一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂及其制备方法 (Microalgae ecological restoration agent for fixing carbon and preventing and controlling arsenic pollution of paddy field soil and preparation method thereof ) 是由 黄芬 罗专溪 王振红 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂及其制备方法,所述微藻生态修复剂经无磷改进培养基培养的冻干微藻,其中筛选的微藻接种于无磷改进BG11培养基光照培养4-7d至细胞密度大于10～(7) cell/mL,经浓缩、冻干获得微藻生态修复剂。本修复剂经光合作用固碳、对稻田土壤砷污染进行生态修复,提高了土壤有机质,促进了砷在微藻中的吸收累积转化,降低了土壤中砷含量,减少了稻米砷的累积,阻控稻田土壤的砷污染。因此该方法具有砷生态修复成效好、应用成本低以及改良土壤、固碳的优点。(The invention relates to a microalgae ecological restoration agent for fixing carbon and preventing and controlling arsenic pollution of paddy field soil and a preparation method thereof, the microalgae ecological restoration agent is freeze-dried microalgae cultured by a phosphorus-free improved culture medium, wherein the screened microalgae is inoculated in a phosphorus-free improved BG11 culture medium for illumination culture for 4-7 days until the cell density is more than 10 7 cell/mL, concentration,And freeze-drying to obtain the microalgae ecological restoration agent. The repairing agent is used for fixing carbon through photosynthesis and carrying out ecological repair on arsenic pollution of paddy soil, so that soil organic matters are improved, the absorption, accumulation and conversion of arsenic in microalgae are promoted, the arsenic content in soil is reduced, the accumulation of arsenic in rice is reduced, and the arsenic pollution of the paddy soil is prevented and controlled. Therefore, the method has the advantages of good arsenic ecological restoration effect, low application cost, soil improvement and carbon sequestration.)
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域，具体公开了一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂及其制备方法。
背景技术
我国二氧化碳排放量将在2030年前实现达峰，在2060年前实现碳中和是我国向世界的郑重承诺。这不仅对我国今后绿色低碳发展明确了时间表和路线图，而且对高质量发展和生态环保工作提出新要求。另外，普遍存在于环境中的砷(As)是一种迁移性强、毒性高的污染物，受关注度高。我国重金属污染农田面积达2000万公顷，占耕地面积的1/5，造成了巨大的经济损失。化工、金属冶炼、半导体、养殖、电镀和开采与冶炼等行业在生产过程中向环境中排放了大量含砷废水、废气和废渣，以及含砷农药的使用，都会污染稻田土壤。砷在稻田土壤中的累积污染，会被水稻吸收，并通过食物链进入人体，导致健康风险。微藻广泛分布于包括土壤、水等自然环境中，具有来源广、种类多、数量大、生长快等特点，在其生长过程中能吸收二氧化碳而起到固碳作用。微藻作为常用的生物修复剂，可用来去除水环境中的重金属，具有高效、低耗、环保、环境适应性广、应用范围大等优点。元素周期表中的磷和砷同族，化学结构较为类似，二者在生物体内具有相同的吸收代谢通道；因此，环境中低水平的磷可促进微藻对砷的吸收累积转化，甚至产生气态砷而部分移出土壤系统。当前，微藻应用于稻田土壤砷污染的高效修复，既能固碳又能阻控污染的技术较为鲜见。因此，在“双碳”目标的新时代下，如何既能高效固碳，又能良好的生态修复稻田土壤砷污染已引起国内外广泛关注，是当期环境污染治理领域的重要问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂制备方法，包括如下步骤：
步骤A，无磷改进BG11培养基配制；以BG11培养基为基础成分，不添加磷，配制无磷改进BG11培养基。
步骤B，微藻菌株选取；依据砷吸收去除和固碳性能较高的需求，选取在无磷改进BG11培养基中对二氧化碳固定能力、砷吸收富集能力较高的藻种，如铜绿微囊藻、斜生栅藻、念珠藻等。
步骤C，进行微藻生态修复剂制备；
进一步地，所述步骤C中，包括如下子步骤：
子步骤C1，依据所筛选的微藻菌株，采用无磷改进BG11培养基以悬浮的光照培养方式，接种细胞密度约为106cell/mL，培养4-7d产生具有砷吸收富集能力较强的、处于指数增长阶段、细胞密度大于107cell/mL、已产生二氧化碳固定的微藻菌株。
子步骤C2，将培养4-7d的所得微藻菌株进行离心浓缩，并经真空冻干至含水率80％左右，形成微藻生态修复剂。
步骤D，进行微藻生态修复剂的应用；
进一步地，所述步骤D中，包括如下子步骤：
子步骤D1，依据稻田土壤砷污染状况、水分条件，称取约20-40kg左右的所得冻干微藻生态修复剂，选择水稻生长关键时点，施用加至土壤，发挥微藻菌株固碳和稻田土壤砷污染阻控的作用。
子步骤D2，依据稻田土壤砷污染状况、水稻生长规律，可约28d左右循环添加微藻生态修复剂，不断阻控稻田土壤的砷污染、持续发挥微藻生态修复剂的固碳作用。
本发明的优点以及有益效果如下：
1、本方法采用无磷改进BG11培养基严格筛选的微藻菌株，细胞密度较高，生物量较大，具有较好的固碳能力和砷污染吸收累积转化能力，既能高效固碳，又能较好的阻控稻田土壤砷污染。
2、本发明筛选的冻干微藻生态修复剂，来自于土壤土著菌株，具有较好的环境适应性，便于操作获得、储藏和运输，可较大范围施用。
3、本发明的微藻生态修复剂对稻田土壤不同种植时期土壤、稻米进行了相关实验数据测定，证实本微藻生态修复剂的有益效果，能够显著提高土壤有机质含量，发挥固碳作用，并阻控稻田土壤的砷污染。
具体实施方式
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为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种固碳、阻控稻田土壤砷污染的微藻生态修复剂制备方法，包括如下步骤：
1)按照BG11培养基配制方法，去掉K2HPO4·3H2O，不添加磷，配制无磷改进BG11培养基。
2)依据砷吸收去除和固碳性能较高的需求，根据无磷改进BG11培养基和不同砷污染浓度浓下微藻的细胞密度、耐受性、固碳能力以及对砷吸附吸收性能的较好水平来筛选不同微藻；选取铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、念珠藻(Nostoc commune)、微小小球藻(Chlorella minutissima)、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)、莱茵衣藻(Chlamydomonsa Reinhardtii)等五种进行砷吸附吸收和固碳能力对比试验，选出固碳和砷吸附吸收性能较好的藻种。通过悬浮培养方式进行微藻的培养，在微藻合适生长条件下培养至砷吸收富集能力、固碳能力较强的指数增长阶段。
3)将筛选出的微藻菌株，在无磷改进BG11培养基中，经4-7d培养至细胞密度大于107Cell/mL；然后采用离心机在约3000rpm-5000rpm的离心速度下进行离心浓缩后，将分离出的藻浆进行真空冻干至水分约为80％的微藻粉，形成便于储藏、运输的微藻生态修复剂。
4)步骤3中的微藻生态修复剂进行碳(C)含量测定，将碳(C)含量转化为mgC/(kg·d)计算微藻生态修复剂施用前的固碳能力。
5)将所得的微藻生态修复剂依据稻田土壤不同污染水平、水分条件，施用不同量M(kg/ha)，经不同时间T(0d、14d、28d)观测经离心获得的稻田土壤中的水提取态砷含量R(μg/ha),测算微藻生态修复剂的砷污染阻控潜力PAs＝(R0-RT)/(M·T)(μg/(kg·d))，其中R0为0d对应的稻田土壤中水提取态砷含量，RT为T时间对应的稻田土壤中水提取态砷含量；同时测定土壤有机碳含量TOC(mgC/(kg·ha))，估算微藻生态修复剂对稻田土壤的固碳潜力PC＝(TOCT-TOC0)/T(mgC/(kg·ha·d)),其中TOC0为稻田土壤初始有机碳含量，TOCT为稻田土壤T时间有机碳含量。
6)依据水稻生长时期和稻田土壤砷污染水平，可约28d循环施用微藻生态修复剂，增多微藻生态修复剂对稻田土壤砷的吸收累积转化，加强对稻田土壤砷的污染阻控潜力PAs，增高稻田土壤固碳潜力PC，并测定比对最终稻米砷含量G(μg/kg)，进一步以稻米砷含量的减少加以分析微藻生态修复剂对砷污染的阻控效能。
实施例1
(1)以BG11培养基配制方法，去掉K2HPO4·3H2O，不添加磷，配制无磷改进BG11培养基，用于选用微藻的无磷培养。
(2)试验藻种选用铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)，在无磷改进BG11培养基中通过悬浮培养方式进行微藻的培养，在培养基初始砷浓度10μg/L–10mg/L、接种初始细胞密度4ⅹ106Cell/mL、光照强度40μmol m-2s-1、室温25±3℃、光暗比为12:12条件下培养4d，测定的细胞密度为6ⅹ106Cell/mL-2.5ⅹ107Cell/mL，半致死浓度为2.4mg/L，铜绿微囊藻对砷污染的耐受性好，100μg/L砷浓度下铜绿微囊藻细胞密度为1.6ⅹ107Cell/mL、对砷累积量为42μg/g、含碳量C为27％，具有良好的砷吸收累积与固碳能力。
(3)将筛选验证后的铜绿微囊藻在50L的无磷改进BG11培养基、接种初始细胞密度4ⅹ106Cell/mL、光照强度40μmol m-2s-1、室温25±3℃、光暗比为16:8条件下培养4d；然后，采用离心机在4000rpm速度下分批离心10min获得藻浆，进而采用真空冻干12h获得水分含量约80％的微藻生态修复剂。
(4)将获得的微藻生态修复剂，均匀撒施加至淹水的稻田土壤中，砷污染浓度为60mg/kg，经0d、14d、28d培养试验、采样分析，结果显示稻田土壤中的水可提取态砷含量显著减少，土壤有机质含量显著增加，微藻生态修复剂具有较好的固碳和砷污染阻控作用，结果如下表所示：
铜绿微囊藻生态修复剂对稻田土壤砷污染的阻控以及固碳能力
实施例2
(1)以BG11培养基配制方法，去掉K2HPO4·3H2O，不添加磷，配制无磷改进BG11培养基，用于选用微藻的无磷培养。
(2)试验藻种选用念珠藻(Nostoc commune)，在无磷改进BG11培养基中通过悬浮培养方式进行微藻的培养，在培养基初始砷浓度10μg/L–10mg/L、接种初始细胞密度6ⅹ106Cell/mL、光照强度30μmol m-2s-1、室温22±3℃、光暗比为16:8条件下培养6d，测定的细胞密度为7.2ⅹ106Cell/mL-4.7ⅹ107Cell/mL，半致死浓度为2.6mg/L，念珠藻对砷污染的耐受性好，100μg/L砷浓度下念珠藻细胞密度为1.4ⅹ107Cell/mL、对砷累积量为37μg/g、含碳量C为24％，具有良好的砷吸收累积与固碳能力。
(3)将筛选验证后的念珠藻在50L的无磷改进BG11培养基、接种初始细胞密度6ⅹ106Cell/mL、光照强度40μmol m-2s-1、室温25±3℃、光暗比为16:8条件下培养6d；然后，采用离心机在4000rpm速度下分批离心10min获得藻浆，进而采用真空冻干12h获得水分含量约80％的微藻生态修复剂。
(4)将获得的微藻生态修复剂，均匀撒施加至淹水的稻田土壤中，砷污染浓度为80mg/kg，经0d、14d、28d及循环施用28d的培养试验、采样分析，结果显示稻田土壤中的水可提取态含量显著减少，土壤有机质含量显著增加，微藻生态修复剂具有较好的固碳和砷污染阻控作用，结果如下表所示：
念珠藻生态修复剂对稻田土壤砷污染的阻控以及固碳能力
实施例3
(1)以BG11培养基配制方法，去掉K2HPO4·3H2O，不添加磷，配制无磷改进BG11培养基，用于选用微藻的无磷培养。
(2)试验藻种选用微小小球藻(Chlorella minutissima)，在无磷改进BG11培养基中通过悬浮培养方式进行微藻的培养，在培养基初始砷浓度10μg/L–10mg/L、接种初始细胞密度4ⅹ106Cell/mL、光照强度35μmol m-2s-1、室温22±3℃、光暗比为14:10条件下培养7d，测定的细胞密度为6.6ⅹ106Cell/mL-3.5ⅹ107Cell/mL，半致死浓度为1.6mg/L，微小小球藻对砷污染的耐受性好，100μg/L砷浓度下微小小球藻细胞密度为1.6ⅹ107Cell/mL、对砷累积量为40μg/g、含碳量C为26％，具有良好的砷吸收累积与固碳能力。
(3)将筛选验证后的微小小球藻在50L的无磷改进BG11培养基、接种初始细胞密度4ⅹ106Cell/mL、光照强度40μmol m-2s-1、室温25±3℃、光暗比为16:8条件下培养7d；然后，采用离心机在5000rpm速度下分批离心10min获得藻浆，进而采用真空冻干8h获得水分含量约80％的微藻生态修复剂。
(4)将获得的微藻生态修复剂，与灌溉水混匀后，在水稻收割前56d循环浇灌至淹水的稻田土壤中，砷污染浓度为60mg/kg，经0d、14d、28d、56d培养试验、采样分析，结果显示稻田土壤中的水可提取态含量显著减少，土壤有机质含量显著增加，稻米中的砷含量减少了21μg/kg，微藻生态修复剂具有较好的固碳和砷污染阻控作用，结果如下表所示：
微小小球藻生态修复剂对砷污染的阻控以及固碳能力
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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