一种土壤层多级接种微生物调控方法
阅读说明：本技术 一种土壤层多级接种微生物调控方法 (Soil layer multistage inoculation microorganism regulation and control method ) 是由 李翔 王雷 席北斗 王金生 闫政 刘慧� 崔东宇 余红 李艳平 郭可昕 胡妍玢 于 2020-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种土壤层多级接种微生物调控方法,包括对污染土壤施加一种或多种第一微生物并种植修复性植物,以及任选接种其它微生物。本发明的土壤层多级接种微生物调控方法能够高效、长久、不可逆地去除土壤中的重金属和有机物污染,且不会对土壤结构造成破坏。(The invention discloses a soil layer multistage inoculation microorganism regulation and control method, which comprises the steps of applying one or more first microorganisms to polluted soil and planting restorative plants, and optionally inoculating other microorganisms. The soil layer multistage inoculation microorganism regulation and control method can efficiently, permanently and irreversibly remove heavy metal and organic matter pollution in soil, and cannot damage the soil structure.)
技术领域
本发明涉及一种土壤层多级接种微生物调控方法，属于土壤修复、改良技术领域。
背景技术
石油的开采、储存、运输以及石化产品的生产过程中，经常会伴有泄漏事件，造成大量石油进入土壤而产生环境污染。石油污染物中芳香类物质对人及动物的毒性较大，尤其是多环和三环为代表的芳烃。多环芳烃类物质(多环芳烃)一类广泛分布并稳定存在于自然环境中的含两个或两个以上苯环的有毒有机污染物，石油及石油制品的泄露是其主要来源之一，一些石油烃类进入动物体内后,甚至对哺乳类动物及人类有致癌、致畸、致突变的危害。
石油类物质进入土壤，可引起土壤理化性质的变化，如堵塞土壤孔隙，改变土壤有机质的组成和结构，引起土壤有机质的碳氮(C/N)和碳磷比(C/P)的变化，甚至会破坏土壤中原有碳、氮、磷的比值，引起土壤微生物群落、微生物区系的变化。有机污染容易使土壤板结，酸碱度改变，使土壤的结构和组成遭到破坏。
而重金属也是土壤的又一污染源，据统计，当前我国被污染的土壤面积达到5000万亩以上，土壤中的各种重金属元素存在不同程度的超标情况，由于重金属污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、难以降解等特点，对于土壤的自循环能力有很大影响，也很容易经水、植物等介质最终影响人类健康。
很多受污染土壤往往同时存在有机污染和重金属污染情况，探索综合调控有机污染和重金属污染的土壤修复技术方法和系统设备等成为当务之急，而目前采用的修复技术一般存在着修复效率低、成本高、易造成二次污染、易破坏土壤结构等问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人研究发现：对污染土壤多级接种微生物菌剂进行修复，并种植适当的植物，能够高效、长久、不可逆地去除土壤中的污染物，且不会对土壤结构进行破坏。
具体而言，本发明提供一种土壤层多级接种微生物调控方法，包括对污染土壤施加一种或多种第一微生物并种植植物，以及任选接种其它微生物。
根据本发明，所述第一微生物的菌种选自酵母菌、光合菌、盐单胞菌和铜绿假单胞菌，优选地，由酵母菌、盐单胞菌和铜绿假单胞菌复合形成多菌种菌液的菌剂，更优选各菌种质量比为(1～5)：(1～4)：1，更优选为(2～4)：(2～3):1。
根据本发明，所述菌剂与生物质碳源共同施加，优选将固体生物质碳源浸泡在所述菌液中，所述生物质碳源优选为热解碳，可以是颗粒状，优选与其他粒料，如无机粒料混合使用。
根据本发明，所述混合在热解炉中原位完成，经投料、热解、排放、传送和降温后形成碳酸钙掺杂型热解碳，优选压制成微球状、条状或棒状。
本发明中，热解碳浸泡在菌液中数小时，例如为0.5～5h，优选于施用于土壤中之前进行浸泡，得到热解碳菌剂复合物。
本发明中，所述修复性植物是农作物、经济作物或其他草本植物，优选水稻、小麦、黑麦草、高粱、玉米、蓖麻、苎麻，更优选蓖麻、苎麻。
本发明中，在种植修复性植物后，在距土壤表层10～30cm，优选12-18cm深处施加另一种菌剂，包括黄孢原毛平革菌和幼套球囊霉，优选为孢子悬浮液。
本发明所具有的有益效果包括：
1、本发明提供的土壤层多级接种微生物调控方法，组合菌剂和植物的多重修复和调控作用，有效减少土壤中重金属和有机污染物，能够实现原位修复；
2、本发明提供的调控方法，植物的栽种修复不仅可以美化环境，更能降低石油烃污染浓度，有效改善污染土壤的土质，避免污染物再次进入食物链，最大限度减少了修复土壤的二次污染，成本低、对环境影响小、能使地表长期稳定，并且在消除土壤污染的同时，消除污染土壤周围的大气和水体中的污染物，有利于改善生态环境，提高其生物多样性；
3、本发明提供的调控方法，生物基碳源含有一定有机成分，具有改善土壤物理结构、增加土壤肥力的作用，在栽种植物或作物前期施用，对菌剂提供很好的负载和固化作用，二者共同作用，能够有效降低石油污染对植物生长的影响，同时还可以吸附固定土壤中的重金属，为植物的生长提供有利条件，是一种安全、环保、高效、经济和实用的石油-重金属污染土壤的修复方法。
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。
根据本发明，提供一种土壤层多级接种微生物调控方法，包括对污染土壤施加一种或多种第一微生物并种植植物，以及任选接种其它微生物。
根据本发明，所述第一微生物的菌种可以是一种，也可以是多种，例如选自酵母菌、光合菌、盐单胞菌和铜绿假单胞菌，均为市售可得的菌株。
采用常规方法将菌株活化后进行扩大培养，优选地，培养成菌体浓度为107～109个/mL的液体菌种，获得菌悬液，进而将菌悬液进行培养，制备得到菌剂，可以是一种菌种的菌剂，也可以是多种菌种的复合菌剂。
根据本发明优选的实施方式，由酵母菌、盐单胞菌和铜绿假单胞菌复合形成菌剂，优选各菌种质量比为(1～5)：(1～4)：1，更优选为(2～4)：(2～3):1，如以菌悬液称量，则换算为体积比。
本发明中，采用上述种类和配比的复合菌液，有利于提升多环芳烃有机污染土壤的修复效率和修复质量，同时还能提升土壤的肥力，利于植物对矿质元素的吸收。
根据本发明，所述菌剂与生物质碳源热解碳共同施加热解碳。所述生物质碳源优选为固体材料，对菌剂起到固化、分散和保护作用。为此，将固体生物质碳源浸泡在所述菌液中，赋予碳源生物活性，从而进一步提高土壤优化效果。
本发明中，所述生物质碳源优选为热解碳，可以是颗粒状，优选与其他粒料，如无机粒料混合使用。所述混合可以是热解碳与无机粒料各自以成品物理性混合，也可以制备过程中原位混合。
根据本发明，所述原位混合在热解装备中完成，该热解装备包括热解炉，植物性碳源与添加物一起进入热解炉中，生成的半焦碳和包含二氧化碳的初步热解气，与添加物中的钙氧化物反应，最终的热解气经管线排出，反应产物的碳酸钙与热解碳排出，并送至降温区，与冷却气接触并传导换热，温热的烟气经旋风分离器，与由供气管线进入的吹扫气体汇合，一起返回热解炉，完成热解碳的投料、热解、排放、传送和降温，并实现气体的闭路循环。
本发明中，所述植物性碳源为能够提供碳元素的生物质物料或材料，选自草本植物或木本植物，草本植物可以是收获或收割后的陆生或水生的农作物或植物，如水稻的稻草，高粱、玉米的秸秆，小麦、黑麦草、蓖麻、苎麻的收割物，芦苇或香蒲，木本植物可以是林业生物质，如各种树木的根、枝、叶，灌木的枝叶，或其它林业废弃物或木制品废弃物。更优选使用砍伐或收割的修复性植物及其废弃物。
根据本发明，需要对植物性碳源进行适当的处理，包括干燥、粉碎。通过干燥去除植物碳源的外水分，如通过太阳晒干或自然风干，优选将植物碳源风干，使得植物含水量10％～20％，然后切碎。在干燥植物之前，对植物进行清洗，优选用去离子水清洗，然后于稀盐酸中浸泡。
本发明中，植物性碳源在热解设备，如热解炉内于中低温下进行热解。植物性碳源可以直接热解，优选事先通入惰性气体，如氮气或二氧化碳气体进行吹扫，然后利用外部热源进行加热，热解炉温度上升至200℃以上，更优选300至600℃。温度过低不利于低沸点有机物的挥发和剥离，更高的温度容易导致过度焦化或完全碳化。该过程保持数十分钟至数小时，同时保持氮气的流通，以带走热解生成的气体产物，同时维持缺氧环境。
本发明进行的热解主要经过脱水干燥、预热阶段、挥发成分析出三个主要阶段。脱水干燥是内部结晶水得以去除；随后进入短暂的预热阶段，原料分子的活性结构数量不断增加；预热过后挥发成分逐渐分离析出，轻质烃类化合物不断裂解、析出，生成一氧化碳、甲烷、氢气、二氧化碳等，剩余的固定碳比例逐渐增加。以上所得结晶水、生成的挥发性气体以及大部分焦油蒸汽(统称热解气)可被排出热解炉，热解气可作为加热燃料使用，也可冷凝分离出挥发性气体液体，即为热解油。
优选地，在加入植物性碳源的同时或之后，在分离热解碳颗粒之前，向热解炉中加入氧化钙和/或碳酸钙。
反应后的物料排放至降温区，可以自然冷却，优选用惰性气体对炽热热解碳直接冷却，得到热解碳微粒和热的气体。所述冷却气体优选与吹扫用的惰性气体相同，可以是氮气，也可以是二氧化碳，或者二者的混合物，适量二氧化碳有助于热解时形成碳酸钙。
根据本发明，冷却后分离获得的固体即为热解碳，为粒状，除了热解碳颗粒外还可能包括碳酸钙，在此情况下，其一部分来源于添加的碳酸钙，另一部分来自于氧化钙与二氧化碳形成的碳酸钙。钙化物的添加既能减少热解气中二氧化碳的含量，还能使得热解碳颗粒与碳酸钙掺混在一起，增大了颗粒物料的密度，同时也促进了热解碳的分散，避免团聚，这种均匀分布的载体材料致密多孔，非常有利于菌液的负载固化。
根据本发明，所产生的热解碳含有沸点更高的有机物质，密度不大，机械强度低，较生物质原料而言，更易破碎，破碎消耗的能量少，为了更好地成型，优选将热解碳进行破碎，可直接压制成一定形状，优选与碳酸钙一起压制成型，如微球状、条状或棒状，例如粒径或截面直径介于0.5mm至10mm，优选1mm至5mm，例如2mm至4mm。
本发明优选的实施方式中，所述热解碳以及碳酸钙与热解油一起压制，这样热解油一方面可起到粘合剂的作用，使碳粉较易粘合，避免成型品发生松散的情形，同时热解油为原料本身热解产物，不需利用额外的材料，降低了成本，另一方面热解油中的重碳有机物在改良土壤过程中缓慢分解或降解，源源不断地提供碳源或养分，因而产生持肥缓释的效果，促进对土壤有效修复。
根据本发明，为了将菌种多级接种于所述掺杂型热解碳上，将热解碳浸泡在菌液中，根据实际情况需要，浸泡时间可以为数小时，例如为0.5～5h，优选为2-3h。
然后，取出浸泡后的热解碳于预定温度下，优选30～35℃下培养一段时间，优选为5～30h，优选为12～18h，得到具有生物活性的掺杂型热解碳，其中的碳酸钙(沉降体积约2.4-2.8mL/g)相对于机械方法生产的重质碳酸钙(沉降体积约1.1-1.9mL/g)更轻，因此是一种轻质碳酸钙，与热解碳一起作为微生物载体，能为负载的微生物附着提供空间，热解碳一方面能有效提高微生物的活性和调控土壤污染的能力，另一方面对菌种起到很好的保护。
根据本发明，将制备的热解碳菌剂复合物施加至待调控的污染土壤中，其添加量为1％～3％，按土壤的干重计。为此，对土壤进行深翻，例如深翻10-30cm，优选20-25cm。然后放置数天至数周，优选放置一周时间。
根据本发明，在以上处理后的土壤上种植修复性植物，并任选施加其他微生物，例如以菌剂形式施加。
根据本发明，所述修复性植物可以是农作物，也可以是经济作物，还可以是其他草本植物。
本发明优选地，根据地域和水利等条件，可以选择种植水稻、小麦、黑麦草、高粱、玉米、蓖麻、苎麻等。
根据本发明任选的实施方式，在种植修复性植物后若干天后视植物类型和生长情况，例如5-30天内，施加另一种菌剂，包括黄孢原毛平革菌和幼套球囊霉，优选为孢子悬浮液。本发明中，黄孢原毛平革菌和幼套球囊霉可购得，所述孢子悬浮液可采用现有技术中常用的方法制得。在本发明中，所述菌剂的施加位置视植物品种而有所不同，例如距土壤表层10～30cm，优选12-18cm深的位置。可接种多次，例如分层接种，优选地，每1～1.5cm厚度接种一层，可接种1～4层。
根据本发明，所述菌剂的接种量为0.8～1.5g/m2，优选为1.0～1.2g/m2，可以进行流灌施加，也可以泵送施加。
优选地，对种植的修复性植物进行正常的田间管理，包括浇水、施肥、除草以及按时收割。
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
玉米秸秆用水冲洗，在0.01M稀盐酸中浸泡2小时，风干至含水量为15-18％，切碎。在热解炉中，通入氮气吹扫，然后经给料口加入秸秆以及占秸秆重量五分之一的钙混合物(氧化钙与碳酸钙重量比为2：1)，升温至450-550℃，保温反应2h，同时保持氮气的流通。
然后降温至室温，得到热解碳，进行破碎，并与冷凝热解气得到的解热油一起压制成粒径为2-4mm的粒料。
将酵母菌、盐单胞菌和铜绿假单胞菌扩大培养成菌体浓度为109个/mL的液体菌种，按照菌种质量比为3.2:2.5:1的比例混合，并将半焦碳颗粒浸泡于菌液中4h，于30℃恒温培养箱中培养12h，获得热解碳-菌剂复合物。
选取受重金属和石油污染的实验土壤区域，进行样方划分，长宽均为5m，每个样方之间留宽为0.8m的垄，每个样方根据对角线原则设置5个采样点。采取试验田表层0～25cm的土壤，阴凉通风晾干，去除杂质。测定土壤pH7.7，石油烃含量为830.4mg/kg，重金属Zn、Pb、Cd、Cu、Hg和As的浓度分别为475.2、320.6、95.4、357.2、15.6和97.5mg/kg。
按照土壤干重的1.5％添加量加入污染土壤中，深翻20-25cm，然后放置一周。
然后在土壤中种植蓖麻，种植15天后，在距离土壤表层10-18cm的位置流灌施加菌剂，其为黄孢原毛平革菌和幼套球囊霉活化后所得的孢子悬浮液(黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的浓度为2.5×106个/mL，幼套球囊霉的孢子悬浮液的浓度为3.2×106个/mL，二者混合体积比为4:8)，接种量为1.1g/m2，分2次接种。待蓖麻成熟后，将其收割。
经过上述方法对实验区土壤进行治理后，取样，分析测定结果如下：土壤pH下降至7.4，石油烃的含量为380.4mg/kg，重金属Zn、Pb、Cd、Cu、Hg和As的浓度分别为175.8、69.5、0.81、91.3、1.13和25.8mg/kg，符合或基本符合国家土壤环境质量标准。
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。
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