CN106734159A - 一种重金属污染土壤的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微生物应用技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤的修复方法。所述方法先用羟基磷灰石对土壤环境进行平衡处理，能有效促进后续羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌菌粉对游离态重金属的去除效果。采用本发明所述方法对化工厂附近1公里内的重金属污染土壤进行实地修复1个月后，受污染土壤中游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到64.6%、54.1%、51.5%、35.3%、27.5%、24.7%；2个月后游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到81.6%、73.6%、73.1%、56.8%、49.8%、61.3%，基本达到国家规定的二级土壤条件（GB15618‑1995），即：能够满足农业生产和维护人体健康的土壤限制值，所述修复方法对受污染土壤的净化效果显著，应用前景广阔。

Description

一种重金属污染土壤的修复方法

技术领域

本发明涉及功能微生物应用技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤的修复方法。

背景技术

土壤重金属污染，不仅使土壤肥力退化，降低作物产量与质量，恶化水环境，并通过食物链在人和生物体内富集，严重威胁着人类的健康。随着工业化进程的加快，土壤中重金属污染愈发严重，发生的重金属污染事件也屡见不鲜。重金属污染土壤的治理已经迫在眉睫，但土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，增加了土壤修复工作的困难。

按照重金属在土壤中的赋存形态不同和土壤的性质不同。重金属污染土壤的修复和治理方法可分为三大类：土壤农化调控法、工程物理化学法及生物修复法。工程物理化学法是指通过机械法、物理化学法等手段治理土壤重金属污染的方法，在土壤重金属污染初期应用该方法效果较好。主要包括：客土法、冲洗络合法等。农业化学调控法指通过调节土壤pH、有机质、CEC、土壤水分等因索。从而改变土壤重金属的水溶性，降低或升高其生物有效性，消减重金属污染危害或净化土壤的方法。生物修复是指利用生物的生命代谢活动减小存在于环境中有毒物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。此技术主要通过两种途径来实现对土壤重金属净化：(1)生物利用其新陈代谢作用改变重金属化学形态，将土壤中的重金属活性降低，降低其在土壤环境中的活性和生物可利用性；(2)通过生物吸收和代谢作用达到对土壤重金属的吸附、净化与固定作用。

微生物修复是指利用微生物的吸附和代谢物的螯合作用清除水体或土壤中的污染物，或是降低污染物的毒性或无害化的过程。它包括微生物对重金属的吸附、溶解、矿化等作用。微生物对重金属的生物富集主要表现在胞外络合、沉淀以及胞内累积。一些微生物如蓝细菌、假单胞杆菌、硫酸还原菌和某些藻类，能产生胞外聚合物，其含有大量阴性基团的，可以与重金属络合，去除或降低重金属污染。微生物对重金属的生物转化主要指微生物对重金属进行溶解、生物氧化与还原、矿化、甲基化与去甲基化以及改变重金属的价态达到转化重金属的目的。微生物还具有强的氧化还原能力，从而使其吸收的重金属被释放出来。例如在重金属污染的土壤中加入适量的硫，硫被微生物氧化成硫酸盐形式，从而使土壤p H值下降，而重金属的活性升高，使植物更易吸收，达到土壤净化的效果。

土壤重金属污染日益严重，严重威胁粮食安全生产和人类健康，污染治理已成备受关注的重心。微生物修复土壤重金属污染是颇具潜力的治理方法，微生物的优劣直接影响土壤修复的效率和经济效益，因此筛选出优质微生物，应用于土壤重金属修复方面具有重要意义。

发明内容

本发明为解决现有技术问题，提供了一种重金属污染土壤的修复方法。所述方法利用羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌结合处理的方式，能有效去除受污染土壤中的铅、铬、铜等游离态重金属，使之达到国家规定的土壤安全范围。

本发明一方面提供了一种重金属污染土壤的修复方法，是通过先向土壤中添加羟基磷灰石进行平衡处理，再添加巨大芽孢杆菌菌粉，来实现对土壤中游离态重金属的去除。

所述的巨大芽孢杆菌，保藏编号为CCTCC NO: M 2014275。

所述的羟基磷灰石不超过100目。

所述重金属污染土壤的修复方法，具体步骤包括：

（1）先将羟基磷灰石均匀撒在受污染土壤表面，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石充分接触，然后进行灌溉，平衡土壤5-10天；

（2）将巨大芽孢杆菌菌粉均匀撒在平衡后的土壤上，接着进行翻地，使土壤与菌粉充分接触，然后进行灌溉；

（3）处理后定期检测土壤中游离态重金属的含量，如果未达到预期效果，可再重复步骤（2）的操作，直到达到国家规定的土壤环境条件。

进一步优选的，所述的羟基磷灰石的添加量为100-150kg/亩；

进一步优选的，所述的巨大芽孢杆菌菌粉的添加量为2-5 kg/亩，菌粉中活菌数超过10亿；

进一步优选的，所述重金属污染土壤的修复方法，具体步骤包括：

（1）按100-150kg/亩的添加量将羟基磷灰石均匀撒在受污染土壤表面，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持60％左右，平衡土壤7天；

（2）将巨大芽孢杆菌菌粉按2-5kg/亩的施用量与等量的麦麸混匀后，均匀撒在平衡后的土壤上，接着进行翻地，使土壤与菌粉充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持80％左右；

（3）处理后定期检测土壤中游离态重金属的含量，如果未达到预期效果，可再重复步骤（2）的操作，直到达到国家规定的土壤环境条件。

本发明的有益效果：

本发明提供的重金属污染土壤修复方法中，先用羟基磷灰石对土壤环境进行平衡处理，能有效促进后续羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌菌粉对游离态重金属的去除效果。采用本发明所述方法对化工厂附近1公里内的重金属污染土壤进行实地修复1个月后，受污染土壤中游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到64.6%、54.1%、51.5%、35.3%、27.5%、24.7%；二个月后游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到81.6%、73.6%、73.1%、56.8%、49.8%、61.3%，基本达到国家规定的二级土壤条件（GB15618-1995），即：能够满足农业生产和维护人体健康的土壤限制值，所述修复方法对受污染土壤的净化效果显著，应用前景广阔。

具体实施方式：

本发明实施例中选用的巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）筛选自烟台东方海洋集团三文鱼循环水养殖废水处理塔内的水样中，命名为巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）YX7，已于2014年6月24日保藏于中国武汉 武汉大学的中国典型培养物保藏中心，其保藏编号为CCTCC NO: M 2014275。

实施例1巨大芽孢杆菌菌粉的制备

1、首先将巨大芽孢杆菌进行活化；按照2-5%的比例接种到种子培养基（LB培养基）中进行混合培养；35℃、120rpm/min条件下，摇床培养36～48h，得到一级种子液；

2、按10～15％接种量，将一级种子液转接到种子罐内的二级种子培养基（各组分及其质量比分别为：淀粉1.5～3％，麸皮粉1～2％，酵母膏0.05～0 .3％，蛋白胨0.5～1％，磷矿粉1～2％，MgSO4·7H2O 0.01～0.05％，CaCl2 0.1～0.4％，(NH4)2SO4 0.01～0.04％，余量为水，pH 7.0～7.2），在28～37℃，转速100rpm/min，通气量为1000L/h，罐压保持在0.02～0.03MPa条件下培养36～48h，得到二级种子液；

3、按10～15％接种量，将二级种子液接种到发酵罐内的发酵培养基（培养基组分与二级种子培养基相同），在28～37℃，转速100rpm/min，通气量为10000L/h、罐压保持在0.02～0.03MPa条件下培养48～72h。将发酵液进行喷雾干燥，获得巨大芽孢杆菌菌粉，活菌数≧1×10⁹CFU/g。

实施例2巨大芽孢杆菌对土壤中重金属的去除实验

采集青岛市崂山区仰口景区山地土壤（几乎不含游离态重金属）10kg。所釆土壤在干燥通风处自然风干，研磨过2mm孔径筛，混匀。

分别按2g/kg人为添加铅、铬、铜制备污染土壤：分别以Pb(NO3)₂、Cr (NO3)₃和Cu(NO3)₂溶液的形式加入土壤后混匀，置通风处自然风干，老化60天后过2mm孔径筛，并充分混匀，土壤中Pb²⁺、Cr³⁺和Cu²⁺含量分别为2g/kg、2g/kg和2g/kg。分别称取过8目的风干土壤200g于500mL三角瓶中，处理组1只添加10g羟基磷灰石(100目)；处理组2只添加2g巨大芽孢杆菌菌粉（10⁹CFU/g）；处理组3同时添加10g羟基磷灰石(100目)和2g巨大芽孢杆菌菌粉（10⁹ CFU/g）。将羟基磷灰石、巨大芽孢杆菌菌粉与土壤充分混匀，用去离子水调节土壤含水量至20％～25％，于室温培养，同时设置空白对照组，各处理设置三个重复。培养30天后，取样烘干，分别测定土壤中游离态重金属铅、铬和铜的浓度，计算游离铅的去除率，具体结果见表1-3。

表1 羟基磷灰石和/或巨大芽孢杆菌菌粉对土壤中游离铅的去除效果

实验组	添加	游离铅浓度	游离铅去除率
				空白对照组	——	2g/kg	0
处理组1	10g羟基磷灰石	1.611 mg/kg	19.45%
				处理组2	2g巨大芽孢杆菌菌粉	1.351 mg/kg	32.45%
处理组3	10g羟基磷灰石+2g巨大芽孢杆菌菌粉	0.158 mg/kg	92.1%

表2 羟基磷灰石和/或巨大芽孢杆菌菌粉对土壤中游离铬的去除效果

实验组	添加	游离铬浓度	游离铬去除率
				空白对照组	——	2g/kg	0
处理组1	10g羟基磷灰石	1.715 mg/kg	14.25%
				处理组2	2g巨大芽孢杆菌菌粉	1.321 mg/kg	33.95%
处理组3	10g羟基磷灰石+2g巨大芽孢杆菌菌粉	0.518 mg/kg	74.1%

表3 羟基磷灰石和/或巨大芽孢杆菌菌粉对土壤中游离铜的去除效果

实验组	添加	游离铜浓度	游离铜去除率
				空白对照组	——	2g/kg	0
处理组1	10g羟基磷灰石	1.691 mg/kg	15.45%
				处理组2	2g巨大芽孢杆菌菌粉	1.494 mg/kg	25.3%
处理组3	10g羟基磷灰石+2g巨大芽孢杆菌菌粉	0.423 mg/kg	78.85%

从表1-3的结果可以看出，本发明所述三个处理组均能有效去除土壤中的游离铅、铬和铜，尤其是对游离铅的去除效果最好。其中，单独添加5%羟基磷灰石的处理组1对土壤中游离重金属去除率仅为14.25%-19.45％，而单独添加1%本发明提供的巨大芽孢杆菌菌粉的处理组2土壤中游离重金属的去除率能达到25.3%-33.45%，效果非常显著；而更意料不到的是，同时添加羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌菌粉的处理组3土壤中游离重金属的去除率高达74.1%-92.22%。

上述结果表明巨大芽孢杆菌菌粉能与羟基磷灰石协同作用，有效促进游离重金属的固定，尤其是降低土壤中游离重金属的含量，在一定程度上的恢复被重金属污染的土壤，效果显著，应用前景广阔。 实施例3巨大芽孢杆菌菌粉和羟基磷灰石对重金属污染土壤的实地实验

选择青岛市四方区某大型化工厂附近1公里内的重金属污染土壤，经检测，该地段土壤中各类游离态重金属的含量如表4所示。

表4 土壤中游离态重金属的含量（mg/kg）

重金属	铅	铬	铜	汞	锌	镉
							含量	811	898	526	1.9	305	1.5

3.1 第一种修复方法：先添加羟基磷灰石进行平衡处理，然后添加巨大芽孢杆菌菌粉处理

1、先按100kg/亩的添加量将羟基磷灰石(100目)均匀撒在污染土壤表面，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持60％左右，平衡土壤7天；

2、将本发明实施例1制备得到的巨大芽孢杆菌菌粉按2kg/亩的施用量与等量的麦麸混匀后，均匀撒在平衡后的土壤上，接着进行翻地，使土壤与菌粉充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持80％左右；

3、一个月（含羟基磷灰石处理的7天）后，检测上述各重金属的含量，如果未达到预期效果，则再重复步骤2的操作1-2次，即可达到国家规定的土壤环境条件。

申请人分别检测了1个月，2个月和3个月后上述重金属污染土壤中游离态重金属的含量，具体结果见表5。

表5 修复后土壤中游离态重金属的含量（mg/kg）

重金属	铅	铬	铜	汞	锌	镉
							起始含量	811	898	656	1.9	305	1.5
1个月后	287	412	318	1.23	221	1.13
							2个月后	149	237	176	0.82	153	0.58
3个月后	67	141	108	0.52	96	0.25

从表5的数据可以看出，采用本发明提供的第一种土壤修复方法，1个月后上述重金属污染土壤中游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到64.6%、54.1%、51.5%、35.3%、27.5%、24.7%；二个月后游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到81.6%、73.6%、73.1%、56.8%、49.8%、61.3%，基本达到国家规定的二级土壤条件（GB15618-1995），即：能够满足农业生产和维护人体健康的土壤限制值。

进一步的，采用本发明提供的土壤修复方法处理3个月后，上述重金属污染土壤中游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率分别达到91.7%、84.3%、83.5%、72.6%、68.5%、83.3%，土壤环境进一步得到净化，效果显著。

第二种修复方法：同时添加羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌菌粉处理

1、按100kg/亩的添加量将羟基磷灰石(100目)均匀撒在污染土壤表面，再将本发明实施例1制备得到的巨大芽孢杆菌菌粉按2kg/亩的施用量与等量的麦麸混匀后，均匀撒在土壤上，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石和菌粉充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持80％左右；

2、一个月后，检测上述各重金属的含量，如果未达到预期效果，则再重复步骤1中添加巨大芽孢杆菌菌粉的操作1-2次，即可达到国家规定的土壤环境条件。

申请人分别检测了1个月，2个月和3个月后上述重金属污染土壤中游离态重金属的含量，具体结果见表6。

表6 修复后土壤中游离态重金属的含量（mg/kg）

重金属	铅	铬	铜	汞	锌	镉
							起始含量	811	898	656	1.9	305	1.5
1个月后	396	492	385	1.46	243	1.28
							2个月后	207	281	234	1.02	177	0.71
3个月后	137	185	133	0.75	121	0.42

从表6的数据可以看出，采用本发明提供的第二种土壤修复方法，1个月后上述重金属污染土壤中游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到51.2%、45.2%、41.3%、23.1%、20.3%、20%；二个月后游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率能分别达到74.5%、68.7%、64.3%、46.3%、42%、52.7%；三个月后游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉的去除率分别达到83.1%、79.4%、79.7%、60.5%、60.3%、72%。

通过将表5和表6的各期数据比较可知，本发明所述第一种修复方法对游离态铅、铬、铜、汞、锌和镉等重金属的去除率均普遍高于第二种修复方法，从而说明先用羟基磷灰石对土壤环境进行平衡处理，能有效促进后续羟基磷灰石和巨大芽孢杆菌菌粉对游离态重金属的去除效果，取得了意料不到的技术效果。

Claims (7)

1.一种重金属污染土壤的修复方法，其特征在于，所述的方法是通过先向土壤中添加羟基磷灰石进行平衡处理，再添加巨大芽孢杆菌菌粉，来实现对土壤中游离态重金属的去除。

2.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述的方法中羟基磷灰石不超过100目。

3.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述的方法中巨大芽孢杆菌的保藏编号为CCTCC NO: M 2014275。

4.如权利要求1-3任一所述的修复方法，其特征在于，所述的方法具体包括：

（1）先将羟基磷灰石均匀撒在受污染土壤表面，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石充分接触，然后进行灌溉，平衡土壤5-10天；

（2）将巨大芽孢杆菌菌粉均匀撒在平衡后的土壤上，接着进行翻地，使土壤与菌粉充分接触，然后进行灌溉；

（3）处理后定期检测土壤中游离态重金属的含量，如果未达到预期效果，可再重复步骤（2）的操作，直到达到国家规定的土壤环境条件。

5.如权利要求4所述的修复方法，其特征在于，所述的方法中步骤（1）所述的羟基磷灰石的添加量为100-150kg/亩。

6.如权利要求4所述的修复方法，其特征在于，所述的方法中步骤（2）所述的巨大芽孢杆菌菌粉的添加量为2-5 kg/亩，菌粉中活菌数超过10亿/mL。

7.如权利要求4所述的修复方法，其特征在于，所述的方法具体包括：

（1）按100-150kg/亩的添加量将羟基磷灰石均匀撒在受污染土壤表面，接着进行翻地，使土壤与羟基磷灰石充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持60％左右，平衡土壤7天；

（2）将巨大芽孢杆菌菌粉按2-5kg/亩的施用量与等量的麦麸混匀后，均匀撒在平衡后的土壤上，接着进行翻地，使土壤与菌粉充分接触，然后进行灌溉，灌溉深度保持15cm～20cm，土壤相对湿度保持80％左右；

（3）处理后定期检测土壤中游离态重金属的含量，如果未达到预期效果，可再重复步骤（2）的操作，直到达到国家规定的土壤环境条件。