本發(fā)明涉及重金屬污染耕地的微生物修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及鎘污染耕地的微生物原位快速修復(fù)方法。
背景技術(shù)：
鎘(cd)是生物毒性較大的重金屬元素，其在土壤環(huán)境中化學(xué)活性強，毒性持久，容易通過食物鏈的富集作用危及人類健康，對人體具有致病、致癌、致突變作用。耕地中的鎘元素主要由自然因素和人為因素引入，前者主要來自于自然界中巖石礦物的風(fēng)化和溶解，后者主要通過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活習(xí)慣直接或間接地將鎘排放到耕地中。截至目前，我國受鎘污染的土壤面積已超過2×105km2，占總耕地面積的1/6，因此，治理耕地環(huán)境中鎘污染問題刻不容緩。
鎘污染耕地修復(fù)技術(shù)可分為：工程治理措施、物理化學(xué)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、隔離法等方法，但是此法適用于修復(fù)污染面積較小的土壤，因為成本太高，需要有較大工程量；物理化學(xué)治理措施包括固定鈍化、電動轉(zhuǎn)化和氧化還原等方法，此類方法一般是將鎘元素固定在土壤中，但當(dāng)土壤性質(zhì)發(fā)生變化時，鈍化的鎘元素會釋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動、植物和微生物能夠快速的吸收或轉(zhuǎn)化土壤中的金屬鎘這一特點來達(dá)到凈化土壤的目的，其中植物治理是目前研究最多的方法，但利用植物修復(fù)污染土壤中的鎘所需周期較長，不適合用于耕地土壤中的鎘污染治理。
鎘污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)是利用天然馴化或者人工構(gòu)建的微生物群落或其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物使土壤中不溶態(tài)的鎘轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)的鎘，然后隨液體排出，徹底清除土壤中有效態(tài)的鎘元素，從而降低鎘在土壤中的生物有效性和植物利用性，是目前最有發(fā)展前景的一種鎘污染處理方法。微生物通過生長代謝能夠改變土壤的礦物組成、ph值、有機物的存在形態(tài)及氧化還原電位等因素，這些因素的改變共同決定了土壤中金屬鎘的地球化學(xué)行為和生物有效性，而且微生物的代謝產(chǎn)物大多是無害、穩(wěn)定的物質(zhì)，不會破壞土壤環(huán)境，具有良好的社會、環(huán)境和生態(tài)綜合效益。此外，自然界中具有豐富的微生物資源，隨著分子生物學(xué)技術(shù)手段的不斷發(fā)展和日益更新，微生物對土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化機理的研究也越來越深入，由于微生物修復(fù)技術(shù)操作簡單，且對土壤肥力和代謝活性沒有影響，可以避免污染物轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生對人類健康和環(huán)境的影響。但是，微生物修復(fù)鎘污染耕地的工業(yè)化應(yīng)用的步伐比較緩慢，多數(shù)停留在實驗室規(guī)模，因此，尋找一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)新工藝勢在必行。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)新工藝，本發(fā)明可以快速、綠色和經(jīng)濟的去除耕地土壤中的金屬鎘。
本發(fā)明包括如下步驟：
一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)方法，包括以下步驟：
(1)在鎘污染耕地的周邊修筑土壩和排水溝，再修筑與排水溝連通的液體收集池；
(2)在排水溝和收集池的底部和側(cè)壁鋪設(shè)防滲薄膜；
(3)將微生物富集物菌液噴灑至鎘污染耕地中并使用農(nóng)用土地翻耕設(shè)備對其進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌靹颍凰龅奈⑸锔患锇[性嗜酸桿菌(acidiphiliumcryptum)、皺褶假絲酵母菌(candidarugosa)、固氮醋酸桿菌(acetobacterdiazotrophicus)、粘紅酵母菌(rhodotorulaglutinis)和銅綠假單胞菌(pseudomonasaeruginosa)；
(4)自然沉降后的液體流經(jīng)排水溝匯集至液體收集池中，得到含金屬鎘的溶液；
(5)在收集池中加入金屬吸附材料，對溶液中的鎘離子進(jìn)行吸附處理；
(6)將吸附處理后的液體重復(fù)回收利用，加入新的微生物富集物進(jìn)行復(fù)配和擴大培養(yǎng)，再次噴灑至鎘污染耕地中進(jìn)行翻耕處理，直至測定耕地的鎘含量符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；
(7)最后，用無污染水將修復(fù)后的耕地清洗至中性。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(1)中修筑的土壩比鎘污染土壤平面高30～40cm。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(2)中在排水溝和收集池的底部和側(cè)壁鋪設(shè)的防滲薄膜具有防滲透及耐酸的作用，耐受的ph值大于3.0。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(3)中微生物富集物按照隱性嗜酸桿菌、皺褶假絲酵母菌、固氮醋酸桿菌、粘紅酵母菌和銅綠假單胞菌的數(shù)量比例分別為10％～15％、15％～20％、20％～25％、25％～30％和10％～15％混合后擴培。優(yōu)選15％、20％、25％、30％、10％。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(3)中微生物富集物以初始菌液濃度為1×106個/ml以下，接種量為10％～20％(v/v)，在16～30℃條件下曝氣培養(yǎng)，曝氣量為0.16～0.20m3/min，優(yōu)選0.16m3/min；當(dāng)擴培微生物富集物的菌液ph值為3.0～4.5，微生物菌體密度達(dá)到1×109～1010個/ml時，將微生物富集物噴淋至鎘污染耕地中。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(3)中按照每平方米土地加14～20l的菌液量將微生物富集物噴淋至鎘污染耕地中。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，培養(yǎng)微生物富集物的基本鹽培養(yǎng)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。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(3)中使用農(nóng)用土地翻耕設(shè)備對耕地和微生物富集物菌液進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌靹驎r，每次翻耕1.5～3.0個小時，直到液體ph值達(dá)到5.0以上。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(5)中加入的金屬吸附材料為功能單分子納米復(fù)合材料，加入量為0.1％～0.15％(w/v)，將收集池中液體混勻曝氣0.5～1.0h，曝氣量為0.16～0.20m3/min。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(6)中對微生物富集物進(jìn)行復(fù)配和擴大培養(yǎng)時，加入微生物富集物菌液與培養(yǎng)基體積比為10％～20％(v/v)。培養(yǎng)后的菌液再次噴灑至鎘污染耕地中進(jìn)行翻耕處理，直至測定耕地的鎘含量符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
作為進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(7)中按照每平方米土地加18～20l的無污染水的用量，將水噴淋至修復(fù)后的耕地中，每次翻耕1.5～3.0個小時，直到液體ph值接近中性。
本發(fā)明的一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)新工藝是根據(jù)耕地土壤中金屬鎘形態(tài)可變性的特性，利用微生物的生長特性將不溶態(tài)的鎘轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)的鎘離子，采用菌液噴淋和土地翻耕方式使固液充分混勻，使微生物對鎘形態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。同時以排水溝和液體收集池為基礎(chǔ)構(gòu)建對處理后的液體回收利用，從而使得菌液達(dá)到最大的利用率，降低操作成本。而且本修復(fù)工藝適用于各種重金屬土壤的轉(zhuǎn)化處理，適用范圍廣；同時具有處理容量大、操作簡單、成本低、時間短、效果好，以及不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。
本發(fā)明針對污染土壤中鎘形態(tài)的微生物轉(zhuǎn)化機理及微生物生理生化特征，首次采用隱性嗜酸桿菌(acidiphiliumcryptum)、皺褶假絲酵母菌(candidarugosa)、固氮醋酸桿菌(acetobacterdiazotrophicus)、粘紅酵母菌(rhodotorulaglutinis)和銅綠假單胞菌(pseudomonasaeruginosa)的結(jié)合擴培用于處理土壤中的鎘，各菌種之間不會產(chǎn)生拮抗，復(fù)配在一起能很好的共生，能高效協(xié)同轉(zhuǎn)化土壤中的鎘。而且本發(fā)明復(fù)合菌劑生長速度快，產(chǎn)酸能力強，僅僅培養(yǎng)2天，擴培微生物富集物的菌液ph值達(dá)到3.0，微生物菌體密度達(dá)到3.0×109個/ml以上，有很好的應(yīng)用前景。
具體實施方式
以下通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但不作為對本發(fā)明的限定。
一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)新工藝，包括如下步驟：
首先對鎘污染耕地的污染程度進(jìn)行調(diào)研分析后，根據(jù)土壤鎘含量的差異對污染耕地進(jìn)行區(qū)域劃分。經(jīng)測定，耕地中鎘含量為1.12mg/kg，其余重金屬離子含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定gb15618－1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。分區(qū)后試驗田的大小為7×7m，設(shè)置兩個平行試驗組(ⅰ和ⅱ)和一個實驗對照組(ⅲ)。
在鎘污染耕地的周邊修筑土壩和排水溝，再修筑與排水溝連通的液體收集池，修筑的土壩和排水溝的側(cè)壁比鎘污染土壤平面高35cm，排水溝的底部比鎘污染土壤平面低10cm，排水溝的寬度為20cm；在排水溝和收集池的底部和側(cè)壁鋪設(shè)防滲薄膜，鋪設(shè)的防滲薄膜具有防滲透及耐酸的作用，耐受的ph值大于3.0，收集池的尺寸大小為7×3×1.6m。
將擴大培養(yǎng)的微生物富集物菌液噴灑至鎘污染耕地中并使用農(nóng)用土地翻耕設(shè)備對其進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌靹?，擴培前的微生物富集物包括數(shù)量比例為15％隱性嗜酸桿菌atcc33463、20％皺褶假絲酵母菌cctccay93026、25％固氮醋酸桿菌cgmccno.5455、30％粘紅酵母菌atcc96365、10％銅綠假單胞菌cctccab2013184。培養(yǎng)微生物的基本鹽培養(yǎng)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種濃度為1×106個/ml以下，接種量為10％～20％(v/v)，在室外溫度為20～25℃條件下曝氣培養(yǎng)，曝氣量為0.16m3/min；當(dāng)擴培微生物富集物的菌液ph值為3.0，微生物菌體密度達(dá)到3.0×109個/ml以上時，按照每平方米土地加15l的菌液量將微生物噴淋至鎘污染耕地中；使用農(nóng)用土地翻耕設(shè)備對耕地和菌液進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌靹驎r，每次翻耕3.0個小時，直到液體ph值達(dá)到5.0以上。
自然沉降后的液體流經(jīng)排水溝匯集至液體收集池中，得到含金屬鎘的溶液；
在收集池中加入金屬吸附材料，對溶液中的鎘離子進(jìn)行吸附處理，加入的金屬吸附材料為功能單分子納米復(fù)合材料(格豐科技材料有限公司)，加入量為0.15％(w/v)，將收集池中液體混勻曝氣40min，曝氣量為0.16m3/min。
將吸附處理后的液體重復(fù)回收利用，加入新的微生物富集物進(jìn)行復(fù)配和擴大培養(yǎng)，加入微生物富集物的菌液與培養(yǎng)基體積比為10％～20％(v/v)，培養(yǎng)后的菌液再次噴灑至鎘污染耕地中進(jìn)行翻耕處理，直至測定耕地的鎘含量符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；
最后，按照每平方米土地加18l的無污染水的用量，將水噴淋至修復(fù)后的耕地中，每次翻耕3.0個小時，直到液體ph值接近中性。
按照上述操作，在第5天，基于微生物轉(zhuǎn)化修復(fù)污染耕地，即處理組ⅰ和ⅱ的土壤中鎘的去除率為50.6％,未用微生物處理(水處理)的對照組ⅲ的土壤中鎘的去除率僅為2.4％。