一种利用农业农村废弃物制备重金属污染土壤活化剂的方法

摘要

本发明涉及一种利用农业农村废弃物制备重金属污染土壤活化剂的方法，以农业农村废弃物（污泥、畜禽粪便、植物残体、餐厨垃圾等）和含重金属的可溶性无机盐为底料堆肥，而后用含重金属的非选择性液体培养基对堆肥产物中的微生物进一步驯化培养，进而应用N‑乙酰胞壁质聚糖水解酶，以超声破碎、冻融循环等方式破坏前述微生物细胞，从而获取具有重金属吸附能力的生物聚合物。此方法制备的水溶性生物聚合物能与土壤中镉、铅、砷、铬等重金属络合而增加其在土壤中的活跃性，可作为化学淋洗或植物提取修复技术的助剂，增强对土壤重金属的去除效率。

说明书

技术领域

本发明属于以下领域：农业农村废弃物资源化利用，制备生物聚合物型的重金属污染土壤活化剂(修复助剂)，应用于生态环境修复。

背景技术

在诸多重金属污染土壤的修复技术中，化学淋洗和植物提取是较常用的修复技术，其通常都需要运用活化剂作为修复助剂，以提高修复的效果和效率。连续顺序提取法可将土壤中的重金属划分为五种赋存形态，即水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态。其中，水溶态和可交换态具有较高的活性和迁移性，故将其统称为土壤重金属的活跃态，所占土壤重金属总含量的比例称之为土壤重金属的活跃性。活化剂的施用目的就是增加土壤中重金属的活跃性。然而，大部分市售的化工合成活化剂(修复助剂)，如EDTA、EDDS等存在成本较高及残留土壤中导致二次污染等问题，制约了其广泛和安全的应用。高性价比、绿色安全的土壤重金属活化剂(修复助剂)的研发需求仍然旺盛。

农村地区诸如污泥、畜禽粪便、植物残体和餐厨垃圾的处理处置近年来备受重视。堆肥技术则可以利用这些含有肥料成分的废弃物，加上泥土和矿物质混合堆积，在高温、多湿的条件下，进行发酵腐熟。该过程涉及细菌、放线菌、真菌、酵母菌等多种微生物参与，释放废弃物中的养分。然而，堆肥产物的后续处理也是需要注意的问题，目前将其还田作为园林绿化或农林业的辅助“营养土”是一种常见的处理方式，虽然相对低值却也简便易行。

本发明以农村农业废弃物(污泥、畜禽粪便、植物残体、餐厨垃圾等)为原料，通过添加重金属以驯化其中的微生物，进一步提取制备高效而环境友好的生物聚合物型土壤重金属活化剂，将其作为化学淋洗、植物提取技术的修复助剂，将在废弃物资源化以及生态环境修复领域做出积极贡献，并具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用农业农村废弃物制备重金属污染土壤活化剂的方法，本发明发现，以农业农村废弃物(污泥、畜禽粪便、植物残体、餐厨垃圾等)和含重金属的可溶性无机盐为底料堆肥，而后用含重金属的非选择性液体培养基对堆肥产物中挑选出的微生物进一步驯化培养，进而应用N-乙酰胞壁质聚糖水解酶，以超声破碎、冻融循环等方式破坏前述微生物细胞，从而获取具有重金属吸附能力的生物聚合物。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用农业农村废弃物制备重金属污染土壤活化剂的方法，包括以下步骤：

1、堆肥

将农业农村废弃物(污泥、畜禽粪便、植物残体、餐厨垃圾等)进行传统好氧堆肥(25℃常温)，并在堆肥的第五天将10mg/L含重金属的可溶性无机盐溶液均匀地喷至物料上达整体湿润的状态，其中以每千克鲜重废弃物添加500ml重金属浓度为10mg/L的无机盐溶液，并继续以三天一次的频率进行翻堆，直至第20天左右微生物群落稳定，停止堆肥。

2、驯化培养

配制含有重金属的非选择性液体培养基，其组成包括葡萄糖(4675mg/L)、蛋白胨(1000mg/L)、K

以1g:100ml的比例，将步骤1获得的堆肥产物中挑选出的微生物加入前述液体培养基中，25℃恒温培养24小时。进而从培养结束的液体培养基中取液，以1ml:100ml的比例，将取液加入新配置的前述液体培养基中，25℃恒温培养24小时。为了确保细菌区系组成的稳定，重复多次该亚培养步骤。

收集最后一次亚培养(通常至少为第六次，优选第六次-第十次)的液体培养基，在9000rpm、4℃的条件下离心5分钟。

3、制备生物聚合物

弃去离心后的上清液，用up水冲洗两遍后，将离心后剩余颗粒悬浮在20mmol/L的Tris-HCl缓冲液(pH＝8)中。加入N-乙酰胞壁质聚糖水解酶至终浓度为0.4mg/mL并等待20分钟。

分别在-80℃和30℃条件下进行3次冻融循环。之后，将悬浮液在170W，20kHz，占空比为50％脉冲的条件下，超声处理15分钟。超声波处理期间，装有样品的容器需置于碎冰等低温环境中。

最后，将悬浮液在9000rpm、4℃的条件下离心30分钟。收集上清液并通过0.45μm膜过滤，所得滤液即为具有活化污染土壤中重金属能力的生物聚合物(即重金属污染土壤活化剂)。

进一步的，步骤1中含重金属的可溶性无机盐中的重金属具体是指Cd、Pb、As、Cr中的一种或多种，以Cd为例，包括Cd(NO

进一步的，步骤1中加入的含重金属的可溶性无机盐中的重金属以及非选择性液体培养基中含有的重金属与目标产物具有活化污染土壤中重金属能力的生物聚合物中所指的重金属是一致的。实际上是需要根据拟修复的目标污染土壤中所含重金属的种类，进行该非选择性液体培养基的配置的，所以是“和/或”的关系。假如某土壤只有Pb，那培养基就只含Pb，其Pb浓度为10mg/L；如果某土壤同时有Pb、Cd污染，则培养基需含两者，每种重金属的浓度均为10mg/L。

进一步的，步骤2中堆肥产物中挑选出的微生物具体包括芽孢杆菌、黄杆菌、大肠杆菌等。

进一步的，步骤2中堆肥产物中挑选出的微生物具体的挑选过程包括：堆肥过程中，物料表面会显现肉眼可见的薄层菌斑，在堆肥后期，甚至会形成菌苔。利用高压蒸汽灭菌后的接种环对菌斑及菌苔进行挑选(刮取)的操作。

进一步的，所制备的重金属污染土壤活化剂的主要成分包括多糖、蛋白质和核酸等高分子物质，其中多糖含量为0.1-10wt％、蛋白质含量为0.1-10wt％、核酸含量为0.1-10wt％。

此方法制备的水溶性生物聚合物能与土壤中镉、铅、砷、铬等重金属络合而增加其在土壤中的活跃性，可作为化学淋洗或植物提取修复技术的助剂，增强对土壤重金属的去除效率。

本发明的目的在于运用制得的生物聚合物活化污染土壤中的重金属，增强其活跃性，以助力提升化学淋洗或植物提取技术等的修复效率。

本发明的显著优点在于：

堆肥过程中涉及到种类丰富的微生物，而微生物体内外都会产生丰富的生物聚合物，其主要成分是多糖、蛋白质和核酸等高分子物质，含有大量磷酸基、巯基、羧基和羟基等基团，并且含有较多的带电基团。当环境中出现重金属胁迫时，这些生物聚合物对重金属离子具有极好的吸附结合能力，从而保证微生物群落结构的稳定。本发明以农村农业废弃物(污泥、畜禽粪便、植物残体、餐厨垃圾等)为原料，通过添加重金属以驯化其中的微生物，进一步提取制备高效而环境友好的生物聚合物型土壤重金属活化剂，将其作为化学淋洗、植物提取技术的修复助剂，可以显著增加土壤中重金属的活跃性，将在废弃物资源化以及生态环境修复领域做出积极贡献，并具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明制备得到的重金属污染土壤活化剂的实物照片。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

一种利用农业农村废弃物制备重金属污染土壤活化剂的方法，包括以下步骤：

1、堆肥

将农业农村废弃物畜禽粪便进行传统好氧堆肥(25℃常温)，并在堆肥的第五天将10mg/L含重金属的可溶性无机盐溶液均匀地喷至物料上达整体湿润的状态，其中以每千克鲜重废弃物添加500ml重金属浓度为10mg/L的无机盐溶液，并继续以三天一次的频率进行翻堆，直至第20天左右微生物群落稳定，停止堆肥。

2、驯化培养

配制含有重金属的非选择性液体培养基，其组成包括葡萄糖(4675mg/L)、蛋白胨(1000mg/L)、K

以1g:100ml的比例，将步骤1获得的堆肥产物中挑选出的微生物加入前述液体培养基中，25℃恒温培养24小时。进而从培养结束的液体培养基中取液，以1ml:100ml的比例，将取液加入新配置的前述液体培养基中，25℃恒温培养24小时。为了确保细菌区系组成的稳定，重复多次该亚培养步骤。

收集第六次亚培养的液体培养基，在9000rpm、4℃的条件下离心5分钟。

3、制备生物聚合物

弃去离心后的上清液，用up水冲洗两遍后，将离心后剩余颗粒悬浮在20mmol/L的Tris-HCl缓冲液(pH＝8)中。加入N-乙酰胞壁质聚糖水解酶至终浓度为0.4mg/mL并等待20分钟。

分别在-80℃和30℃条件下进行3次冻融循环。之后，将悬浮液在170W，20kHz，占空比为50％脉冲的条件下，超声处理15分钟。超声波处理期间，装有样品的容器需置于碎冰等低温环境中。

最后，将悬浮液在9000rpm、4℃的条件下离心30分钟。收集上清液并通过0.45μm膜过滤，滤液即为具有活化污染土壤中重金属能力的生物聚合物(即重金属污染土壤活化剂)。

应用例1

将实施例1的步骤1中的含重金属的可溶性无机盐溶液具体限定为含Na

步骤2中的含有重金属的非选择性液体培养基中，具体加入的重金属限定为Na

由此制备得到的生物聚合物型重金属活化剂应用于下述应用中。

a.采集福州含砷、镉污染红壤，风干、研磨、过10目筛。

b.将生物聚合物型重金属活化剂按照1m

c.弃去液相，将剩余土壤风干。

d.运用Tessier连续提取法测定原始红壤和施用活化剂后红壤中重金属的赋存形态，尤其是其活跃态(水溶态+可交换态)。结果表明，土壤砷的活跃性从9.06％升高至34.69％；土壤镉的活跃性从10.02％升高至41.16％。

应用例2

将实施例1的步骤1中的含重金属的可溶性无机盐溶液具体限定为含Pb(NO

步骤2中的含有重金属的非选择性液体培养基中，具体加入的重金属限定为Pb(NO

由此制备得到的生物聚合物型重金属活化剂应用于下述应用中。

a.采集昆明含铅、镉污染黄壤，风干、研磨、过10目筛。

b.将生物聚合物型重金属活化剂按照1m

c.弃去液相，将剩余土壤风干。

d.运用Tessier连续提取法测定原始黄壤和施用活化剂后黄壤中重金属的赋存形态，尤其是其活跃态(水溶态+可交换态)。结果表明，土壤铅的活跃态从9.94％升高至37.33％；修复前后土壤镉的活跃态从11.21％升高至50.65％。

应用例3

将实施例1的步骤1中的含重金属的可溶性无机盐溶液具体限定为含Na

步骤2中的含有重金属的非选择性液体培养基中，具体加入的重金属限定为Na

由此制备得到的生物聚合物型重金属活化剂应用于下述应用中。

a.采集黑龙江含砷、铅污染黑土，风干、研磨、过10目筛。

b.将生物聚合物型重金属活化剂按照1m

c.弃去液相，将剩余土壤风干。

d.运用Tessier连续提取法测定原始黑土和施用活化剂后黑土中重金属的赋存形态，尤其是其活跃态(水溶态+可交换态)。结果表明，土壤砷的活跃态从16.95％升高至44.22％；修复前后土壤铅的活跃态从15.01％升高至50.43％。

应用例4

将实施例1的步骤1中的含重金属的可溶性无机盐溶液具体限定为含K

步骤2中的含有重金属的非选择性液体培养基中，具体加入的重金属限定为K

由此制备得到的生物聚合物型重金属活化剂应用于下述应用中。

a.采集石家庄含铬、镉污染褐土，风干、研磨、过10目筛。

b.将生物聚合物型重金属活化剂按照1m

c.弃去液相，将剩余土壤风干。

d.运用Tessier连续提取法测定原始褐土和施用活化剂后褐土中重金属的赋存形态，尤其是其活跃态(水溶态+可交换态)。结果表明，土壤铬的活跃态从13.98％升高至42.11％；修复前后土壤镉的活跃态从10.06％升高至49.52％。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。