本发明涉及重金属污染耕地的微生物修复技术领域，特别是涉及镉污染耕地的微生物原位快速修复方法。
背景技术：
镉(cd)是生物毒性较大的重金属元素，其在土壤环境中化学活性强，毒性持久，容易通过食物链的富集作用危及人类健康，对人体具有致病、致癌、致突变作用。耕地中的镉元素主要由自然因素和人为因素引入，前者主要来自于自然界中岩石矿物的风化和溶解，后者主要通过工农业生产和居民生活习惯直接或间接地将镉排放到耕地中。截至目前，我国受镉污染的土壤面积已超过2×105km2，占总耕地面积的1/6，因此，治理耕地环境中镉污染问题刻不容缓。
镉污染耕地修复技术可分为：工程治理措施、物理化学治理措施和生物治理措施。工程治理措施主要包括排土客土法、深耕翻土法、隔离法等方法，但是此法适用于修复污染面积较小的土壤，因为成本太高，需要有较大工程量；物理化学治理措施包括固定钝化、电动转化和氧化还原等方法，此类方法一般是将镉元素固定在土壤中，但当土壤性质发生变化时，钝化的镉元素会释放到土壤中被植物重新吸收；生物治理措施就是利用特定的动、植物和微生物能够快速的吸收或转化土壤中的金属镉这一特点来达到净化土壤的目的，其中植物治理是目前研究最多的方法，但利用植物修复污染土壤中的镉所需周期较长，不适合用于耕地土壤中的镉污染治理。
镉污染土壤的微生物修复技术是利用天然驯化或者人工构建的微生物群落或其产生的代谢产物使土壤中不溶态的镉转化为可溶态的镉，然后随液体排出，彻底清除土壤中有效态的镉元素，从而降低镉在土壤中的生物有效性和植物利用性，是目前最有发展前景的一种镉污染处理方法。微生物通过生长代谢能够改变土壤的矿物组成、ph值、有机物的存在形态及氧化还原电位等因素，这些因素的改变共同决定了土壤中金属镉的地球化学行为和生物有效性，而且微生物的代谢产物大多是无害、稳定的物质，不会破坏土壤环境，具有良好的社会、环境和生态综合效益。此外，自然界中具有丰富的微生物资源，随着分子生物学技术手段的不断发展和日益更新，微生物对土壤中重金属形态转化机理的研究也越来越深入，由于微生物修复技术操作简单，且对土壤肥力和代谢活性没有影响，可以避免污染物转移而产生对人类健康和环境的影响。但是，微生物修复镉污染耕地的工业化应用的步伐比较缓慢，多数停留在实验室规模，因此，寻找一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复新工艺势在必行。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复新工艺，本发明可以快速、绿色和经济的去除耕地土壤中的金属镉。
本发明包括如下步骤：
一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复方法，包括以下步骤：
(1)在镉污染耕地的周边修筑土坝和排水沟，再修筑与排水沟连通的液体收集池；
(2)在排水沟和收集池的底部和侧壁铺设防渗薄膜；
(3)将微生物富集物菌液喷洒至镉污染耕地中并使用农用土地翻耕设备对其进行充分搅拌混匀；所述的微生物富集物包括隐性嗜酸杆菌(acidiphiliumcryptum)、皱褶假丝酵母菌(candidarugosa)、固氮醋酸杆菌(acetobacterdiazotrophicus)、粘红酵母菌(rhodotorulaglutinis)和铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)；
(4)自然沉降后的液体流经排水沟汇集至液体收集池中，得到含金属镉的溶液；
(5)在收集池中加入金属吸附材料，对溶液中的镉离子进行吸附处理；
(6)将吸附处理后的液体重复回收利用，加入新的微生物富集物进行复配和扩大培养，再次喷洒至镉污染耕地中进行翻耕处理，直至测定耕地的镉含量符合国家规定标准；
(7)最后，用无污染水将修复后的耕地清洗至中性。
作为进一步的改进，步骤(1)中修筑的土坝比镉污染土壤平面高30～40cm。
作为进一步的改进，步骤(2)中在排水沟和收集池的底部和侧壁铺设的防渗薄膜具有防渗透及耐酸的作用，耐受的ph值大于3.0。
作为进一步的改进，步骤(3)中微生物富集物按照隐性嗜酸杆菌、皱褶假丝酵母菌、固氮醋酸杆菌、粘红酵母菌和铜绿假单胞菌的数量比例分别为10％～15％、15％～20％、20％～25％、25％～30％和10％～15％混合后扩培。优选15％、20％、25％、30％、10％。
作为进一步的改进，步骤(3)中微生物富集物以初始菌液浓度为1×106个/ml以下，接种量为10％～20％(v/v)，在16～30℃条件下曝气培养，曝气量为0.16～0.20m3/min，优选0.16m3/min；当扩培微生物富集物的菌液ph值为3.0～4.5，微生物菌体密度达到1×109～1010个/ml时，将微生物富集物喷淋至镉污染耕地中。
作为进一步的改进，步骤(3)中按照每平方米土地加14～20l的菌液量将微生物富集物喷淋至镉污染耕地中。
作为进一步的改进，培养微生物富集物的基本盐培养基成分包括：(nh4)2so4，0.3g/l；kcl，0.01g/l；k2hpo4，0.05g/l；mgso4·7h2o，0.05g/l和ca(no3)2，0.001g/l，此外，加入葡萄糖1.5～2g/l；酵母粉0.05～0.1g/l；硫粉0.01～0.02g/l。
作为进一步的改进，步骤(3)中使用农用土地翻耕设备对耕地和微生物富集物菌液进行充分搅拌混匀时，每次翻耕1.5～3.0个小时，直到液体ph值达到5.0以上。
作为进一步的改进，步骤(5)中加入的金属吸附材料为功能单分子纳米复合材料，加入量为0.1％～0.15％(w/v)，将收集池中液体混匀曝气0.5～1.0h，曝气量为0.16～0.20m3/min。
作为进一步的改进，步骤(6)中对微生物富集物进行复配和扩大培养时，加入微生物富集物菌液与培养基体积比为10％～20％(v/v)。培养后的菌液再次喷洒至镉污染耕地中进行翻耕处理，直至测定耕地的镉含量符合国家规定标准。
作为进一步的改进，步骤(7)中按照每平方米土地加18～20l的无污染水的用量，将水喷淋至修复后的耕地中，每次翻耕1.5～3.0个小时，直到液体ph值接近中性。
本发明的一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复新工艺是根据耕地土壤中金属镉形态可变性的特性，利用微生物的生长特性将不溶态的镉转化为可溶态的镉离子，采用菌液喷淋和土地翻耕方式使固液充分混匀，使微生物对镉形态进行转化。同时以排水沟和液体收集池为基础构建对处理后的液体回收利用，从而使得菌液达到最大的利用率，降低操作成本。而且本修复工艺适用于各种重金属土壤的转化处理，适用范围广；同时具有处理容量大、操作简单、成本低、时间短、效果好，以及不会产生二次污染等优点。
本发明针对污染土壤中镉形态的微生物转化机理及微生物生理生化特征，首次采用隐性嗜酸杆菌(acidiphiliumcryptum)、皱褶假丝酵母菌(candidarugosa)、固氮醋酸杆菌(acetobacterdiazotrophicus)、粘红酵母菌(rhodotorulaglutinis)和铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)的结合扩培用于处理土壤中的镉，各菌种之间不会产生拮抗，复配在一起能很好的共生，能高效协同转化土壤中的镉。而且本发明复合菌剂生长速度快，产酸能力强，仅仅培养2天，扩培微生物富集物的菌液ph值达到3.0，微生物菌体密度达到3.0×109个/ml以上，有很好的应用前景。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步阐述，但不作为对本发明的限定。
一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复新工艺，包括如下步骤：
首先对镉污染耕地的污染程度进行调研分析后，根据土壤镉含量的差异对污染耕地进行区域划分。经测定，耕地中镉含量为1.12mg/kg，其余重金属离子含量低于国家标准规定gb15618－1995《土壤环境质量标准》。分区后试验田的大小为7×7m，设置两个平行试验组(ⅰ和ⅱ)和一个实验对照组(ⅲ)。
在镉污染耕地的周边修筑土坝和排水沟，再修筑与排水沟连通的液体收集池，修筑的土坝和排水沟的侧壁比镉污染土壤平面高35cm，排水沟的底部比镉污染土壤平面低10cm，排水沟的宽度为20cm；在排水沟和收集池的底部和侧壁铺设防渗薄膜，铺设的防渗薄膜具有防渗透及耐酸的作用，耐受的ph值大于3.0，收集池的尺寸大小为7×3×1.6m。
将扩大培养的微生物富集物菌液喷洒至镉污染耕地中并使用农用土地翻耕设备对其进行充分搅拌混匀，扩培前的微生物富集物包括数量比例为15％隐性嗜酸杆菌atcc33463、20％皱褶假丝酵母菌cctccay93026、25％固氮醋酸杆菌cgmccno.5455、30％粘红酵母菌atcc96365、10％铜绿假单胞菌cctccab2013184。培养微生物的基本盐培养基成分包括：(nh4)2so4，0.3g/l；kcl，0.01g/l；k2hpo4，0.05g/l；mgso4·7h2o，0.05g/l和ca(no3)2，0.001g/l。此外，加入葡萄糖，2g/l；酵母粉0.1g/l；硫粉0.01g/l。微生物富集物初始接种浓度为1×106个/ml以下，接种量为10％～20％(v/v)，在室外温度为20～25℃条件下曝气培养，曝气量为0.16m3/min；当扩培微生物富集物的菌液ph值为3.0，微生物菌体密度达到3.0×109个/ml以上时，按照每平方米土地加15l的菌液量将微生物喷淋至镉污染耕地中；使用农用土地翻耕设备对耕地和菌液进行充分搅拌混匀时，每次翻耕3.0个小时，直到液体ph值达到5.0以上。
自然沉降后的液体流经排水沟汇集至液体收集池中，得到含金属镉的溶液；
在收集池中加入金属吸附材料，对溶液中的镉离子进行吸附处理，加入的金属吸附材料为功能单分子纳米复合材料(格丰科技材料有限公司)，加入量为0.15％(w/v)，将收集池中液体混匀曝气40min，曝气量为0.16m3/min。
将吸附处理后的液体重复回收利用，加入新的微生物富集物进行复配和扩大培养，加入微生物富集物的菌液与培养基体积比为10％～20％(v/v)，培养后的菌液再次喷洒至镉污染耕地中进行翻耕处理，直至测定耕地的镉含量符合国家规定标准；
最后，按照每平方米土地加18l的无污染水的用量，将水喷淋至修复后的耕地中，每次翻耕3.0个小时，直到液体ph值接近中性。
按照上述操作，在第5天，基于微生物转化修复污染耕地，即处理组ⅰ和ⅱ的土壤中镉的去除率为50.6％,未用微生物处理(水处理)的对照组ⅲ的土壤中镉的去除率仅为2.4％。