一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂与应用制造技术

本发明专利技术属于环保领域，具体涉及一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂与应用。所述的重金属镉钝化剂，为单独的电子穿梭体或由电子穿梭体和电子供体组成，不能只是单独的电子供体；其中，电子供体和电子穿梭体的质量比为(1：3)～(1：8)。该钝化剂原料来源广泛、制备简单易于大规模工厂化生产；可以应用于重金属污染治理技术领域。本发明专利技术还提供了一种激活稻田土壤硫还原菌等微生物活性的重金属镉钝化方法，通过该方法向稻田土壤中施加该功能钝化剂可以激活硫还原菌等微生物活性，从而加速土壤硫和铁的还原过程促进镉的固定；减少水稻对镉的吸收和积累，实现中轻度镉污染稻田的安全生产，且该方法不耽误农时、易于大面积推广。

Heavy metal cadmium passivating agent for activating sulfur reducing bacteria activity in paddy soil and application thereof

The invention belongs to the field of environmental protection, in particular relates to a heavy metal cadmium passivating agent for activating the activity of sulfur reducing bacteria in paddy soil and its application. The heavy metal passivator, for single electron shuttle or by electron shuttle and electron donor, not just a single electron donor; wherein, the quality of electron donor and electron shuttle ratio (1:3) ~ (1:8). The passivating agent has the advantages of wide raw material source, simple preparation and easy large-scale production, and can be used in the field of heavy metal pollution control technology. The invention also provides a method to activate the passivation of heavy metal cadmium in paddy soil sulfur reducing bacteria activity, through this method to paddy soil applying the passivator can activate the sulfur reducing bacteria activity, thus speeding up the reduction process of soil sulfur and iron promoting cadmium fixation; absorption and accumulation of cadmium in rice decreased the implementation of safe production in low cadmium contaminated paddy field, and the method is not to delay the farming, easy popularization in large area.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环保领域，具体涉及一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂与应用。
技术介绍
2014年环境保护部和国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》，全国土壤镉、铜、铅、锌、镍等5种二价阳离子型重金属的点位超标率分别为7.0％、2.1％、1.5％、0.9％、4.8％。耕地土壤点位超标率为19.4％，其中轻微13.7％、轻度2.8％、中度1.8％和重度污染1.1％，主要污染物为镉、镍、铜、铅等。土壤镉等重金属污染治理是我国面临的重大环境问题，稻田镉污染尤为突出。我国大面积的稻田镉污染，亟待开发一种能够大面积推广应用、成本较低、不误农时的技术方法，以降低稻米中镉含量。事实上，稻田镉等重金属行为是水—土—气—生共同作用的地表过程；有许多元素的生物地球化学行为会影响到这一过程。其中硫元素是稻田人为输入量最大的活性元素，铁元素是稻田最活跃的高丰度金属元素；微生物是稻田土壤硫、铁形态转化从而引起重金属形态转变的主要驱动力。稻田土壤中硫、铁的生物地球化学循环会影响重金属镉的形态和生物有效性，从理解镉与硫、铁元素循环的生物地球化学基础科学问题与研制具有应用价值的产品入手，降低稻田镉的移动性与生物有效性，减少水稻吸收镉，从而提高稻米镉的安全性，是切实可行的技术思路，也是我国大面积稻田镉污染控制的必由之路。硫显著影响重金属镉的活性和生物有效性。硫是土壤中重要的活性元素，其地球化学过程非常活跃。土壤中的硫有-2至+6不同价态，主要包括S2-、S0、SO42-、S2O32-和S4O62-等离子形式。进入土壤的SO42-，在厌氧条件下很快被还原在S2-，S2-可以与金属离子形成硫化物，从而对重金属起到稳定化作用；但土壤中硫在氧化形成SO42-时，会产生大量的H+，导致重金属活化(陈怀满等，2002)。因此，土壤中硫的氧化-还原过程是控制土壤重金属溶解-沉淀的关键机制。土壤微生物在硫酸盐源和汇中起着中心作用，各种微生物之间的相互作用是土壤硫酸盐含量的重要调节因子(Wainwright,1984)。最近Muehe等人分离出Geobactersp.strainCd1，该菌株可还原溶解含Cd氧化铁矿物，该菌还原氧化铁后，释放的Cd可以被二次氧化铁矿物固定(Mueheetal.,2013)。该研究表明，铁还原过程中，由于氧化铁矿物的重结晶也会促进Cd的再次固定。Cooper等人研究发现，在此过程中，土壤中游离态二价重金属(Cd、Co、Mn、Ni、Pb及Zn)在氧化铁重结晶过程中均可被固定在次生矿物结构中，从而实现重金属结构化固定脱毒(Cooperetal.,2006)。根据上述原理分析，激活土壤中硫还原菌等微生物活性可以促进稻田土壤硫、铁还原，并进而固定镉。土壤中硫还原菌等微生物的活性与土壤中电子供体、电子穿梭体等有关。通过向稻田土壤添加电子供体和电子穿梭体可以有效激活硫还原菌等微生物的活性。电子供体是指硫还原菌等微生物生长需要的低分子量有机碳物质。电子穿梭体是指在微生物与矿物之间搬运电子的载体。电子穿梭体从胞外呼吸微生物获得电子，被还原，然后将电子传递给电子受体(矿物，例如氧化铁)，同时被氧化，穿梭体自身的结构在此过程中相对稳定，不被消耗。驱动铁还原与硫还原的大部分微生物均具有胞外呼吸功能，因此电子穿梭体能够激活铁还原与硫还原微生物，同时加速稻田土壤的铁还原与硫还原过程。电子穿梭体包括具有醌基结构的小分子苯醌类腐殖质、大分子腐殖质、固体类腐殖质生物炭。小分子苯醌类腐殖质AQDS(9,10-anthraquinone-2,6-disulfonicacid，蒽醌-2,6-二磺酸钠)的标准氧化还原电位为-0.184V，其他几种含有醌基的腐殖质的标准氧化还原电位值大概在-0.5～-0.003V。这些值均低于硝酸盐还原、硫酸盐还原及铁还原的标准氧化还原电位。大多数情况下，腐殖质与类腐殖质均可以先于硝酸盐、硫酸盐及氧化铁获得电子，并把其获得的电子传递给包括硝酸盐、硫酸盐及氧化铁在内的其他电子受体。因此，腐殖质与类腐殖质在元素生物地球化学循环过程中充当电子穿梭体的角色。腐殖质是土壤有机质的重要组成部分，按腐殖质在水溶液中溶解特性将其分为三个相对均质的组分：(1)富里酸(FulvicAcid，FA，又可称为黄腐酸)，可溶于酸也可溶于碱；(2)胡敏酸(HumicAcid，HA)，只溶于碱溶液，碱萃取液酸化后生成沉淀；(3)胡敏素(Humin，HM)，不溶于酸也不溶于碱。腐殖质分子结构中含有大量的活性官能团，如羧基、醇羟基和酚羟基等，因而具有很高的地球化学活性，能与进入环境中的Cu、Cd、Pd、Zn和Hg等有毒金属离子发生络合作用；最重要的是，腐殖质的醌基基团决定了它是一类具有氧化还原活性的天然有机物。固态类腐殖质生物炭的表面包含大量酚基、醌基以及芳香基团，都是参与电子传递的重要反应位点。醌基是最重要的电子传递活性位点，其电子传递贡献约占70％，非醌基位点的电子传递贡献约占30％。根据以上分析，上述电子穿梭体均具有激活硫还原菌、铁还原菌等微生物的功能，利用上述这些物质激活硫还原菌等微生物活性，利用硫、铁元素循环的耦合镉固定钝化关系，研发降低稻田镉移动性的技术方法与新产品；从元素循环的生物地球化学视角，调控稻田土壤与镉钝化相关的功能微生物活性，降低稻田土壤镉的移动性，达到稻田镉污染治理的目的。对我国大面积农田重金属污染治理具有非常重要的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足和缺点，本专利技术的首要目的在于提供一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，该重金属镉钝化剂可激活稻田土壤硫还原菌等微生物活性，从而促进镉吸附固定与沉淀固定，可有效降低稻米重金属镉含量，实现中轻度污染稻田的达标生产。本专利技术的另一目的在于提供上述重金属镉钝化剂的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供上述重金属镉钝化剂的应用。本专利技术的第四个目的在于提供一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化方法，该方法可以降低稻田土壤孔隙水中重金属镉浓度，促使可交换态重金属转化为固定态重金属。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，为单独的电子穿梭体或由电子穿梭体和电子供体组成，不能只是单独的电子供体；所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂优选由电子供体和电子穿梭体混合组成，其中，电子供体和电子穿梭体的质量比为(1：3)～(1：8)；所述的电子供体是指硫还原菌等微生物生长需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，其特征在于：为单独的电子穿梭体或由电子穿梭体和电子供体组成。

【技术特征摘要】
1.一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，其特征在于：为单
独的电子穿梭体或由电子穿梭体和电子供体组成。
2.根据权利要求1所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，
其特征在于：所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂由电子供体
和电子穿梭体混合组成，其中，电子供体和电子穿梭体的质量比为(1：3)～
(1：8)。
3.根据权利要求1或2所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化
剂，其特征在于：
所述的电子供体为有机酸类、醇类、糖类和其他大分子碳水化合物类中的至
少一种；
所述的电子穿梭体为小分子苯醌类腐殖质、大分子腐殖质和固体类腐殖质生
物炭中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，
其特征在于：
所述的电子供体为乙酸、乳酸和葡萄糖中的至少一种；
所述的电子穿梭体为小分子苯醌类腐殖质、大分子腐殖质和固体类腐殖质生
物炭的混合物。
5.根据权利要求4所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，
其特征在于：
所述的小分子苯醌类腐殖质、大分子腐殖质和固体类腐殖质生物炭的质量比
为(1:2.5:5)～(1:5:10)。
6.根据权利要求3所述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂，
其特征在于：
所述的固体类腐殖质生物炭的制备方法，包含如下步骤：
将生物质干燥并粉碎，在氮气保护氛围下，升温至300℃～500℃，保温8～
10h，停止加热后继续保持氮气保护氛围直至冷却，粉碎过筛；得到固体类腐殖
质生物炭。
7.一种造粒的重金属镉钝化剂，其特征在于：包含权利要求1～5任一项所
述的激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂和粘结剂；其制备方法，包
含如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芳柏，刘传平，王向琴，乔江涛，
申请(专利权)人：广东省生态环境与土壤研究所广东省土壤科学博物馆，
类型：发明
国别省市：广东;44