一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂及其制备和应用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂及其制备和应用方法。目前很多针对砷污染土壤修复的铁基材料因为外源铁的大量引入影响了土壤的结构性质以及铁盐类固定剂施用后容易使土壤酸化等问题，制约了其在土壤修复方面的发展。针对这些问题，本发明专利技术以纳米α‑Fe2O3为中心物质，采用丝状真菌菌丝包裹，制成针对受砷污染土壤的修复固定剂。将合成的产物按一定比例与土壤混合均匀，7天后砷污染土壤中水溶态砷和有效态砷的固定率分别达到83.2％和96.4％。本发明专利技术所述的固定剂，制备过程简单，高效无毒害，可生物降解，无二次污染，不会破坏土壤的理化性质，是一种环境友好型固定剂。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂及其制备和应用方法
本专利技术涉及微纳材料组装与砷污染土壤修复结合的
，具体涉及一种适用于砷污染土壤修复的固定剂产品及其制备和应用方法。
技术介绍
砷在许多行业中被广范应用，通过开采、加工、使用、废弃等过程使其大量残留到土壤中或进入大气和水体，造成土壤As污染普遍存在。砷是剧毒类非金属，在自然环境中主要以亚砷酸盐(As(III))和砷酸盐(As(V))的无机形式存在并通过微生物的氧化和还原相互转化。土壤砷污染会直接导致农产品品质下降，并通过食物链富集到人体和动物体内，对人体健康和生态安全造成严重威胁。我国受砷污染严重的省份有新疆、青海、湖南和广西等。因此，对我国砷污染土壤进行合理有效的修复已经迫在眉睫。对砷污染土壤的修复及对砷超标而造成的高风险土壤的安全利用，一直是国内外研究的难点和热点。砷污染土壤修复无论是原位修复还是异位修复，其目的一般有两种：(1)使砷从土壤中提取出来，减少土壤中砷污染物的总量。(2)砷仍然留在土壤中，通过氧化还原、固定、隔离、稀释等方法达到降低土壤中砷毒性的目的。目前，砷污染土壤修复主要有物理、化学、生物和联合修复等几大类方法，如深耕翻土法、化学淋洗法、生物修复技术等。物理方法尽管被认为是短期内行之有效的方法，但对于大面积砷污染土壤，需要消耗的人力物力巨大，成本太高；淋洗法易造成二次污染，使土壤某些营养元素流失；生物修复法处理费用低，但所需修复周期较长，受污染类型限制较大。因此，亟需开发一种固定效果好、持效性强、对土壤理化性质影响较小的修复剂。据报道，铁和砷存在着强亲和力，能强吸附砷或与砷生成难溶沉淀。因此，铁盐(铁基化合物)最常被用于砷污染土壤的治理。铁固定土壤中砷的机理主要有以下3种：(1)含铁材料加入土壤后，生成铁氧化物或氢氧化物，吸附土壤中的砷，随之其表面的OH-、OH2等基团被砷取代，生成非晶态的砷酸铁沉淀或难溶的次级氧化态矿物；(2)土壤砷直接与游离铁离子反应生成难溶性铁砷化合物；(3)含铁材料的加入影响了土壤pH，从而影响砷的形态和土壤胶体的表面电荷，有利于砷的稳定化。将铁盐(铁基化合物)用于去除水中砷的研究较多，用于治理土壤砷污染的报道较少。纳米铁氧化物因具有丰富的羟基、巨大的表面积，与砷之间存在很强的络合能力，对砷具有较高的吸附容量，且对土壤pH影响不大，故常被用作除砷材料。分散在土壤中的纳米铁氧化物可快速与砷污染物碰撞、吸附或共沉淀，但是，此优点也正是超细粉体材料的缺点。纳米级铁氧化物粉体在大规模使用中一经分散，容易随水流走，会导致物料损失，增加成本，而且会因大量外源铁的加入扰动土壤生态系统，影响土壤的结构性质。组装是解决超细粉体材料实际应用的一项可行技术，通过一定形式将纳米基元组合成宏观尺寸体系，以求在宏观世界展示纳米尺度的性质。丝状真菌是一种良好的组装体，从形貌结构上分析，丝状真菌具有很高的横纵比，菌丝间高度相互交错；从组成上分析，丝状真菌表面含有胞外聚合物，其主要成分为多糖和蛋白质，具有一定的生物粘性。正是这些特性，使其能够成为纳米粉体材料的负载体，以期开发出清洁高效的土壤修复固定剂。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂及其制备和应用方法，该固定剂固定修复效果好，制备和应用方法简单，不破坏土壤理化性质，无二次污染，修复后的土壤可直接用于种植。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂的制备方法，包括以下步骤：(1)采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；(2)将α-Fe2O3纳米粒子加入液体培养基内分散；(3)纳米粒子和培养基灭菌处理；(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化和培养的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中；(5)步骤(4)中已接种的培养基振荡培养形成的菌丝球。步骤(1)中所述丝状真菌为一类呈丝状，丛生，具有高横纵比的真菌，包括曲霉和/或青霉。步骤(2)中将α-Fe2O3纳米粒子加入液体培养基内，固液比为0.1-2g：100-200mL，超声分散；所述α-Fe2O3纳米粒子，要求粒径<30nm，纯度＞99.5％。步骤(2)中采用超声分散，功率50-100瓦，超声波震荡0.5-3h。步骤(3)中所述灭菌处理为将含α-Fe2O3纳米粒子的培养基放入至灭菌锅内，设置115℃，灭菌25min；高温高压灭菌后，含α-Fe2O3纳米粒子的培养基放入超净无菌操作台内，开紫外灯灭菌30-90min。步骤(4)中接种比例为纳米α-Fe2O3：液体培养基：菌液＝0.1-2g：100-200mL：0.5-3mL，菌液中菌丝体质量浓度为5.5-6mg/mL。步骤(5)将步骤(4)中已接种的培养基在26-30℃下转速140-180rpm条件下培养2-4天。步骤(5)培养2-4天后，用去离子水润洗形成的菌丝球2-5次后放置在质量浓度2.5-5％的戊二醛内于4℃下保存。一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂，是由所述的方法制备而成的。所述的砷污染土壤修复固定剂的应用方法，砷污染土壤加入所述的固定剂，再加入去离子水，质量比为土壤：固定剂：水＝100:(1-5)：(100-300)，混合均匀，处理时间至少7天。本专利技术具有如下优势：1.本专利技术的组装对象为纳米α-Fe2O3超细粉体材料，因其具有丰富的羟基、巨大的比表面积，对砷具有较高的吸附容量，且对土壤pH影响不大等特性，在土壤环境砷污染治理中日益受到重视。尽管纳米α-Fe2O3的修复效果很好，但因其粒径过小，容易随水流走等缺点制约了其在土壤修复中的应用，亟需为其寻找一个理想的载体。本专利技术首次选用丝状真菌菌丝作为负载体，如应用具有高横纵比和生物粘性的黑曲霉和产黄青霉菌作为负载体，包裹纳米α-Fe2O3，制成土壤修复固定剂，解决其在实际应用中过于分散的问题。2.本专利技术以纳米α-Fe2O3为中心物质，采用丝状真菌菌丝包裹纳米α-Fe2O3，制成针对受砷污染土壤的修复固定剂，其特点主要在于固定剂投加进入砷污染土壤时，土壤中的部分砷被真菌菌丝吸附，另一方面，固定剂会缓慢释放出有效成分——α-Fe2O3，与土壤中的砷发生吸附作用，其表面的OH-、OH2等基团被砷取代，生成非晶态的砷酸铁沉淀或难溶的次级氧化态矿物。缓慢释放的纳米级α-Fe2O3，可促进砷被刚缓释的铁氧化物吸附，也减少了因为外源铁的大量引入而对土壤结构性质的影响。3.本专利技术合成的固定剂，在同等使用纳米材料的前提下，更经济有效。即在同样修复效果的前提下，基于微生物组装合成的固定剂中的纳米材料使用量比单纯施加纳米材料的使用量要少。4.本专利技术合成的固定剂中主要元素组成为铁、碳、氢、氧、磷，这些元素是植物必须的营养元素，因此本专利技术所合成的固定剂应用于砷污染土壤的修复，无毒害，可生物降解，无二次污染，是一种环境友好型固定剂。5.本专利技术所合成的固定剂与很多常用的铁基材料(Fe0、FeCl3、FeCl2、FeSO4、Fe3O4等)相比较，在应用过程中，不会影响土壤的结构性质，对土壤pH值影响不大，不会造成土壤酸化问题，避免了二次污染的风险。本专利技术涉及的保藏编号：CGMCCNo.5599命名：PenicilliumChrysogen本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；(2)将α‑Fe2O3纳米粒子加入液体培养基内分散；(3)纳米粒子和培养基灭菌处理；(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化和培养的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中；(5)步骤(4)中已接种的培养基振荡培养形成的菌丝球。

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物组装合成的砷污染土壤修复固定剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；（2）将α-Fe2O3纳米粒子加入液体培养基内分散；（3）纳米粒子和培养基灭菌处理；（4）在超净无菌操作台内，将步骤（1）中已活化和培养的菌丝体接种至步骤（3）的灭菌培养基中；（5）步骤（4）中已接种的培养基振荡培养形成的菌丝球；步骤（1）中所述丝状真菌为一类呈丝状，丛生，具有高横纵比的真菌，包括曲霉和/或青霉；步骤（5）培养2-4天后，用去离子水润洗形成的菌丝球2-5次后放置在质量浓度2.5-5%的戊二醛内于4℃下保存。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中将α-Fe2O3纳米粒子加入液体培养基内，固液比为0.1-2g：100-200mL，超声分散；所述α-Fe2O3纳米粒子，要求粒径<30nm，纯度＞99.5%。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中采用超声分散，功率50-100瓦，超声波震荡0.5-3h。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫春，粱丽芬，柴立元，杨志辉，侍维，王海鹰，唐崇俭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43