解有机磷菌对酸性土壤铅镉铜钝化效应和机理研究

【摘要】：本文将解有机磷菌和菜籽粕应用于Pb,Cd和Cu重金属污染的酸性土壤中,研究其对酸性土壤中重金属的钝化效应及微生物钝化机制。本实验采用的解有机磷菌为粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)OPDB3-6-1。OPDB3-6-1的解有机磷能力为167.62mg/L,培养基pH在其降解有机磷过程中从7升高至8.95,在400 mg/L Pb~(2+)、100mg/LCd~(2+)、200 mg/L Cu~(2+)条件下生长良好。同时,OPDB3-6-1对于多种抗生素有很强耐性,该菌株可以分泌吲哚乙酸IAA,并且ACC脱氨酶的活性较高,促生效果较好。将OPDB3-6-1和菜籽粕分两次加入不同梯度(中高低三个梯度)铅镉铜污染的土壤中,每次修复周期30天,分别检验两次修复后重金属形态变化。实验的研究表明:在Pb污染土壤中,Pb为200 mg/kg、600 mg/kg和1200 mg/kg时,在添加菜籽粕与解磷菌之后,酸可提取态由初始的14.37%、19.97%、34.15%降低到4.90%、7.43%、10.46%;而残渣态由初始的2.89%、11.55%、10.53%上升至8.76%、17.37%、23.76%,第二次加菌后残渣态进一步上升至11.37%、28.12%、28.14%。在添加Cd的污染土壤中,Cd浓度分别为1,5,20 mg/kg时,初次加菌后,酸提取态分别由初始的36.80%、37.39%、43.39%降低到18.46%、20.08%、33.56%;残渣态由初始的3.55%、5.41%、1.31%上升至13.1%、7.59%、8.89%,第二次加菌后残渣态上升至19.94%、12.84%、19.20%。在Cu污染土壤中,初次加菌水溶态由初始的5.17%、2.25%、3.20%降低到1.81%、0.37%、1.68%,残渣态由初始的5.67%、5.68%、3.72%上升至10.2%、10.93%、5.59%,二次加菌后残渣态上升至24.52%、16.76%、13.07%,复合污染的钝化效果也十分显著。第二轮加菌(第60天)后土壤pH和土壤养分的变化为:所有梯度重金属污染土壤中修复后pH显著上升,涨幅最大为4.5-6.1,酸性土壤改良效果明显。同时,土壤酶活性,阳离子交换量等参数的升高表明土壤活性的明显提升。OPDB3-6-1对于不同浓度梯度的Pb,Cd和Cu微生物吸附沉淀效率实验表明,OPDB3-6-1在1h内能快速去除溶液中的金属离子,对Cu(浓度为200 mg/L)的吸附效果最好,吸附率可达到97%,Pb(浓度为200 mg/L)的沉淀作用最好,达到73%。OPDB3-6-1对重金属离子的沉淀作用比吸附作用稳定性高,不易被解吸出来。OPDB3-6-1重金属固定的机理包括对重金属的吸附和沉淀作用两方面,通过X射线衍射(XRD)以及X射线荧光(XRF)分析每种重金属的生物沉淀,数据显示铅镉铜生物可能的沉淀形式分别为,磷氯铅矿(Pb_5(PO4)_3Cl)、碳酸镉(CdCO_3)和碱式氯化铜(Cu_4(OH)_6Cl_2)。此外,通过FTIR和SEM研究了生物吸附的机理。我们发现P=O,P-OH,PO_4~(3-)和C-O在重金属的吸附中起重要作用。总体而言,微生物钝化重金属的机制主要涉及生物吸附和生物沉淀,解有机磷菌和有机磷化合物的联合使用在重金属污染控制和酸性土壤改良方面具有良好的应用前景。