CN107999524A - 一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其将生物结皮种源人工接种于稻田土壤，并进行培育，使其快速生长，吸收固定重金属镉砷，其具体包括：1)选择发育良好的自然生物结皮，铲取表层10～50mm厚的生物结皮；2)将采集的生物结皮阴干去除杂物后粉碎、混匀制成生物结皮种源；3)将制备的生物结皮种源与细土以1∶1～3的比例混合后，接种于待接种土表，并灌水，使田间持水量保持在70～80％；4)控制适宜条件促进生物结皮生长；5)待生物结皮成熟，放干水，干燥生物结皮，使生物结皮中矿物脱水稳定。本发明通过人工接种、培养的方法可在短期内形成高覆盖度的生物结皮，且所形成的生物结皮具有显著的吸收固定稻田中镉砷功能。

Description

一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法
技术领域
本发明涉及一种降低水体环境中重金属镉砷生物有效性的方法，特别是一种利用稻田生物结皮生物群落钝化稻田***中重金属镉砷的方法。
背景技术
因矿山冶炼、化工企业长期通过多种形式向耕地***输入重金属污染物，加上肥料中重金属的进入，造成我国大面积耕地遭受重金属污染，已严重威胁到我国的粮食与其它农产品安全。环境保护部和国土资源部2014年4月17日联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示全国土壤总点位超标率为16.1％，耕地土壤点位超标率更高达19.4％。其中在8种调查的无机污染物中，镉、砷的点位超标率分别列第1和3位，是需要重点关注的重金属污染物。镉在土壤中迁移能力强，易进入食物链，能对生物体产生巨大毒害作用(Sun,2016)。在我国受镉污染的土壤中，仅农田土壤面积就已超过20万hm2，每年生产镉含量超标的农产品达14.6×108Kg(宋文恩，2014)。重金属复合污染中，镉砷复合污染是重金属污染中最严重的污染形式。
湖南省是全国最典型的重金属污染区，其污染耕地主要集中在湘江流域和湘南、湘西的“一线两片”和环洞庭湖区域。在湘江下游与洞庭湖区并没有大量的矿山存在，但是耕地依然存在严重的重金属污染，表明其主要污染源来自灌溉水。许多研究表明,污灌区土壤中的重金属和有机污染物含量明显高于背景值甚至超过国家标准(周秀艳，2006；刘小楠,2009),形成了不同程度的土壤污染，且随着灌溉时间的增长呈逐渐加重的趋势。吴国振(2002)通过对白银市污水灌溉区农田土壤进行调查测定，表明污水灌溉区农田Cu、Pb、Zn、Cd、As已严重超标，使土壤受到重金属的严重污染。王莉(2006)对沈阳市郊某污灌区土壤中重金属镉的污染状况进行了调查，结果表明经过10年左右的停灌和灌渠改造等措施，该区污灌稻田土壤表层Cd、As含量仍然较高，污染程度仍处在停耕前的水平。在湘江下游耕地中，土壤中重金属超标的元素与湘江水体中重金属基本一致，表明灌溉水是造成土壤污染的主要原因。湖南农业大学对湖南长株潭地区稻田***重金属镉来源监测表明，大气沉降与灌溉水一样为稻田***中镉砷的主要输入源。因此，防止大气和灌溉水中镉砷进入稻田***对降低稻米中的镉砷浓度具有重要的意义。
现有对稻田中重金属钝化作用的技术主要有化学沉淀钝化和生物钝化。中国专利(申请号：201710376668)有利用羟基磷灰石、生物炭复合材料钝化稻田土壤中镉砷，抑制水稻对重金属吸收。而另一中国专利如(申请号：201610631613.4)利用磷酸盐、铁盐、氧化镁、无机粘土、有机螯合剂及二氧化硅等修复稻田土壤，但是药剂用量大，达到土壤质量的25％，而造成土壤质量的破坏。为了提高钝化效率，中国专利(申请号：201710413193.7)利用磷酸盐、生石灰和聚丙烯酰胺等作为复配材料，达到稻田土壤中重金属高效提取-钝化固化协同作用，从而提高钝化效率。利用生物固定技术的还有中国专利(201510564707.X)地衣芽孢杆菌和菌剂及它们的应用和钝化重金属的方法。该方法公开了一种地衣芽孢杆菌(保藏编号为CGMCCNo.10852)对砷镉铅都能固定，但是固定重金属主要以碳酸盐为主和磷酸盐矿物为主，容易被酸溶解。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能钝化稻田中大气和灌溉水输入镉砷，且固化后重金属不易被酸溶解，且能将重金属转变成矿物，降低其生物有效性的利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法。
为达上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其将生物结皮种源人工接种于稻田土壤，培育生物结皮，使其快速生长，吸收固定重金属镉砷，将重金属转变成矿物，降低生物有效性。
上述利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法具体包括如下步骤：
1)选择自然发育的稻田生物结皮，铲取其表层10～50mm厚的生物结皮备用；
2)将采集的生物结皮阴干，去除杂物后粉碎，充分搅拌混匀制成生物结皮种源；
3)将制备的生物结皮种源与细土以1∶1～3的质量比混合后，均匀接种于待接种土表，完成后灌水，田间持水量保持在70～80％；
4)灌水、追肥、杀虫以及清除杂草，促进生物结皮生长；
5)放干水，干燥生物结皮，使生物结皮中矿物脱水稳定。
上述方法中，所述生物结皮种源选自肥沃稻田自然发育的生物结皮，且选择生长量大，形态厚实，胞外聚合物多，粘稠性强的生物结皮。
上述方法中，所述生物结皮种源采集在灌水期和排水期分别进行，采集时应针对不同耕作制度、土壤类型设多个采集点，分别采集，以保证所采集种源的代表性和适应性。
上述方法中，所述生物结皮种源在接种前控制其含水量为4～6％。
上述方法中，所述生物结皮种源粉碎后的当量直径为0.5～2.0mm。
上述方法中，所述生物结皮种源与细土混合物的接种量为0.5～2.0kg/m2。
上述方法中，接种生物结皮种源后保持接种地的湿润，在生物结皮生长期内注意灌水操作，既要避免干旱，又要避免水量过多冲刷使生物结皮聚集成块，待生物结皮大部分成活且土表呈浅绿色时进行大水漫灌，但水深度不超过10.0cm。
上述方法中，在生物结皮生长期内至少追肥一次，施肥量为氮5～15g/m2、磷5～20g/m2、钾6～26g/m2。
上述方法在水稻种植的同时进行操作，即本发明能在不影响水稻生产的条件下实现边生产边钝化。
稻田结皮对水体和大气中重金属镉具有富集作用，本申请发明人在湖南省范围进行采集结皮发现，自然生长的结皮对水中镉的富集系数超过1000，对土壤中镉的富集系数超过10，水中砷的富集系数超过1000，对土壤中砷的富集系数超过5。本申请发明人发现结皮中的藻主要为硅藻属生物，且硅藻属生物可以产生大量的二氧化硅固定重金属。因而，发明人利用生物结皮中的硅藻属生物，将重金属镉砷等固定在二氧化硅矿物中，具有强的抗酸作用，达到长期钝化效果。
本发明采集肥沃稻田(碱性为佳)自然发育的生物结皮，以其为种源对灌溉水或大气沉降持续污染的农田土地进行人工接种，并创造各种适宜条件促进其生长。这种多点采集的生物结皮种源完全来自于当地自然条件，其中微生物种群结构合理，因此能够完全适应当地的气候和土壤条件。在人工灌水、施肥、禁止干扰等管理措施的配合下，人工接种生物结皮的土表在15天左右即可长出肉眼可见的藻类和苔藓植株，厚度可达1～5mm，1个月后土表即可形成斑块状的生物结皮。对于强酸性土壤，适当添加硅肥，促进结皮对重金属进行矿化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)本发明提供的方法适用于以农田灌溉水或大气沉降为主持续输入的重金属镉的稻田***，其中生物结皮可以有效地吸收灌溉水或大气输入的镉，并去除，土壤中内部的镉通过水稻的蒸腾作用，抽提到土壤表面，再由土壤结皮富集去除。
(2)本发明中生长出的生物结皮能有效地将重金属固定到二氧化硅矿物中，而二氧化硅在酸性条件下难以溶解，比一般形成的碳酸盐、硫化物等具有更稳定的优势。
(3)本发明方法可以在水稻种植的同时进行操作，实现边生产边去除，同时该方法成本低廉、简便快捷、管理粗放、效果明显、易于推广。
(4)本发明方法形成的生物结皮对地表的覆盖度高、固氮能力强，同时可有效减少氮磷和土壤流失，对防控面源污染具有重要意义。
(5)本发明生物结皮的生长周期较短，约为30天，收获结皮后可以重新配置结皮，促进生长实现持续钝化的目的。
附图说明
图1为实施例1中浏阳长丰村稻田生物结皮干燥后照片。
图2为实施例1中干燥后结皮的X-光晶体衍射结果。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：生物结皮的人工接种培养及其钝化镉砷功能
本实施例在湖南省浏阳长丰村进行，土壤参数如表1所示。
表1：土壤重金属含量及其性质表(mg/Kg)
首先选择肥沃稻田自然发育的生物结皮，采集在灌水期和排水期分别进行，采集时针对不同耕作制度、土壤类型设10个采集点，分别采集表层约1-2cm厚的生物结皮，并将采集的生物结皮阴干，去除枯叶等杂物后使用普通粉碎机(筛孔直径1.2mm)将其粉碎，充分搅拌混匀后置于阴凉处备用。
然后将以上收集的生物结皮种源与细土以1：2的质量比混合后，以1.0kg/m2的接种量均匀撒于待接种稻田土壤表面。然后对土表浇水至有轻微积水时停止，浇水过程中避免水流直接冲击土表，同时避免形成地面积水和径流。每1日浇水一次，3天后停止浇水。接种后7天，喷施适量的尿素,施肥量为氮5～15g/m2、磷5～20g/m2、钾6～26g/m2。然后，保持湿润或淹水状态，防止长期干田。
当生物结皮成长至厚度为2-5cm，放干水，使生物结皮在太阳下干燥，稳定矿物。干燥后生物结皮照片见图1，干燥后生物结皮的X-光晶体衍射结果(XRD)表明其中含有的主要为二氧化硅矿物(参见图2)，生物结皮中重金属镉浓度为13.2mg/Kg，砷浓度为205.5mg/Kg，非EDTA提取态分别为72％和66％。

Claims (10)

1.一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，将生物结皮种源人工接种于稻田土壤，培育生物结皮，使其快速生长，吸收固定重金属镉砷，将重金属转变成矿物，降低生物有效性。
2.根据权利要求1所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)选择自然发育的稻田生物结皮，铲取其表层10～50mm厚的生物结皮备用；
2)将采集的生物结皮阴干，去除杂物后粉碎，充分搅拌混匀制成生物结皮种源；
3)将制备的生物结皮种源与细土以1∶1～3的质量比混合后，均匀接种于待接种土表，完成后灌水，田间持水量保持在70～80％；
4)灌水、追肥、杀虫以及清除杂草，促进生物结皮生长；
5)放干水，干燥生物结皮，使生物结皮中矿物脱水稳定。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，所述生物结皮种源选自肥沃稻田自然发育的生物结皮，且选择生长量大，形态厚实，胞外聚合物多，粘稠性强的生物结皮。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，所述生物结皮种源采集在灌水期和排水期分别进行，采集时应针对不同耕作制度、土壤类型设多个采集点，分别采集，以保证所采集种源的代表性和适应性。
5.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，所述生物结皮种源在接种前控制其含水量为4～6％。
6.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，所述生物结皮种源粉碎后的当量直径为0.5～2.0mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，所述生物结皮种源与细土混合物的接种量为0.5～2.0kg/m2。
8.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，接种生物结皮种源后保持接种地的湿润，在生物结皮生长期内注意灌水操作，既要避免干旱，又要避免水量过多冲刷使生物结皮聚集成块，待生物结皮大部分成活且土表呈浅绿色时进行大水漫灌，但水深度不超过10.0cm。
9.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，在生物结皮生长期内至少追肥一次，施肥量为氮5～15g/m2、磷5～20g/m2、钾6～26g/m2。
10.根据权利要求1或2所述的一种利用生物结皮钝化稻田中重金属镉砷的方法，其特征在于，在水稻种植的同时进行操作。
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