利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法

1.本发明属于污染底泥中重金属的生物化学处理领域，具体涉及一种利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法。


背景技术：

2.随着工业的迅速发展，大量的废弃污染物肆意排放，造成土壤和水污染严重，对生态环境的影响很大。土壤修复的主要方法分为生物修复、化学修复和物理修复，其中生物修复的成本较低，主要是利用植物、动物或者微生物对土壤中的重金属进行吸附富集，降低土壤重金属含量。微生物自身的生长特性使得其对重金属有很好的吸附能力，但应用微生物修复土壤容易受到土壤环境变化的影响而降低其修复效益；化学修复法主要是利用各种化学试剂对土壤进行修复，使土壤中的重金属发生氧化、还原等化学反应而达到修复目的，但是实际应用成本高；物理修复则是利用一些物理手段对土壤修复，耗能较大，且对土壤性质要求高。
3.根据bcr连续提取法，将土壤中重金属分为四个形态：弱酸提取态(f1)、可还原态(f2)、可氧化态(f3)和残渣态(f4)，其中f1，f2和f3三个形态均不稳定，在环境中的迁移转化会造成危害，f4形态最为稳定，溶解度非常低，在底泥中几乎不流动，重金属的各形态的活动性强弱顺序为：f1＞f2＞f3＞f4，因而有效修复重金属污染土壤，其关键在于将更多的f1、f2和f3形态的重金属转化成f4形态。因此，实现土壤中重金属的稳定化处理，其关键是如降低重金属在土壤中迁移率，即提高土壤残渣态重金属的含量。
4.目前，研究表明磷酸盐材料能够促进重金属铅的稳定，但难溶性磷酸盐的尺寸大、溶解性差、在土壤中难以迁移，对土壤的修复效果不佳；可溶性磷酸盐的溶解度高，但容易造成土壤富营养化。例如，将难溶性磷灰石用于稳定底泥重金属铅时，由于难溶性磷灰石的溶解性差，在自然条件下，仅仅释放少量的无机磷，难以有效降低底泥中重金属铅的迁移率，从而难以实现对重金属铅污染底泥的有效修复。另外，有研究表明微生物能够溶解难溶性磷酸盐，并能够溶解出磷酸根离子，但是在本技术发明人的实际研究过程还发现，利用微生物溶解难溶性磷酸盐时还存在以下问题：(a)在利用微生物(如细菌或真菌)溶解磷酸盐，由于微生物分泌的有机酸含量较低，因而不能有效的增强磷的有效利用率，造成磷酸根等游离态磷仍然较低，其结果是现有利用微生物溶解磷酸盐的方法难以有效提高土壤中有效磷的含量，进而难以有效提高底泥中残渣态重金属铅的含量，即难以实现对底泥中重金属铅的稳定处理；(b)现有用于溶解磷酸盐的微生物(如细菌或真菌)，容易受到不利环境因素的影响，对环境的适应性较差，耐受性较差，并不能用于溶解恶劣条件下的磷酸盐，更为严重的是，现有用于溶解磷酸盐的微生物(如细菌或真菌)，极易受到重金属的毒害作用，使得微生物的活性较低，甚至死亡，因而这些微生物也并不适用于修复重金属污染底泥；(c)现有溶磷性微生物不具备吸附重金属的性能或重金属吸附性能较差。另外，一般情况下，重金属污染土壤的ph值为酸性，与它们不同的是，含铅底泥为偏碱性或碱性，其结果是在实际的稳定化/钝化过程中，微生物分泌的有机酸会被底泥中的氢氧根离子中和，因而若微生物分
泌有机酸的量较少时，可能会导致对磷酸盐的溶解性较差，甚至无法溶解磷酸盐。因此，在确保无二次环境污染的前提下，实现难溶性磷灰石对底泥中重金属铅的有效稳定，对于有效修复重金属铅污染底泥具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简便、成本低、稳定化效果好且不会造成二次污染的利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
7.一种利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，所述方法是利用白腐真菌和难溶性磷灰石对底泥中的重金属铅进行处理。
8.上述的方法，进一步改进的，包括以下步骤：将难溶性磷灰石、含铅底泥与白腐真菌溶液混合，静置，完成对底泥中重金属铅的钝化处理。
9.上述的方法，进一步改进的，所述难溶性磷灰石与含铅底泥的质量比为1～3∶10；所述难溶性磷灰石与白腐真菌溶液的比例为0.01g～0.03g∶1ml。
10.上述的方法，进一步改进的，所述难溶性磷灰石与含铅底泥的质量比为0.3～0.5∶2；所述难溶性磷灰石与白腐真菌溶液的比例为0.015g～0.025g∶1ml。
11.上述的方法，进一步改进的，所述白腐真菌溶液中白腐真菌孢子浓度为2.5
×
105个/ml～5.0
×
106个/ml；所述白腐真菌溶液中白腐真菌为黄孢原毛平革菌、彩绒草盖菌、变色栓菌中的至少一种。
12.上述的方法，进一步改进的，所述白腐真菌溶液的制备方法包括以下步骤：
13.(1)将白腐真菌置于pda培养基上进行培养，得到白腐真菌孢子溶液；
14.(2)将步骤(1)中的白腐真菌孢子溶液转移至kirk液体培养基中，调节溶液中白腐真菌的孢子浓度，得到白腐真菌溶液。
15.上述的方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述培养的时间为7天；
16.步骤(2)中，利用浊度仪调节溶液中白腐真菌的孢子浓度。
17.上述的方法，进一步改进的，所述难溶性磷灰石的平均粒径为20μm～40μm；所述难溶性磷灰石为羟基磷灰石、氯磷灰石、溴磷灰石、氟磷灰石中的至少一种。
18.上述的方法，进一步改进的，所述含铅底泥的粒径≤150μm；所述含铅底泥的ph值为7.5～8.0；所述含铅底泥中重金属铅的弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态的质量分别为13.8～15.3％、9.9～11.6％、53.5～56％、18.7～21.1％。
19.上述的方法，进一步改进的，所述静置在温度为20℃～30℃下进行；所述静置的时间为35天。
20.与现有的技术相比，本发明的优点在于：
21.(1)本发明提供了一种利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，利用白腐真菌和难溶性磷灰石对底泥中的重金属铅进行处理，通过白腐真菌和难溶性磷灰石的联合作用实现对底泥中的重金属铅的钝化/稳定化处理。本发明中，白腐真菌能够在含有重金属的底泥环境中存活并大量繁殖，并且在繁殖过程中还能分泌大量的有机酸，进而将白腐真菌用于处理含铅底泥时，可以利用白腐真菌繁殖过程中分泌的大量有机酸有
效促进难溶性磷灰石的溶解，不仅能够提高难溶性磷灰石在底泥中的流动性和分散性，增加了难溶性磷灰石与底泥中重金属铅的接触几率，有利于实现难溶性磷灰石对底泥中重金属的钝化作用，而且从难溶性磷灰石中溶解出来的更多磷酸根离子，能够与底泥中弱酸提取态、可还原态、可氧化态的重金属铅发生反应，使得底泥中弱酸提取态、可还原态、可氧化态的重金属铅，更多的转化成残渣态重金属铅，从而有效提高了底泥中残渣态重金属铅的含量，由此更加快速、更加彻底的实现了对底泥中重金属铅的有效钝化；另外，由于白腐真菌能够吸附底泥中的重金属铅吸附性好等优点，因而更有利于提高底泥中重金属铅的稳定化效果，可见，白腐真菌的使用，极大地提高了难溶性磷灰石在底泥原位修复中的实际应用价值；此外，由于难溶性磷灰石本身溶解性的较差，因而相对于可溶性磷酸盐而言，利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石能够在较大程度上避免大量的游离磷进入到底泥中，从而大大的缓解了这些游离磷对水体富营养化的危害，降低了底泥/水体富营养化的风险，不会或不容易造成二次污染，对环境无毒无害。本发明利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，具有操作简便、成本低、稳定化效果好、处理效率高、对环境无毒无害等优点，不需要通过化学合成材料，在实现难溶性磷灰石对底泥中重金属铅的有效稳定的前提下，也能够确保无二次环境污染，对于有效修复重金属铅污染底泥具有十分重要的意义。
22.(2)本发明方法中，难溶性磷灰石与含铅底泥的质量比为1～2∶10，难溶性磷灰石与白腐真菌溶液的比例为0.05g～0.1g∶5ml，其中通过优化难溶性磷灰石的用量，能够在有效钝化底泥中重金属铅的前提下有效降低底泥中难溶性磷灰石和游离态磷的残留量，进而能够降低由于难溶性磷灰石过量而容易造成水体富营养化的风险；同时，通过优化白腐真菌溶液的用量，作为溶解难溶性磷灰石的先决条件，通过提供足量的白腐真菌，能够有效提升对难溶性磷灰石的溶解效果，从而更有利于提升对底泥中重金属铅的钝化效果；另外，通过优化难溶性磷灰石和白腐真菌溶液的用量，也有利于进一步降低处理成本，最终在低成本、无二次污染的前提下实现对底泥中重金属铅的有效钝化。
23.(3)本发明方法中，采用的白腐真菌溶液中白腐真菌孢子浓度为2.5
×
105个/ml～5.0
×
106个/ml，通过优化白腐真菌溶液中白腐真菌孢子浓度，能够提高白腐真菌的溶氧空间，更有利于白腐真菌的生长和繁殖，从而更有利于实现对底泥中重金属铅的快速、彻底钝化，这是因为孢子浓度过高，则溶氧空间受限，不利于白腐真菌的生长和繁殖；而孢子浓度过低，则不能实现较快、较好的钝化效果；同时，采用的黄孢原毛平革菌，更易于获得，在确保快速、有效溶解难溶性磷灰石的同时，也有利于降低处理成本。
24.(4)本发明方法中，采用的难溶性磷灰石的平均粒径为20μm～40μm，通过优化难溶性磷灰石的粒径，有利于提高难溶性磷灰石在底泥中的迁移性和溶解度，从而更有利于实现对底泥中重金属铅的有效钝化，这是因为若采用粒径较小的羟基磷灰石材料(如纳米级)，则可能会对白腐真菌造成一定的毒性，从而不利于白腐真菌生长和繁殖，进而难以通过利用白腐真菌分泌的有机酸溶解难溶性磷灰石，最终难以钝化底泥中的重金属铅，造成钝化效果较差；而颗粒过大，则难溶性磷灰石在底泥中不易迁移，且溶解度差，也不利于实现对底泥中重金属铅的钝化；同时，采用的羟基磷灰石，更易于获得，有利于降低处理成本。
附图说明
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
26.图1为本发明实施例1中羟基磷灰石的扫描电镜图。
27.图2为本发明实施例1中羟基磷灰石和白腐真菌的傅立叶红外光谱图
28.图3为本发明实施例1中利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅的效果图。
29.图4为本发明实施例2中利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅的效果图。
30.图5为本发明实施例3中黄孢原毛平革菌分泌有机酸的效果图。
具体实施方式
31.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
32.以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。若无特别说明，采用的制备工艺均为常规工艺。
33.实施例1
34.一种利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，包括以下步骤：
35.(1)含铅底泥进行预处理：将含铅底泥在自然条件下风干，然后进行机械研磨，过100目筛，得到粒径≤150μm的含铅底泥，其中含铅底泥的ph值为7.72，重金属铅的弱酸提取态(f1)、可还原态(f2)、可氧化态(f3)和残渣态(f4)的含量分别为13.8％，11.1％，54.6％，20.4％。
36.(2)按照羟基磷灰石与含铅底泥的质量比为1∶10，羟基磷灰石与白腐真菌溶液的比例为0.01g∶1ml，将羟基磷灰石(0.05g)、白腐真菌溶液与步骤(1)中经预处理后的含铅底泥混合，超声分散，在25℃条件下静置反应35天，完成对底泥中重金属铅的钝化处理。该步骤中，采用的白腐真菌溶液为黄孢原毛平革菌溶液，该溶液中黄孢原毛平革菌的孢子浓度为2.5
×
105个/ml。采用的羟基磷灰石的平均粒径为29μm。
37.生物对照组：不添加羟基磷灰石，其他条件相同。
38.非生物对照组1：不添加黄孢原毛平革菌溶液，其他条件相同。
39.本实施例中，黄孢原毛平革菌溶液的制备方法包括以下步骤：
40.(1)将黄孢原毛平革菌置于pda培养基上进行培养7天，得到黄孢原毛平革菌孢子溶液；
41.(2)将步骤(1)中得到的黄孢原毛平革菌孢子溶液转移至kirk液体培养基中，调节溶液中黄孢原毛平革菌的孢子浓度为2.5
×
105个/ml，得到黄孢原毛平革菌溶液。
42.在静置过程中，每隔一段时间取样，用bcr连续提取法测定底泥中重金属铅四种形态的含量。
43.图1为本发明实施例1中羟基磷灰石的扫描电镜图。由图1可知，羟基磷灰石呈球形颗粒状，分散性好，表面光滑，有颗粒少量聚集。
44.图2为本发明实施例1中羟基磷灰石和白腐真菌的傅立叶红外光谱图。由图2可知，白腐真菌的表面含有大量的
‑
oh、
‑
cooh、
‑
ch3、c＝o等活性基团，对重金属有很好的吸附能
力；羟基磷灰石的红外图表明除
‑
cooh、c＝o活性基团外，还有明显的p
‑
o特征峰；而白腐真菌耦合羟基磷灰石的红外图均还有二者的特征峰，说明羟基磷灰石能够很好的耦合到白腐真菌的表面。
45.表1为本发明实施例1中羟基磷灰石的x射线荧光光谱数据。由表1可知，该羟基磷灰石主要由ca、p、o组成。
46.表1本发明实施例1中羟基磷灰石的x射线荧光光谱数据
47.元素onamgalsipskca含量％26.750.090.2610.0410.10113.860.03212.73935.905
48.图3为本发明实施例1中利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅的效果图。由图3可知，经过35天的处理后，实验组的重金属铅f4形态的含量提高至42.3％，而f1、f2分别降至0；生物对照组和非生物对照组的f4分别上升至31.2％、36.1％，说明：相比单独采用白腐真菌或单独采用羟基磷灰石进行钝化处理时，本发明利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅，更容易促进重金属铅转化成f4形态，有很好的转化效果。
49.实施例2
50.一种利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，包括以下步骤：
51.(1)含铅底泥进行预处理：将含铅底泥在自然条件下风干，然后进行机械研磨，过100目筛，得到粒径≤150μm的含铅底泥，其中含铅底泥的ph值为7.72，重金属铅的弱酸提取态(f1)、可还原态(f2)、可氧化态(f3)和残渣态(f4)的含量分别为15.3％，9.9％，56％，18.7％。
52.(2)按照羟基磷灰石与含铅底泥的质量比为1∶5，羟基磷灰石与白腐真菌溶液的比例为0.1g∶5ml，将羟基磷灰石(0.1g)、白腐真菌溶液(与实施例1相同)与步骤(1)中经预处理后的含铅底泥混合，超声分散，在25℃条件下静置反应35天，完成对底泥中重金属铅的钝化处理。该步骤中，采用的白腐真菌溶液为黄孢原毛平革菌溶液，该溶液中黄孢原毛平革菌的孢子浓度为2.5
×
105个/ml。采用的羟基磷灰石的平均粒径为29μm。
53.生物对照组：不添加羟基磷灰石，其他条件相同。
54.非生物对照组2：不添加黄孢原毛平革菌溶液，其他条件相同。
55.在静置过程中，每隔一段时间取样，用bcr连续提取法测定底泥中重金属铅四种形态的含量。
56.图4为本发明实施例2中利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅的效果图。由图4可知，经过35天的处理后，实验组的重金属铅f4形态的含量提高至45.9％，而f1、f2分别降至0；生物对照组和非生物对照组的f4分别上升至31.2％、37.9％，说明：相比单独采用白腐真菌或单独采用羟基磷灰石进行钝化处理时，本发明利用白腐真菌耦合羟基磷灰石钝化底泥中重金属铅，更容易促进重金属铅转化成f4形态，有很好的转化效果。
57.实施例1和实施例2中，还考察了不同处理阶段羟基磷灰石的溶解情况，结果如表2所示。表2为本发明实施例1和实施例2中不同处理条件下游离态磷的变化情况。如表2所示，实施例1中，经白腐真菌耦合羟基磷灰石处理7天后，所得底泥中游离态磷(磷酸根离子)的相对值为27.97mg/l，而生物对照组和非生物对照组1中，游离态磷的相对值依次为8.53mg/l、13.17mg/l。实施例2中，经白腐真菌耦合羟基磷灰石处理7天后，所得底泥中游离态磷的
相对值为55.08mg/l，而生物对照组和非生物对照组中，游离态磷的相对值依次为8.53mg/l、24.7mg/l。由此可见，在黄孢原毛平革菌的作用下，能够有效溶解羟基磷灰石，不仅能够提高羟基磷灰石在底泥中的流动性和分散性，增加了羟基磷灰石与底泥中重金属铅的接触几率，有利于实现羟基磷灰石对底泥中重金属的钝化作用，而且从羟基磷灰石石中溶解出来的更多有效磷(游离态磷，如磷酸根离子)，能够与底泥中弱酸提取态、可还原态、可氧化态的重金属铅发生反应，使得底泥中弱酸提取态、可还原态、可氧化态的重金属铅，更多的转化成残渣态重金属铅，从而有效提高了底泥中残渣态重金属铅的含量，由此更加快速、更加彻底的实现了对底泥中重金属铅的有效钝化。上述结果，与图3和图4中重金属铅各个形态的含量变化相一致，这也证实了通过白腐真菌和难溶性磷灰石的联合作用，能够实现对底泥中的重金属铅的钝化/稳定化处理。另外，由表2可知，在静置处理35天后，底泥中游离态磷的浓度仍然维持在一个较低的水平，满足相关排放标准，这也证实本发明利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石钝化底泥中重金属铅的方法，在实现对底泥中重金属铅的有效稳定的前提下，也能确保无二次环境污染，即能够降低底泥/水体富营养化的风险，不会或不容易造成二次污染，对环境无毒无害。
58.表2本发明实施例1和实施例2中不同处理条件下游离态磷的变化情况
[0059][0060][0061]
实施例3
[0062]
考察白腐真菌分泌有机酸的情况，包括以下步骤：
[0063]
利用浊度仪将黄孢原毛平革菌溶液的孢子浓度调至2.5
×
105个/ml，置于在kirk培养基中进行培养，分别在0、6、12、24、36、48、60、72、96、120、144小时取样，通过高效液相色谱测定其有机酸(甲酸、草酸、柠檬酸)的分泌情况，结果如图5所示。
[0064]
图5为本发明实施例3中黄孢原毛平革菌分泌有机酸的效果图。如图5所示，经过144小时的培养后，柠檬酸的含量由最初的0.298g/l升高至2.313g/l，甲酸最高可达1.098g/l，草酸最高可达1.034g/l，说明白腐真菌(黄孢原毛平革菌)能够分泌大量的有机酸。然而，现有用于溶解磷酸盐的微生物，如溶磷细菌san6分泌草酸的浓度为0.327g/l、苹果酸的浓度为0.149g/l、丙二酸的浓度为0.101g/l；与之相比可知，黄孢原毛平革菌的有机酸分泌更高，且黄孢原毛平革菌的丝状菌丝特性使得其对羟基磷灰石材料的吸附性能更
好。
[0065]
综上可知，本发明利用白腐真菌耦合难溶性磷灰石稳定底泥重金属铅的方法，结合了难溶性磷灰石和白腐真菌的优点，利用白腐真菌能够分泌大量有机酸的特性，促进难溶性磷灰石材料的溶解并释放大量磷酸根离子，磷酸根离子能够与重金属铅形成铅
‑
磷酸盐矿物，能够有效稳定底泥重金属，并且可以有效的减少水体富营养化的风险，具有操作简便、成本低、稳定化效果好、处理效率高、对环境无毒无害等优点，不需要通过化学合成材料，在确保无二次环境污染的前提下，也能够实现难溶性磷灰石对底泥中重金属铅的有效稳定，对于有效修复重金属铅污染底泥具有十分重要的意义。
[0066]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。