一种改性麦饭石钝化材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及农用微生物菌剂载体，具体涉及一种改性麦饭石钝化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、土壤铅污染给人类的生产生活带来了极大的威胁。铅污染土壤主要分布在公路周边土壤和灌溉区，甚至在农田和果园中也检测出了高含量的铅元素，这对于食品安全问题的威胁日益严重，而且排放量还在不断增加，导致了治理技术的需求越来越大。

2、麦饭石是一种高效无毒的药物矿石，具有矿化性、吸附性。麦饭石作为天然的重金属污染土壤修复材料，目前被广泛应用。然而，天然麦饭石由于孔道存在杂质，导致其固定化效果不佳；同时对土壤中重金属的吸附能力有限，不能高效的去除土壤环境中的重金属，影响其修复土壤污染的效率。

3、固定化菌剂是微生物肥料的一种制备剂型，而喷雾干燥是生产固定化菌剂的方法之一。该技术通过将菌剂物料雾化成微小液滴，然后用热空气将液滴干燥，从而得到脱水产品。但喷雾干燥技术生产菌剂最大制约在于高温胁迫下菌体细胞受损与脱水死亡，因此，如何降低喷雾干燥菌体死亡率、制备高菌体存活率的固定化菌剂，对其工业化生产发展具有重要意义。

4、固定化载体的选择对于菌体存活率也起着极为重要的作用。目前固定化载体大体可分为有机载体与无机载体两大类。有机载体具有固化操作简易、易被微生物分解及固定化密度高等优点，主要以天然多糖类物质、蛋白类物质应用较为广泛，常见的有海藻糖、蔗糖、琼脂、乳清蛋白等。无机载体材料因具有机械强度高、稳定性强、传质性能优、环境友好及对细胞无毒害等特点被广泛应用。常见的无机载体材料主要有沸石、膨润土、活性炭等。但都存在上述所说的菌体死亡率高的问题。

5、如何将麦饭石作为载体用于益生菌固定，避免微生物在水体中悬浮流失，且提高菌体存活率，也是本发明要解决的技术问题。

6、本发明要解决的技术问题就是，通过改性方法来提高麦饭石的对微生物固定化性能及其对重金属的吸附能力，且利用以上改进来制备一种适用于pb污染土壤的菌剂。

技术实现思路

1、针对上述要解决的问题，本发明提供一种改性麦饭石钝化材料及其制备方法和应用。本发明将麦饭石粉通过盐酸溶液改性，将天然麦饭石孔道中的杂质去除，提高了对微生物的固化效果和对土壤中重金属的吸附能力，能更有效降低pb的生物活性。在制备胶质芽孢杆菌剂时，采用改性麦饭石钝化材料作为固定化载体，能够有效提高喷雾干燥热处理后菌体存活率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种改性麦饭石钝化材料，该改性麦饭石钝化材料是通过将麦饭石粉经盐酸溶液改性获得，所述的麦饭石粉目数为200-800目，麦饭石粉由按重量百分比的以下成分组成sio2 57-59％，al2o3 21-23.5％，k2o 4.95-5.1％，fe2o3 4.10-4.25％，mgo 0.5-0.53％，na2o 0.45-0.5％，cao 0.18-0.2％，其余为不可避免的杂质。进一步的，麦饭石粉的目数级别为400目，麦饭石粉由按重量百分比的以下成分组成sio258.26％，al2o3 22.86％，k2o 5.02％，fe2o3 4.19％，mgo 0.51％，na2o 0.49％，cao0.19％，其余为不可避免的杂质。

4、本发明的第二方面提供一种改性麦饭石钝化材料的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)将麦饭石加工粉碎经筛网分筛，得到麦饭石粉；

6、(2)将麦饭石粉和浓度为1mol·l-1盐酸溶液按1∶8-15g/ml的质量体积比混合搅拌，抽滤，用去离子水冲洗至滤液呈中性；

7、(3)经121℃高温高压灭菌20min后，得到改性麦饭石钝化材料。

8、本发明的第三方面提供一种改性麦饭石钝化材料作为吸附土壤重金属材料的应用。

9、本发明的第四方面提供一种改性麦饭石钝化材料作为吸附铅污染土壤重金属材料的应用。

10、本发明的第五方面提供一种改性麦饭石钝化材料作为固定化载体制备的胶质芽孢杆菌剂，由如下步骤制备得到：

11、(1)将胶质芽孢杆菌于无氮固体培养基活化，接种至无氮液体培养基中进行种子培养；

12、(2)按5％v/v的接种量将种子液接种于含氮液体培养基在30℃、150rpm条件下振荡培养得到发酵菌液；

13、(3)无菌条件下，向菌液加入改性麦饭石钝化材料后搅拌，使菌体充分附着于充分附着于改性麦饭石钝化材料，得到菌悬液，喷雾干燥制备得到胶质芽孢杆菌剂。

14、其中，步骤(1)中无氮固体培养基包括如下组分：葡萄糖10g，nacl 2g，mgso4·7h2o2g，kh2po4 2g，caco3 5g，蒸馏水1000ml，ph值7.2；固体培养基加入20g琼脂。

15、或者步骤(1)中无氮固体培养基包括如下组分：蔗糖10g，酵母浸粉1g，nacl 1g，mgso4 0.2g，k2hpo4 0.5g，蒸馏水1000ml，ph值7.2；固体培养基加入20g琼脂。10.根据权利要求7所述的胶质芽孢杆菌剂，其特征在于，步骤(3)中喷雾干燥条件为：风机的流量为20-30m3·h-1，进风温度为110℃-130℃，出风温度为70℃-90℃，进样速度为5-10ml·min-1；

16、步骤(3)中将菌液加入8％kg·l-1的改性麦饭石钝化材料，搅拌20min，使菌体充分附着于充分附着，得到菌悬液。

17、本发明菌剂为粉末状固体，为直投式菌剂，使用时直接施撒拌入土壤。菌剂中改性钝化材料作为载体能够提高菌体存活率，可同时起到钝化pb2+的作用。

18、本发明的有益效果：

19、本发明的改性麦饭石钝化材料，是麦饭石粉经盐酸溶液改性获得，本发明利用麦饭石作为改性材料，基于以下考虑：1：喷雾干燥是通过悬浊液进行干燥，目数过低的情况下，悬浊液中固体沉降过快，导致固液分离，固定微生物效果不佳，在此目数下(200-800目，优选400目)，通过喷雾干燥的得到的菌剂制备效果才符合预期效果，2：研究发现目数越细通过盐酸改性的扩孔状态越好，但目数越细导致成本也随之增加，为了控制成本优选用400目。

20、麦饭石的修复机制主要包括以下四个方面：(1)物理吸附，麦饭石表面存在大量的微孔和介孔，金属离子可以通过物理吸附进入这些孔道中，并通过形成范德华力和静电作用力等相互作用被吸附在麦饭石表面上。(2)化学吸附，麦饭石表面含有大量的羟基、羧基等官能团，这些官能团可以通过静电吸引、配位键等方式与金属离子形成化学键结合。(3)离子交换，由于麦饭石的硅酸盐结构中硅、铝阳离子容易与k+，ca2+，na+，mg2+等发生离子交换，重金属离子也可以参与其中。(4)沉淀作用，al2o3是麦饭石的主要化学成分，al是典型的两性元素，在酸性条件下，al以al(oh)2+形式存在，带正电荷；在碱性条件下，al以h2alo3-形式存在，带负电荷。故麦饭石具有双向调节ph值的缓冲作用。铅污染土壤一般呈现酸性，麦饭石通过调节ph，促进pb2+形成碳酸盐或磷酸盐等沉淀。

21、本发明将麦饭石粉通过盐酸溶液改性，将天然麦饭石孔道中的杂质去除，提高了对微生物的固化效果和对土壤中重金属的吸附能力，能更有效降低pb的生物活性。

22、采用10cm×10cm×10cm的塑料盆进行模拟铅污染修复实验，每盆装土量都为1kg。共设对照组(ck)和本发明改性麦饭石钝化材料处理组以30g·kg-1的比例施用修复剂，对照和处理均设3个重复。3个月测定土壤中pb形态变化；空白对照组中，pb的形态占比分别为：可交换态(t1)5.27％、碳酸盐结合态(t2)33.87％、铁锰氧化物结合态(t3)22.22％、有机物结合态(t4)15.17％、残渣态(t5)25.17％，碳酸盐结合态和铁锰氧化物占比较大，说明供试污染土壤中的pb形态分布不稳定，迁移性活跃，容易被生物吸收利用。而本发明改性麦饭石钝化材料处理中可交换态(t1)3.47％、碳酸盐结合态(t2)18.74％、铁锰氧化物结合态(t3)21.17％、有机物结合态(t4)16.84、残渣态(t5)39.78。本发明改性麦饭石钝化材料能更有效降低pb的生物活性，促进pb形态向残渣态转化。

23、胶质芽孢杆菌可以降解铝硅酸盐类的原生态矿物，促进土壤中难溶性k、p等元素转变为可溶性，供植物生长所需，同时还能分泌多种生物活性物质，促进植物生长发育。此外，胶质芽孢杆菌还是一种天然的“生物农药”，其可以分泌特异性杀虫晶体蛋白，对一些常见的害虫有着良好的防治效果。胶质芽孢杆菌在重金属污染修复中，胶质芽孢杆菌通过吸附、螯合、还原和生物沉淀等方式去除污染物，具有高效、低成本等优点。

24、在制备胶质芽孢杆菌剂时，本发明采用了喷雾干燥的方式，喷雾干燥干燥时间短，操作条件容易控制，适合规模化生产。通过喷雾干燥技术制备微生物菌剂，可使菌体与外界不良环境隔离，较好保存菌体的活性，菌剂形成近似球体的固体微颗粒，便于运输、储存与添加利用。

25、为了减少喷雾干燥过程中胶质芽孢杆菌剂细胞的脱水损伤与失活，本发明添加了改性麦饭石钝化材料，本发明的改性麦饭石钝化材料具有高保护性来提高菌体存活率，而添加不同比例改性麦饭石钝化材料均可不同程度地提高喷雾干燥热处理后菌体存活率，添加比例为8％时，菌体存活率可达51.64±0.77％。

26、将胶质芽孢杆菌剂在4℃条件下密封保藏，保藏时间为6个月，每隔2个月取样检测菌剂菌体存活率，并以此作为评价菌剂保藏效果指标。经检测，改性麦饭石钝化材料作为胶质芽孢杆菌(bacillus mucilaginosus)固定化载体，能有效提高固体菌剂中菌体存活率。经改性麦饭石钝化材料固定化处理后贮藏6个月后，菌体存活率约为40.66％。