一种利用碳酸盐矿化菌‑脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法与流程

本发明涉及一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，属于资源与环境的技术领域。

背景技术：

重金属污染是指由于人类的活动将重金属带入环境中，致使环境中重金属含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。随着经济的快速发展，废水的大量排放，土壤和水源中重金属积累的加剧，重金属的污染也日益严重。重金属污染具有不易被溶解、不能被生物降解、有生物富集作用、潜伏期长、治理费用高、见效慢等特点，并可经水体或植物等介质影响人类健康。由于重金属易通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁。其中铅作为常见的一种污染物，对人体产生严重的毒性，并且其对人体器官产生的伤害不可修复，伴随终身。重金属污染已成为危害全球环境质量以及人类生存和发展的主要问题之一，因此修复和治理重金属污染迫在眉睫。

目前重金属污染的治理技术包括物理修复、化学修复、植物修复和微生物修复等。物理化学修复方法主要包括离子交换法、电解法、化学沉淀法和吸附法等。它们各有优点，但不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点，特别是在处理低含量重金属污染时，其操作费用和原材料成本相对过高。由于生物法处理重金属废水成本低、效益高、易管理、有利于生态环境的改善。因此生物法具有更加广阔的发展前景。生物修复这一过程的修复主体是参与修复的生物类群，包括微生物、植物、动物及其构成的生态系统。微生物对重金属污染土壤的生物修复作用主要是通过微生物对重金属的溶解、转化与固定来实现。

近年来，微生物修复技术逐渐兴起。土壤细菌是土壤中重要的微生物资源，分布广泛，种类繁多。所以，利用土壤细菌治理重金属污染成为一个热门的探讨方向，如袁世斌等人的专利(CN200810147707.X)使用嗜酸氧化硫硫杆菌和硫酸盐还原菌能够高效、快捷的治理被铅的土壤。CN201410688785.6利用从污染环境中筛选出的耐辐射镰孢霉菌对多种重金属具有较高的耐受性，其中对Pb²⁺的耐受浓度可达1000mg/L。CN201210157802.4公开了一个一株抗铜细菌DGS6及其应用，该菌不仅可以耐受高浓度的铜浓度，并且可以促进植物生长，提高植物修复的效率。CN201110122739.6利用分离的球形红细菌修复重金属污染，该方法可以有效改善重金属在土壤中的存在形态，并大大降低重金属在植物中的累积量。利用铯的金属性质，CN201010600935.5将耐重金属菌株Burkholderia sp.D54应用于铯污染的微生物修复，该菌株可在含铯50mM的培养基中生长，在含铯1mM的培养基中培养3天后，其去除率可达58.77％。CN200810156941.9公开了一种利用碳酸盐矿化菌固化土壤的方法，效果良好。CN201410650845.5利用阿式芽孢杆菌分解尿素过程中产生的CO₂在碱性条件中诱导环境中Ca²⁺形成沉淀，CaCO₃形成过程中将重金属镶嵌在晶格中，从而达到固定尾矿中重金属的目的。CN201610248561.2利用从受重金属镉污染的土壤中筛选出的一株洋葱伯克霍尔德氏菌，其能够将土壤中的可交换态镉钝化显著降低其含量，可应用于修复重金属污染土壤和提高土壤脱氢酶活性以及相关产品的制备中。CN201610343581.8利用一种主要成分为白腐菌非活性真菌菌丝球和枯草芽孢杆菌发酵培养物的微生物菌剂处理含铬工业废水，在去除重金属离子方面具有显著的协同效果，其安全无毒、无二次污染。

针对微生物修复重金属技术而言，单独利用一种微生物处理重金属离子及核素离子的已有相关研究，而利用两种微生物联合治理重金属离子的研究鲜有报道。因此，本发明提出一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合对铅离子污染的高效处理方法，具体是指在碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系的作用过程中，一方面由碳酸盐矿化菌代谢过程产生的CO₃^2-与重属离子铅矿化形成碳酸铅沉淀(白铅矿)，另一方面碳酸盐矿化菌代谢过程中产生的HCO₃^-/CO₃^2-又为脱氮硫杆菌提供生长所需无机碳源，而脱氮硫杆菌代谢产生的SO₄^2-又可以与铅离子矿化形成硫酸铅沉淀。本发明中联合治理方法处理效果优于其中单株菌作用效果。

技术实现要素：

针对目前国内外尚无关于碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系在重金属污染治理中应用的相关报道，本发明提供一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法。

本发明的技术方案是：一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

A、通过向土壤施加含尿素和硫代硫酸氨的化肥向土壤或者水体中加入营养成分；

B、利用特定的菌种筛选培养基分别从土壤中分离得到碳酸盐矿化菌和脱氮硫杆菌，将菌株接入液体培养基，在25～37℃的条件下分别培养1～2d和2～4d，通过对所选菌株进行耐受性筛选与胁迫诱导驯化，提高菌株的铅离子耐受性和阴离子(CO₃^2-/SO₄^2-)的产生能力，筛选出耐受型的高效矿化菌株；

将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌按土壤(0.5L/m²～5.0L/m²)或水体(1:10～1:100体积比)的比例加入含重金属浓度为50mg/kg～1500mg/kg的土壤中或200mg/L～2000mg/L的土壤水体中，培养1～5d；

C、向上述水样或者土壤中按土壤(0.5L/m²～5.0L/m²)或水体(1:10～1:100体积比)的比例再加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，搅拌混合均匀，培养1～15d污染土壤或水体中的铅的去除率可达83％～99％。

上述技术方案中：本发明利用特定菌种培养基直接从土壤中分离纯化和筛选后的耐受型的高效矿化碳酸盐矿化菌和脱氮硫杆菌。碳酸盐矿化菌产生CO₃^2-和脱氮硫杆菌产生SO₄^2-，可将铅离子快速滞留。同时碳酸盐矿化菌产生的过量HCO₃^-/CO₃^2-给脱氮硫杆菌提供碳源，避免因外来碳源对实验中沉淀产生来源产生干扰。

本发明的主要优点：①本方法利用两种菌联合治理重金属，两种菌形成一个体系，碳酸盐矿化菌代谢产生的CO₃^2-以及脱氮硫杆菌代谢产生的SO₄^2-可与土壤中重金属离子形成沉淀，达到去除重金属的目的；②本方法利用碳酸盐矿化菌代谢过程中产生的过量HCO₃^-/CO₃^2-为脱氮硫杆菌提供碳源，两种菌联合治理，提高重金属去除效率；③本实验采用两种菌结合，突破现有研究中单株菌处理重金属的思路，同时为两种或两种以上菌株联合处理重金属提供新思路；④本方法使用的碳酸盐矿化菌和脱氮硫杆菌分离自无污染的土壤，经过筛选、驯化，该菌对铅有较强耐受性，耐受浓度高达5000mg/L；⑤本方法可适用于重金属污染的土壤或水体治理的原位处理，大大降低治理成本；⑥本方法可实现大面积、大宗量重金属污染土壤或水体的快速治理；⑦本方法是一种无污染、低成本、高效易行的铅离子的治理新途径，环境友好性突出，同时也适用于能与硫酸盐、碳酸盐产生沉淀的重金属污染治理，具有广阔的应用前景具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是碳酸盐矿化菌在不同Pb²⁺浓度下的生长曲线；图2是碳酸盐矿化菌和脱氮硫杆菌单独对Pb²⁺的去除率。

具体实施方式

下面给出的实施例以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明内容对本发明作出的一些非本质改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地10kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为50mg/kg的土壤中，1d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照0.5L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按1.0L/m²的比例加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用7d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为90％。

实施例2 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地15kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为100mg/kg的土壤中，2d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1.0L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。2d后，按1.0L/m²的比例的加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用8d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为94％。

实施例3 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地15kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为200mg/kg的土壤中，2d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照2.0L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。2d后，按2.0L/m²的比例加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用10d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为95.9％。

实施例4 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地15kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为500mg/kg的土壤中，2d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照3.0L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。3d后，按照2.0L/m²的比例加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用10d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为97％。

实施例5 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地20kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为1000mg/kg的土壤中，3d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照5.0L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。4d后，按照5.0L/m²的比例加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用15d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为99％。

实施例6 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地15kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为1500mg/kg的土壤中，3d后，将准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照5.0L/m²的比例加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。5d后，按照5.0L/m²的比例加入准备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用15d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试土壤中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为98.5％。

实施例7 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.5kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为200mg/L的水体中，2d后，将制备的碳酸盐矿化菌菌液按照1:50的体积比加入到上述水体中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按比例1:100的体积比加入脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用7d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为95.8％。

实施例8 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.0kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为500mg/L的水体中，2d后，将制备的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1:50的体积比加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按照1:100的体积比加入制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用7d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为94.8％。

实施例9 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.2kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为800mg/L的水体中，3d后，将制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1:100的体积比加入到上述水体中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按比例1:100的体积比加入制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用10d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为95.9％。

实施例10 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.5kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为1000mg/L的水体中，3d后，将制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1:100的体积比加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按1:50的体积比加入制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用12d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为96.9％。

实施例11 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.5kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为1500mg/L的水体中，3d后，将制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1:50的体积比加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按1:50的体积比加入制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用12d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为96.9％。

实施例12 一种利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌联合处理铅离子污染的方法，按照每亩地1.5kg的比例施加含尿素和硫代硫酸铵的复合肥到含铅浓度为2000mg/L的水体中，3d后，将制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的碳酸盐矿化菌菌液按照1:100的体积比加入到上述土壤中，保持温度范围在20℃～30℃。1d后，按1:100的体积比加入制备好的菌种浓度为0.5×10⁸～5.0×10⁸cfu/mL的脱氮硫杆菌，利用碳酸盐矿化菌-脱氮硫杆菌体系与铅离子作用15d，取样10mL在4000r/min下离心10min，取上清液1.0mL，稀释后用于测试水体中剩余铅离子浓度，最终对铅离子的去除率为98.1％。按上述各实施例并按照前述处理方法即可将含铅土壤或水体处理至环境达标排放标准，达到本发明目的。本发明的实施例均可实施，本发明不限于这些实施例。