CN115634924B - 一种茶园污染土壤修复治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种茶园污染土壤修复治理方法，其是采用微生物修复剂施入茶园土壤，进行重金属污染土壤的治理，其中，所述微生物修复剂由耐重金属放线菌NJ07‑19、富集重金属放线菌CS‑16和纳米四氧化三铁按重量比3:1:2组成；其中，所述耐重金属放线菌NJ07‑19的保藏号为CCTCCNo：M2015737；所述富集重金属放线菌CS‑16的保藏号为CGMCCNo.21594。本发明充分发挥了两种放线菌的微生物修复功效，这两种放线菌能够起到相互促进、协同增效的作用，同时其中的纳米四氧化三铁能够起到很好的载体作用，高效负载这两种微生物菌剂并充分保持其活性，长效发挥微生物的修复作用，对茶园多种重金属污染的复杂土壤起到了很好的修复效果。
Description
技术领域
本发明属于土壤重金属污染治理技术领域，具体涉及一种茶园污染土壤修复治理方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，以及人类生产活动的影响，自然界的土壤受到破坏现象不断加重，土壤中重金属污染的情况越来越严重。土壤重金属污染不仅严重影响土壤质量和地力提升，还会危及生态与食品安全和人体健康。
重金属污染是指比重大于5的金属或其他类型化合物对环境造成的污染，土壤资源中的重金属污染物主要有铅、锌、铜、镉，以及砷、汞、铬、镍、锰等。
引起土壤重金属污染的主要原因是人为因素。工矿企业生产、农业生产活动以及交通运输等在一定程度上增加了土壤中重金属的含量，另外，电子产品中携带着大量的铅等重金属，在废弃后未得到回收处理，很容易深入土壤造成污染。
重金属污染物因毒性大、难降解、易积累，可在土壤和生物体内富集，造成土壤和作物的污染，对作物的生长和品质有较大危害，被作物吸收富集进入食物链后，具有损害人体和动物健康的潜在危险。重金属污染土壤具有隐蔽性、长期性和不可逆性，是影响生态***安全的重要污染物质。因此，对重金属污染进行治理，成为人们保护自然资源，改善生存环境和保证人类健康，所迫在眉捷的事情。
目前，治理重金属污染土壤的方法主要有物理修复法、化学修复法和生物修复法。其中物理修复法存在适用范围较窄，治理过程中投入能源成分较高的问题。化学修复法主要是改变重金属污染物在土壤中的形态，而对于土壤中的重金属总数量、总浓度并没有做出较大改变，经改良处理的重金属依然存在着再次活化的可能，容易对土壤造成二次污染。
而生物修复法是完全不同于上述物理修复法和化学修复法的方法。与传统修复方法相比，生物修复法因其绿色环保、高效、成本低等优点而受到广泛关注。其中广泛研究的微生物修复法是向受污染的土壤中添加微生物菌剂，利用微生物菌剂对重金属的亲合、吸附、转化效应，来降低土壤中重金属的有效浓度。微生物修复法治理土壤重金属污染具有成本低、效率高、不需要停耕、可进行原位修复、对土壤环境影响小、同时能改善土壤环境、提升土壤肥力等诸多优点，已成为修复土壤重金属污染研究领域的热点。
虽然人们对微生物修复法开展了大量研究，然而现有的研究主要集中于某一种微生物菌剂和几种不同的微生物菌剂之间的作用来实现重金属污染的修复，这种微生物修复方法往往仅能针对某一种或少数几种污染物进行治理，且发挥的修复功效有限。然而对于土壤重金属污染而言，通常会同时受到多种重金属的污染，土壤中的重金属污染物成分复杂，这时候单一的修复手段往往对复杂污染物组分的修复效果并不好，仅能针对某一种污染物实现高效的修复治理，而对其它污染物的修复效果较差。
如专利文献CN 105036352 B提供了一种用于修复芳烃-重金属离子复合污染的微生物方法，其是将恶臭假单胞菌浓缩菌液、酵母菌浓缩菌液、胶质芽孢杆菌浓缩菌液按照比例混匀制备复合浓缩菌液，然后加入到含芳烃、重金属离子的溶液中，来有效降解芳烃、矿化重金属离子，形成稳定的矿物碳酸盐。然而该专利方法主要是针对丙苯和锌离子进行去除修复，对其它的重金属离子的修复效果未进行研究，同时对于复杂组成的污染物的去除效果也没有研究报道。
如专利文献CN 107129942 A公开了一种培养复合菌群快速生长和产酸的方法及得到的复合菌群，该方法虽然用到了复合菌群，但该复合菌群仅能对去除土壤中重金属镉表现出较好的清除效率，其应用范围仍然较为有限。
微生物修复法主要依赖于获得活性高和代谢能力高的微生物，但由于微生物的复杂性，国内外学者对于微生物修复法在土壤重金属污染的具体应用仍在不断深入，植物与微生物之间或是生物吸附剂之间的相互作用对植物生长、重金属吸收和修复效率的影响仍有待进一步研究。因此，现有的修复手段仍然待进一步研究，以期提供一种修复效果更好的重金属修复剂及土壤的修复治理方法。
由于人们对茶叶的需求量较大，特别是在四川、福建等地，茶叶的种植较为流行，而茶园具有种植面积广泛，土壤质量要求高的特点。然而重金属在茶园土壤的积累，很容易通过茶叶食物链进入人体，造成一系列的茶叶质量与安全问题。因此，能否找到一种针对于茶园土壤重金属污染的修复治理方法，成为本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种茶园污染土壤修复治理方法。本发明的技术目的在于，解决现有的微生物修复方法无法充分发挥不同微生物菌剂之间的协同修复作用，导致现有的微生物修复方法对复杂重金属污染成分的去除效率较低，仅能针对某一种或少数几种重金属污染物进行治理的问题。
本发明提供了一种茶园污染土壤修复治理方法，所述方法是采用微生物修复剂施入茶园土壤，进行重金属污染土壤的治理，其中，所述微生物修复剂由耐重金属放线菌NJ07-19、富集重金属放线菌CS-16和纳米四氧化三铁按重量比3:1:2组成；其中，所述耐重金属放线菌NJ07-19的保藏号为CCTCC No：M2015737；所述富集重金属放线菌CS-16的保藏号为CGMCC No.21594。
进一步的是，所述微生物修复剂中耐重金属放线菌NJ07-19的菌液浓度为6.0×107个/mL，富集重金属放线菌CS-16的菌液浓度为3.5×107个/mL。
进一步的是，所述纳米四氧化三铁的纯度为99.5％以上，平均粒径≤20nm。
进一步的是，是先将两种放线菌分别进行菌种培养，待达到所需菌液浓度后将两种菌液混合，然后向其中加入纳米四氧化三铁粉末，混合均匀后作为微生物修复剂施入茶园土壤中。
进一步的是，所述茶园土壤中施入的微生物修复剂的用量占土壤总重量的2～3％。
进一步的是，所述茶园污染土壤中的重金属包括Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)中的至少一种。
本发明提供的上述茶园污染土壤修复治理方法，充分发挥了微生物修复法中多种微生物菌剂的协同功效，最大程度实现了茶园重金属污染土壤的治理。本发明通过对微生物菌株进行大量筛选，最终获得了选择将耐重金属放线菌和富集重金属放线菌作为复合菌剂，这两种放线菌的结合能够充分发挥微生物菌剂的高效修复和协同修复作用。
另一方面，由于微生物菌剂在土壤中发挥修复作用的机理是需要保持较高的微生物活性，本发明进一步进行了摸索，最后选择采用纳米四氧化三铁与上述两种放线菌复配，发现其能够很好发挥载体的作用，高效固定和保持微生物修复剂的活性，更利于发挥微生物菌剂的修复作用，这三者的组合起到了很好的协同增效作用。而当不采用纳米甲氧化三铁作为载体，或是改变其用量配比，其发挥微生物修复功效的能力将降低，对重金属的去除效果将变弱。本发明提供的修复方法，能够实现对茶园土壤中多种重金属离子包括Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)在内的高效吸收去除，两种微生物菌剂之间，以及其与载体之间，起到了很好的相互促进作用，大大提升了本发明的修复效果。
专利文献CN 105861362 B中报道了一株耐重金属的放线菌菌株Lechevalieriananjingensis NJ07-19(保藏编号：CGMCC No：M2015737)，该原始菌株是通过从重金属污染的土壤中分离、筛选获得，然后通过离子注入物理诱变得到。该菌株能够耐受重金属铅、铜、锌、镍，其中，对铅与铜的最高耐受浓度分别为1500mg/L、600mg/L，对重金属铅与铜的吸附率分别可以达到83％、56％，可以在水体和土壤重金属污染治理中应用。
上述专利文献报道了耐重金属的放线菌菌株NJ07-19在用于处理和吸附重金属离子的效果，然而该专利文献对重金属种类的吸附研究有限，对其吸附性能仍有待进一步提升。
专利文献CN 113201475 B公开了一株可富集重金属的放线菌Agromyces sp.CS-16(保藏编号：CGMCC No.21594)，该菌株是从深圳福田红树林自然保护区筛选出的属于Agromyces属的一种可富集重金属的放线菌。该放线菌对镍和镉具有较佳的耐受性，能够在低于160mg/L的Ni2+浓度环境下生存，也能够在低于15mg/L的Cd2+浓度环境下生存，能够实现修复水体、土壤重金属污染的目的。然而该专利文献中仅发现了该放线菌对Ni和Cd具有较好的去除率，但并不能用量高效去除其它种类的重金属离子。
本发明人意外地发现，将上述耐重金属放线菌NJ07-19与可富集重金属放线菌CS-16复配，通过调整其比例，表现出了可对原有重金属表现出优异的吸附去除能力，同时能够对其它各种重金属表现出高效的吸附去除能力。可能的原因是这两种放线菌的组合，起到了相互协同增效的作用，充分发挥了各自的重金属吸附性能，实现了高效去除重金属的效果。
本发明创造性地将这两种放线菌结合，意外发现其对于土壤中多种重金属离子起到了显著的修复作用，明显降低了果园土壤中各种重金属的含量。
在确定了微生物修复方法的基础上，为了更全面地修复重金属污染，本发明人尝试将其与微生物载体相结合。经过大量实验研究摸索后，本发明人发明将上述微生物修复剂与纳米四氧化三铁组合之后，能够进一步增加对重金属的吸收去除效果，且这种去除效果是全面的，并不会出现只针对某一种重金属具有较好的去除效果，而对其它重金属的去除效果较差。最终，采用本发明的微生物修复方法，实现了对茶园土壤中多种重金属离子同时存在时，如Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)同时存在，仍然具有高效的吸收去除效果，微生物修复剂与载体的组合，起到了很好的相互促进作用，纳米四氧化三铁作为微生物修复剂的载体，能够更好保证微生物修复剂的活性和修复能力的长效发挥。而原先的微生物修复剂在单独使用时，均无法针对多达上述多种金属离子实现高效的修复效果。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供了一种茶园重金属污染土壤修复治理方法，其是采用微生物复合修复方法，选择两种放线菌进行复合，起到了很好的协同增效作用，能够促进各自的微生物菌剂更好地发挥修复功效；
(2)本发明在上述两种放线菌剂的复合增效下，进一步选择了一种对这两种菌剂具有很好负载功能，并能够高效保持其微生物活性的载体(纳米四氧化三铁)，通过这种结合，进一步提升了本发明对重金属污染的修复效果；
(3)本发明提供的一种茶园污染土壤修复治理方法，能够对茶园土壤中多种重金属离子同时存在时，如Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)等多种金属离子存在的复杂污染物，起到高效的去除效果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一、复合微生物修复剂的制备
(1)向中国典型培养物保藏中心和中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心分别购买耐重金属放线菌NJ07-19(保藏编号：CGMCC No：M2015737)和富集重金属放线菌CS-16(保藏编号：CGMCC No.21594)，将耐重金属放线菌NJ07-19和富集重金属放线菌CS-16分别参照CN 105861362 B和CN 113201475 B记载的培养条件于培养基中培养，待培养至生长对数期，采用稀释平板计数测定细菌数量，获得菌液浓度为6.0×107个/mL的耐重金属放线菌NJ07-19悬浮液，以及菌液浓度为3.5×107个/mL的富集重金属放线菌CS-16悬浮液；
(2)取上述两种放线菌的悬浮液，将耐重金属放线菌NJ07-19和富集重金属放线菌CS-16按重量比3:1组成微生物菌剂，备用。
(3)将纳米四氧化三铁(CAS号：1317-61-9，分子量：231.53，纯度：99.5％，平均粒径≤20nm)加入到上述复合微生物菌剂中，保持各自的重量比3:1:2，得到复合微生物修复剂。
(三)将上述微生物修复剂和化学修复剂按照重量比2:3混合，作为复合修复剂用于果园重金属污染土壤的修复治理。
二、供试土壤的准备
供试土壤采自四川农业大学标准试验田。土壤基本理化性质为：pH 7.0，有机质35.13％，全氮1.98g·kg-1，全磷0.81g·kg-1，有效钾25.32g·kg-1。土壤未受重金属污染，将该土壤筛分(2mm)，连续三天在120℃下灭菌30min，备用。
实施例2
采用复合微生物修复剂用于茶园重金属污染土壤修复治理，模拟待修复茶园土壤的重金属污染情况如下：
在上述供试土壤中加入CuSO4·5H2O、ZnCl2和3CdSO2·8H2O溶液，以使得土壤中Cu(Ⅱ)的初始浓度为500mg·kg-1、Zn(Ⅱ)的初始浓度为500mg·kg-1、Cd(Ⅱ)的初始浓度为500mg·kg-1。向该土壤试样中添加上述复合微生物修复剂，添加量占土壤试样总重量的2％，混合均匀。向土壤中添加水，保持土壤水分含量为50％，于25℃下于110rpm震荡处理土壤。3天后将土壤试样离心，测定土壤试样中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最终浓度，测试结果分别为0.88mg·kg-1、0.54mg·kg-1、0.69mg·kg-1，表明本发明的复合微生物修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率分别为99.83％、99.9％、99.87％，可以看出在3种混合重金属污染条件下，本发明的修复方法对茶园土壤重金属的去除率保持在较高水平。
实施例3
采用复合微生物修复剂用于茶园重金属污染土壤修复治理，模拟待修复茶园土壤的重金属污染情况如下：
在上述供试土壤中加入CuSO4·5H2O、FeCl3·6H2O、3CdSO2·8H2O、Pb(NO3)2和ZnSO4溶液，以使得土壤中Cu(Ⅱ)的初始浓度为300mg·kg-1、Fe(Ⅲ)的初始浓度为300mg·kg-1、Cd(Ⅱ)的初始浓度为400mg·kg-1、Pb(Ⅱ)的初始浓度为350mg·kg-1、Zn(Ⅱ)的初始浓度为500mg·kg-1。向该土壤试样中添加本发明的复合微生物修复剂，添加量占土壤试样总重量的2％，混合均匀。向土壤中添加水，保持土壤水分含量为50％，于25℃下于110rpm震荡处理土壤。3天后将土壤试样离心，测定土壤试样中Cu(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的最终浓度分别为0.93mg·kg-1、1.32mg·kg-1、0.95mg·kg-1、1.21mg·kg-1、1.30mg·kg-1，表明本发明的土壤修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的去除率分别为99.69％、99.66％、99.77％、99.66％、99.74％，可以看出在5种混合重金属污染条件下，本发明的修复方法对复杂重金属的去除率仍然很高。
实施例4
采用复合微生物修复剂用于茶园重金属污染土壤修复治理，模拟待修复茶园土壤的重金属污染情况如下：
在上述供试土壤中加入CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、NiCl2·6H2O、3CdSO2·8H2O、FeCl3·6H2O、MnSO4·H2O、Pb(NO3)2、CrCl3·6H2O和Na2Cr2O7·2H2O溶液，以使得土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)的初始浓度分别为500mg·kg-1、300mg·kg-1、400mg·kg-1、350mg·kg-1、450mg·kg-1、550mg·kg-1、600mg·kg-1、200mg·kg-1、350mg·kg-1。向该茶园土壤试样中添加本发明的复合微生物修复剂，添加量占土壤试样总重量的3％，混合均匀。向土壤中添加水，保持土壤水分含量为50％，于25℃下于150rpm震荡处理土壤。3天后将土壤试样离心，测定土壤试样中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)的最终浓度分别为1.52mg·kg-1、0.99mg·kg-1、0.87mg·kg-1、1.01mg·kg-1、1.38mg·kg-1、1.21mg·kg-1、0.69mg·kg-1、1.43mg·kg-1、1.58mg·kg-1，表明本发明的土壤修复剂对土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)的去除率分别为99.7％、99.67％、99.78％、99.71％、99.7％、99.78％、99.89％、99.29％、99.65％，可以看出在上述9种混合重金属污染条件下，本发明的修复方法对果园土壤重金属的去除率并未出现下降，仍然保持在极高的去除率。
对比例1
按照实施例1的方法，当仅采用耐重金属放线菌NJ07-19与纳米四氧化三铁按照重量比3：2进行组合时，用于实施例2中待修复茶园土壤的治理，结果为：该修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率分别为90.12％、89.32％、92.15％，可以看出修复效果明显降低。
对比例2
按照实施例1的方法，当仅采用富集重金属放线菌CS-16与纳米四氧化三铁按照重量比1：2进行组合时，用于实施例2中待修复茶园土壤的治理，结果为：该修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率分别为92.23％、90.30％、91.51％，可以看出修复效果明显降低。
对比例3
按照实施例1的方法，当仅采用耐重金属放线菌NJ07-19和富集重金属放线菌CS-16按照重量比3：1进行组合时，用于实施例2中待修复茶园土壤的治理，结果为：该修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率分别为95.58％、96.19％、97.42％，可以看出修复效果明显降低。
对比例4
按照实施例1的方法，当采用耐重金属放线菌NJ07-19、富集重金属放线菌CS-16和纳米四氧化三铁按照重量比3：1：1进行组合时，用于实施例3中待修复茶园土壤的治理，结果为：该修复剂对茶园土壤中Cu(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的去除率分别为96.21％、98.12％、95.33％、95.62％、97.13％，可以看出修复效果比本发明实施例有所降低。
Claims (6)
1.一种茶园污染土壤修复治理方法，其特征在于，所述方法是采用微生物修复剂施入茶园土壤，进行重金属污染土壤的治理，其中，所述微生物修复剂由耐重金属放线菌NJ07-19、富集重金属放线菌CS-16和纳米四氧化三铁按重量比3:1:2组成；其中，所述耐重金属放线菌NJ07-19的保藏号为CCTCC No：M2015737；所述富集重金属放线菌CS-16的保藏号为CGMCC No.21594；所述微生物修复剂中耐重金属放线菌NJ07-19的菌液浓度为6.0×107个/mL，富集重金属放线菌CS-16的菌液浓度为3.5×107个/mL。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米四氧化三铁的纯度为99.5％以上，平均粒径≤20nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，是先将两种放线菌分别进行菌种培养，待达到所需菌液浓度后将两种菌液混合，然后向其中加入纳米四氧化三铁粉末，混合均匀后作为微生物修复剂施入茶园土壤中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述茶园土壤中施入的微生物修复剂的用量占土壤总重量的2～3％。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述茶园污染土壤中的重金属包括Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述茶园污染土壤中的重金属包括Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cr(VI)中的至少一种。
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