一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系构建及其钝化重金属方法与应用

本发明涉及重金属污染修复，更具体地说，它涉及一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系构建及其钝化重金属方法与应用。

背景技术：

1、土壤重金属严重影响动植物的生长，随食物链的传递和生态循环，最终进入人体内，对人类的身体健康造成严重的伤害。传统的重金属污染修复方法主要有化学淋洗法、化学钝化法、隔离包埋法和生物法等，这些方法普遍存在成本高、去除效率低、二次污染等问题，单一使用很难达到预期效果。研究表明，化学修复法联合微生物修复法可以极大的降低重金属毒性，达到生物可承受范围，已经成为一种应用前景广泛，环境友好型修复方法。

2、铁基材料具有较大的比表面积、丰富的活性位点和高反应活性，在环境治理领域得到广泛应用，目前应用最多的铁基材料主要有零价铁、氧化铁和改性的铁基材料。其中用污泥改性的铁基材料能够发挥污泥中磷酸盐对重金属的钝化沉淀作用，以及铁基材料自身的还原性对重金属的还原功能，被大量应用于土壤重金属污染修复。但污泥改性的铁基材料在应用的过程中，随着反应时间的增加其铁基的还原活性逐渐降低，会导致电子利用率降低进而影响修复效率。其次，单一使用污泥改性的铁基材料修复仍存在破坏土壤结构、成本高等缺点。因此，联合微生物修复技术可有效解决这些问题。

3、异化铁还原菌能以氧化铁为电子受体，通过氧化-还原过程产生低价铁，低价铁具有很强的还原性，可以有效地将大量高价态、毒性强的重金属还原为低价态、毒性弱甚至无毒态的形态。污泥功能化铁基材料具有很多表面官能团，特殊的孔结构和较大的比表面积有利于微生物的附着。异化铁还原菌与污泥功能化铁基材料结合后，能够充分发挥其铁还原功能，在反应的过程中持续保持污泥功能化铁基材料的还原活性。同时，污泥功能化铁基材料中大量的铁源和碳源，能够为异化铁还原菌的生长提供充足的营养物质。因此，两者协同既能实现重金属的稳定化处理，又能避免二次污染，是一种极具发展潜力的方法。

4、cn110484274b公布了一种新型铁基材料耦合异化铁还原用于深层cr(vi)污染土壤的修复方法。该方法通过铁硅酸盐矿物与有机酸激活剂在水介质中反应得到新型铁基材料，并通过微生物耦合铁基材料对土壤铬污染进行修复。该方法在制备铁基材料中使用大量的有机酸会对土壤造成伤害，导致土壤板结等问题。

5、cn114891688a公布了一种解磷菌耦合异化铁还原菌体系及其在固定重金属中的应用。该方法通过构建解磷菌耦合异化铁还原菌共存体系诱导次生矿形成来固定重金属。该方法对河道底泥镉的固定效果不显著且固定条件严格，要求在厌氧及碱性条件下才能达到固定效果。

6、cn114195247a公布了一种异化铁还原菌介导下纳米零价铁高效去除水体中cr(vi)的方法。该方法利用异化铁还原菌缓解纳米零价铁在还原铬过程中的钝化问题。该方法制备纳米零价铁的成本高且对铬的去除效果较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系构建及其钝化重金属方法与应用，该修复体系工艺简单，无二次污染，可以高效绿色地修复土壤重金属污染，为化学-微生物联合修复技术在环境修复领域的推广和应用提供理论基础。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌修复体系，包括市政污泥功能化铁基材料、异化铁还原菌以及厌氧培养基；将活化的异化铁还原菌接种于以市政污泥功能化铁基材料为唯一铁源的厌氧培养基中，构建出污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌修复体系。

4、进一步的，所述厌氧培养基包括碳源、磷源、铁源、无机盐、微生素和溶剂，所述溶剂为水；所述碳源为2.5g/l乙酸钠和污泥功能化铁基材料中的有机碳；所述磷源为0.6g/l的nah2po4﹒h2o和污泥功能化铁基材料中无机磷；所述铁源为以污泥功能化铁基材料为唯一的铁源。

5、进一步的，所述异化铁还原菌为geobacter metallireducens。

6、本发明还提供一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系构建方法，具体包括以下步骤：

7、s1：将前期保存的异化铁还原菌菌液置于培养箱中缓慢解冻，解冻后从培养箱中取出异化铁还原菌菌液置于厌氧手套箱中，使用无菌注射器抽取2.5ml菌液转移至50ml新鲜的种子培养基中，在37℃培养箱中活化3天，备用；

8、s2：以5％的接种量将步骤s1中的培养液接种转移至同样的种子培养基中，在相同的培养条件下，培养3天后，得到新鲜的种子液，用于后续实验；

9、s3：将s2中活化的异化铁还原菌接种于以污泥功能化铁基材料为唯一铁源的厌氧无机盐培养基中，通过设置不同铁基材料投加量并进行优化，最终构建出污泥功能化铁基材料耦合铁还原菌体系。

10、进一步的，在培养期间，分别在不同培养时间移取一定量的培养液用来测定fe2+的浓度，最终通过fe2+的浓度来评估体系是否构建成功。

11、进一步的，所述s2中厌氧无机培养基包括碳酸氢钠2.5g、氯化铵0.25g、氯化钾0.1g、磷酸二氢钠0.6g、1mmol/l硒酸钠1ml、乙酸钠1.36g、维生素混合液10ml、无机盐混合液10ml、去离子水至1000ml；所述维生素混合液包括：盐酸吡哆醇10mg、维生素b12 0.1mg、生物素2mg、叶酸2mg、泛酸5mg、硫胺素5mg、核黄素5mg、烟酸5mg、对氨基苯甲酸5mg、硫辛酸5mg、去离子水1000ml；所述无机盐混合液包括：氨三乙酸三钠1.5g、硫酸镁3g、硫酸锰0.5g、氯化钠1g、硫酸亚铁0.1g、氯化钙0.1g、氯化钴0.1g、氯化锌0.13g、硫酸铜0.01g、硫酸铝钾0.01g、硼酸0.01g、钼酸钠0.025g、氯化镍0.024g、钨酸钠0.025g、去离子水1000ml。

12、进一步的，所述污泥功能化铁基材料的制备具体包括以下步骤：

13、s2-1：按指定磷、铁、碳比例将无水三氯化铁和尿素溶于污泥预处理后的含磷和碳的上清液，用磁力搅拌器混合均匀，转移至反应釜中密封，置于马弗炉中反应，反应温度为160-200℃，反应时间为8-12h，反应结束后自然冷却至室温；

14、s2-2：将s2-1中得到的混合物用去离子水洗涤三次，然后置于真空干燥箱中干燥，得到红褐色固体粉末；

15、s2-3：在氮气的保护条件下，将s2-2中的样品置于管式炉中进行碳化反应，得到市政污泥功能化铁基材料。

16、进一步的，所述s2-1中磷、铁、碳的摩尔比为1:10:150；所述s2-1中马弗炉反应温度为180℃，反应时间为10h；所述s2-3中碳化反应的碳化温度为800℃，反应时间为1h。

17、进一步的，污泥功能化铁基材料与厌氧培养基均需进行灭菌处理。

18、本发明还提供一种市政污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系对土壤重金属钝化上的应用，所述重金属为铬、铅、镉。

19、所述修复的钝化，具体包括污泥功能化铁基材料耦合异化铁还原菌体系对土壤重金属的钝化；

20、具体地，所述含有重金属的土壤为模拟污染的土壤；

21、所述含有重金属的土壤中，含有单个重金属的含量分别为铅1200mg/kg，1500mg/kg，镉15mg/kg，含有复合污染的重金属含量为铅600mg/kg、铬750mg/kg、镉8mg/kg；

22、修复时间为7～50天，具体为30天；

23、培养温度为25～40℃，具体为30℃；

24、综上所述，本发明具有以下有益效果：

25、1、市政污泥功能化铁基材料原料丰富，简单易得，成本低廉，特殊的孔隙结构可以为微生物提供附着点，丰富的铁源、磷源和碳源又可为微生物提供营养物质；

26、2、异化铁还原菌能够有效促进铁的还原过程，保持市政污泥功能化铁基材料的还原活性，极大效率地促进了对土壤重金属钝化，且有效避免了二次污染；

27、3、化学和微生物修复技术相结合，克服了传统单一修复技术带来的缺陷，可以实现对土壤重金属的高效绿色持续修复，应用前景广泛。