用于缓解土壤微塑料污染的生物炭处理方法 |
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| 申请号 | CN202210851043.5 | 申请日 | 2022-07-19 | 公开(公告)号 | CN115213212A | 公开(公告)日 | 2022-10-21 |
| 申请人 | 东莞理工学院; | 发明人 | 李衍亮; 邱芷莘; 林金毫; 黄建智; 李蕾; 卜少腾; 黄可欣; 杜淑雯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种用于缓解 土壤 微塑料污染的 生物 炭 处理方法，包括生物炭的制备和微塑料污染土壤的处理两个阶段。第一阶段包括： 水 稻秸秆废弃物经炭化处理得到有机炭产物，并在90～120℃ 温度 条件下烘干， 粉碎 ；将有机炭产物置于 真空 气氛炉中，在500℃温度条件下 热解 ，保温1～3h后冷却至室温并 研磨 过筛。第二阶段包括：将生物炭施加到微塑料污染土壤中充分混匀；土壤细菌的培养，培养周期为90天，在此过程中，使用称重法维持土壤水分含量在土壤田间最大持水量的60％～80％，并观察培养过程中土壤性质、酶活性以及微 生物群落 的情况。本发明能有效缓解土壤微塑料污染的危害，改善土壤 质量 ，且成本低廉，便于大面积推广实施。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于缓解土壤微塑料危害的生物炭处理方法，包括生物炭的制备和微塑料污染土壤的处理两个阶段；其特征在于，第一阶段为生物炭的制备阶段，具体包括下述步骤： |
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| 说明书全文 | 用于缓解土壤微塑料污染的生物炭处理方法技术领域[0001] 本发明属于土壤治理技术领域，具体涉及一种用于缓解土壤微塑料污染的生物炭处理方法。 背景技术[0002] 近年来，土壤微塑料(由塑料制品碎裂形成的粒径小于5mm的塑料碎片或颗粒)污染已经引起了国际社会的高度重视。为此，不少国家采用了限制传统塑料的使用范围，并促进可生物降解塑料的研发与应用的治理措施。这些措施对于避免土壤微塑料污染的进一步恶化具有一定的积极作用，但无助于解决已经产生的土壤微塑料污染。此外，可生物降解塑料大多含有化学添加剂(具体种类繁多)，而化学添加剂的广泛使用，也会对环境造成不同程度的损害。因此，怎样有效治理土壤微塑料污染，是本领域面临的重要技术任务。 [0006] SS03分批加工：将SS02制备的生物炭基料分成八份，将生物炭基料加工成不同酸碱度的基料I、基料II、基料III、基料IV、基料V、基料 VI、基料VII和基料VIII；SS04低温光照灭菌：将SS03制备的生物炭基料置于‑22℃的低温环境下利用紫外线光照12小时，每个45分钟翻动一次； [0007] SS05添加辅助剂：对SS03制备的生物炭基料按照不同比例添加辅助剂，制成炭泥； [0009] SS07试验：选取一块试验田，将土壤分为均等的八份面积，对每一土壤施加不同的生物炭肥，将与之对应的蒸发液对土壤进行喷洒，完成后种植目标作物，根据目标作物中的生长情况最佳的植株确立最佳生物炭肥。 [0011] 总的说来，CN 109456129 A号发明专利申请所公开的技术方案对于降解土壤中的微塑料所释放的PAE(聚酰胺环氧氯丙烷树脂)，从而减轻土壤微塑料的污染程度具有一定的积极作用，然而，该发明也存在一定的技术缺陷，主要表现在以下两个方面： [0012] 其一，从总体上说，该发明的技术方案过于复杂，不利于大面积的推广实施。特别是，该发明所使用的原材料包括牛粪，而随着我国农业机械化水平的提高，越来越多的地区弃养耕牛，且肉用牛和乳牛主要产自牧区 (牛粪本身也是牧民家庭常用的燃料之一)，因此，能够满足产业化需求的牛粪资源不仅分布不平衡，而且具有一定程度的稀缺性，这种状况也不利于该发明的推广实施。 [0013] 其二，在偏酸性的土壤环境中，该发明利用硫酸亚铁或硫酸铝的稀释水调节PH值。硫酸亚铁、硫酸铝具有弱碱性，确实能够调节偏酸性的土壤PH值，然而，硫酸亚铁、硫酸铝均具有抑制细菌(微生物)生长、繁殖的作用，而降解土壤中的微塑料，归根结底需要多种细菌(微生物)的参与。因此，该发明所采用的利用硫酸亚铁或硫酸铝的稀释水调节PH值的技术手段，与该发明所希望实现的减轻土壤微塑料污染的目标之间存在矛盾。尤其值得注意的是，铝元素对人的神经系统有危害作用，而土壤中的硫酸铝被农作物吸收后，其中的铝元素最终有可能被人体吸收。 [0014] 另需说明的是，虽然治理土壤微塑料污染的方法还有很多，例如酸消解法、碱消解法、酶消解法、H2O2消解法、光电催化法等，但由于土壤微塑料分布广泛、难于富集，这些方法都存在因性价比不高，难以大面积推广实施的局限性。 发明内容[0015] 本发明的目的旨在以较低的实施成本和较为简略的技术方案，增加土壤细菌群落的多样性，提高细菌的代谢功能，合理调节土壤的pH值，增强土壤肥力，改善土壤结构，有效缓解土壤微塑料危害，从而克服上述现有技术的缺陷。 [0016] 为了实现上述发明目的，本发明采用了下述技术方案： [0017] 一种用于缓解土壤微塑料危害的生物炭处理方法，包括生物炭的制备和微塑料污染土壤的处理两个阶段； [0018] 第一阶段为生物炭的制备阶段，具体包括下述步骤： [0021] 第二阶段为微塑料污染土壤的处理阶段，具体包括下述步骤： [0022] 步骤1，将第一阶段制备的生物炭施加到微塑料污染土壤中，充分混匀； [0023] 步骤2，土壤细菌的培养，培养周期为90天，在此过程中，使用称重法维持土壤水分含量在土壤田间最大持水量的60％～80％，并观察培养过程中土壤性质、酶活性以及微生物群落的情况。 [0024] 在上述技术方案的基础上，本发明可采用下述附加的技术手段对上述技术方案予以限定，以便更好地解决本发明所要解决的技术问题： [0025] 所述生物炭的粒径为2～3mm。 [0026] 优选地，所述生物炭的施用量为1％，亦即生物炭与微塑料污染土壤的质量比为1比100。 [0027] 优选地，所述微塑料污染土壤的土壤性质为酸性壤土。 [0028] 优选地，所述微塑料污染土壤中的微塑料为低密度聚乙烯和聚乳酸。 [0029] 优选地，所述微塑料污染土壤中的微塑料的粒径为550～680um。 [0030] 优选地，所述微塑料污染土壤的微塑料剂量为1％至5％，亦即微塑料与土壤的质量比为1比100至5比100。 [0031] 与现有技术相比，本发明所具有的主要有益效果如下： [0032] 1.本发明通过水稻秸秆有机废弃物制备生物炭，并使用所制备的生物炭处理微塑料污染土壤，促进土壤中变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌、芽单胞菌、变形菌门等微生物的生长繁殖，既可以缓解土壤微塑料污染的危害，同时也改善了土壤质量，更加有利于农田土壤进行农业生产活动。 [0033] 2.本发明中的生物炭源于水稻秸秆废弃物，其成本低廉，稳定性高，环境友好，真正实现了废物利用。将所述生物炭施用到微塑料污染的农田土壤里，不会引入其他有毒物质，有助于大面积的推广实施。 [0037] 图2b为施用生物炭的聚乙烯污染土壤中回收PE的SEM图； [0038] 图2c聚乳酸污染土壤回收PLA的SEM图； [0039] 图2d为施用生物炭聚乳酸污染土壤回收PLA的SEM图； [0040] 图3为生物炭处理后的土壤脲酶活性变化图； [0041] 图4为生物炭处理后的土壤样品OTU数量变化图； [0042] 图5为生物炭处理后的土壤细菌群落物种丰度变化图。 具体实施方式[0043] 为了便于本领域技术人员更加充分地理解本发明的技术方案，以下结合附图介绍本发明的一个实施例。 [0044] 如图1所示，一种用于缓解土壤微塑料危害的生物炭处理方法，包括生物炭的制备和微塑料污染土壤的处理两个阶段。 [0045] 在第一阶段，亦即生物炭的制备阶段，称取收集到的水稻秸秆去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于90～120℃烘箱内烘干12小时，经粉碎机粉碎成粉末后置入气氛箱式炉，密封，抽真空后通入氮气作为保护气体，以5～10℃/min的速度快速升温至500℃的设定温度，然后继续隔氧裂解1～3小时。在本实施例中，以5℃/min的速度快速升至500℃，继续隔氧裂解2小时，产生的废气由抽风系统抽走防止污染环境，热解过程产生的蒸汽部分冷凝得到的生物焦油回收利用。通入气氛炉中的保护气体也可为氦气或氩气等惰性气体，通过抽真空和通入保护气体使气氛炉内腔形成缺氧或绝氧状态。气氛炉冷却至室温后取出产物，研磨后用100目的筛子筛分，即制得所需的生物炭，然后装袋备用，干燥保存。 [0046] 在第二阶段，将第一阶段制备的生物炭施加到微塑料污染土壤中，充分混匀；然后进行土壤细菌的培养，培养周期为90天，在此过程中，使用称重法维持土壤水分含量在土壤田间最大持水量的60％～80％(土壤水分含量降低，则比重增大，根据土壤比重变化的情况，给土壤补充水分，可使土壤水分含量维持在土壤田间最大持水量的60％～80％)，以给土壤细菌提供生长所需的适宜环境，并观察培养过程中土壤性质、酶活性以及微生物群落的情况，并进行相应的检测试验。具体方法如下： [0047] 本实施例所使用的土壤均源自广东农业科学院，土壤性质为酸性壤土(中国南方常见的代表性农田土壤)，试验地点为东莞理工学院材料工程实验室。本次试验共分为9个对照组， [0048] 组别1：对照组(CK)，无微塑料污染的土壤且不施用生物炭； [0049] 组别2：1％聚乙烯污染土壤(指质量百分比，以下同)； [0050] 组别3：施用生物炭的1％聚乙烯污染土壤； [0051] 组别4：5％聚乙烯污染土壤； [0052] 组别5：施用生物炭的5％聚乙烯污染土壤； [0053] 组别6：1％聚乳酸污染土壤； [0054] 组别7：施用生物炭的1％聚乳酸污染土壤； [0055] 组别8：5％聚乳酸污染土壤； [0056] 组别9：施用生物炭的5％聚乳酸污染土壤。 [0057] 检测方法如下： [0058] 土壤基本理化性质按常规方法进行测定。具体地说，土壤有机质采用重铬酸钾硫酸法测定；土壤硝态氮采用紫外分光光度校正因数法测定； pH值采用电极法(土水质量比为1∶2.5)，通过pH计测定；土壤酶活性采用酶活性试剂盒(索莱宝，中国北京)测定。 [0059] 土壤样品进行高通量测序：通过提取质量合格的基因组DNA样品 30ng及对应的融合引物配置PCR反应体系，设置PCR反应参数进行PCR 扩增，使用Agencourt AMPure XP磁珠对PCR扩增产物进行纯化并溶于 Elution Buffer，贴上标签，完成建库。使用Agilent 2100Bioanalyzer对文库的片段范围及浓度进行检测。检测合格的文库根据插入片段大小，选择 HiSeq平台进行测序。 [0060] 土壤微塑料的样品分析：通过萃取‑密度分离法回收土壤中的微塑料样品，使用扫描电子显微镜(SEM)分析样品表面形态变化，对菌群对微塑料降解影响进行评价。 [0061] 为期90天的土壤细菌培养周期结束后，相关试验结果如表1所示。 [0062] 表1：培育结束后土壤pH、有机质及硝态氮含量 [0063]项目 pH 土壤有机质含量(g/kg) 硝态氮含量(mg/kg) 组别1 6.29 33.0 62.35 组别2 5.96 33.7 34.13 组别3 6.80 54.3 39.91 组别4 6.20 33.9 39.46 组别5 6.54 57.3 46.13 组别6 5.98 32.3 40.35 组别7 6.72 51.8 57.46 组别8 5.67 33.0 30.57 组别9 6.65 54.2 45.02 [0064] 由表1数据可以看出，施用生物炭后的微塑料污染土壤的有机质含量均能提高60％，同时改善了酸性土壤的pH，并增加了土壤硝态氮的含量。由此可见，由本实施例所体现的本发明方法对于土壤理化性质具有明显的改善和提高，能有效缓解微塑料对土壤性质的危害。 [0065] 以上结合图1和表1描述了本发明的一个实施例的技术方案及其部分技术效果，以下结合其他附图，进一步介绍该实施例的技术效果： [0066] 如图2a至图2d所示，相比于污染土壤中原有的微塑料，无论是聚乙烯或是聚乳酸，经过本实施处理后，微塑料表面均出现了不规则的片状分层，并且有许多沟壑存在。从扫面电镜照片可以看出，施加了生物炭的实验组在90天后的微塑料表面裂痕和孔洞明显增加，并且添加生物炭后，对微塑料中的聚乳酸的降解作用大于聚乙烯的降解作用。 [0067] 如图3所示，微塑料污染土壤的脲酶活性明显增加，这使得土壤中存在较少的硝态氮，在施用生物炭后，硝态氮含量显著增加。可见在微塑料的存在下土壤发生了氮素固定。传统地膜和生物降解塑料地膜的存在会影响氮素转化，增加氮素固定，降低土壤氮素生物利用率，从而影响氮素利用效率。而通过施加生物炭，能提高氮素利用率，延长氮素在土壤中的预留期，更有利于农田土壤作物的生长。 [0068] 如图4所示，与对照组相比，微塑料污染土壤的OTU(Operational Taxonomic Units的英文缩写，亦即操作分类单元，每个OTU代表一个菌种)数量明显降低，然而在施用生物炭后，微塑料污染土壤的OTU数量显著增加。这说明施用生物炭后，土壤细菌的物种丰度得到明显增加。如图5所示，本发明根据细菌分类学排列的OTU进一步剖析了所观察到的细菌群落变化。细菌群落的变化充分说明，在使用生物炭修复的微塑料污染土壤中，变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌、芽单胞菌、变形菌门存在富集现象。 [0069] 综上所述，本发明的处理方法通过提高土壤的pH值和有机质等理化指标，实现了土壤理化性质的改良，同时增加了土壤细菌丰富度，使得土壤菌群拥有更紧密、稳定的网络关系，有助于微生物对微塑料的降解，提高了土壤抵抗微塑料污染的能力。同时本发明的处理方法还具有成本低廉、方便易得、效率高、能够大面积推广实施，以及不易造成二次污染的优点。 |
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