阅读说明：本技术 一种土壤微生物原位合成纳米磁铁矿的方法 (Method for in-situ synthesis of nano magnetite from soil microorganisms ) 是由 李田 王鑫 田丽丽 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种土壤微生物原位合成纳米磁铁矿的方法,该方法针对土壤传质能力较差等问题,步骤主要包括：土壤微生物的富集、纳米磁铁矿的微生物合成以及纳米磁铁矿的测定。其中土壤微生物的富集主要通过土壤浸提液提取、微生物定向富集等步骤完成,纳米磁铁矿的微生物合成主要是通过前驱体的制备和微生物电子供体的添加等步骤完成,纳米磁铁矿的测定主要是通过盐酸消解测定其中铁离子含量,红外光谱、X射线衍射图谱、透射电镜等步骤完成。该方法操作简单、纳米磁铁矿在土壤中可原位形成且分布均匀,为污染土壤的修复提供了一种新思路。(The invention discloses a method for in-situ synthesis of nano magnetite by soil microorganisms, which aims at the problems of poor mass transfer capacity of soil and the like and mainly comprises the following steps: enrichment of soil microorganisms, microbial synthesis of nano magnetite and determination of nano magnetite. The method mainly comprises the steps of soil leaching liquor extraction, microorganism directional enrichment and the like, the microorganism synthesis of the nano magnetite is mainly completed through the steps of precursor preparation, microorganism electron donor addition and the like, and the determination of the nano magnetite is mainly completed through the steps of hydrochloric acid digestion determination of iron ion content, infrared spectroscopy, X-ray diffraction pattern, transmission electron microscope and the like. The method is simple to operate, and the nano magnetite can be formed in situ in the soil and is uniformly distributed, so that a new idea is provided for the remediation of the polluted soil.)

一种土壤微生物原位合成纳米磁铁矿的方法

技术领域

本发明属于环境微生物地球化学领域，特别涉及一种土壤微生物原位合成纳米磁铁矿的方法。

背景技术

随着工业化进程的加快，环境污染问题已经成为制约经济发展的重要因素，对人类的生存和发展产生了严重威胁。重金属、有机物污染是土壤和水环境常见的两类污染，微生物在这两种介质中通过氧化还原过程完成对重金属的回收和有机物的降解过程，但是与水环境相比，土壤环境自身传质能力较差，微生物的氧化还原过程被极大阻碍，大大降低了污染物的去除效率。

铁(Fe)是土壤中重要的高活性、高丰度氧化还原元素，其生物地球化学循环直接关系着土壤有机物矿化、反硝化、重金属固定等环境过程。Fe在厌氧微生物的电子传递过程中可以发生Fe(Ⅲ)的还原和Fe(Ⅱ)的氧化过程，并以含铁矿物的形式存在于土壤中，含铁矿物则可以与微生物的胞外聚合物发生作用参与胞外电子传递过程加速硝态氮的还原、生物产电和种间互营等。有研究表明，电活性微生物可以利用磁铁矿完成种间电子传递过程从而实现互营富集和微生物代谢。但是在土壤中，磁铁矿以及其他导电矿物常被有机质或污染物包裹，很难作为电子中介体发挥作用，而外源添加磁铁矿却会提高修复成本。因此如果可以在土壤中利用微生物原位合成纳米磁铁矿，则可以极大提高土壤中污染物的去除效率。

发明内容

本发明目的是针对土壤中传质较差，严重影响了微生物修复土壤的效率而提供一种土壤微生物原位合成纳米磁铁矿的方法。

本发明是通过以下步骤实现的：

1)土壤微生物的富集

将采好的农田土进行研磨和过筛等步骤后称取1000-2000g至底面直径10cm、高15cm的亚克力材质圆锥型浸提液反应器中，外部包裹网状过滤筛，下部连接可厌氧密封的浸提液收集器，采用一定流速的水流注入收集器，每经过一定时间用玻璃棒搅拌土壤沉积液，整个过程反复2-3次完成土壤浸提液的提取；

向提取好的土壤浸提液中加入一定量的乙酸钠和柠檬酸铁，进行厌氧密封处理，在恒温条件下进行土壤微生物的培养和可还原铁的微生物定向富集，定期提取溶液，测定其中的光密度值，确定微生物富集效果。

2)纳米磁铁矿的微生物合成

再称取2000-2500g农田土至土壤反应器中，待土壤微生物富集完毕后，从浸提液中提取出微生物，与土壤反应器中的农田土均匀混合，向混合好的农田土中加入一定量的氢氧化铁和乙酸钠再次均匀混合，随后逐步注入无菌水至液封3-5cm，在恒温条件下进行土壤微生物的纳米磁铁矿原位合成过程。

3)纳米磁铁矿的测定

进行纳米磁铁矿合成过程中，每天利用取样器从土壤反应器不同位置提取2g土壤，加入一定浓度盐酸3mL消解8h，随后测定溶液中的Fe²⁺浓度，将提取的土壤冷冻干燥过夜，随后进行红外光谱测试分析土壤中的元素并结合X射线图谱和透射电镜等确定合成的物质为纳米磁铁矿。

所述步骤1)的水流流速为5-10mL/h，加入乙酸钠的含量为4-5g/L，加入柠檬酸铁含量为1-2g/L。

所述步骤2)的提取微生物主要将浸提液经过1μm的滤膜，氢氧化铁浓度为100mM，乙酸钠浓度为4-5g/L，恒温条件为30℃。

所述步骤3)的盐酸配比为1体积水和3体积浓盐酸，冷冻干燥时间为12h。

本发明的优点和有益效果：

本发明首次实现利用土壤中土著微生物原位合成纳米磁铁矿的过程，该发明极大提高了土壤环境的传质能力，为土壤修复提供了一种新思路。

附图说明

图1土壤浸提液装置图：1为圆锥型浸提液反应器，2为网状过滤筛，3为浸提液收集器，4为单向排气阀。

图2纳米磁铁矿微生物合成装置与原理图：1为土壤反应器，2为液封区域，3为土壤区域，4为微生物合成原理图。

图3生物合成纳米磁铁矿含量变化图。

图4生物合成纳米磁铁矿透射电镜图。

图5生物合成纳米磁铁矿X射线衍射图。

图6生物合成纳米磁铁矿红外光谱图。

图7无微生物富集步骤的纳米磁铁矿合成含量图。

图8微生物富集光密度变化图。

图9无氢氧化铁的土壤中纳米磁铁矿合成含量图。

具体实施方式

一、实验组

1)土壤微生物的富集

将采好的农田土进行研磨和过筛等步骤后称取1000g至底面直径10cm、高15cm的亚克力材质圆锥型浸提液反应器中，外部包裹网状过滤筛，下部连接可厌氧密封的浸提液收集器，采用5mL/h的水流注入收集器，每经过一定时间用玻璃棒搅拌土壤沉积液，整个过程反复2-3次完成土壤浸提液的提取，装置图如图1所示；

向提取好的土壤浸提液中加入4g/L的乙酸钠和1g/L的柠檬酸铁，进行厌氧密封处理，在恒温30℃条件下进行土壤微生物的培养和可还原铁的微生物定向富集，定期提取溶液，测定其中的光密度值，确定微生物富集效果。

2)纳米磁铁矿的微生物合成

再称取2000g农田土至土壤反应器中，待土壤微生物富集完毕后，从浸提液中利用1μm的滤膜提取出微生物，与土壤反应器中的农田土均匀混合，向混合好的农田土中加入100mM的氢氧化铁和4g/L的乙酸钠再次均匀混合，随后逐步注入无菌水至液封3cm，在恒温30℃条件下进行土壤微生物的纳米磁铁矿原位合成过程，其装置和合成原理如图2所示。

3)纳米磁铁矿的测定

进行纳米磁铁矿合成过程中，每天利用取样器从土壤反应器不同位置提取2g土壤，加入1体积水和3体积浓盐酸配比的专用盐酸3mL消解8h，随后测定溶液中的Fe²⁺浓度，其含量变化如图3所示，大概13天完成纳米磁铁矿的合成，将提取的土壤冷冻干燥12h，随后进行红外光谱测试分析土壤中的元素并结合X射线图谱和透射电镜等确定合成的物质为纳米磁铁矿，如图4-6所示，综合表征结果显示土壤中土著微生物原位合成了纳米磁铁矿。

二、对照组1

1)纳米磁铁矿的微生物合成

称取2200g农田土至土壤反应器中，向混合好的农田土中加入100mM的氢氧化铁和4g/L的乙酸钠再次均匀混合，随后逐步注入无菌水至液封3cm，在恒温30℃条件下进行土壤微生物的纳米磁铁矿原位合成过程，其装置和合成原理如图2所示。

2)纳米磁铁矿的测定

进行纳米磁铁矿合成过程中，每天利用取样器从土壤反应器不同位置提取2g土壤，加入1体积水和3体积浓盐酸配比的专用盐酸3mL消解8h，随后测定溶液中的Fe²⁺浓度，其含量变化如图7所示，大概32天完成纳米磁铁矿的合成。

二、对照组2

1)土壤微生物的富集

将采好的农田土进行研磨和过筛等步骤后称取2000g至底面直径10cm、高15cm的亚克力材质圆锥型浸提液反应器中，外部包裹网状过滤筛，下部连接可厌氧密封的浸提液收集器，采用10mL/h的水流注入收集器，每经过一定时间用玻璃棒搅拌土壤沉积液，整个过程反复2-3次完成土壤浸提液的提取，装置图如图1所示；

向提取好的土壤浸提液中加入5g/L的乙酸钠和2g/L的柠檬酸铁，进行厌氧密封处理，在恒温30℃条件下进行土壤微生物的培养和可还原铁的微生物定向富集，定期提取溶液，测定其中的光密度值，确定微生物富集效果，如图8所示。

2)纳米磁铁矿的微生物合成

再称取2500g农田土至土壤反应器中，待土壤微生物富集完毕后，从浸提液中利用1μm的滤膜提取出微生物，与土壤反应器中的农田土均匀混合，向混合好的农田土中加入5g/L的乙酸钠再次均匀混合，随后逐步注入无菌水至液封3cm，在恒温30℃条件下进行土壤微生物的纳米磁铁矿原位合成过程，其装置和合成原理如图2所示。

3)纳米磁铁矿的测定

进行纳米磁铁矿合成过程中，每天利用取样器从土壤反应器不同位置提取2g土壤，加入1体积水和3体积浓盐酸配比的专用盐酸3mL消解8h，随后测定溶液中的Fe²⁺浓度，其含量变化如图9所示，几乎没有纳米磁铁矿合成。