CN107400515B - 一种化学-生物钝化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学‑生物钝化剂及其制备方法，该制备方法包括将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为1.0～9.9×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，静置，过滤，烘干，研磨，得到所述的化学‑生物钝化剂。本发明化学‑生物钝化剂在促进空心菜生长，减少空心菜对砷吸收，同时降低土壤砷有效性方面效果均有显著提升，可作为今后砷污染农田风险调控的一种高效的化学‑生物钝化剂。

Description

一种化学-生物钝化剂及其制备方法
【技术领域】
本发明属于农业生产技术领域。更具体地，本发明涉及一种化学-生物钝化剂，还涉及所述化学-生物钝化剂的制备方法。
【背景技术】
砷被认为是一种有毒的类金属元素，摄入过量的砷对人体健康产生严重危害。农田里的砷通过食物链方式在人体中累积，从而严重危害人体健康。目前，我国农田砷污染总体形势不容乐观，砷污染事件频发更是引起了全球的高度关注，砷污染治理一直以来都是农业环境调控的难点之一。土壤砷污染调控技术方法众多，如化学钝化法、客土法等，但能投入实际应用且行之有效的方法却很少。常见的钝化剂包括含铁工业废弃物、腐殖酸粉、生物碳等，其中含铁矿物对土壤砷的钝化效果最佳，也成为众学学者研究的主要对象。
钝化材料施用后能有效地降低土壤砷的有效性，减少作物对砷的吸收，但也给土壤质量带来了一定的负面影响。例如大量的钝化材料进入土壤后，易造成土壤板结、结构变差，盐基离子浓度增加，有效养分含量下降，如土壤微生物多样性、酶活性之类的生物学功能退化等。如何降低土壤砷的环境风险，同时保持与优化土壤物理及生物学功能是今后砷污染土壤钝化修复急需研究的重要内容之一，也是实现污染地区农业可持续发展的重要保障。近年来，利用微生物调控砷污染环境，由于其具备经济、环保且无二次污染等优点，得到了相关学者的广泛关注。最为重要的是一些具有促生与耐砷功能的微生物进入土壤后可以有效地改善作物生长状况，同时改良土壤的生物学功能，增加土壤酶活性。通过研发化学-生物钝化剂可以实现调控土壤砷环境风险，保障土壤生物学功能等多重效果，有利于在砷污染地区长期实施。但从总体来看，目前报道的具有相关功能的化学-生物钝化剂还相对较少。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种化学-生物钝化剂。
本发明的另一个目的是提供所述化学-生物钝化剂的制备方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种化学-生物钝化剂。
该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.0～4.0：1.0组成，它含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
根据本发明的一种优选实施方式，该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.6～3.4：1.0组成，它含有1.0～3.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
根据本发明的另一种优选实施方式，该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.8～3.2：1.0组成，它含有1.8～2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
本发明还涉及所述化学-生物钝化剂的制备方法。
该制备方法的步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比2.0～4.0：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为1.0～9.9×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，静置，过滤，烘干，研磨，得到含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
根据本发明的一种优选实施方式，水铁矿与碳渣粉的重量比是2.6～3.4：1.0。
根据本发明的另一种优选实施方式，水铁矿与碳渣粉的重量比是2.8～3.2：1.0。
根据本发明的另一种优选实施方式，在过滤时所得到的滤饼在温度35～42℃下烘干0.5～1.0小时。
根据本发明的另一种优选实施方式，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度100～150目。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述化学-生物钝化剂含有1.0～3.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述化学-生物钝化剂含有1.8～2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
下面将更详细地描述本发明。
本发明主要涉及一种具有降低土壤砷有效性，减少作物吸收砷，改良土壤生物学功能的化学-生物钝化剂。该钝化剂主要含有人工合成的水铁矿、煤炭生产过程中产生的废弃物碳渣粉、具有耐砷与促生功能的棘孢木霉菌剂。水铁矿及碳渣粉经合理配比后负载微生物菌剂，再经适当的过滤、烘干、研磨处理后获得该化学-生物钝化剂。
本发明涉及一种化学-生物钝化剂。
该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.0～4.0：1.0组成，它含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
水铁矿具有极大的比表面积和高表面活性，可以通过吸附和共沉淀与地表水中的污染物质相互作用，由此往往利用合成水铁矿去除废水中的污染物质。本发明使用的水铁矿是根据中国农业科学院研究生院博士论文，吴萍萍，《不同类型矿物和土壤对砷的吸附-解吸研究》，2011年中描述的方法制备的。具体地，将40.00g Fe(NO3)3·9H2O溶于500mL蒸馏水中，加入330mL 1mol/LKOH水溶液，将铁溶液的pH调节至7～8，剧烈搅拌，离心洗涤，透析，烘干，筛分，得到200目水铁矿。当然，本发明也可以使用在目前市场上销售的水铁矿产品。
碳渣粉是煤碳在洗煤过程中产生的副产品，其产量大，非常容易获取。本发明使用的碳渣粉是山西介休洗煤厂的副产品，其有机质含量达248g/kg、全氮2.5g/kg、全磷0.4g/kg、全钾13.9g/kg、重金属镉、铜、锌、铅、铬、砷等含量均低于土壤环境背景值。当然，本发明也可以使用在目前市场上销售的碳渣粉。
在本发明中，碳渣粉含量为1.0时，如果水铁矿的含量低于2.0，则会降低水铁矿在本发明化学-生物钝化剂中的含量，进而减少棘孢木霉菌的负载量，同时也降低本发明化学-生物钝化剂在减少作物对砷吸收方面的效果；如果水铁矿的含量高于4.0，则会相对减少本发明化学-生物钝化剂中碳渣粉的含量，从而无法为负载的棘孢木霉菌提供充足的营养环境，进而影响负载的棘孢木霉菌在土壤环境中的定殖、繁殖效果，降低本发明化学-生物钝化剂的作用功效；因此，水铁矿的含量为2.0～4.0是合理的，优选地是2.6～3.4，更优选地是2.8～3.2。
本发明使用的棘孢木霉菌厚垣孢子是根据曾希柏等人发明专利技术CN103740634B描述的方法再经改进后制备得到的。在原专利技术所采用的发酵制备棘孢木霉菌厚垣孢子的过程中，增加发酵种子与发酵培养基体积比20％(为原专利2倍多)，同时，发酵培养基成分中增加磷酸氢二钾和硫酸镁，使其成分为淀粉、酵母粉、玉米浆、蛋白胨、CaCO3、磷酸氢二钾与硫酸镁按照重量比16.5、11.0、22.0、16.5、2.05、1.1、0.6溶于650重量份水中，将得到溶液的pH值调节至6.8，然后蒸汽灭菌，得到本发明化学-生物钝化剂所需棘孢木霉菌厚垣孢子的发酵培养基。该培养方法能显著提升棘孢木霉菌厚垣孢子的产生量，增加单位体积培养液中棘孢木霉菌厚垣孢子的数量。
该化学-生物钝化剂的棘孢木霉菌厚垣孢子含量超过所述的范围是不妥当的，因为棘孢木霉菌厚垣孢子含量过低或过高都会导致菌株在土壤中定殖效果不佳，从而影响本发明的作物功效。低量的棘孢木霉菌厚垣孢子含量无法保证菌株在土壤中的有效存活数量。过量的棘孢木霉菌厚垣孢子含量易导致菌株种内竞争，进而影响菌株在土壤中的成功定殖与繁殖。
优选地，该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.6～3.4：1.0组成，它含有1.0～3.5×104cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
更优选地，该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.8～3.2：1.0组成，它含有1.8～2.6×104cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
本发明还涉及所述化学-生物钝化剂的制备方法。
该制备方法的步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比2.0～4.0：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为1.0～9.9×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，静置，过滤，烘干，研磨，得到含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
有关水铁矿、碳渣粉与棘孢木霉菌的菌悬液的情况已经在前面描述过，因此在此不再赘述。
优选地，水铁矿与碳渣粉的重量比是2.6～3.4：1.0。
更优选地，水铁矿与碳渣粉的重量比是2.8～3.2：1.0。
在本发明中，静置是让含有水铁矿与碳渣粉混合物的棘孢木霉菌菌悬液在室温下放置2～3小时。
静置后过滤所使用的过滤设备是本领域技术人员熟知的过滤设备，例如带真空泵的抽滤瓶以及孔径为0.45μm的醋酸纤维膜等设备。
在过滤时得到的滤饼在温度35～42℃下烘干0.5～1.0小时，得到水含量为以重量计10％以下的干燥滤饼。
根据本发明，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度100～150目。这种研磨工具是目前市场上销售的产品。
优选地，所述化学-生物钝化剂含有1.0～3.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
更优选地，所述化学-生物钝化剂含有1.8～2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
本发明化学-生物钝化剂施入砷污染土壤后，负载的棘孢木霉菌可以成功定殖与繁殖，通过微生物代谢活动酸化固相水铁矿与碳渣粉混合物周围环境，进一步提升水铁矿与碳渣粉混合物对砷的吸附与固定能力，同时该棘孢木霉菌具有促生功能，从而提高作物产量；而适当配比的水铁矿与碳渣粉混合物能高效地发挥对土壤砷的吸附与固定能力，同时碳渣粉内含有的碳、氮、磷、有机质等也为负载的微生物及作物的生长提供营养，促进微生物定殖与作物生长。本发明使用的水铁矿与碳渣粉混合物中重金属含量均低于土壤背景值，负载的功能微生物为有益类菌，且易培养，无毒无害。
[有益效果]
本发明的有益效果是：本发明化学-生物钝化剂通过水铁矿与碳渣粉合理配比并负载微生物，在促进空心菜生长，减少空心菜对砷吸收，同时降低土壤砷有效性方面效果均有显著提升，可作为今后砷污染农田风险调控的一种高效的化学-生物钝化剂。
【附图说明】
图1是在不同钝化剂处理条件下空心菜株高及干重变化图；
a-空心菜株高；b-空心菜干重；
图2是在不同钝化剂处理条件下空心菜体内砷含量变化图；
a-空心菜地上部分砷含量；b-空心菜地下部分砷含量；
图3是在不同钝化剂处理条件下土壤有效态砷含量变化图；
图中：不同小写字母表示处理间差异显著。
【具体实施方式】
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1：化学-生物钝化剂的制备
该实施例的实施步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比2.6：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为4.6×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液(参见说明书第4页，下同)中，在室温下静置2.5小时，使用带真空泵的抽滤瓶以及孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤，得到的滤饼在温度38℃下烘干0.8小时，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度100目，得到含有1.8×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
实施例2：化学-生物钝化剂的制备
该实施例的实施步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比3.4：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为7.8×106cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，在室温下静置3小时，使用带真空泵的抽滤瓶以及孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤，得到的滤饼在温度35℃下烘干1.0小时，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度120目，得到含有2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
实施例3：化学-生物钝化剂的制备
该实施例的实施步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比2.0：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为1.0×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，在室温下静置2小时，使用带真空泵的抽滤瓶以及孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤，得到的滤饼在温度42℃下烘干0.5小时，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度150目，得到含有0.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
实施例4：化学-生物钝化剂的制备
该实施例的实施步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比4.0：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为9.9×104cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，在室温下静置3小时，使用带真空泵的抽滤瓶以及孔径为0.45μm的醋酸纤维膜过滤，得到的滤饼在温度40℃下烘干0.6小时，使用研钵和研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度100目，得到含有4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
试验实施例1：本发明化学-生物钝化剂对污染土壤中空心菜生物量的影响
该实施例的实施步骤如下：
盆栽试验设置：
供试砷污染土壤采集自湖南石门县雄黄矿区，其土壤总砷含量187mg/kg。
试验处理：以试验土壤重量计，T1：1％水铁矿；T2:1％碳渣粉；T3:1％水铁矿+碳渣粉(水铁矿与碳渣粉重量比3：1)；T4:1％本发明化学-生物钝化剂；T5:灭菌的本发明化学-生物钝化剂。
对照处理：不施任何钝化材料(CK)。试验方法：每盆装土量为2.5kg。种植作物空心菜，每盆定植3株空心菜，按照常规方法进行管理。在试验结束后，采集土壤样品，采用NaHCO3法(Woolson等，1971.Correlation between available soil arsenic,estimatedby six methods,and response of corn(Zea mays L.).Soil Sci.Soc.Am.J.35,101-105)从试验土壤中提取有效态砷；采用氢化物发生原子荧光分析仪进行总砷含量分析。
采集空心菜样品，称取样品鲜重，再经杀青与烘干到恒重，称取空心菜干重。植株样品经研磨后，采用HNO3-HClO4-H2SO4消解法(GB/T5009.11-1996)进行消解，然后采用常规氢化物发生原子荧光法分析仪进行总砷含量分析。
本发明化学-生物钝化剂对污染土壤中空心菜生物量影响试验结果列于图1。
从图1可以看出，不同钝化剂处理对空心菜株高和干重均有显著差异。从图1a可以看出，在株高方面，本发明化学-生物钝化剂处理(T4)的空心菜株高均显著高于对照(CK)，也高于单施水铁矿(T1)、单施1％碳渣粉(T2)、水铁矿+碳渣粉(T3)、灭菌的本发明化学-生物钝化剂(T5)，单施水铁矿(T1)处理则在一定程度上降低了空心菜株高。
从图1b可以看出，在空心菜干重方面，本发明化学-生物钝化剂处理(T4)的空心菜干重也均显著高于其它处理。单施水铁矿(T1)处理的空心菜生物量干重显著低于对照，表明本施用量条件下单施水铁矿可能造成空心菜生长受抑制。总之，施用本发明化学-生物钝化剂有助于显著促进空心菜生长。
试验实施例2：本发明化学-生物钝化剂施用对污染土壤中空心菜体内砷吸收的影响
该实施例的实施步骤如下：
该实施例的试验方法与试验实施例1相同。
本发明化学-生物钝化剂施用对污染土壤中空心菜体内砷吸收影响结果列于图2。
从图2可以看出，不同钝化剂处理的空心菜体内砷含量均有显著差异。从图2a可以看出，从空心菜地上部分砷含量来看，与对照相比，本发明化学-生物钝化剂处理(T4)及其它钝化处理的空心菜地上部分砷含量均显著降低。本发明化学-生物钝化剂处理(T4)在减少空心菜地上部分砷含量的效果最佳，与CK、单施水铁矿处理(T1)、单施1％碳渣粉处理(T2)、水铁矿+碳渣粉处理(T3)、灭菌的本发明化学-生物钝化剂处理(T5)相比，施用本发明化学-生物钝化剂的空心菜地上部砷含量分别下降约48.9％、24.8％、27.1％、21.4％、20.9％，其降低空心菜地上部砷含量的效果是极其显著的。
从图2b可以看出，从空心菜地下部砷含量来看，与对照相比，本发明化学-生物钝化剂处理(T4)及其它钝化处理的空心菜地下部砷含量均显著降低。本发明化学-生物钝化剂处理(T4)在减少空心菜地下部分砷含量的效果最佳，与CK、单施水铁矿处理(T1)、单施1％碳渣粉处理(T2)、水铁矿+碳渣粉处理(T3)、灭菌的本发明化学-生物钝化剂处理(T5)相比，本发明化学-生物钝化剂处理(T4)的空心菜地上部砷含量分别下降约52.5％、44.6％、41.7％、22.7％、27.1％。
综上所述，本发明化学-生物钝化剂实施后可显著降低空心菜对砷的吸收，相比其他钝化剂处理，本发明化学-生物钝化剂在降低空心菜体内砷累积方面效果更为显著，其降低空心菜地上部砷含量的效果是极其显著的。
试验实施例3：本发明化学-生物钝化剂施用对污染土壤中砷有效性的影响
该实施例的实施步骤如下：
该实施例的试验方法与试验实施例1相同。
本发明化学-生物钝化剂施用对污染土壤中砷有效性的影响结果列于图3中。
从图3可以看出，施用不同钝化剂可以显著改变土壤中砷的有效性。与对照相比，施用不同钝化剂均显著降低土壤中砷的有效性。与CK相比，单施水铁矿处理(T1)、单施碳渣粉处理(T2)、水铁矿+碳渣粉处理(T3)、本发明化学-生物钝化剂处理(T4)、灭菌的本发明化学-生物钝化剂处理(T5)的土壤中砷有效性分别降低约33.4％、9.5％、26.2％、46.3％、32.3％。在这些钝化剂处理中，施用本发明化学-生物钝化剂对降低土壤中砷有效性方面效果是最佳的。
综上所述，本发明通过水铁矿与碳渣粉合理配比并负载微生物后，其相对于单施水铁矿、单施碳渣粉、不负载微生物的水铁矿与碳渣粉混合物、只接种微生物相比，在促进空心菜生长，减少空心菜对砷吸收，同时降低土壤砷有效性方面效果均有显著提升，可作为今后砷污染农田风险调控的一种高效的化学-生物钝化剂。

Claims (10)

1.一种化学-生物钝化剂，其特征在于该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.0～4.0：1.0组成，它含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
2.根据权利要求1所述的化学-生物钝化剂，其特征在于该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.6～3.4：1.0组成，它含有1.0～3.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
3.根据权利要求1所述的化学-生物钝化剂，其特征在于该化学-生物钝化剂由水铁矿与碳渣粉按照重量比2.8～3.2：1.0组成，它含有1.8～2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
4.根据权利要求1所述化学-生物钝化剂的制备方法，其特征在于该制备方法的步骤如下：
按照水铁矿与碳渣粉的重量比2.0～4.0：1.0，将水铁矿与碳渣粉混合均匀，得到的混合物添加到含菌量为1.0～9.9×107cfu/ml的棘孢木霉菌的菌悬液中，静置，过滤，烘干，研磨，得到含有0.5～4.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子的化学-生物钝化剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于水铁矿与碳渣粉的重量比是2.6～3.4：1.0。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于水铁矿与碳渣粉的重量比是2.8～3.2：1.0。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于在过滤时所得到的滤饼在温度35～42℃下烘干0.5～1.0小时。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于使用研钵与研磨棒将烘干的滤饼研磨至粒度100～150目。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述化学-生物钝化剂含有1.0～3.5×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述化学-生物钝化剂含有1.8～2.6×107cfu/克棘孢木霉菌厚垣孢子。
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