一种治理重金属污染土壤的微生物制剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤治理技术领域，尤其涉及一种治理重金属污染土壤的微生物制剂及其使用方法。

背景技术

土壤重金属污染隶属无机污染类别，危害性强，影响范围广。土壤中的重金属离子无法被微生物分解，且这些重金属会在土壤生物体内不断累积，并转变为毒性甲基化合物，而这种化合物会随着食物链而最终进入人体，严重破坏人体健康。当重金属元素伴随着工农业活动进入土壤后，其会与土壤紧密胶结，并会与土壤中原有的无机物或有机物发生反应，产生新的重金属化合物，此时，土壤性质已发生改变，而这些重金属化合物在被植物吸收后，其呈现毒性的化合价通常不会出现变化，而是直接进入食物链。土壤重金属污染治理难度非常大，污染物自身的隐蔽性也很强，且污染带来的破坏与影响极为深远，人类的生产生活无法有效进行。

目前，土壤重金属污染治理方法有物理修复法，化学修复法和生物修复法，其中物理修复主要包括电动修复、电热修复、土壤淋洗三种，目前物理修复法存在的最大问题是处理成本高，而且存在再次污染的风险。化学修复主要是指向被重金属污染过的土壤中加人能够改变土壤中重金属化学性质的污泥、有机质等外源物质，这种外源物质会与土壤中金属离子结合，使得金属离子的迁移性和被植物吸收的可能性降低，进而防止这些重金属元素进人生态循环系统，但是只能使重金属元素在土壤中固定下来，阻止其进人生物循环系统，并没有从根本上将其从土壤中完全去除。在一定条件下，当金属离子的形态发生改变时易造成“二次污染”。

微生物修复技术指利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸附、沉淀、氧化和还原等作用，从而降低土壤中重金属的毒性。目前微生物治理技术应用广泛，微生物个体微小，肉眼可见，比表面积大，细胞结构复杂，自然界分布广，土壤中资源丰富，可以快速处理金属污染问题，修复重金属污染能力强，并且可同时处理多种重金属的混合污染。但是微生物对重金属土壤进行修复时易受到外界因素的不利影响而影响其活动，导致治理周期长、治理效率低下，并且微生物修复主要的是对重金属进行吸附转化，并不能将重金属从土壤中彻底去除，当微生物死亡后，可能造成土壤的二次污染，从而降低修复效果。

因此，目前急需一种治理重金属污染土壤的微生物制剂及其使用方法，用以解决微生物修复易受外界因素不利影响导致治理周期长，治理效率低下以及不能将重金属从土壤中彻底去除，容易造成二次污染的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种治理重金属污染土壤的微生物制剂及其使用方法，解决微生物修复易受外界因素不利影响导致治理周期长，治理效率低下以及不能将重金属从土壤中彻底去除，容易造成二次污染的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种治理重金属污染土壤的微生物制剂，所述微生物制剂由重金属富集颗粒和微生物聚集液组成，所述重金属富集颗粒内部负载有微生物。

进一步，所述重金属富集颗粒包括以下重量份原料：

3-5份球形红假单胞菌、5-8份沼泽红假单胞菌、500-700份活性炭、500 份重金属离子废水、300-400份聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸水凝胶。

进一步，所述聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸由聚(N-异丙基丙烯酰胺) 和丙烯酸通过乳液聚合法聚合而成。

进一步，所述重金属离子废水pH为酸性，重金属离子废水中的金属离子与需被治理的重金属污染土壤中的金属离子种类相同。

目前国内重金属污染土壤中常见的金属离子包括铬、铅、铜、镉、砷、汞、镍、锰、锌离子，所以重金属离子废水中最好包含上述离子。

优选地，所述重金属离子废水中pH的最佳范围为4-6，且在制备重金属离子废水时，最好与需要治理的重金属污染土壤的金属离子种类大致相同，便于将土壤中的重金属离子彻底去除。

进一步，所述微生物聚集液包括以下重量份原料：

10-15份葡萄糖、3-5份L-精氨酸、5-8份半乳糖、3-5份天冬氨酸、20-30 份魔芋胶。

进一步，重金属富集颗粒的制备方法如下：

S1、将球形红假单胞菌、沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中30-33℃，120-130r/min暗黑培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2000-2500lx；

S2、将活性炭与重金属离子废水混合后在摇床上震荡30min，使重金属离子负载于活性炭中，然后加入菌液，混合均匀后在摇床上震荡吸附8h后得到负载微生物的活性炭，然后加入聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸水凝胶后搅拌均匀后于30℃恒温箱中静置12h后得到重金属富集颗粒。

进一步，微生物聚集液的制备方法如下：

将葡萄糖、L-精氨酸、半乳糖、天冬氨酸混合后加入水搅拌3-5min，加入碳酸钠调节pH至6.5-7.5，然后加入魔芋胶混合均匀后放置于均质机内 15-20Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

进一步，所述特定液体培养基包括以下重量份原料：

10-15份葡萄糖、3-5份L-精氨酸、5-8份半乳糖、3-5份天冬氨酸。

一种治理重金属污染土壤的微生物制剂的使用方法，微生物制剂的使用方法为：

S1、将重金属富集颗粒和水按照1：1比例混合后静置12h，然后均匀施于重金属污染土壤后进行翻耕，翻耕厚度为20-30cm，然后将土壤整理耙平后用黑色塑料膜覆盖土壤表面，每隔1天揭膜1h后再次覆盖，20天后揭除黑色塑料膜静待20-30天；

S2、选取po膜，将微生物聚集液均匀涂覆在po膜内侧，然后po膜内侧紧贴于土壤表面，覆膜10天后揭除po膜。

进一步，重金属富集颗粒在土壤中的施用量为250g-500g/㎡，微生物富集液在po膜上的涂覆量为200-300g/㎡。

微生物吸附、转化重金属并不能将重金属离子从土壤中彻底去除，并且由于自然界的环境条件具有不确定性，使用微生物治理重金属污染土壤时，微生物易受到土壤不适宜pH的影响，降低其活性，进而导致修复效果低下，因此需要对微生物进行处理，使得土壤中的重金属能够被彻底去除，并且避免土壤中不适宜的pH对微生物活性造成的不利影响；

选用特定的光合细菌制备微生物聚集液，由于光合细菌具有趋光性，在施入土壤中后会朝着有光的土壤表面移动，当重金属富集颗粒与重金属污染土壤混合后，用黑色塑料膜覆盖土壤表面，此时微生物从重金属富集颗粒向重金属污染土壤移动，对污染土壤中重金属离子进行吸附，降低土壤中的重金属离子含量，对污染土壤进行治理，随后揭除黑色塑料膜然后替换为po膜，此时由于 po膜上涂覆有微生物聚集液，此时吸附了重金属离子的微生物朝着涂覆有微生物聚集液的po膜上移动，便于收集po膜上的微生物，将重金属离子从土壤中彻底去除，防止二次污染。这是由于选用的微生物本身具有趋光性，且重金属富集颗粒在制备时，微生物于特定液体培养基中培养了一段时间，导致微生物具有趋向性，会朝着已经适应的营养环境中移动。当含有微生物的重金属富集颗粒施入土壤对重金属进行吸附和转化，一段时间后揭开土壤表面黑色塑料膜，吸收富集了土壤中重金属离子的微生物会感受到土壤表面的光照时，因其趋光性会朝着土壤表面移动，同时由于po膜上涂覆有与特定液体培养基相同的营养物质，因其具有的趋向性，会朝着po膜移动，进而微生物于po膜内侧富集，利用魔芋胶的高黏性将吸附了重金属的微生物牢牢吸附在po膜上，将po膜揭除从而彻底去除了土壤中的重金属离子。虽然微生物会携带重金属离子移动到土地表面，但是微生物容易受到土壤pH的不利影响，降低其活性，进而吸附重金属的能力降低，使其移动到土壤表面时本身携带的重金属量低下，致使重金属去除量下降，治理效率低下，因此需要对微生物进一步处理，避免土壤pH 不利影响导致的重金属去除量下降；

将酸性的重金属离子废水与活性炭混合震荡，使得重金属离子负载于活性炭中，然后加入菌液后摇床上震荡吸附，使微生物负载在活性炭中，然后加入聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸，让凝胶态的聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸包裹着负载了重金属离子和微生物的活性炭，由于聚(N-异丙基丙烯酰胺)/ 丙烯酸具有pH敏感性，酸性环境中聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸水凝胶溶胀性收缩，内部微生物难以向外移动，进而使得微生物封闭在内部提前适应酸性重金属环境，当其进入土壤中时，其活性不会受到不利环境的影响，进而缩短了治理周期，增强了金属离子去除量。

有益效果：

本发明公开的一种治理重金属污染土壤的微生物制剂及其使用方法，通过重金属富集颗粒和微生物聚集液的协同作用，使得土壤中的重金属离子随着微生物进入到涂覆了重金属去除剂的po膜上，通过揭除po膜彻底去除土壤中的重金属离子，解决了微生物不能将重金属离子从土壤中彻底去除的问题，微生物不会受到土壤pH的不利影响降低其修复能力，采用本发明的方法治理重金属污染土壤治理效率高，周期短，效果显著。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：微生物制剂制备一

制备微生物制剂前先配制了特定液体培养基：取100g葡萄糖、30gL-精氨酸、50g半乳糖、30g天冬氨酸加入10.5kg水混合均匀得到特定液体培养基。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将6g球形红假单胞菌、10g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中30℃，120r/min暗黑培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2000lx；

S2、将1kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：

将1kg葡萄糖、0.3kg精氨酸、0.5kg半乳糖、0.3kg天冬氨酸混合后加入 21kg水搅拌3min，加入碳酸钠调节pH至6.5，然后加入2kg魔芋胶混合均匀后放置于均质机内15Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

实施例2：微生物制剂制备二

制备微生物制剂前先配制了特定液体培养基：取120g葡萄糖、40gL-精氨酸、70g半乳糖、40g天冬氨酸加入13.5kg水混合均匀得到特定液体培养基。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将8g球形红假单胞菌、14g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中32℃，125r/min暗黑培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2300lx；

S2、将1.2kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：

将1.3kg葡萄糖、0.4kg精氨酸、0.7kg半乳糖、0.4kg天冬氨酸混合后加入2.8kg水搅拌4min，加入碳酸钠调节pH为7，然后加入2.5kg魔芋胶混合均匀后放置于均质机内17Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

实施例3：微生物制剂制备三

制备微生物制剂前先配制了特定液体培养基：取150g葡萄糖、50gL-精氨酸、80g半乳糖、50g天冬氨酸加入16.5kg水混合均匀得到特定液体培养基。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将10g球形红假单胞菌、16g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中33℃，130r/min暗盒培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2500lx；

S2、将1.4kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：将1.5kg葡萄糖、0.5kg精氨酸、0.8kg半乳糖、0.5kg 天冬氨酸混合后加入3.3kg水搅拌5min，加入碳酸钠调节pH至7.5，然后加入 3kg魔芋胶混合均匀后放置均质机内20Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

对比例1：微生物制剂制备

与实施例1形成对比，区别在于重金属富集颗粒制备时不将微生物放置于特定液体培养基中进行培养，而是放到普通液体培养基中进行培养。

制备重金属富集颗粒前先配制了普通液体培养基：取210g葡萄糖加入10.5L水混合均匀制得。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将6g球形红假单胞菌、10g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到普通培养基中在摇床中30℃，120r/min暗黑培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2000lx；

S2、将1kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：

将1kg葡萄糖、0.3kg精氨酸、0.5kg半乳糖、0.3kg天冬氨酸混合后加入 21kg水搅拌3min，加入碳酸钠调节pH至6.5，然后加入2kg魔芋胶混合均匀后放置于均质机内15Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

对比例2：微生物制剂制备

与实施例1形成对比，区别在于重金属富集颗粒制备时不进行光照处理。

制备微生物制剂前先配制了特定液体培养基：取100g葡萄糖、30gL-精氨酸、50g半乳糖、30g天冬氨酸加入10.5kg水混合均匀得到特定液体培养基。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将6g球形红假单胞菌、10g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中30℃，120r/min黑暗培养4天后得到菌液；

S2、将1kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：

将1kg葡萄糖、0.3kg精氨酸、0.5kg半乳糖、0.3kg天冬氨酸混合后加入 21kg水搅拌3min，加入碳酸钠调节pH至6.5，然后加入2kg魔芋胶混合均匀后放置于均质机内15Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

对比例3：微生物制剂制备

与实施例1形成对比，区别在于重金属富集颗粒制备时不加入聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸。

制备微生物制剂前先配制了特定液体培养基：取100g葡萄糖、30gL-精氨酸、50g半乳糖、30g天冬氨酸加入10.5kg水混合均匀得到特定液体培养基。

(1)重金属富集颗粒：

S1、将6g球形红假单胞菌、10g沼泽红假单胞菌混合均匀接种到特定液体培养基中在摇床中3℃，120r/min暗黑培养4天后得到菌液，其中暗黑培养中，光照时间为光8h/暗16h，光照强度为2000lx；

S2、将1kg活性炭与1kg含有4wt％Cr

(2)微生物聚集液：

将1kg葡萄糖、0.3kg精氨酸、0.5kg半乳糖、0.3kg天冬氨酸混合后加入 21kg水搅拌3min，加入碳酸钠调节pH至6.5，然后加入2kg魔芋胶混合均匀后放置于均质机内15Mpa，60℃均质10min后得到微生物聚集液。

实施例4：微生物制剂治理重金属污染土壤

选用实施例1制备的微生物制剂。

S1、按照350g/㎡的施用量称取重金属富集颗粒，然后将重金属富集颗粒和水按照1：1比例混合后静置12h，均匀施于重金属污染土壤后进行翻耕，翻耕厚度为20-30cm，然后将土壤整理耙平后用黑色塑料膜覆盖土壤表面，每隔1 天揭膜1h后再次覆盖，20天后揭除黑色塑料膜静待20天；

S2、选取po膜，按照250g/㎡的涂覆量将微生物聚集液均匀涂覆在po膜内侧，之后将po膜内侧紧贴于土壤表面，覆膜10天后揭除po膜。

对比例4：微生物制剂治理重金属污染土壤

与实施例4形成对比，区别仅在于进行重金属污染土壤治理时不覆盖黑色塑料膜。

S1、按照350g/㎡的施用量称取重金属富集颗粒，然后将重金属富集颗粒和水按照1：1比例混合后静置12h，均匀施于重金属污染土壤后进行翻耕，翻耕厚度为20-30cm，然后将土壤整理耙平后静待40天；

S2、选取po膜，按照250g/㎡的涂覆量将微生物聚集液均匀涂覆在po膜内侧，之后将po膜内侧紧贴于土壤表面，覆膜10天后揭除po膜。

对比例5：微生物制剂治理重金属污染土壤

与实施例4形成对比，区别仅在于进行重金属污染土壤治理时po膜上不涂覆微生物聚集液。

S1、按照350g/㎡的施用量称取重金属富集颗粒，然后将重金属富集颗粒和水按照1：1比例混合后静置12h，均匀施于重金属污染土壤后进行翻耕，翻耕厚度为20-30cm，然后将土壤整理耙平后用黑色塑料膜覆盖土壤表面，每隔1 天揭膜1h后再次覆盖，20天后揭除黑色塑料膜静待20天；

S2、选取po膜，将po膜紧贴于土壤表面，覆膜10天后揭除po膜。

空白对照：

直接称取球形红假单胞菌、沼泽红假单胞菌混合均匀后得到微生物混合菌剂，采用清水涂抹于po膜上，具体操作如下：

S1、将6g球形红假单胞菌、10g沼泽红假单胞菌混合均匀，得到微生物混合菌剂，按照2.14g/㎡的施用量施入重金属污染土壤后进行翻耕，翻耕厚度为 20-30cm，然后将土壤整理耙平后用黑色塑料膜覆盖土壤表面，每隔1天揭膜 1h后再次覆盖，20天后揭除黑色塑料膜静待20天；

S2、选取po膜，按照250g/㎡的涂覆量将水均匀涂覆在po膜内侧，然后将po膜内侧紧贴于土壤表面，覆膜10天后揭除po膜。

实验：重金属污染土壤治理实验

1、样品：重庆市某工业园区附近农田中重金属污染土壤，检测其中铬、铜、铅的含量，分别为：铬含量237mg/kg、铜含量117mg/kg、铅含量163mg/kg。

将上述土壤分成7组：实验组1、对比组1-5、空白对照组。每组使用土壤铺成长、宽、高分别1m、1m、0.5m的土块，总体积0.5m

2、微生物制剂：

实验组1：采用实施例1制备的微生物制剂；

对比组1-3：分别采用对比例1-3制备的微生物制剂；

对比组4-5：分别采用实施例1制备的微生物制剂；

空白对照组：采用空白对照组制备的微生物混合菌剂。

3、治理方法：

实验组1：采用实施例4的治理方法；

对比组1-3：采用实施例4治理方法；

对比组4：采用对比例4的治理方法；

对比组5：采用对比例5的治理方法；

空白对照组：采用空白对照组公开的治理方法与上述实验组和对比组形成对比。

其中实验组1和对比组1-5制备的微生物制剂中重金属富集颗粒在土壤中的施用量均为350g/㎡，微生物聚集液在po膜上的涂覆量均为250g/㎡；

其中由于空白对照组使用的微生物混合菌剂为纯菌剂，所以空白对照的微生物混合菌剂的施用量为2.14g/㎡，po膜的清水涂覆量为250g/㎡。

4、重金属离子检测：于po膜揭除后一天进行重金属离子检测，得到数据如表1所示：

表1

由表1的数据分析可知：

(1)实验组1微生物制剂治理后土壤中的铬、铜、铅含量显著降低，对比组1-5微生物制剂治理后的土壤中铬、铜、铅的含量虽然降低程度较大，但是相比于实验组1，降低的量还是有很大的差距；

(2)对比组1采用的是对比例1制备的微生物制剂，实施例4的治理方法，与实验组1相比，对比组1治理后的土壤中铬含量要高出20mg/kg，铜含量高出13mg/kg，铅含量高出26mg/kg，这是因为对比组1中重金属富集颗粒制备时微生物未在特定液体培养基中进行培养，微生物的趋向性减弱，导致向涂覆微生物聚集液的po膜移动的微生物量减少，因此吸附在po膜的微生物减少，揭膜后去除的重金属量降低，致使对比组1重金属离子的去除量要低于实验组1；

(3)对比组2采用的是对比例2制备的微生物制剂，实施例4的治理方法，对比组2与实验组1相比，治理后的土壤中铬含量高出11mg/kg，铜含量高出12mg/kg，铅含量高出13mg/kg，这是由于对比组2的重金属富集颗粒制备时微生物未进行光照，致使微生物的趋光性减弱，重金属富集颗粒施用后微生物向太阳光照射的土地表面移动性减弱，导致移动到po膜上的微生物量减少，揭膜后重金属去除量减少，进而导致对比组2重金属去除量要低于实验组1；

(4)对比组3采用的是对比例3制备的微生物制剂，实施例4的治理方法，对比组3与实验组1相比，治理后的土壤中铬含量要高出17mg/kg，铜含量要高出14mg/kg，铅含量要高出15mg/kg，这是由于对比组3中重金属富集颗粒制备时未添加聚(N-异丙基丙烯酰胺)/丙烯酸，未能对活性炭中的微生物进行封闭，微生物对不利环境的适应性降低，当其进入重金属污染土壤中后活性较低，其治理重金属污染土壤的能力相应较低，致使对比组3重金属去除量低于实验组1；

(5)对比组采用的是实施例1制备的微生物菌剂，对比例4的治理方法，对比组4与实验组1相比，治理后的土壤中铬含量要高出10mg/kg，铜含量要高出9mg/kg，铅含量要高出9mg/kg，这是由于对比组4中进行治理时未用黑色塑料膜进行覆盖，微生物具有趋光性，进而过早移动到土壤表面后停留，导致土壤中的重金属离子吸附量少进而导致去除量降低；

(6)对比组5采用的是实施例1制备的微生物菌剂，对比例5的治理方法，对比组5与实验组1相比，治理后的土壤中铬含量要高出41mg/kg，铜含量要高出28mg/kg，铅含量要高出44mg/kg，这是由于对比组5中进行治理时po膜上未涂覆微生物聚集液，导致po膜吸附微生物的量减少，微生物去除量少进而导致重金属离子去除量降低；说明选用光合微生物，将其放入特定液体培养基中模拟太阳光照射进行培养，使其适应培养基中营养物质和光照，在施用到土壤中时，微生物因为有光照和化学物质的双重趋引，进而向土壤表面移动后被吸附在po膜上，揭除po膜后去除富集了重金属离子的微生物进而去除了重金属离子；将微生物封闭于负载了重金属离子的酸性环境中，有利于提高其在酸性重金属环境的适应性，缩短治理周期，提高治理效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。