一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及污染土壤治理领域，特别涉及一种微生物和植物联合修复重金属污染 土壤的方法。
【背景技术】
[0002] 土壤不仅是地球生态圈的重要组成部分，也是人类赖以生存的重要自然资源之 一。随着矿产开采、冶炼等工业活动以及污水灌溉、施用污泥和劣质化肥等农业活动的进 行，Cd，Pb等有害重金属不断进入土壤环境中，对正常的生产生活造成污染。因此，治理土 壤重金属污染对生态文明的设及人类健康的生活具有重要意义。
[0003] 土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法，如稀释和覆土 法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等，传统的修复方法虽然治理效果好，历时 较短，但都存在许多缺陷。比如传统治理方法的成本高、不易管理、易造成二次污染等等。
[0004] 微生物修复是利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等 作用，从而降低土壤中重金属的毒性。该技术可以使重金属污染物从土壤中去除，对周围环 境影响较小，不会产生二次污染，具有的巨大土壤修复潜力。但现有的重金属污染土壤的微 生物修复技术存在一定的局限性，如微生物修复持续时间长、见效慢、一般形成络合物降低 重金属的危害，并不能将重金属从土壤中除去。
[0005] 植物修复技术是指利用植物及其根系对土壤污染物的吸收、挥发、转化、降解、固 定作用而去除土壤中污染物的修复技术。重金属被植物吸收，如果进入植物可食部分，将危 害人类健康。为避免对人体的暴露风险，近年来选择非食用性经济型作物进行植物修复的 研究越来越引起关注，但大多数已报道的植物修复方法效果不显著、见效慢、修复效果不稳 定，再加上受到气候、土壤环境的限制，使得这些植物的重金属积累量有限，从而在其应用 上受到限制。
[0006] 如上所述，为了更好地治理重金属污染的土壤，急需解决以下技术问题： 1.培养合适的微生物，其对于重金属的吸附能力强、易于分离、生长能力强、对环境适 应力强的特点。
[0007] 2.确定合适的耐性植物与微生物联合使用，该植物具有种植难度低、易于管理、 适用于大面积污染土壤、生长迅速、生物量大的特点。
[0008] 3.避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低 廉、修复效果好、不破坏土壤肥力、不存在土壤的二次污染、适用于大面积污染土壤治理的 微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤： 1) 将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层厚15~18cm的土壤混合均勾，培养30~35天； 2) 灌溉步骤1)重金属污染的土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在所述重金属 污染的土壤上面设置磁场，保持36~43天； 3) 收集步骤2)所述重金属污染土壤表层厚9~12cm的土壤； 4) 用水淋洗步骤3)中收集的重金属污染土壤，重复2~4次，然后将清洗过的土壤填回 原处； 5) 在步骤4)中修复的重金属污染土壤上面种植铜草，10~12个月后将铜草整体移除； 6) 循环重复执行步骤1) ~步骤5) 5~8次。
[0011] 优选的，步骤1)中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染的土壤中接种 9. OX 109~1. OX 101°个趋磁细菌。
[0012] 优选的，步骤2)所述磁场方向背离地面向上，磁场强度为200~300高斯。
[0013] 优选的，所述种植铜草的方法为幼苗栽种，6~8cm的幼苗倾斜30度埋入土壤表层 3~5cm深度种植，株距为17~26cm，行距为20~28cm。
[0014] 优选的，所述铜草幼苗由159^20%的H2O2消毒处理，然后蒸馏水洗涤浸泡12~15h， 籽粒饱满且不下沉的铜草种子长成。
[0015] 优选的，所述种植铜草的重金属污染土壤含水量保持在15~20%。
[0016] 优选的，将步骤5)中移除的铜草进行无害化处理。
[0017] 无害化处理为从铜草提炼得到铜，也可以经过粉碎后作为肥料用于修复缺铜的土 壤。
[0018] 本发明的有益效果是： 1.趋磁细菌属于革兰氏阴性菌，是专性微好氧、兼性或专性厌氧细菌，具有负趋氧特 性，细胞内有沿菌体长轴排列、由膜包被的磁小体颗粒链，在磁场的作用下可以定向运动， 而且对重金属有较强的吸附能力；在地磁场的作用下趋磁细菌可以向地下深处移动，由于 地磁场的作用力很弱，在土壤表面设置磁场，并通过控制磁场的方向使趋磁细菌集中在小 面积内，步骤2)中灌溉重金属污染土壤的目的是降低土壤表层的含氧量，创造有利于趋磁 细菌生存的环境。
[0019] 2.趋磁细菌对重金属离子的吸附是以细胞表面的吸附为主，因此趋磁细菌吸附 重金属的速度很快，在其移动的过程中有效吸附土壤中的重金属，大大降低了土壤中重金 属的积累量；同时也不会造成土壤的二次污染。
[0020] 3.本发明步骤4)得到的淋洗液回收重金属，一方面防止重金属在回到土壤或者 水体，另一方面回收的重金属具有很高的附加价值，可以增加收益。趋磁细菌的回收率达到 90%以上，淋洗液重金属回收率达到99%以上，有利于重金属污染土壤的修复。
[0021] 4.针对多种重金属元素同时存在时，重金属元素之间存在竞争关系，趋磁细菌对 Cu元素的吸附率很低，而铜草能吸附土壤中的Cu元素，正好可以弥补趋磁细菌的不足；铜 草的种植难度低，适用于大面积种植，做为非食用性植物用于修复土壤有效避免了污染物 再次进入食物链，最大限度的减少了修复土壤中可引起的二次污染；吸附有大量Cu元素的 铜草可以通过提炼得到铜，也可以经过粉碎后作为肥料用于修复缺铜的土壤。
[0022] 总之，本发明微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法与传统的污染土壤治 理方法相比，具有投资少、技术要求低、易于管理、直接将重金属离子去除、不存在土壤的二 次污染、土壤治理效果好、不进入食物链、不破坏土壤结构、实用性强、适用于大面积污染土 壤。
【具体实施方式】
[0023] 以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业 技术人员的理解： 趋磁细菌的提取方法：将南京锁金村污水处理厂的活性污泥与已经过灭菌降至室 温的富集培养基按1 :2的体积比混合均匀，放入广口瓶中，用已灭菌的纱布封住瓶口， 28°C静置避光培养30 d，用趋磁细菌收集器收集趋磁细菌(具体参考：刘琚，周培国，张齐 生.趋磁细菌处理含Cu、Zn废水的应用研究[J].环境科技，2013(26)4:20-24)。将收 集的趋磁细菌按照15%的接种量，接种到富集培养基，静止避光、23°C下、当菌液浓度达到 9. OX 109~1. OX 101°个/mL的时候，测定吸附重金属的性能，具体如下： 取菌液10ml，加到100mL的Cr3+离子含量40mg/L、As3+离子含量4mg/L、Cd 3+离子含量 0. 4mg/L、Ni3+离子含量12mg/L的溶液和Cu 3+离子含量50mg/L的溶液中28°C下培养2h， 测定水中Cr3+、As3+、Cd' Ni3+和Cu 3+离子的含量，Cr 3+、As3+、Cd3+、Ni3+和Cu 3+离子吸附率分 别达到80%以上，即作为本发明的趋磁细菌使用。本发明中的趋磁细菌可以从其它活性污 泥或者重金属污染的土壤中分离，也可以使是现有公开的趋磁细菌菌株，只要其吸附率得 到要求即可。以下实施例中的所用到的趋磁细菌是按照上述方法筛选到的，不再赘述。
[0024] 富集培养基的组成为：610 mg/L NaNO3,600 mg/L KH2PO4,1100 mg/L H00CCH2CH2C00Na，3980 mg/L Fe2 (SO4) 3,60 mg/L钴胺素，600 mg/L K2HPO4, 500 mg/L硫代乙 醇酸钠。
[0025] 采用被重金属污染的土壤厚度为40cm，面积为IOOm2的土地作为实验区域，并将 整块实验田进行样方划分，长宽均为5m，每个样方之间留宽为0. 3m的垄，每个样方根据对 角线原则设置6个采样点。收集试验田表层0~40cm的土壤，阴凉通风晾干，去除杂质。测 定土壤pH为7. 2,重金属Cr、As、Cd、Ni、Cu在土壤中的含量分别是：Cr元素的浓度为569 mg/kg \ As元素的浓度为50 mg/kg \ Cd元素的浓度为L 8 mg/kg \ Ni元素的浓度为189 mg/kg \ Cu 元素的浓度为 692 mg/kg 1C3
[0026] 根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知，土壤pH=6. 5~7. 5的情况下，农业 用地旱地、菜地重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu二级标准值分别为200, 25,0. 45,90,100mg/kg， 因此，上述整块实验田存在较严重的重金属污染。
[0027] 实施例1 一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤： 1) 将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚15cm的土壤混合均匀，趋磁细菌 的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种9. OX IO9个趋磁细菌，培养30天； 2) 灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，并在该 重金属污染的土壤上面设置通电线圈产生磁场，磁场方向背离地面向上，磁场强度为200 尚斯，保持36天； 3) 收集步骤3)中重金属污染土壤表层厚度为9cm的土壤； 4) 用水淋洗步骤4)收集的重金属污染土壤，重复3次，然后将清洗过的土壤填回原处， 淋洗液回收重金属； 5) 用15%的H2O2消毒液处理铜草种子，蒸馏水洗涤浸泡12h，选择籽粒饱满且不下沉的 铜草种子作为铜草幼苗培育的种子； 6) 将铜草种子在室内培养6~8cm的幼苗，并将所得幼苗倾斜30度埋入步骤5)处理过 的重金属污染土壤表层3cm深度处，株距为17cm，行距为20cm ; 7) 对种植的铜草要不定期浇水，使重金属污染的土壤含水量保持在15% ; 10个月后将 铜草整体移除； 8) 循环重复执行步骤1) ~步骤8) 8次。
[0028] 结果显示：相比较于原土壤，土壤pH上升至7. 5,重金属Cr、As、Cd、Ni和Cu的浓 度分别为 198. 12、24. 69、0. 43、89. 91 和 99. 83mg/kg，土壤中重金属 Cr、As、Cd、Ni 和 Cu 的 浓度分别下降了 65. 48%，50. 62%，76. 11%，52. 43%，85. 57%。
[0029] 实施例2 一种微生物和植物联合修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤： 1) 将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤表层厚度为17cm的土壤混合均匀，趋磁 细菌的添加比例为每平方米重金属污染土壤中接种9. 5 X IO9个趋磁细菌，培养33天； 2) 灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤，使重金属污染土壤保持淹水状态，