CN107488620B - 一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂 - Google Patents

一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物化学技术领域。目的是提供一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂。采用的技术方案：一种镉污染稻田土壤的微生物钝化剂及应用，包括如下组分：产碱假单胞菌、枯草芽孢杆菌、硫酸盐还原菌、营养物质及载体。所述的微生物中，产碱假单胞菌和枯草芽孢杆菌主要通过直接或间接吸附镉离子到微生物表面或细胞内中加以固化，从而降低镉的迁移性及生物有效性，且产碱假单胞菌有调节土壤pH的作用。所述的微生物中，硫酸盐还原菌主要通过还原硫酸盐为硫离子，与镉形成硫化镉，使镉在土壤中固化。本发明通过对所述微生物钝化剂的应用，可使土壤中的镉钝化，大幅消除水稻对镉离子的吸收。这种技术应用，成本低，操作方便，具有很好的推广应用价值。

Description

一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂
技术领域
本发明涉及生物化学技术领域，具体涉及一种治理镉污染土壤的微生物钝化剂，及其在稻田土壤镉的固化及钝化中的应用。
背景技术
水稻是我国重要的粮食作物。近来年，镉在冶炼、化工和电子工业等方面受到广泛应用，这使得土壤镉(Cd)污染日趋严重。如何有效地防治和解决稻田土壤Cd的污染问题，维持土壤的健康与安全生产，越来越受到我国的重视。
Cd是生物毒性极强的重金属元素，其进入人体会形成生物积累，损伤肝、肾、脑以及骨骼等。***环境规划署和国际劳动卫生重金属委员会将其定为重点污染物；美国毒物管理委员会将其列为第六位危及人类健康的有毒物质。
大米是我国人民主要的粮食作物。由于水稻大多是在水淹土壤中种植，Cd在此条件下迁移性更高，因此容易被作物吸收，并在其籽实中积累，进而严重危及人体健康。如何有效地处理稻田土壤中的镉污染，减少镉在水稻中的富集，已成为近年来我国农业和环境保护领域的突出问题。
假单胞菌属为革兰氏阴性细菌，在土壤、污泥中广泛分布，对环境有较强的适应性。研究表明：假单胞菌作为生物吸附剂，可通过分泌胞外多聚物与金属离子形成的胶状多糖的金属络合物，或是通过多糖上的共价离子与金属二价离子发生交换，而在菌株上吸附沉淀，其可吸附Pb(Ⅱ)，Co(Ⅱ)，Ni(Ⅱ)，Cu(Ⅱ)，Cd(Ⅱ)，Ti(Ⅳ)等重金属离子。一些假单胞菌还有极强的还原能力，如产碱假单胞菌,可将通过还原作用将高价态的重金属离子还原为低价态，甚至是单质态，从而降低重金属的毒性和可迁移性。
芽孢杆菌属为革兰氏阳性杆菌，在自然界分布比较广泛，对不良环境有较强的抗性。芽孢杆菌可作为生物吸附剂，吸附重金属Pb2+和Cd2+。纪宏伟等研究发现：枯草芽孢杆菌可以使土壤有效态Cd含量降低5.07％～42.63％，且培养时间越长，其钝化效果越显著。范仲学等通过盆栽试验表明，施用2g/kg的枯草芽孢杆菌对缓解花生Cd胁迫的效果最好，可使籽粒中Cd含量降低25.37％。芽孢杆菌钝化Cd的主要原理是，芽孢杆菌的细胞壁是由肽聚糖与磷壁酸连接而成的聚合体组成的。肽聚糖是N-乙酰胞壁酸N-乙酰氨基葡萄糖交替的高聚物，这些高聚物并列在一起并且进行交联，从而形成吸附层。此外，芽孢杆菌细胞壁的另一个结构是磷壁酸，由短链的甘油磷酸盐组成，具有大量的负电荷，可吸附带正电荷的重金属。
硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB)是一种厌氧的微生物，广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油气井等缺氧环境中。SRB可以将环境中的SO4 2-转化为S2-,利用S2-与金属(如，Fe,Cd)的沉淀作用等形成硫化物沉淀。SRB已广泛应用于处理重金属污染废水，但在土壤重金属污染处理上应用较少。
水稻种植常使用水淹土壤，易形成厌氧微环境，因此适合SRB生长繁殖。假单胞菌属和芽孢杆菌属均为兼性厌氧菌，也可以适应水淹土壤的环境。此外，有调查显示我国南方许多稻田土壤偏酸性(4.6-5.2)，而Cd离子在酸性条件下更易迁移，生物活性高。而产碱假单胞菌在生长过程中，还会利用氢质子，并释放氢氧根离子，使溶液pH升高，对改良酸性土壤环境有一定作用，同时也会降低Cd的生物有效性。
微生物钝化剂固化稻田土壤Cd具有实施较简单、投资较少、对环境破坏小等优点，值得大力研究和开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂，该钝化剂能使稻田土壤中的镉钝化，大幅消除水稻对镉离子的吸收。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种镉污染稻田土壤微生物钝化剂，包括如下组分：产碱假单胞菌、枯草芽孢杆菌、硫酸盐还原菌及载体。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，各组分重量组成如下：产碱假单胞菌30-40份、枯草芽孢杆菌20-30份、硫酸盐还原菌20-30份，载体300-400份。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所述制剂中加入微生物生长所需的营养物质10-15份。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所述载体为生物炭粉，细度60-80目。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所述产碱假单胞菌为DSM-50342或DSM-19550、枯草芽孢杆菌为DSM-100605或DSM-8565或DSM-2109、硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌DSM574或脱硫脱硫弧菌DSM642。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所用的产碱假单胞菌的有效菌数为1.0-2.0×109cfu/g，所用的枯草芽孢杆菌的有效菌数为3.0-5.0×109cfu/g，所用的硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0-5.0×108cfu/g。
优选的：所述的产碱假单胞菌、枯草芽孢杆菌、硫酸盐还原菌采用如下方法生长培养后得到：将原始菌种在无菌条件下分别依次进行斜面培养、摇床种子培养、发酵罐扩大培养后，将得到的发酵液经过浓缩干燥得到所述培养菌粉；三种菌培养时各自不同阶段用到的培养基相同。
优选的：所述营养物质组成为磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化氨(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠、酵母粉和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0：5.0。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所述载体是由植物秸秆或棕榈壳或木质类经高温烧制、干燥和过筛后所制备的生物炭粉，细度60-80目。
优选的：所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，所述载体是棕榈壳经高温烧制、干燥和过筛后所制备的生物炭粉，细度60-80目。
优选的：所述微生物钝化剂为粉状或颗粒状，在土地翻耕时拌细黄土或掺入基肥中均匀撒施，平整土地，一般用量为100-200kg/亩。
本发明具有以下有益效果：本发明所述的微生物能够迅速在稻田土壤中生长繁殖，能通过直接吸附、氧化还原及形成硫化物沉淀等多种形式固定稻田土壤中的Cd离子，对Cd进行固定和钝化，从而降低Cd离子的生物有效性，削减作物对Cd的吸收。本发明在微生物钝化剂中加入了微生物生长所必需的一些营养物质及生物炭粉，有利于促进微生物的生长繁殖和在土壤中的定殖，提高钝化剂的稳定性，解决了由于微生物活性易受各种环境因子的影响(pH、养分、氧气、水分等)，从而影响其对Cd的固定与钝化效果的问题。如使用秸秆等农作物生物炭等粗纤维，则具有体积较大、不易与微生物均匀混合等缺点；而本发明采用的是经高温烧制、干燥、过筛后的商品化生物炭粉，表面积大、吸附过强、与微生物混合均匀、操作方便，且烧制后炭粉本身也有一定的重金属吸附能力，效果明显优于秸秆等农作物简单粉碎后制成的原材料。此外，本发明所加入的营养成分能为微生物大量繁殖提供能量。本发明实施方便、成本低，具有很好的推广应用价值。
具体实施方式
实施例一
产碱假单胞菌的培养
菌种：产碱假单胞菌(DSM-50342或DSM-19550)。
培养基：酵母粉5.0g，KNO3 1.0g，KH2PO4 1.0g，MgSO4·7H2O 1.0g，FeCl3·6H2O0.05g，CaCl2·2H2O 0.2g，柠檬酸三钠5.0g，蒸馏水1000mL,pH 7.2-7.4。
培养：将斜面菌种接种2环于100ml液体培养基中，置于30℃，120rpm摇床振荡培养2-3天，然后按10％接种量转接到新鲜培养基中扩大培养48小时，有效菌数为1.0-2.0×109cfu/g。
实施例二
枯草芽孢杆菌的培养
菌种：枯草芽孢杆菌(DSM-100605，或DSM-8565,或DSM-2109)
培养基：蛋白胨5g，牛肉膏3.0g,蒸馏水1000mL,pH 7.0-7.2。
培养：将斜面菌种接种2环于100ml液体培养基中，置于30℃，120rpm摇床振荡培养2-3天，然后按10％接种量转接到新鲜培养基中扩大培养48小时，有效菌数为3.0-5.0×109cfu/g。
实施例三
硫酸盐还原菌的培养
硫酸盐还原菌菌种：脱硫肠状菌(DSM574)或脱硫脱硫弧菌(DSM 642),或其混合物；
培养基：KNO3 1.0g，K2HPO4 0.5g，NH4CL 1.0，Na2SO4 1.0，CaCL2.2H2O 0.1,MgSO4·7H2O 2.0g，乳酸钠2.0g,酵母膏1.0g,FeSO4·7H2O 0.5g，蒸馏水1000mL,pH 7.6-7.8。
培养：将斜面菌种接种2环于100ml液体培养基中，置于37-40℃，50rpm摇床振荡培养7天，然后按10％接种量转接到新鲜培养基中扩大培养7-9天，有效菌数为3.0-5.0×108cfu/g。
实施例四
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌20份、枯草芽孢杆菌20份、硫酸盐还原菌30份，营养物质10份、生物炭300份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-50342的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-100605的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM574)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例五
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌30份、枯草芽孢杆菌10份、硫酸盐还原菌50份，营养物质20份、生物炭400份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-50342的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-100605的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM574)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例六
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌20份、枯草芽孢杆菌40份、硫酸盐还原菌40份，营养物质20份、生物炭300份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-50342的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-100605的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM574)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例七
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌20份、枯草芽孢杆菌20份、硫酸盐还原菌30份，营养物质10份、生物炭300份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-19550的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-8565的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM 642)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例八
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌30份、枯草芽孢杆菌10份、硫酸盐还原菌50份，营养物质20份、生物炭400份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-19550的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-8565的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM 642)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例九
一种镉污染土壤微生物修复剂，其包括如下组分：
产碱假单胞菌20份、枯草芽孢杆菌40份、硫酸盐还原菌40份，营养物质20份、生物炭300份。
所述产碱假单胞菌为保藏号DSM-19550的菌株；
所述枯草芽孢杆菌为保藏号DSM-8565的菌株；
所述硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌(DSM 642)；
所述产碱假单胞菌的有效菌数为2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0×108cfu/g。
所述营养物质磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化铵(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0。
实施例十
取Cd污染稻田土壤风干后，粉碎，过100目筛，然后按实施例4-9所述的微生物钝化剂:土壤＝5:1000(重量比)的比例混匀后，装入直径40*30*40cm的泡沫或塑料盒中，Cd的可交换态含量为1.21mg/kg，每盆装土4kg，加入去离子水维持至淹水状态，置全自动生态培养箱内培养。设定条件为：白天温度为28℃，全光照；晚上温度为20℃，光暗比12:12；培养30天后用土壤取样器分别四个角和中央的土壤样品混合均匀后，ICP－MS法测定土壤中可交换态Cd的含量。
表1稻田土壤中可交换态镉含量(mg/kg)
从实验结果可以看出，本发明微生物钝化剂可大幅降低土壤中可交换态镉含量，可交换态Cd的消减率在76.6-86.3％之间，钝化后的土壤可交换态Cd<0.3mg/kg，固定与钝化Cd的效果显著。
实施例十一
取不同浓度Cd污染稻田土壤风干后，粉碎，过100目筛，测定Cd可交换态浓度分别为5.2mg/kg、2.8mg/kg、1.5mg/kg；然后按实施例5所述的微生物钝化剂与土壤按重量比5:1000的比例混匀后，装入直径40*30*40cm的泡沫或塑料盒中，初始Cd的可交换态含量分别为5.16、2.75和1.49mg/kg，每盆装土4kg，加入去离子水维持至淹水状态，置全自动生态培养箱内培养。设定条件为：白天温度为28℃，全光照；晚上温度为20℃，光暗比12:12；培养30天后用土壤取样器分别四个角和中央的土壤样品混合均匀后，ICP－MS法测定土壤中可交换态Cd的含量。
表2稻田土壤中可交换态镉含量(mg/kg)
从实验结果可以看出，本发明所述的微生物钝化剂适用Cd污染浓度约1.5mg/kg稻田土壤的钝化修复，钝化后的土壤可交换态Cd<3mg/kg；对于Cd污染浓度较高的土壤(>1.5mg/kg)，尽管可交换态Cd的消减率在26-55.1％，但是，可交换态Cd仍明显高于0.3mg/kg，需要进一步结合其他措施进行Cd污染治理。

Claims (5)

1.一种镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，其特征在于：包括如下重量组成的组分：产碱假单胞菌30～40份、枯草芽孢杆菌20～30份、硫酸盐还原菌20～30份、载体300～400份、微生物生长所需的营养物质10～15份；所述载体为生物炭粉，细度60～80目；
所述产碱假单胞菌为DSM-50342或DSM-19550、枯草芽孢杆菌为DSM-100605或DSM-8565或DSM-2109、硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌DSM574或脱硫脱硫弧菌DSM642；
所述营养物质组成为磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化氨(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠、酵母粉和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0：5.0。
2.根据权利要求1所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，其特征在于：所用的产碱假单胞菌的有效菌数为1.0-2.0×109cfu/g，所用的枯草芽孢杆菌的有效菌数为3.0-5.0×109cfu/g，所用的硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0-5.0×108cfu/g。
3.根据权利要求1或2所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，其特征在于：所述载体是由植物秸秆或棕榈壳或木质类经高温烧制、干燥和过筛后所制备的生物炭粉，细度60-80目。
4.根据权利要求3所述的镉污染稻田土壤的微生物钝化剂，其特征在于：所述载体是棕榈壳经高温烧制、干燥和过筛后所制备的生物炭粉，细度60-80目。
5.一种镉污染土壤的微生物治理和修复方法，其特征在于：适用于Cd污染干基浓度1.5mg/kg以下的土壤的钝化修复；步骤包括：将产碱假单胞菌、枯草芽孢杆菌、硫酸盐还原菌、载体、必要时加入的供上述微生物生长所需的营养物质混合；混合重量比为：产碱假单胞菌30-40份、枯草芽孢杆菌20-30份、硫酸盐还原菌20-30份、营养物质0-15份、载体300-400份；所述生物炭粉，细度60-80目；所用到的微生物原料活性含量为：产碱假单胞菌的有效菌数为1.0-2.0×109cfu/g，所述枯草芽孢杆菌的有效菌数为3.0-5.0×109cfu/g，所述硫酸盐还原菌的有效菌数为3.0-5.0×108cfu/g；然后按100-200kg/亩的用量施用到田间；
其中，所述产碱假单胞菌为DSM-50342或DSM-19550、枯草芽孢杆菌为DSM-100605或DSM-8565或DSM-2109、硫酸盐还原菌为脱硫肠状菌DSM574或脱硫脱硫弧菌DSM642；
所述营养物质组成为磷酸氢二钾(K2HPO4)、氯化氨(NH4CL)、硫酸镁(MgSO4)、乳酸钠、酵母粉和硫酸亚铁(FeSO4)，其重量比例为：0.5：1.0：2.0：2.0：5.0：5.0。
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