一種激活稻田土壤硫還原菌活性的重金屬鎘鈍化劑與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域，具體設(shè)及一種激活稻田±壤硫還原菌活性的重金屬儒純化 劑與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)±資源部發(fā)布《全國(guó)±壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，全國(guó)±壤 儒、銅、鉛、鋒、儀等5種二價(jià)陽(yáng)離子型重金屬的點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%5%、 0.9%、4.8%。耕地±壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中輕微13.7%、輕度2.8%、中度1.8%和重 度污染1.1%，主要污染物為儒、儀、銅、鉛等。±壤儒等重金屬污染治理是我國(guó)面臨的重大 環(huán)境問(wèn)題，稻田儒污染尤為突出。
[0003] 我國(guó)大面積的稻田儒污染，亟待開(kāi)發(fā)一種能夠大面積推廣應(yīng)用、成本較低、不誤農(nóng) 時(shí)的技術(shù)方法，W降低稻米中儒含量。事實(shí)上，稻田儒等重金屬行為是水一±-氣一生共同 作用的地表過(guò)程;有許多元素的生物地球化學(xué)行為會(huì)影響到運(yùn)一過(guò)程。其中硫元素是稻田 人為輸入量最大的活性元素，鐵元素是稻田最活躍的高豐度金屬元素;微生物是稻田±壤 硫、鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化從而引起重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)變的主要驅(qū)動(dòng)力。稻田±壤中硫、鐵的生物地球化學(xué) 循環(huán)會(huì)影響重金屬儒的形態(tài)和生物有效性，從理解儒與硫、鐵元素循環(huán)的生物地球化學(xué)基 礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題與研制具有應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品入手，降低稻田儒的移動(dòng)性與生物有效性，減少水 稻吸收儒，從而提高稻米儒的安全性，是切實(shí)可行的技術(shù)思路，也是我國(guó)大面積稻田儒污染 控制的必由之路。
[0004] 硫顯著影響重金屬儒的活性和生物有效性。硫是±壤中重要的活性元素，其地球 化學(xué)過(guò)程非常活躍?！廊乐械牧蛴?2至+6不同價(jià)態(tài)，主要包括滬、S*\S04 2-、S2032-和S4〇產(chǎn)等 離子形式。進(jìn)入±壤的s〇42^，在厭氧條件下很快被還原在s 2-，s2^可W與金屬離子形成硫化 物，從而對(duì)重金屬起到穩(wěn)定化作用；但±壤中硫在氧化形成s〇4 2i寸，會(huì)產(chǎn)生大量的r，導(dǎo)致 重金屬活化(陳懷滿等，2002)。因此，±壤中硫的氧化-還原過(guò)程是控制±壤重金屬溶解-沉 淀的關(guān)鍵機(jī)制?！廊牢⑸镌诹蛩猁}源和匯中起著中屯、作用，各種微生物之間的相互作用 是±壤硫酸鹽含量的重要調(diào)節(jié)因子(Wainwright，1984)。
[0005] 最近Muehe等人分離出Geobacter sp. strain Cdl,該菌株可還原溶解含Cd氧化鐵 礦物，該菌還原氧化鐵后，釋放的Cd可W被二次氧化鐵礦物固定(Muehe et al. ,2013)。該 研究表明，鐵還原過(guò)程中，由于氧化鐵礦物的重結(jié)晶也會(huì)促進(jìn)Cd的再次固定。Cooper等人研 究發(fā)現(xiàn)，在此過(guò)程中，±壤中游離態(tài)二價(jià)重金屬(Cd、Co、Mn、Ni、化及Zn)在氧化鐵重結(jié)晶過(guò) 程中均可被固定在次生礦物結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)重金屬結(jié)構(gòu)化固定脫毒（Cooper et al.， 2006) O
[0006] 根據(jù)上述原理分析，激活±壤中硫還原菌等微生物活性可W促進(jìn)稻田±壤硫、鐵 還原，并進(jìn)而固定儒?！廊乐辛蜻€原菌等微生物的活性與±壤中電子供體、電子穿梭體等有 關(guān)。通過(guò)向稻田±壤添加電子供體和電子穿梭體可W有效激活硫還原菌等微生物的活性。
[0007] 電子供體是指硫還原菌等微生物生長(zhǎng)需要的低分子量有機(jī)碳物質(zhì)。電子穿梭體是 指在微生物與礦物之間搬運(yùn)電子的載體。電子穿梭體從胞外呼吸微生物獲得電子，被還原， 然后將電子傳遞給電子受體(礦物，例如氧化鐵），同時(shí)被氧化，穿梭體自身的結(jié)構(gòu)在此過(guò)程 中相對(duì)穩(wěn)定，不被消耗。驅(qū)動(dòng)鐵還原與硫還原的大部分微生物均具有胞外呼吸功能，因此電 子穿梭體能夠激活鐵還原與硫還原微生物，同時(shí)加速稻田上壤的鐵還原與硫還原過(guò)程。
[0008] 電子穿梭體包括具有釀基結(jié)構(gòu)的小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)、大分子腐殖質(zhì)、固體類腐 殖質(zhì)生物炭。小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)AQDS(9, l〇-anthraquinone-2,6-disulfonic acid,蔥 釀-2,6-二橫酸鋼）的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為-0.184V，其他幾種含有釀基的腐殖質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)氧 化還原電位值大概在-0.5~-0.003V。運(yùn)些值均低于硝酸鹽還原、硫酸鹽還原及鐵還原的標(biāo) 準(zhǔn)氧化還原電位。大多數(shù)情況下，腐殖質(zhì)與類腐殖質(zhì)均可W先于硝酸鹽、硫酸鹽及氧化鐵獲 得電子，并把其獲得的電子傳遞給包括硝酸鹽、硫酸鹽及氧化鐵在內(nèi)的其他電子受體。因 此，腐殖質(zhì)與類腐殖質(zhì)在元素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中充當(dāng)電子穿梭體的角色。腐殖質(zhì)是 ±壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，按腐殖質(zhì)在水溶液中溶解特性將其分為=個(gè)相對(duì)均質(zhì)的組 分：（1)富里酸（Fulvic Acid,FA，又可稱為黃腐酸），可溶于酸也可溶于堿；（2)胡敏酸 化umic AcicUHA),只溶于堿溶液，堿萃取液酸化后生成沉淀；（3)胡敏素化umin，麗），不溶 于酸也不溶于堿。腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中含有大量的活性官能團(tuán)，如簇基、醇徑基和酪徑基等， 因而具有很高的地球化學(xué)活性，能與進(jìn)入環(huán)境中的加^(1、？(1、211和化等有毒金屬離子發(fā)生 絡(luò)合作用；最重要的是，腐殖質(zhì)的釀基基團(tuán)決定了它是一類具有氧化還原活性的天然有機(jī) 物。固態(tài)類腐殖質(zhì)生物炭的表面包含大量酪基、釀基W及芳香基團(tuán)，都是參與電子傳遞的重 要反應(yīng)位點(diǎn)。釀基是最重要的電子傳遞活性位點(diǎn)，其電子傳遞貢獻(xiàn)約占70%，非釀基位點(diǎn)的 電子傳遞貢獻(xiàn)約占30%。
[0009] 根據(jù)W上分析，上述電子穿梭體均具有激活硫還原菌、鐵還原菌等微生物的功能， 利用上述運(yùn)些物質(zhì)激活硫還原菌等微生物活性，利用硫、鐵元素循環(huán)的禪合儒固定純化關(guān) 系，研發(fā)降低稻田儒移動(dòng)性的技術(shù)方法與新產(chǎn)品；從元素循環(huán)的生物地球化學(xué)視角，調(diào)控稻 田±壤與儒純化相關(guān)的功能微生物活性，降低稻田±壤儒的移動(dòng)性，達(dá)到稻田儒污染治理 的目的。對(duì)我國(guó)大面積農(nóng)田重金屬污染治理具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點(diǎn)，本發(fā)明的首要目的在于提供一種激活稻田±壤 硫還原菌活性的重金屬儒純化劑，該重金屬儒純化劑可激活稻田±壤硫還原菌等微生物活 性，從而促進(jìn)儒吸附固定與沉淀固定，可有效降低稻米重金屬儒含量，實(shí)現(xiàn)中輕度污染稻田 的達(dá)標(biāo)生產(chǎn)。
[0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述重金屬儒純化劑的制備方法。
[0012] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述重金屬儒純化劑的應(yīng)用。
[0013] 本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種激活稻田±壤硫還原菌活性的重金屬儒純化 方法，該方法可W降低稻田±壤孔隙水中重金屬儒濃度，促使可交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為固定 態(tài)重金屬。
[0014] 本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0015] -種激活稻田±壤硫還原菌活性的重金屬儒純化劑，為單獨(dú)的電子穿梭體或由電 子穿梭體和電子供體組成，不能只是單獨(dú)的電子供體；
[0016] 所述的激活稻田±壤硫還原菌活性的重金屬儒純化劑優(yōu)選由電子供體和電子穿 梭體混合組成，其中，電子供體和電子穿梭體的質(zhì)量比為(1:3)~（1:8);
[0017] 所述的電子供體是指硫還原菌等微生物生長(zhǎng)需要的低分子量有機(jī)碳；
[0018] 所述的電子供體優(yōu)選為有機(jī)酸類、醇類、糖類和其他大分子碳水化合物類中的至 少一種.
[0019] 所述的有機(jī)酸類優(yōu)選為乙酸、丙酸、巧樣酸、乳酸和酒石酸等中的至少一種；
[0020] 所述的醇類優(yōu)選為乙醇和丙醇等中的至少一種；
[0021] 所述的糖類優(yōu)選為葡萄糖和薦糖等中的至少一種；
[0022] 所述的其他大分子碳水化合物類優(yōu)選為淀粉和蜂蜜等中的至少一種；
[0023] 所述的電子供體進(jìn)一步優(yōu)選為乙酸、乳酸和葡萄糖中的至少一種；
[0024] 所述的電子穿梭體為小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)、大分子腐殖質(zhì)和固體類腐殖質(zhì)生物炭 中的至少一種.
[0025] 所述的電子穿梭體優(yōu)選為小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)、大分子腐殖質(zhì)和固體類腐殖質(zhì)生 物炭的混合物；
[0026] 所述的小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)、大分子腐殖質(zhì)和固體類腐殖質(zhì)生物炭的質(zhì)量比優(yōu)選 為（1:2.5:5)~（1:5:10);
[0027] 所述的小分子苯釀?lì)惛迟|(zhì)優(yōu)選為蔥釀-2，6-二橫酸鋼；
[0028] 所述的大分子腐殖質(zhì)優(yōu)選為黃腐酸、胡敏酸和胡敏素中的至少一種；
[0029] 所述的固體類腐殖質(zhì)生物炭的制備方法，包含如下步驟：
[0030] 將生物質(zhì)干燥并粉碎，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，升溫至300°C~500°C，保溫8~lOh，停 止加熱后繼續(xù)保持氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍直至冷卻，粉碎過(guò)篩;得到固體類腐殖質(zhì)生物炭；
[0031] 所述的生物質(zhì)為草本或木本植物根、莖和葉中的至少一種；
[0032] 所述的生物質(zhì)干燥并粉碎后優(yōu)選粒徑小于5cm;
[0033] 所述的過(guò)篩優(yōu)選過(guò)60~200目篩；
[0034] 所述的固體類腐殖質(zhì)生物炭的固定炭含量不小于5