CN110252803B

CN110252803B - 一种镉污染土壤复合钝化剂及其应用

Info

Publication number: CN110252803B
Application number: CN201910667304.6A
Authority: CN
Inventors: 何晓红; 陶勇; 李大平; 李铁柱
Original assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Current assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: CN110252803A

Abstract

本发明属于土壤修复领域，具体涉及一种镉污染土壤复合钝化剂及其应用。具体包括一种主要有效成分为假单胞菌的土壤钝化剂，利用所述土壤钝化剂和载体钝化材料即可制备所需土壤复合钝化剂。本发明提供的土壤钝化剂和土壤复合钝化剂既可以钝化土壤中的重金属，促进植物的生长；同时能阻隔重金属，有效阻止植物对金属Cd的吸收，从而减少农作物中重金属的残留。具有巨大的实际应用价值和推广潜力。

Description

一种镉污染土壤复合钝化剂及其应用

技术领域

本发明属于土壤修复领域，具体涉及一种镉污染土壤复合钝化剂及其应用。

背景技术

随着工业不断发展，土壤中重金属污染问题、尤其是镉污染问题，已成为全社会关注的热点。据统计，目前我国镉污染农田已经超过20万公顷，涉及11个省市25个地区，每年镉含量超标农产品达146万吨，严重危害人民身体健康。针对我国大面积农田镉污染问题，亟待开发出一种能够大面积推广、成本低、不误农时的技术方法，降低土壤中镉的生物有效性，以降低农作物中镉的含量；同时改善土壤的环境，提高氮肥的利用率。

重金属污染土壤的修复主要分为原位修复和异位修复，其中原位修复是通过加入物理化学材料或生物菌剂，调节土壤理化性质(如pH,含水率、阳离子交换量等)，改变重金属在土壤环境中的赋存形态，抑制其生物活性，达到简单而快速有效的原位修复土壤重金属污染。重金属污染土壤的原位修复包括重金属钝化和移除。原位钝化修复技术具有处理时间短、经济廉价、适用范围广等优点，被认为是对中低浓度重金属污染农田土壤修复最有效的方法之一。近年来，镉污染土壤钝化修复技术的研究已取得了一系列重要进展。钝化方法包括:(1)添加无机钝化剂(添加石灰、铁粉、粘土等)，调节土壤pH及理化特性；(2)添加有机钝化剂(如生物炭、改性有机材料等)；(3)生物钝化(微生物)等。其中，碱性材料的应用报道较多。但是，由于土壤结构的复杂性，单一的钝化剂(如无机钝化剂、有机钝化剂、还是生物钝化剂)均无法达到理想的土壤修复效果。因此，研发土壤重金属复合钝化剂，对土壤进行综合治理，才有望彻底解决土壤重金属修复问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低土壤中重金属生物有效性、促进作物生长的复合钝化剂及其应用。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种土壤钝化剂，所述土壤钝化剂为一种微生物菌剂，所述土壤钝化剂中，所述假单胞菌的活菌数≥1.0×10⁹cfu/ml或≥1.0×10⁹cfu/g；

所述假单胞菌(Pseudomonas alcaliphila sp.)于2008年1月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物保藏中心，保藏编号为CGMCC No.2318。

相应的，所述土壤钝化剂的制备方法，方法包括如下步骤：

(1)菌种的复苏和活化：将所述假单胞菌接种到培养基中，25～30℃培养16～24小时使菌种活化，再按照1％～5％的接种量转接到新的培养基中，25～30℃培养16～24小时，得到种子液。；

其中，所述培养基的配方为：KNO₃ 1.0g，KH₂PO₄ 1.0g，MgSO4·7H₂O 1.0g，FeCl₃·6H₂O 0.05g，CaCl₂·2H₂O 0.2g，柠檬酸三钠5.13g，蒸馏水1000ml；

(2)将所述种子液按照1％～5％的接种量接入新的培养基中扩大培养，获得菌悬液，即为所需的土壤钝化剂。

也可以根据需要将菌悬液进一步加工制作为冻干菌粉等，所述冻干菌粉也为所需土壤钝化剂。

相应的，所述土壤钝化剂的应用方法，种植前，使用所述土壤钝化剂稀释2～50倍对种子进行浸泡处理，或对幼苗进行浸根处理；

种植后，使用所述土壤钝化剂稀释2～50倍对植物根际周围或种植种子周围进行喷施处理。

相应的，利用所述土壤钝化剂制备的土壤复合钝化剂，所述土壤复合钝化剂组分包括：土壤钝化剂、载体钝化材料；

所述载体钝化材料至少包括柠檬酸钙铁基材料及巯基膨润材料；所述柠檬酸钙铁基材料至少包括柠檬酸钙和含铁化合物。

优选的，所述方法包括如下步骤：

(1)将所述柠檬酸钙铁基材料与所述巯基膨润材料按质量比1:1～3混合均匀，得所述载体钝化材料；

(2)将所述土壤钝化剂与所述载体钝化材料按质量比为1:10～50混合均匀，自然风干，即得所述土壤复合钝化剂。

优选的，所述柠檬酸钙铁基材料的制备方法包括如下步骤：

(1)七水合硫酸亚铁：无水碳酸钠：柠檬酸按摩尔比1：1：1混合，调节pH为7.0～8.0，获得物质A；

(2)将柠檬酸与氧化钙按照摩尔比2：3混合，调节pH为7.0～8.0，水洗、过滤得沉淀物B；

(3)将步骤(1)所述物质A与步骤(2)所述沉淀物B按质量比为1:1～4混匀、自然干燥即得。

优选的，所述巯基膨润材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将半胱氨酸盐酸盐和膨润土按照质量比1:20～50混匀，加适量水制成悬液，调节pH为8.0～8.5；

(2)将反应后的材料过滤、滤饼60℃烘干、研磨，即得所述巯基膨润材料。

相应的，一种利用所述土壤复合钝化剂改善土壤的方法，将所述土壤复合钝化剂按200～500kg/亩施入土壤浅层，与土壤混匀，喷水使土壤含水量达到饱和持水量的60～70％；保持7～15d，再进行播种或移栽幼苗。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种土壤钝化剂，该钝化剂的核心成分为特定的假单胞菌及其培养物；并同时提供了该土壤钝化剂的使用方法。利用该土壤钝化剂，可有效促进植物生长。

2、同时，申请人还基于该土壤钝化剂进一步提供了一种土壤复合钝化剂，所述土壤复合钝化剂既可以钝化重金属，使重金属的生物有效性减少，减少作物对重金属的吸收，促进植物的生长；除具有钝化土壤中的重金属的功能，所述土壤复合钝化剂还对重金属具有阻隔作用，可有效阻止植物对金属Cd的吸收，从而减少农作物中重金属的残留。

3、本发明基于土壤复合钝化剂，还提供了一种促进作物生长、改善土壤质量的方法。可以有效改善土壤施肥过多造成的板结等情况，且作物生长良好、不易得病虫害，可在重金属污染土地中种植出重金属残留达标的作物。

具体实施方式

一、本发明提供了一种土壤钝化剂及其制备方法。

所述土壤钝化剂为一种微生物菌剂，其中的主要有效成分为假单胞菌(Pseudomonas alcaliphila sp.)MBR，于2008年1月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物保藏中心(简称CGMCC)；保藏号为CGMCC No.2318。该菌已于申请人的在先申请一株假单胞菌及其在生物还原和生物吸附中的用途(授权公告号：CN 101531970 B)中公开。

所述土壤钝化剂主要是将所述假单胞菌扩大培养后获得的菌体与培养基的混合物；所述土壤钝化剂中的活菌数≥1.0×10⁹cfu/ml。应当理解的是，获得菌体与培养基的混合物后，还可以将混合物进一步加工为冻干菌粉，所述冻干菌粉也可直接作为土壤钝化剂使用。

下面介绍获得土壤钝化剂的其中一种方法。

1、菌种的复苏和活化：将所述假单胞菌接种到培养基中，25～30℃培养16～24小时使菌种活化，再按照1％～5％的接种量转接到新的培养基中，25～30℃培养16～24小时，得到种子液。

其中，所述培养基的配方为：KNO₃ 1.0g，KH₂PO₄1.0g，MgSO₄·7H₂O 1.0g，FeCl₃·6H₂O 0.05g，CaCl₂·2H₂O 0.2g，柠檬酸三钠5.13g，蒸馏水1000ml。

2、制备土壤钝化剂：将所述种子液按照1％～5％的接种量接入发酵罐(内含培养基)中扩大培养，在25～30℃条件下培养16～24小时，获得菌悬液，该菌悬液即为所需的土壤钝化剂。所述土壤钝化剂中，假单胞菌活菌数≥1.0×10⁹cfu/ml。

也可根据需要，将所述菌悬液进一步制作为冻干菌粉，所述菌粉也可单独作为土壤钝化剂使用。具体制作方法为：在菌悬液中加入质量为菌悬液总量2％～5％的保护剂，混匀、冷冻干燥，得到菌粉。其中，所述保护剂为脱脂奶粉、淀粉、甘油、蔗糖、海藻酸钠中的任意一种或几种的组合。

二、本发明还提供了所述土壤钝化剂的应用方法。

如果所述土壤钝化剂为菌悬液，则稀释至活菌数为1.0×10⁹cfu/ml后进行使用；如果土壤钝化剂为冻干的菌粉，则将菌粉溶于水中，至活菌数为1.0×10⁹cfu/ml后进行使用。

在播种或移栽幼苗前，使用所述土壤钝化剂对种子或幼苗进行浸泡处理。如果是种子，则土壤钝化剂需将种子全部浸没，浸泡10～60min；如果是幼苗，则土壤钝化剂需将幼苗根系全部浸没，浸泡5～30min。播种或移栽后，及时补充水分。

更优选的方案为：在种植植物后，再次将土壤钝化剂直接喷施于植物根际周围(150升/亩)，以保证假单胞菌在植物根际定殖，直接提高植物防病害的能力和利用氮肥的能力。

三、本发明还提供了一种利用所述土壤钝化剂与载体钝化材料制备的土壤复合钝化剂。

所述土壤钝化剂与载体钝化材料(柠檬酸钙铁基材料和巯基膨润材料)复配后制成具有营养缓释作用的土壤复合钝化剂。具体制备方法包括如下步骤：

1、柠檬酸钙铁基材料的制备

(1)将七水硫酸亚铁与无水碳酸钠和柠檬酸按照摩尔比1：1：1混合均匀，用氢氧化钠或氧化钙调节pH为7.0～8.0，获得物质A。

(2)将柠檬酸与氧化钙按照摩尔比2：3混合，用氢氧化钠调节pH为7.0～8.0，水洗、过滤后得到白色沉淀物B。

(3)将步骤(1)所述物质A与步骤(2)所述沉淀物B按质量比为1:1～4，混合均匀，干燥得到柠檬酸钙铁基材料。

2、巯基膨润材料的制备

(1)将半胱氨酸盐酸盐和膨润土按照质量比1:20～50混合、加适量水制成悬液，在搅拌器上搅拌3～5小时。应当理解的是，此处加水的目的仅在于便于将半胱氨酸盐酸盐和膨润土混匀，因此，加水量只要能满足混匀需求即可。

(2)随后用氢氧化钠调pH为8.0～8.5。

(3)将反应后的材料通过过滤后得滤饼，滤饼经60℃烘干、研磨，得到粉末状巯基膨润材料。

3、载体钝化材料的制备

将柠檬酸钙铁基材料与巯基膨润材料按质量比1:1～3混合均匀，得到载体钝化材料。

4、土壤复合钝化剂的制备

将所述土壤钝化剂与所述载体材料按质量比为1:10～50混合均匀。自然风干，即得所述土壤复合钝化剂。应当理解的是，此处的土壤钝化剂无论是菌悬液还是冻干菌粉，均可直接按上述比例与载体材料进行混合后使用。

四、本发明还提供了一种土壤复合钝化剂的使用方法。

具体包括如下步骤：

在农田土壤浅层挖沟或窝，将所述土壤复合钝化剂施入镉污染土壤中，与土壤混匀，浇水至土壤田间持水量的60％。保持7～15d后，然后进行播种或移栽幼苗。

优选的方案为：如果农田为水田，则直接将土壤复合钝化剂在水田中进行均匀泼洒，施用量为200～500kg/亩，淹水1～3cm，保持7～15d后再进行栽种。如果农田为旱地，则使用喷洒的方式施加钝化剂，随后进行翻耕和灌水；灌水时土壤达到田间持水量的60～70％，保持7～15天后再进行种植。

应当理解的是，上述土壤钝化剂和土壤复合钝化剂可以联合使用。即，在种植前，先使用土壤钝化剂对幼苗或种子进行预处理；使用土壤复合钝化剂对农田进行处理后再进行种植；种植后，再次使用土壤钝化剂对植物进行处理。

下面结合具体实施例，对本发明进行进一步阐述。

实施例一：土壤钝化剂的制备

将所述假单胞菌接种到培养基中，培养基成分为：KNO₃ 1.0g，KH₂PO₄ 1.0g，MgSO₄·7H₂O 1.0g，FeCl₃·6H₂O 0.05g，CaCl₂·2H₂O 0.2g，柠檬酸三钠5.13g，蒸馏水1000ml。

经过30℃、150rpm摇床培养24小时使菌种活化。再按1％的接种量转接到新的培养基中，30℃再培养24小时，得种子液。

将所述种子液按照1％的接种量接入发酵罐(内含新的培养基)中扩大培养，在28℃条件下培养16小时,收集所得菌悬液，即为土壤钝化剂。

实施例二：土壤钝化剂的应用(土壤钝化剂改善镉污染水质水培小麦的效果展示)

以添加了重金属Cd(5mg/L)的培养液为基质，进行温室水培试验。将小麦种子在清水中发芽露白后，选取发芽正常、组间差异不显著的种子放置在有定殖棉的发芽篮里，然后将定殖棉浸在含重金属Cd的培养液中，接入1％的实施例一制备的土壤钝化剂，作为实验组；同时以不添加土壤钝化剂为对照组，每个实验组设4个重复；同时用含5mg/L的Cd的清水，作为空白组。温室培养条件为白天12小时，夜晚12小时，相对湿度80％。30天后收集小麦植株进行各项指标分析。具体处理情况及根茎中Cd含量如表1所示。

表1各组效果展示表

10天培养后发现，空白组的小麦受到镉的抑制生长缓慢，甚至出现停止生长的现象。接种土壤钝化剂的菌株根系发达，生长很快，20天后检测根茎中的Cd含量，实验组根茎中的Cd极显著降低。说明在水培中，土壤钝化剂具有极佳的阻隔小麦吸收重金属的效果。

实施例三：土壤复合钝化剂的制备

1、柠檬酸钙铁基材料的制备。将硫酸亚铁、无水碳酸钠、柠檬酸按照摩尔比1：1：1混合均匀用氢氧化钠或氧化钙调节pH为8.0，即得物质A；柠檬酸与氧化钙按照摩尔比2：3混合，用氢氧化钠调节pH为8.0，水洗、过滤得到白色沉淀物B。将上述步骤2的B与步骤1的物质A按照质量比2：1，混合均匀，干燥即得到柠檬酸钙铁基材料。

2、巯基膨润材料的制备。将半胱氨酸盐酸盐和膨润土按照质量比1：30混合、加水制成悬液，在搅拌器上搅拌5小时。反应5小时后，用氢氧化钠调pH至8.0。过滤得滤饼，60℃烘干、研磨，得到粉末状巯基膨润材料。

3、载体钝化材料的制备。将柠檬酸钙铁基材料与巯基膨润材料按质量比1:3混合均匀，得到载体钝化材料。

4、复合钝化剂的制备。将实施例一制备的所述土壤钝化剂与所述载体钝化材料按照质量比1：35混合均匀自然风干，即为土壤复合钝化剂。

实施例四：土壤复合钝化剂的应用(针对水稻的盆栽实验)

以四川某地严重镉污染水稻土为基质进行土壤修复的盆栽实验。污染土壤采集并自然晾干、破碎，去掉石块和植物根等，过60目的筛，分装在2L的烧杯中，每个烧杯装土壤2kg。实验设置3个处理，每个处理3个重复。土壤复合钝化剂使用实施例三制备的样品。具体实验设置如下：处理1：土壤复合钝化剂4g/kg；处理2：土壤复合钝化剂6g/kg；处理3：土壤复合钝化剂8g/kg，以不做任何处理的土壤做空白对照。每个处理添加等量同品种的N、P复合肥(购自四川宏达股份有限公司)。每个处理施加土壤复合钝化剂后混合均匀，并进行淹水，维持7d，取土壤样品，并经过自然干燥、研磨、过筛等检测土壤中有效态Cd的含量。然后栽种水稻秧苗，在自然条件下生长。并于收获期(127d后)，分别测定各组水稻的根、茎叶、稻米中的镉含量；每组重复三次，取平均值。结果如表2所示，各组数据单位均为mg/kg。

表2各组效果展示表

从上表可以看出，与空白对照相比，土壤复合钝化剂对土壤中有效态Cd具有明显的钝化效果。随着投加量的增加，钝化效果越显著，当投加量为6g/kg时，与8g/kg相比，差异不显著。综上，与对照组相比，使用本发明提供的土壤复合钝化剂，可以使土壤有效态镉含量降低54.25～63.68％；稻米中镉含量最低为0.64～0.78mg/kg，稻米Cd含量降低了78～82％。

实施例五：土壤复合钝化剂的应用(针对小麦的盆栽实验)

镉污染土壤装盆前的处理同实施例四。经过筛分的土壤按照1.5kg/盆装入2L的烧杯中，补充水分使烧杯中水分含量在10～20％。然后每个烧杯添加不同质量的土壤复合钝化剂；混合均匀。再在每个烧杯中播种小麦5粒。分为3个处理：处理1为：土壤复合钝化剂4g/kg；处理2为：土壤复合钝化剂6g/kg；处理3：土壤复合钝化剂8g/kg，以不做任何处理的土壤做空白对照。每个处理添加N、P复合肥；自然条件下生长。从2018.12月播种至2019.5月收获，经过5个多月的生长，于收获期分别测定各组小麦的根、茎叶、小麦麦粉中的镉含量；每组重复三次，取平均值。取土壤样品，并经过自然干燥、研磨、过筛等检测土壤中有效态Cd的含量。结果如表3所示，各组数据单位均为mg/kg。

表3各组效果展示表

从表2中可以看出，土壤复合钝化剂对旱地土壤的钝化效率明显下降。钝化率在20～32％之间。随着投加量的增加，钝化率略有增加。与对照组比较，小麦根茎和麦粉中Cd的浓度明显减少，根中总Cd含量减少了51％～75％；茎叶中总Cd减少了66％～73％；小麦粉中总Cd减少了59％～69％。虽然土壤复合钝化剂在土壤中的钝化效果不高，但仍具有阻隔重金属在小麦体内吸收的效果。

Claims

1.一种土壤复合钝化剂，其特征在于：所述土壤复合钝化剂组分包括：土壤钝化剂、载体钝化材料；

所述土壤钝化剂为一种微生物菌剂，所述土壤钝化剂中，假单胞菌的活菌数≥1.0×10⁹cfu/ml或≥1.0×10⁹cfu/g；

所述假单胞菌于2008年1月2日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物保藏中心，保藏编号为CGMCC No.2318；

所述载体钝化材料至少包括柠檬酸钙铁基材料及巯基膨润材料；所述柠檬酸钙铁基材料至少包括柠檬酸钙和含铁化合物，所述柠檬酸钙铁基材料的制备方法包括如下步骤：

硫酸亚铁：无水碳酸钠：柠檬酸按摩尔比1：1：1混合，调节pH为7.0～8.0，获得物质A；

将柠檬酸与氧化钙按照摩尔比2：3混合，调节pH为7.0～8.0，水洗、过滤得沉淀物B；

将所述物质A与所述沉淀物B按质量比为1:1～4混匀、干燥即得；

所述巯基膨润材料的制备方法包括如下步骤：

将半胱氨酸盐和膨润土按照质量比1:20～50混匀，加水制成悬液，调节pH为8.0～8.5；

将反应后的材料离心、去上清液、烘干、研磨，即得所述巯基膨润材料。

2.权利要求1所述土壤复合钝化剂的制备方法，其特征在于：所述土壤钝化剂的制备方法包括如下步骤：

（1）菌种的复苏和活化：将所述假单胞菌接种到培养基中，25～30℃培养16～24小时使菌种活化，再按照1%～5%的接种量转接到新的培养基中，25～30℃培养16～24小时，得到种子液；

其中，所述培养基的配方为：KNO₃ 1.0g，KH₂PO₄ 1.0g，MgSO4·7H₂O 1.0g，FeCl₃·6H₂O0.05g，CaCl₂·2H₂O 0.2g，柠檬酸三钠5.13g，蒸馏水 1000ml；

（2）将所述种子液按照1%～5%的接种量接入新的培养基中扩大培养，获得菌悬液，即为所需的土壤钝化剂。

3.根据权利要求2所述土壤复合钝化剂的制备方法，其特征在于：获得所述菌悬液后，再在菌悬液中加入质量为菌悬液总量2%～5%的保护剂，混匀后，冻干，获得菌粉，该菌粉即为所需的土壤钝化剂。

4.根据权利要求2所述土壤复合钝化剂的制备方法，其特征在于：所述土壤复合钝化剂的制备方法包括如下步骤：

（1）将所述柠檬酸钙铁基材料与所述巯基膨润材料按质量比1:1～3混合均匀，得所述载体钝化材料；

（2）将所述土壤钝化剂与所述载体钝化材料按照质量比为1:10～50混合均匀；随后自然风干，即得所述土壤复合钝化剂。

5.一种利用权利要求1所述土壤复合钝化剂改善土壤的方法，其特征在于：将所述土壤复合钝化剂施入土壤浅层，与土壤混匀，喷水使土壤含水量达到饱和持水量的60%；保持7～15d，再进行播种或移栽幼苗。