技术领域本发明涉及微纳材料组装与镉污染土壤修复结合的技术领域，具体涉及一种适用于镉污染土壤修复的固定剂产品及其制备和应用方法。
背景技术：
近年来，“镉大米”、“重金属蔬菜”、“血铅事件”等土壤污染案件频频见报，引起公众极大的关注。根据环境保护部与国土资源部2014年4月联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。污染类型以无机型为主，有机型次之，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8％。“环境五毒”镉、铅、砷、铬、汞无机污染物点位超标率分别为7.0％、1.5％、2.7％、1.1％、1.6％。土壤中的镉(Cd)主要来源于矿区的大量开采和农田污灌，进入土壤中的重金属不仅影响农产品产量、品质及整个农田生态系统，并可通过食物链更严重地危及人类及其它生物的健康。由此可见，对我国镉(Cd)污染土壤进行合理有效的修复已经迫在眉睫。目前，土壤中镉污染的治理主要有两条思路：一是去除化，也就是说将重金属从土壤环境系统中移除；二是固定化，即利用固定剂将重金属固定于土壤中。归根到底，这两种方式的目的都是为了减少重金属在土壤中的迁移性和降低其生物有效性。围绕这两条思路，国内外发展出一系列修复技术，主要有工程技术(包括换土法、客土法等)，物理法(包括电动修复法、电热修复法等)，化学法(包括化学淋洗法、固化/稳定化法等)，生物法(包括植物修复、微生物修复等)等。每种修复技术都有其优缺点。比如换土法和客土法适用于重度污染的小面积土壤，工程量大，费用高；电动修复法尚处于试验研究阶段，能耗大，投资成本高；化学淋洗法易破坏土壤理化性质；固化/稳定化法处理效果依固定剂而定，且存在一定的环境风险；生物修复法操作简便，对土壤无害，也无二次污染，但修复周期长，也不适用于高浓度污染土壤。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。有文献报道，纳米羟基磷灰石(nano-HAP)对Cd2+有很高的吸附能力，并且能明显提高土壤溶液pH值，显著降低土壤Cd的生物有效性。分散在土壤中的纳米羟基磷灰石可快速与污染物碰撞并实现固定，然而，此优点也正是超细粉体材料的缺点。纳米级羟基磷灰石粉体在大规模使用中一经分散，容易随水流走，造成水体富营养化。这不仅导致物料损失，增加成本，而且会引入二次污染，不利于其实际应用。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。丝状真菌是一种典型的微生物，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。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于微生物组装合成的镉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，成本较低，制备和应用方法简单，不影响土壤理化性质，修复后的土壤可直接用于种植。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于微生物组装合成的镉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)将羟基磷灰石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)中将羟基磷灰石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；所述羟基磷灰石纳米粒子，要求粒径<100nm，纯度＞97％。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羟基磷灰石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，含羟基磷灰石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)中接种比例为纳米羟基磷灰石：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镉污染土壤修复固定剂，是由所述的方法制备而成的。所述的镉污染土壤修复固定剂的应用方法，镉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。本发明具有如下优势：1.本发明的组装对象为纳米羟基磷灰石(n-HAP)，因其具有高比表面积、高反应活性和强吸附等特性，在土壤环境污染治理中日益受到重视。尽管n-HAP的修复效果很好，但在大规模实际应用中因其粒径太小，容易随水流走，不仅其修复效果大打折扣，而且造成了二次污染，这严重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。本发明首次选用丝状真菌菌丝为负载体。比如黑曲霉是曲霉属真菌中的一个常见种，来源广泛，是公认的丝状真菌研究的模式标本。菌丝生产成本极低，过程清洁可持续，加工无需昂贵的设备，便于大规模处理，另外，黑曲霉菌丝横纵比很高，构成了孔隙通道发达的组织体，利于传质，细胞壁主要由生物大分子构成，性质稳定，其细胞表面可作纳米粒子的附着区域。本发明主要应用黑曲霉高横纵比和具有生物粘性等的特性，以黑曲霉菌丝作为负载体，包裹纳米羟基磷灰石，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.本发明以纳米羟基磷灰石为中心物质，采用黑曲霉菌丝包裹纳米羟基磷灰石，制成针对高污染高酸度的镉污染土壤修复固定剂，其特点主要在于固定剂投加进入镉污染土壤时，土壤中的部分镉被真菌菌丝吸附，另一方面，固定剂会缓慢释放出有效成分——n-HAP，n-HAP逐渐在土壤溶液中溶解，Cd2+与羟基磷灰石中的Ca2+发生离子交换，或被羟基磷灰石表面晶格中的金属离子吸附，将镉从易于被生物体吸收的生物有效态向低活性形态转变，该固定剂在高污染高酸度污染土壤中效果更佳，因酸度的增加能促进溶解纳米羟基磷灰石。但同时纳米级羟基磷灰石粉体释放缓慢，释放量不大，不会造成土壤或者水体富营养化的后果。3.本发明合成的固定剂中主要元素组成为钙、磷、碳、氢、氧，这些元素是植物必须的营养元素，因此本发明所合成的固定剂应用于镉污染土壤的固定，无毒害，可生物降解，无二次污染，是一种环境友好型固定剂。4.本发明所合成的固定剂与很多常用的磷基材料(磷酸、磷酸二氢钾、磷酸二氢钙、磷矿石等)相比较，在应用过程中更为高效，且不会导致地下水富营养化，避免了二次污染的风险，也不会影响土壤结构的稳定，更利于后期耕作物。本发明涉及的保藏编号：CGMCCNo.5599命名：PenicilliumChrysogenumF1的菌株，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号；保藏日期：2011年12月15日。附图说明图1为本发明实施例1固定剂合成的工艺流程图；图2为本发明包裹纳米粒子前纯菌丝球的扫描电镜图(SEM)；图3为本发明固定剂的扫描电镜图(SEM)；图4为本发明固定剂的XRD图；图5为本发明固定剂固定镉后的XRD图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例旨在对本发明做进一步详细说明，而非限制本发明。实施例1制备本发明修复镉污染土壤固定剂：(1)采用PDA培养基活化及扩大培养黑曲霉(Aspergillusniger)，购于中国典型培养物保藏中心，菌种编号CCTCCAF91006；(2)1.0g的羟基磷灰石纳米粒子(粒径<100nm，纯度＞97％)加入至100mL的液体PDA培养基内，采用功率100瓦的超声波超声分散0.5h；(3)将含纳米羟基磷灰石的PDA培养基放入至高温高压灭菌锅内，设置115℃，灭菌25min。高温高压灭菌后，培养基转移至超净无菌操作台内，开紫外灯灭菌30min；(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中，接种量为1mL；菌液中菌丝体质量浓度为5.89mg/mL；(5)步骤(4)中已接种的培养基置于气浴摇床中振荡，30℃下培养2-3天，转速为160rpm；(6)2-3天后，用去离子水润洗步骤(5)中形成的菌丝球2-3次，后放置在质量浓度2.5％的戊二醛内于4℃下保存。实施例2制备本发明修复镉污染土壤固定剂：(1)采用改良的LB培养基(每100mL培养基：LB培养基2.5g、葡萄糖9g、硝酸钠0.3g)活化及扩大培养产黄青霉菌(PenicilliumChrysogenumF1)，菌株自行采集于湖南省株洲市，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCCNo.5599，并已经申请过专利；(2)1.0g的羟基磷灰石纳米粒子(粒径<100nm，纯度＞97％)加入至200mL的液体改良LB培养基内，采用功率100瓦的超声波超声分散1.5h；(3)将含纳米羟基磷灰石的改良LB培养基放入至高温高压灭菌锅内，设置115℃，灭菌25min。高温高压灭菌后，培养基转移至超净无菌操作台内，开紫外灯灭菌30min；(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中，接种量为1mL；菌液中菌丝体质量浓度为5.89mg/mL；(5)步骤(4)中已接种的培养基置于水浴摇床中振荡，28℃下培养2-3天，转速为150rpm；(6)2-3天后，用去离子水润洗步骤(5)中形成的菌丝球2-3次，后放置在质量浓度2.5％的戊二醛内于4℃下保存。实施例3土壤取自某铅锌尾矿库周边低污染水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为6.58，呈弱酸性。土壤中有效态Cd含量为7.01mg/kg。分别将0.2g实施例1中的固定剂(固定剂中含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g低污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，低污染土壤经固定剂或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表1所示。表1低污染土壤处理前后有效态Cd含量有效态Cd(mg/kg)固定率低污染土壤7.01—经实施例1固定剂处理后2.3266.9％经纯n-HAP处理后3.8545.1％实施例4土壤取自某铅锌尾矿库周边中度污染的水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为6.52，呈弱酸性。土壤中有效态Cd含量为36.77mg/kg。分别将0.2g实施例1和2中的固定剂(固定剂中含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g中污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，中污染土壤经实施例1、2固定剂或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表2所示，由此可见，实施例1生产的固定剂比实施例2效果更佳。表2中污染土壤处理前后有效态Cd含量实施例5土壤取自某铅锌尾矿库周边高污染水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为5.90，呈酸性。土壤中有效态Cd含量分别为127.0mg/kg。分别将0.2g实施例1中的固定剂(固定剂中含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g高污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，高污染土壤经实施例1固定剂或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表3所示，可见本发明处理高污染高酸度污染土壤的效果更佳。表3高污染土壤处理前后有效态Cd含量有效态Cd(mg/kg)固定率Cd高污染土壤127.0—经实施例1固定剂处理后17.286.5％经纯n-HAP处理后93.626.3％