一种农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法
阅读说明：本技术 一种农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法 (Microbial remediation method for heavy metals in soil layer of agricultural activity area ) 是由 王雷 席北斗 刘健聪 檀文炳 李翔 王金生 闫政 徐剑锋 李彤彤 王杨杨 刘慧� 于 2020-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法,采用微生物修复剂对重金属污染土壤进行修复,所述微生物修复剂包括枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌,以及任选的巨大芽孢杆菌,特别地在重金属污染土壤中还加入零价铁负载生物炭材料,所述零价铁负载生物炭材料通过将富铁类生物质在氮气气氛下,进行程序升温热解炭化得到。该方法对污染土壤修复效果好,重金属去除效果优异。(The invention discloses a microbial remediation method for heavy metal in a soil layer of an agricultural activity area, which is characterized in that a microbial remediation agent is adopted to remediate heavy metal contaminated soil, the microbial remediation agent comprises bacillus subtilis, thiobacillus persicae and optional bacillus megatherium, particularly, a zero-valent iron loaded biochar material is also added into the heavy metal contaminated soil, and the zero-valent iron loaded biochar material is obtained by carrying out programmed heating pyrolysis carbonization on iron-rich biomass in a nitrogen atmosphere. The method has good remediation effect on the polluted soil and excellent heavy metal removal effect.)
技术领域
本发明涉及环保领域，具体涉及重金属污染农田土壤的微生物修复方法。
背景技术
农业活动区，作为从事农业生产活动的区域，一般指以耕作业为中心、主要种植粮食作物和经济作物的区域。农业活动区最重要的资料就是土壤。
随着环境劣化，如工业废弃物、粉尘、尾气等影响，农业活动区的土壤受到重金属污染日益严重。由于重金属能进入所有生态系统中，对植物、动物和人类产生严重影响，特别是重金属能在土壤和有机体中富集。
由于重金属元素本身所具有的特点和土壤环境的多介质、多界面、多组分以及非均一性等特点，导致了土壤重金属污染具有以下特点：隐蔽性和滞后性，不可逆性和长期性，区域性和严重性，治理难且周期长。
重金属污染土壤的利用和治理是当前的研究重点。重金属污染土壤利用和治理的方法与技术主要是以植物修复和施用钝化剂钝化土壤重金属有效性为主。近年来，微生物修复技术逐步发展起来，其在重金属污染土壤，特别是重金属污染的农田土壤修复中起到越来越重要的作用。
在对重金属污水治理的研究中，研究者发现了零价铁改性生物炭对重金属具有良好的去除作用，而且几乎不会带来二次污染。
发明内容
本发明人研究发现：对于农业活动区土壤层重金属污染，通过选择对没有环境负荷的微生物进行修复，尤其是与零价铁改性生物炭材料修复有机组合起来，特别是通过精心选择的适宜微生物与具有长期稳定应用性的零价铁改性生物炭材料，对重金属去除效果显著。
本发明的目的在于提供以下方面：
本发明第一方面提供一种农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，采用微生物修复剂对重金属污染土壤进行修复，所述微生物修复剂包括枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌，优选地，枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌数量比为(1-3):(1-2)。
本发明第二方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌数量比为(2-3):1.5。
本发明第三方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，所述微生物修复剂还包括巨大芽孢杆菌，优选地，枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌的数量比为(1-3):(1-2)：(1-2)。
本发明第四方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌的数量比为(2-3):1.5：1，优选2:1.5:1。
本发明第五方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，在采用微生物修复剂对重金属污染土壤进行修复之前，施加有机肥，所述有机肥通过以下方式制得：将玉米秸秆切成2-5厘米碎段，将动物粪便、玉米秸秆碎颗粒、豆粕以重量配比6:2:2比例混合，堆积发酵15-20天，发酵温度不超过60℃。
本发明第六方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，在重金属污染土壤中还加入零价铁负载生物炭材料，所述零价铁负载生物炭材料通过将富铁类生物质在氮气气氛下，进行程序升温热解炭化得到，所述富铁类生物质为酸性红壤中种植的水稻秸秆。
本发明第七方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，所述程序升温包括三个阶段：
第一升温阶段：以5-10℃/分钟的升温速率，升温到300℃，并在此温度下保持30-40分钟；
第二升温阶段：以5-8℃/分钟的升温速率，从300℃升温到480℃，并在此温度下保持15-35分钟；
第三升温阶段：以5-8℃/分钟的升温速率，从480℃升温到600-850℃，并在此温度下保持15-20分钟。
本发明第八方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，
在第一升温阶段中，以7-10℃/分钟的升温速率进行升温，优选以8℃/分钟的升温速率进行升温，升温到300℃后保持30-35分钟，优选30分钟；
在第二升温阶段中，以6-8℃/分钟的升温速率进行升温，优选以6℃/分钟的升温速率进行升温，升温到480℃后保持20-30分钟，优选20分钟；
在第三升温阶段中，以5-6℃/分钟的升温速率进行升温，优选以5℃/分钟的升温速率进行升温，升温到600-850℃的温度后保持15-20分钟，优选20分钟。
本发明第九方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，
在第三升温阶段中，升温至700-800℃的温度，在此温度下保温。
本发明第十方面提供如上所述的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法，其中，在第三升温阶段中，升温至750-800℃的温度，在此温度下保温。
本发明提供的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法具有以下优点：
(1)本发明选用由枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌组成的复合菌剂，特别是由枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌组成的复合菌剂作为修复微生物，对农业活动区土壤层重金属的修复效果显著，铅、镉和铜的去除率高。
(2)本发明采用有机肥先改善土壤环境，再利用复合菌剂作为微生物进行修复，进一步提高重金属去除率，并改良土壤环境。
(3)本发明采用富铁类生物质制得的零价铁负载生物炭材料，促进微生物修复，有助于提高重金属去除率。
(4)本发明采用的富铁类生物质制得的零价铁负载生物炭材料，零价铁原位负载于生物炭中，具有稳定的长期持久的修复效果。
具体实施方式
下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
在本发明中，采用由枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌组成的复合菌剂作为微生物修复剂，能显著修复农田重金属污染土壤，而且对土壤环境几乎不会造成影响或破坏。
在优选的实施方式中，枯草芽孢杆菌和桃红荚硫菌数量比为(1-3):(1-2)，优选为(2-3):1.5，还更优选为2:1.5。在此情况下，对土壤中重金属的去除效果理想，尤其是铅、镉和铜的去除率高。
在优选的实施方式中，本发明所用微生物修复剂还包括巨大芽孢杆菌，其促进重金属的去除。优选地，枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌的数量比为(1-3):(1-2)：(1-2)更优选地，枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌的数量比为(2-3):1.5：1，最优选2:1.5:1，此时对土壤中重金属的综合修复效果优异。
本发明中，对于枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌没有特别限制，可以使用市售菌，也可以自行培养。
将枯草芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，桃红荚硫菌扩大培养至1×108CFU/ml，巨大芽孢杆菌扩大培养至1×108CFU/ml，然后按体积比(1-3):(1-2)：(1-2)，优选2:1.5:1，最优选2:1.5:1混合，得到复合菌剂。
在对重金属污染的农业活动区土壤时，作为复合菌剂的微生物的接种量为30-50ml/kg土壤，优选50ml/kg土壤。
作为替换性实施方式，枯草芽孢杆菌、桃红荚硫菌和巨大芽孢杆菌也可以分别各自独立地接种到重金属污染土壤中。
如果接种量过低，重金属去除效果差，如果接种量过高，对土壤环境可能带来不良影响。
作为待修复的重金属污染农田土壤，微生物接种深度优选在10-40cm处，优选20cm深度处。
在本发明中，在采用微生物修复剂对重金属污染土壤进行修复之前，对待修复土壤施加有机肥，由此可促进修复效果，并提升土壤综合性能。
在一个优选的实施方式中，所述有机肥通过以下方式制得：将玉米秸秆切成2-5厘米碎段，将动物粪便、玉米秸秆碎颗粒、豆粕以重量配比6:2:2比例混合，堆积发酵15-20天，发酵温度不超过60℃。如果温度超过60℃，则进行翻堆。
本发明人还发现组合使用零价铁负载生物炭材料，相比于仅使用复合菌剂微生物作为修复材料，能显著提高修复效果。
在一个优选的实施方式中，所述零价铁负载生物炭材料通过将富铁类生物质在氮气气氛下，进行程序升温热解炭化得到，所述富铁类生物质为酸性红壤中种植的水稻秸秆。
在酸性红壤中，铁离子含量高，被水稻吸收并传输至根茎叶等各器官组织，经过生长周期的长期积累，铁离子/亚铁离子富集于作物植物中，在热解炭化中原位反应，形成的零价铁原位负载于生物炭中。
在一个优选的实施方式中，所述程序升温包括以下三个阶段：
第一升温阶段，以5-10℃/分钟的升温速率，优选以7-10℃/分钟的升温速率进行升温，优选以8℃/分钟的升温速率进行升温，升温到300℃，并在此温度下保持30-40分钟，优选保持30-35分钟，更优选保持30分钟。
第二升温阶段，以5-8℃/分钟的升温速率，优选以6-8℃/分钟的升温速率进行升温，更优选以6℃/分钟的升温速率进行升温，从300℃升温到480℃，并在此温度下保持15-35分钟，优选保持20-30分钟，更优选保持20分钟。
第三升温阶段，以5-8℃/分钟的升温速率，优选以5-6℃/分钟的升温速率进行升温，更优选以5℃/分钟的升温速率进行升温，从480℃升温到600-850℃，优选700-800℃，并在此温度下保持15-20分钟，更优选保持20分钟。
在本发明中，微生物与零价铁负载生物炭分别接种和掺混至待修复的重金属污染土壤中，也可以将微生物和零价铁负载生物炭混匀后再掺混至土壤中。不过，优选将微生物与零价铁负载生物炭分别接种和掺混至待修复的重金属污染土壤中，实践提示这样的效果更好。
实施例
以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
实施例1
在红壤中种植水稻100天。100天后，拔出水稻，脱除稻谷，余下秸秆。使用去离子水洗净秸秆，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，把秸秆分割为根和秆两部分，分别在70.0℃下烘干，粉碎为1mm的颗粒。根部颗置于管式马弗炉中，通入氮气，如下程序升温进行热解碳化反应：以8℃/分钟的升温速率升温到300℃，保温反应30分钟；以6℃/分钟的升温速率，从300℃升温到480℃，保温反应20分钟；以5℃/分钟的升温速率，从480℃升温到750℃，保温反应20分钟，得到零价铁负载生物炭材料。
将取自试验田中无污染黑土土壤干燥，碾压，自然风干，灭菌，过100目筛。加入PbCl2、CdCl3、CuSO4水溶液，其中铅投加量300mg/kg土壤(以Pb计)，镉投加量50mg/kg土壤(以Cd计)，铜投加量100mg/kg土壤(以Cu计)，搅拌均匀，陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样。
将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌和1×108CFU/ml桃红荚硫菌以体积比2:1.5混合，得到复合菌剂。
将复合菌剂以50ml/kg土壤的量接种至污染土样中，然后将零价铁负载生物炭材料以200mg/kg土壤的量掺混至土壤中，置于人工气候培养箱中60天，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
60天后，Pb、Cd和Cu的含量分别为40.6mg/kg、0.28mg/kg、44.9mg/kg。
实施例2
在红壤中种植水稻100天，每周喷施100mg/L柠檬酸水溶液。100天后，拔出水稻，脱除稻谷，余下秸秆。使用去离子水洗净秸秆，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，把秸秆分割为根和秆两部分，分别在70.0℃下烘干，粉碎为1mm的颗粒。根部颗置于管式马弗炉中，通入氮气，如下程序升温进行热解碳化反应：以10℃/分钟的升温速率升温到300℃，保温反应30分钟；以6℃/分钟的升温速率，从300℃升温到480℃，保温反应20分钟；以5℃/分钟的升温速率，从480℃升温到750℃，保温反应20分钟，得到零价铁负载生物炭材料。
将取自试验田中无污染黑土土壤干燥，碾压，自然风干，灭菌，过100目筛。加入PbCl2、CdCl3、CuSO4水溶液，其中铅投加量250mg/kg土壤(以Pb计)，镉投加量70mg/kg土壤(以Cd计)，铜投加量100mg/kg土壤(以Cu计)，搅拌均匀，陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样。
将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml桃红荚硫菌和1×108CFU/ml巨大芽孢杆菌以体积比2:1.5:1混合，得到复合菌剂。
将复合菌剂以50ml/kg土壤的量接种至污染土样中，然后将零价铁负载生物炭材料以200mg/kg土壤的量掺混至土壤中，置于人工气候培养箱中60天，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
60天后，Pb、Cd和Cu的含量分别为34.7mg/kg、0.26mg/kg、40.5mg/kg。
实施例3
将取自试验田中无污染黑土土壤干燥，碾压，自然风干，过100目筛。加入PbCl2、CdCl3、CuSO4水溶液，其中铅投加量500mg/kg土壤(以Pb计)，镉投加量500mg/kg土壤(以Cd计)，铜投加量100mg/kg土壤(以Cu计)，搅拌均匀，陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样。
将玉米秸秆切成2厘米碎段，将牛粪便、玉米秸秆碎颗粒、豆粕以重量配比6:2:2比例混合，堆积发酵18天，发酵温度不超过60℃，得到生物有机肥。将其以5wt％的量施加至模拟污染土样中，混合均匀，置于人工气候培养箱中3天。
将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml桃红荚硫菌和1×108CFU/ml巨大芽孢杆菌以体积比2:1.5:1混合，得到复合菌剂。
在红壤中种植水稻100天，每周喷施300mg/L柠檬酸水溶液。100天后，拔出水稻，脱除稻谷，余下秸秆。使用去离子水洗净秸秆，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，把秸秆分割为根和秆两部分，分别在70.0℃下烘干，粉碎为1mm的颗粒。根部颗置于管式马弗炉中，通入氮气，如下程序升温进行热解碳化反应：以8℃/分钟的升温速率升温到300℃，保温反应30分钟；以6℃/分钟的升温速率，从300℃升温到480℃，保温反应20分钟；以5℃/分钟的升温速率，从480℃升温到750℃，保温反应20分钟，得到零价铁负载生物炭材料。
将复合菌剂以50ml/kg土壤的量接种，然后将零价铁负载生物炭材料以200mg/kg土壤的量掺混至土壤中。然后置于人工气候培养箱中60天，隔天用去离子水补充水分保持土壤湿度。
60天后，Pb、Cd和Cu的含量分别为26.4mg/kg、0.23mg/kg、36.3mg/kg。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。