采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法，它是采用塑料盆装土壤1500 g，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管均按土壤质量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草进行测定。实验结果显示：添加碳纳米材料后，不仅利于大部分营养类群线虫的生长与繁殖，可为植物的生长带来了正向影响。
【专利说明】
采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法
技术领域
[0001]本发明属于环境保护技术领域，涉及一种采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群方法。
【背景技术】
[0002]在21世纪，纳米材料现已成为中极具发展前途的材料之一，据估计，市面上现已有超过800种的含纳米材料的产品，广泛应用于各个领域。其中，碳纳米材料是一类具有重要应用价值的纳米材料，仅从2009年至2010年期间，全球的碳纳米材料从2190 t上升至4065t。目前，受到比较多关注的碳纳米材料有石墨烯，氧化石墨烯和碳纳米管等。石墨烯是近些年来新兴的一种碳纳米材料，是由sp2杂化的C原子六边形排列而形成的蜂窝状二维平面结构材料，2010年诺贝尔物理学奖就颁给了对石墨烯进行卓越研究的科学家。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其表面有多种基团。石墨烯表面具有的含氧基团有利于其亲水性，且含氧基团能够与重金属发生作用。碳纳米管是指石墨烯片层卷成的无缝的中空管体，其管身是由碳六边形构成，sp2杂化是C原子主要杂化形式，同时也会混有sp3杂化。碳纳米材料的性质与其的结构关系紧密，主要表现在电学和机械性质及很好的吸附性能等等，现被广泛应用在材料、生物医学、能源和环境等多领域。作为吸附材料，其在环境修复领域中污染物的吸附与钝化中作用显著。
[0003]现如今，人类正面临着造成了能源过度消耗、环境污染和全球变暖等诸多问题，其中重金属矿物的大量使用，使人类面临严峻的考验。重金属离子毒性大、在环境中长期分散存在，在食物链中由于富集作用，其危害被放大，且并不易被生物代谢，进而威胁人类健康。如何解决重金属问题一直引人关注。碳纳米材料因为具有超高比表面积等性质，在进行吸附作用的时候有高的反应效率并且作用效果明显，一直受到重视。有研究不同条件下氧化石墨烯对水体中Pb(II)富集率的影响，发现当温度在60°C的时候，富集率达1850 mg/g;有人曾使用被次氯酸钠处理后的单层碳纳米管和多层碳纳米管富集水体中的Zn2+，发现在pH=7、t=25°(:条件下吸附容量分别是43.66和32.68 mg/g;通过引入-SH修饰氧化石墨，提高了其亲水性与吸附性能；而制备了 GNSpf6材料，发现其对Pb2+和Cd2+吸附效果良好，分别可达406.6 mg/g和73.42 mg/g。
[0004]土壤动物是土壤环境中一个庞大的生物群体，按照其体型大小可分为原生动物、湿生小型土壤动物(例如线虫和线蚓)、小型节肢动物(如螨类和跳虫等)以及大型土壤动物(例如蚯蚓和马陆等)。其在分解土壤中动植物残体，影响土壤理化性质及促进土壤生态系统物质循环与能量流动这些方面的作用十分重要。另外，土壤的质量也与土壤动物关系密切，土壤动物对其生存环境的变化反应敏感，土壤pH、湿度、温度、有机质、N、P、K等变化都可以影响土壤动物，因此，土壤动物可作为评价土壤健康状况的指标。现如今，污染土壤的来源有很多，如重金属、农药和化肥等，利用土壤动物来检测环境的污染情况已受到了广大科学工作者的重视，其中，常作为指示生物的包括线虫、微生物、小型节肢动物和蚯蚓等。
[0005]线虫隶属于线形动物门线虫纲，一般来说，体长是在0.3-5mm范围内，虫体透明。线虫在土壤生态系统中数量丰富，分布广泛，且营养类群多样，按照其取食对象，可分为植食寄生线虫、捕食杂食线虫、食细菌线虫和食真菌线虫四大类，不同的种类的线虫在土壤中的功能和作用均不同。线虫土壤中发挥着十分重要的作用，主要包括分解有机质、参与养分循环及维持土壤的肥力。另外，线虫的迀移能力比较弱，表皮有一定的渗透性，所以可快速反应其生存环境的变化。现如今，随着人们对线虫多样性及线虫在土壤生态系统中的重要程度的关注度有所提高，把线虫当作指示生物来反映土壤健康的情况愈来愈受到重视。有人在研究了不同化肥对辽河平原稻田的土壤群落组成影响后发现，施肥处理的线虫数量要显著高于未施肥的对照，且于收获水稻之后，线虫的数量多少对不同肥料响应特征不同；另夕卜，通过大田试验，研究连续两年种植转基因水稻Bt汕优63、其亲本汕优63之后，大田线虫的数量、营养功能群组成各生态指标及群落组成的变化，结果发现，转基因水稻Bt汕优63和其亲本汕优63种植下线虫数量和群落组成二者并没有明显差异，得出了在大田种植转基因水稻Bt汕优63两年不显著影响线虫群落的结论;也有研究者研究存在于冶金场附近的农田土壤的污染情况时发现，铜和锌的含量与线虫的总数呈现出了相关性，并分析可能是因为线虫的自身代谢功能或者是线虫的自行调节机制能够减轻或是消除污染物的毒害。
[0006]城市生活垃圾是指城市的居民在日常生活当中一般被丢弃的各种固体废弃物的总称，其主要包括地灰、商业垃圾及集市垃圾、厨余垃圾等。在中国，随着城市迅速发展，城市的生活垃圾产量也增多，垃圾成分的更复杂也造成了环境问题更复杂，在现在已经成为来当今社会普遍关注的焦点之一。垃圾既是废弃物又是可利用的特殊资源，因此垃圾的资源化利用受到了广泛的重视。若将垃圾合理处置，可节约能源、减少污染并有利于经济发展，倘若处置不当，则会对生态环境造成危机。在国内外，垃圾成分、自然条件、能源结构、经济发展水平和传统习惯的差异造成了并没有统一处理垃圾的处理方法。目前，我国进行生活垃圾处理的方式主要包括焚烧、填埋和堆肥等。其中焚烧处理所占比例约为2%，所需运行成本较为庞大，且焚烧过程中会产生粉尘、有毒有害气体、重金属等污染物，进一步造成二次污染。卫生填埋大多不符合标准，且会占据大量土地资源，被利用的土地较短时间内并不能恢复到原来的用途，致使土地资源严重浪费。堆肥化处理垃圾是目前被广泛使用且可资源化利用堆肥的途径。堆肥化的垃圾可以实现垃圾从自然来再返回到自然，可达到处理废物和改良土壤等多个目的，此外，其终端产物是有机肥料，可在农业、草业和林业生产中发挥潜力。
[0007]草坪体系是集多种功能于一体的生态工程，具有观赏与美化的效果，并能供人娱乐、休闲及适度的运动，是城市复合绿化的重要组成部分。草坪建植体系可改善居民生活质量，如净化空气、降低噪声等，也起到吸引外资、促进城市旅游业的发展等作用，对城市生活的各个方面都具有重要作用，愈来愈受到人们的重视。一般来说，如果要进行一次草皮的生产至少需要2 cm土壤，所以长期生产则会破坏环境。近年来，相当一部分城市草坪是用旧城拆迀地、垃圾填埋地来生产，一般来说土质较差，因此对草坪所需土壤添加肥料对提高草坪质量、保证草坪产期具有良好的状态具有积极作用。而将堆肥作为肥料应用于绿化体系既可使堆肥中重金属避开食物链、实现资源的回收利用，又可解决草坪土壤的养分供应问题。已有研究表明，堆肥会促进草坪植物的生物量、密度和抗逆境能力，且对叶片色泽和均一度也有积极影响。鉴于上述分析，如能将草坪堆肥基质重金属钝化固定于草坪建植体系中，则会使堆肥草坪建植体系应用方式更加安全有效。
[0008]土壤线虫在土壤环境的食物网中起到了关键作用，其对土壤生态系统的指示作用日益受到关注。土壤线虫数量丰富，具有很高的物种多样性与功能多样性，且分布范围广，几乎存在于所有的生态系统中，且对土壤质量的改变十分敏感;同时，土壤线虫生活史对策复杂，食性完整，几乎存在于地下食物网中每个营养级，与地下有机质分解、矿化等生态过程密切相关，可作为指示土壤质量良好的指示生物。因此，本技术涉及碳纳米材料(石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管)对草坪组配基质线虫营养类群的调控，意在为利用碳纳米材料实现草坪基质的生态健康。
【发明内容】
[0009]土壤线虫在土壤环境的食物网中起到了关键作用，其对土壤生态系统的指示作用日益受到关注。土壤线虫数量丰富，具有很高的物种多样性与功能多样性，且分布范围广，几乎存在于所有的生态系统中，且对土壤质量的改变十分敏感;同时，土壤线虫生活史对策复杂，食性完整，几乎存在于地下食物网中每个营养级，与地下有机质分解、矿化等生态过程密切相关，可作为指示土壤质量良好的指示生物。本发明涉及碳纳米材料(石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管)对草坪组配基质线虫营养类群的调控，意在为利用碳纳米材料实现草坪基质的生态健康。
[0010]为实现上述目的本发明公开了如下的技术内容:
一种采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法，其特征在于按如下的步骤进行:
(I)材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为:pH 7.49，电导率2300 yS/cm，有机质131.84 g/kg,全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg,Fe 30.49 g/kg,Cu 341.34 mg/kg,Zn 677.33 mg/kg,Pb 216.98 mg/kg,Cd 5.02 mg/kg,Mn 437.88 mg/kg,Cr 702.60 mg/kg,Ni 41.82 mg/kg。
[0011]供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下:含水量19.4%，pH7.27，电导率2250 yS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 8/1^，全氮2.15 g/kgo
[0012]生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。
[0013]草坪植物选用高羊茅(Fesit/caBrundiimcea.')。
[OOM]石墨稀(Graphene)微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小0.5-20 μπι，比表面积40-60 m2/g;
氧化石墨稀(Graphene Oxide)购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4-7 nm，片层直径 10-50 μπι，比表面积 100-300 m2/g;碳纳米管(Carbon nanotube)产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20-40 nm，长度10-30 μπι，比表面积>110m2/g。
[0015] (2)试验方法:
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g(根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g)，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨稀(G)、氧化石墨稀(GO)和碳纳米管(CNT)均按土壤质量的l%(w/w)比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26°C，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草进行测定。
[0016]本发明进一步公开了采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法在提高营养类群线虫的生长与繁殖方面的应用。特别是在提高草坪基质中食细菌性、食真菌性、植食性土壤线虫数量方面的应用。其中所述的碳纳米材料为石墨烯。实验结果显示:在相同的底肥条件下，石墨烯活化肥力的能力最强。即添加碳纳米材料后，不仅利于大部分营养类群线虫的生长与繁殖，可为植物的生长带来了正向影响。
[0017]本发明更加详细的描述如下:
I研制材料与方法
1.1材料
生活垃圾堆肥的主要理化性质为:pH 7.49，电导率2300 yS/cm，有机质131.84 g/kg,全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg,Fe 30.49 g/kg,Cu 341.34 mg/kg,Zn 677.33 mg/kg,Pb 216.98 mg/kg,Cd 5.02 mg/kg,Mn 437.88 mg/kg,Cr 702.60 mg/kg,Ni 41.82 mg/kg。供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下:含水量19.4%,pH 7.27，电导率2250 yS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。草坪植物选用高羊茅(/^esiuca aru/3c/i/3acea.)。石墨稀(Graphene)微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小0.5-20 μπι，比表面积40-60 m2/g;氧化石墨烯(Graphene Oxide)购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4_7 nm，片层直径10-50 μπι，比表面积100-300 m2/g;碳纳米管(Carbon nanotube)产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20-40 nm，长度10-30 ym，比表面积>110 m2/g。
[0018]1.2技术设计
试验采用塑料盆(高15 cm、内径20 cm)装土，每盆装校园土壤1500 g(根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g)。每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质。碳纳米材料石墨稀(G )、氧化石墨稀(GO )和碳纳米管(CNT )均按土壤质量的1%比例添加。以不添加碳纳米材料的处理为对照，各处理设置3次重复。土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g。试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26°C，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草。
[0019]1.3研制方法
采用Baermann漏斗法进行线虫的分离，将分离得到的线虫60°C水浴加热20 min杀死后，待冷却等体积加入双倍TAF固定液保存，依据《中国土壤动物检索图鉴》进行鉴定，鉴定到属水平，并统计个体数量。依据线虫食性，将捕获的线虫进行类群划分，分为食细菌性、食真菌性、植物寄生性、捕食-杂食性4个功能类群。
[0020]maPlot 12.5进行图表的制作。
[0021]2研制结果分析
所捕获的29属线虫依据食细菌性、食真菌性、植物寄生性、捕食-杂食性四类营养类群分析结果如图1，2所示。添加石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管均增加了食细菌性线虫数量，分别为对照组的2.98倍、3.12倍、2.25倍，其中在石墨烯与氧化石墨烯处理中，食细菌性线虫显著增加(P < 0.05)，在碳纳米管处理中，食细菌性线虫数量也存在一定增加的趋势。添加三种碳纳米材料后，食真菌性线虫数量增加趋势并不如食细菌性线虫增加趋势明显，仅在石墨烯处理中达到显著水平(P < 0.05)，为对照组的7.45倍，而氧化石墨烯和碳纳米管处理处理下，食真菌性线虫数量仅存在增加趋势，分别为对照组的4.94倍和5.12倍。在四种营养类群中，三种新型碳纳米材料对植物寄生性线虫的影响最为明显，石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管处理中植物寄生性线虫数量均显著提高(P < 0.05)，分别为对照组的5.83、6.31、4.9倍。而杂食-捕食性线虫对碳纳米材料响应极为敏感，表现为在三种碳纳米材料处理中消失。
[0022]在线虫营养类群组成水平中，由于捕食-杂食性线虫的消失，在三种碳纳米材料处理组中，线虫营养类群组成完整性下降。食细菌性线虫在四种处理下所占比例均最高，其中，在对照组中食细菌性线虫所占比例高达68.13%，碳纳米材料处理下所占比例有所下降，但也均在54%以上。植物寄生性线虫所占比例仅低于食细菌性线虫数量，在对照组中所占比例相对较少，为27.38%，而在三种碳纳米材料处理下所占比例上升，达到42%以上。在四种处理中，食细菌性和植物寄生性线虫占据了 95%以上的线虫营养类群组成，食真菌性线虫在对照组中仅占1.57%，碳纳米材料处理下也不高于4%，捕食-杂食性线虫在对照组中略高于食真菌性线虫，为2.92%。相较对照组，碳纳米材料处理下植食性线虫所占比例增加，食细菌性线虫所占比例下降，且三种添加碳纳米材料的处理组中各营养类群线虫所占比例差异极小。
[0023]3研制结论
线虫可以很好的应用于土壤环境扰动的相关研究中，其不仅可敏感的对土壤环境的改变做出相应，更可以通多其群落组成与多样性的变化指示土壤质量与地下食物网的状况。
[0024]在线虫营养类群水平上，添加碳纳米材料对线虫营养类群组成并没有显著影响，但食细菌性、食真菌性、植食性土壤线虫数量均呈增加趋势。
[0025]食细菌性和食真菌性线虫数量增加通常与植物生物量以及有机碳的增加存在关联，表明添加碳纳米材料后，初级生产力均有不同程度的提高，以石墨烯处理后，土壤生产力增加最为明显，在相同的底肥条件下，石墨烯活化肥力的能力最强。即添加碳纳米材料后，不仅利于大部分营养类群线虫的生长与繁殖，可为植物的生长带来了正向影响。
[0026]【附图说明】:
图1不同处理下线虫各食性类群个体数量；
图2碳纳米材料对线虫营养类群组成的影响。
[0027]【具体实施方式】:
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料、试剂均有市售。
[0028]实施例1
(I)材料生活垃圾堆肥的主要理化性质为:pH 7.49，电导率2300 yS/cm，有机质131.84 g/kg,全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg,Fe 30.49 g/kg,Cu 341.34 mg/kg,Zn 677.33 mg/kg,Pb 216.98 mg/kg,Cd 5.02 mg/kg,Mn 437.88 mg/kg,Cr 702.60 mg/kg,Ni 41.82 mg/kg。
[0029]供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下:含水量19.4%，pH7.27，电导率2250 yS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 8/1^，全氮2.15 g/kgo
[0030]生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎。
[0031 ]草坪植物选用高羊茅(Fesit/ca Brundiimcea.')。
[0032]石墨稀(Graphene)微片由南京吉仓纳米科技有限公司生产，为黑色无规则薄片状，微片大小10 μπι，比表面积40 m2/g;
氧化石墨稀(Graphene Oxide)购自苏州恒球纳米公司，为黑色或褐黄色粉末，平均厚度3.4 nm，片层直径10 μπι，比表面积100 m2/g;碳纳米管(Carbon nanotube)产自北京博宇高科技新材料技术有限公司，直径20 nm，长度ΙΟμπι，比表面积>110 m2/g。
[0033](2)试验方法:
试验采用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g(根据土壤湿度，折合成干土土重1500 g)，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质；碳纳米材料石墨稀(G)、氧化石墨稀(GO)和碳纳米管(CNT)均按土壤质量的l%(w/w)比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15°C，相对湿度35%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草进行测定。
【主权项】
1.一种采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法，其特征在于按如下的步骤进行: (1)材料 选择生活垃圾堆肥来自天津小淀垃圾处理厂，将生活垃圾堆肥进行分类后粉碎； 供试土壤为天津师范大学校园土壤； 草坪植物选用高羊茅(Z^esit/ca arundinacea.)； 石墨稀微片大小0.5-20 μπι，比表面积40-60 m2/g; 氧化石墨稀平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 μπι，比表面积100-300 m2/g; 碳纳米管直径20-40 nm，长度10-30 _，比表面积>110 m2/g; (2)试验方法: 试验米用塑料盆，高15 cm、内径20 cm装土，每盆装校园土壤1500 g，每盆添加50 g生活垃圾堆肥，与土壤组配成草坪建植基质;碳纳米材料石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)均按土壤质量的l%(w/w)比例添加，以不添加碳纳米材料的处理为对照，土壤、生活垃圾堆肥与碳纳米材料混匀后装盆，每盆播入草坪植物高羊茅种子5 g，试验于室内进行，塑料盆随机排放并于每5 d移动位置，培养期间温度为15-26°C，相对湿度35-55%，光照条件是自然条件下的入射光，按需用电子天平称重补水，整个试验历时130 d，于第65 d割第一茬草进行测定。2.权利要求1所述的方法，其中生活垃圾堆肥的主要理化性质为:pH7.49，电导率2300yS/cm，有机质 131.84 g/kg，全磷 6.81 g/kg，全氮 25.09 g/kg，Ca 含量 23.33 mg/kg,Fe30.49 g/kg,Cu 341.34 mg/kg,Zn 677.33 mg/kg,Pb 216.98 mg/kg,Cd 5.02 mg/kg,Mn437.88 mg/kg,Cr 702.60 mg/kg,Ni 41.82 mg/kg； 供试土壤为天津师范大学校园土壤，其主要理化性质如下:含水量19.4%，pH 7.27，电导率2250 yS/cm，有机质52.29 g/kg，全磷3.75 区/1^，全氮2.15 g/kg； 草坪植物选用高羊茅(Z^esit/ca arundinacea.)； 石墨稀微片大小0.5-20 μπι，比表面积40-60 m2/g; 氧化石墨稀平均厚度3.4-7 nm，片层直径10-50 μπι，比表面积100-300 m2/g; 碳纳米管直径20-40 nm，长度10-30 ym，比表面积>110 m2/g。3.权利要求1所述采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法在提高营养类群线虫的生长与繁殖方面的应用。4.权利要求1所述采用碳纳米材料调控草坪堆肥基质线虫营养类群的方法在提高草坪基质中食细菌性、食真菌性、植食性土壤线虫数量方面的应用。5.权利要求4所述的应用，其中所述的碳纳米材料为石墨烯。
【文档编号】G01N33/00GK106069247SQ201610443584
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】多立安, 赵树兰, 白雪
【申请人】天津师范大学