/亩、假丝酵母菌2kg/亩、啤酒酵母2kg/亩、枯草芽孢杆菌3kg/亩、邵泽红假单胞杆菌3kg/亩；第二阶段假丝酵母菌2kg/亩、啤酒酵母2kg/亩、枯草芽孢杆菌3kg/亩、邵泽红假单胞杆菌3kg/ 亩以及混合液培养基10L；对照为未处理的土壤。
分析土壤pH值和Cd、Zn、Pb和Cu有效态含量，另外取少量土样磨细全部过 100目筛，用以测定处理前后Cd、Zn、Pb和Cu总量。
分析方法：土壤样品Cd、Zn、Pb和Cu有效态含量用0.1mol.L-1HCl提取后测定，样品总量的消解采用HF-HCIO4-HNO3混合酸在聚四氟乙烯坩埚中消化后测定。用 ICP-OES(Optima 5300DV，Perkin-Elmer Instruments，USA)测定Cd、Zn、Pb和 Cu含量。试验数据为3次重复的平均值。
表4稻田土壤重金属有效态含量在处理前后变化
Figure BDA0001218116650000071
实施例5
供试土壤选择广州市番禺某电池厂附近，为重金属污染较重的地块，我们通过在种植水稻前期通过使用50目木炭粉10kg/亩、假丝酵母菌3kg/亩、啤酒酵母3kg/ 亩、枯草芽孢杆菌2kg/亩、邵泽红假单胞杆菌2kg/亩，中期使用假丝酵母菌3kg/ 亩、啤酒酵母3kg/亩、枯草芽孢杆菌2kg/亩、邵泽红假单胞杆菌2kg/亩，进行喷淋的方式，进行微生态土壤吸附、固定处理90天，以下为我们的分析数据
表5稻田土壤重金属有效态含量在处理前后变化
Figure BDA0001218116650000072
Figure BDA0001218116650000081
结果分析：
微生物菌剂对重金属离子有较强的吸附作用，本发明选择了对中重金属进行生物富集，并且吸附率高达70％以上，大大地除去镉离子，但是随着重金属离子的浓度不断增加，微生物菌剂吸附能力下降，说明了重金属离子的浓度增加抑制了微生物的生长，所以，本发明在农田的中度重金属污染的农田有效，但对重度污染程度的土壤中无法使用该方法。
本发明的农田修复随农事操作进行，效果好、可以规模化使用，特别是所使用的微生物复合菌剂大部分为活性菌，可在土壤环境中进行繁殖，能够持续对重金属的吸附和络合，且由于所使用的木炭粉和微生物等均为生物材料，可完全降解为有机质，为植物所吸收，不对土壤造成二次污染，因此，该方法在当前来说，优势特别明显。
本发明的农田修复方法，在应用钝化技术的同时，避免了土壤的二次污染，本发明主要提供了生物吸附和钝化相结合的方式，用于治理重金属污染程度较轻的农田。
本发明中所用的微生物复合菌剂中包括植物的废弃物、细菌、真菌以及农业副产物等生物材料都具有分离土壤中金属离子的能力。其原理为生物分子表面吸附重金属离子和重金属离子在生物体内积累这两种方式；其中，生物吸附是细胞外多聚物、官能团等与重金属离子结合；重金属离子与细胞某些酶结合运输至细胞内并储存于细胞，如细菌中富含羧基阴离子和磷酸阴离子，使得细菌表面具有阴离子的性质，很容易与金属发生反应，因而金属很容易结合到细菌的表面。另外，许多研究也表明细菌及其代谢产物对溶解态的金属离子有很强的络合能力，这主要归因于其表面的独特的化学组成，通过生物物质的表面吸附、体内积累两个动态平衡过程。在菌体死亡后，菌体会在土壤中残留一段时间，降解后可以作为植物的应用再度被利用。因此，本发明的方法以其生产工艺简单、操作成本低、高吸附率、高选择性、可提供增量动态的吸附重金属离子，且不产生二次污染等优点，特别适合于改造重金属污染较轻的农田土壤。
以上所述，仅是本发明的最佳实施例及对照实施案例，并非对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员利用上述揭示的技术内容加以变更或者改型为等同变化的等效实施例。但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种农田重金属污染的微生态修复用组合物，其配比如下：第一阶段：50～200目的木炭粉3～10重量份，假丝酵母2～8重量份，啤酒酵母2～8重量份，枯草芽孢杆菌2～8重量份，沼泽红假单胞菌2～8重量份，微生物混合培养基10重量份；第二阶段：假丝酵母2～8重量份，啤酒酵母2～8重量份，枯草芽孢杆菌2～8重量份，沼泽红假单胞菌2～8重量份，微生物混合培养基10重量份；所述第一阶段和所述第二阶段中所述假丝酵母，啤酒酵母，枯草芽孢杆菌和沼泽红假单胞菌组成的微生物复合菌总计用量均为8-32重量份；所述木炭粉为农作物秸秆、林业剩余物制成的炭粉，或者采用木材、植物残体经过高温高压缺氧的条件下形成，且经过粉碎后细度在50～200目的碳粉；所述的假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、邵泽红假单胞菌为工业菌株，啤酒酵母为菌种保藏编号CICC1928，假丝酵母为菌种保藏编号CICC1268，沼泽红假单胞菌为菌种保藏编号CICC 23812，枯草芽胞杆菌R31为菌种保藏编号CCTCC M209261；假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌中的有效活性芽孢的含量大于10～20亿个活性孢子/克；所述的微生物复合菌，假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、邵泽红假单胞菌总量为10重量份；所述微生物混合培养基为牛肉汤蛋白胨、葡萄糖、可溶性淀粉和黄豆粉，其比例0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、0.2～1.5重量％；所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的重量比为3：3：3：1，2：2：3：3，4：4：1：1，3：3：2：3或2：3：4：3。
2.权利要求1中所述的农田重金属污染的微生态修复用组合物，在农田重金属污染的微生态修复中的应用。
3.一种农田重金属污染的微生态修复方法，其步骤如下：
(1)种植农作物前，随着土壤翻耕，将木炭粉、微生物混合菌液施入土壤中；
(2)在植物生长的中期，将微生物混合菌液和微生物混合培养基，通过喷淋的形式，施入地表；所述步骤(1)中所述土壤为0～25cm的土壤；所述步骤(1)中所述微生物混合菌液包括部分活菌及发酵废弃物；所述步骤(2)中所述微生物混合培养基为牛肉汤蛋白胨、葡萄糖、可溶性淀粉和黄豆粉，其比例是0.5～1重量％、2～3重量％、1～2.85重量％、0.2～1.5重量％；所述步骤(1)中所述木炭粉的加入量为3～10kg/亩；微生物混合菌液的加入量为5～15kg/亩；所述步骤(2)中所述微生物混合菌液的加入量为5～10kg/亩；所述微生物混合培养基的加入量为10L/亩；所述步骤(1)中所述木炭粉为农作物秸秆、林业剩余物制成的碳粉，或者采用木材、植物残体经过高温高压缺氧的条件下形成，且经过粉碎后细度在50～200目的碳粉；所述步骤(1)和所述步骤(2)中所述微生物混合菌液中的菌为假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌；所述步骤(1)和所述步骤(2)中所述微生物混合菌液中的菌为假丝酵母菌、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和邵泽红假单胞菌的有效活性芽孢的含量大于10～20亿个活性孢子/克；所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的重量比为4：2：1：1～2：4：3：3；所述假丝酵母菌：啤酒酵母：枯草芽孢杆菌：邵泽红假单胞菌之间的重量比为3：3：3：1，2：2：3：3，4：4：1：1，3：3：2：3或2：3：4：3；所述啤酒酵母为工业菌株，菌种保藏编号CICC1928，假丝酵母的工业菌株，菌种保藏编号CICC1268，沼泽红假单胞菌为菌种保藏编号CICC23812，枯草芽胞杆菌R31为菌种保藏编号CCTCC M209261。
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