一种降解土壤中多环芳烃的复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于农业环境技术污染土壤修复材料领域，具体涉及一种降解土壤中多环芳烃的复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.多环芳烃是一种广泛分布于环境中的有机污染物，具有持久性、生物蓄积性和致畸致癌致突变的高毒性，研究表明，多环芳烃最终均流入土壤，并会通过食物链转移，最终对生态环境和人类造成难以估计的影响。
3.原位生物修复具有环境友好、简单高效的优点，但受劳动力成本的限制；异位生物修复，如生物强化，可降低成本，提高生物利用度，但仍需要解决降解菌受土著微生物影响的问题。
4.固定化技术能够屏蔽土著微生物的竞争作用和不利土壤条件的侵害作用，从而加速土壤中多环芳烃的去除，其中，吸附法简单易行、条件温和，在微生物体和载体的相互作用中起重要作用。
5.生物质材料对持久性有机污染物具有很强的吸附能力，鉴于我国是一个农业大国，农业废弃物产生量极其巨大且利用率低，可以很容易地将其修饰成吸附剂作为固定微生物的载体。
6.生物炭是由废弃生物质在缺氧条件下热解制得的多孔固体材料，表面具有大量极性官能团、特殊的微观结构以及理化性质，使其在环境污染修复有巨大潜力；但存在制备过程不够精细、表面官能团数量有限且难分散等特点，需通过一些处理手段对生物炭进行表面改性来优化其特性。
7.现有技术中采用的生物炭固定化具体是吸附法，吸附法依靠的是生物炭和多环芳烃的分子作用力以及对降解菌的物理吸附，所以作用力不够牢固，容易脱落。


技术实现要素：

8.生物炭负载微生物是对单独施入微生物的改进，它可以提高微生物的浓度、增强单一微生物的抗毒性、耐受性和重复利用性，向生物炭上通过固定从自然界中筛选出来的优势菌种，很容易解决降解菌容易受到土著微生物影响的问题，同时能增强降解作用、提高降解速率以去除某一种或某一类有毒物质，从而改善原有体系对难降解有机物的去除效能。用废弃生物质材料制备生物炭，不仅节约成本，还能实现废物资源化。
9.本发明的目的是提供一种降解土壤中多环芳烃的复合材料及其制备方法和应用，能够在通过生物炭修复土壤多环芳烃污染的同时吸附土壤中多环芳烃并通过固定微生物降解多环芳烃。
10.本发明采取的技术方案是：
11.一种降解土壤中多环芳烃的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)将海带渣粉进行预处理，然后进行高温热解，将热解产物研磨成粉末，过筛，获
得生物炭；
13.(2)配制氯化铁溶液，在常温条件下，将氯化铁溶液与生物炭混合搅拌，离心，过滤，洗涤，干燥，再进行高温热解，将热解产物研磨成粉末，过筛，获得改性海带渣生物炭材料；
14.(3)将步骤(2)制备的改性海带渣生物炭材料与多环芳烃降解菌菌液按照0.5～1g：50～100ml的质量体积比接种后，摇床震荡培养，即完成生物炭对微生物的固定；
15.(4)将步骤(3)的生物炭分离出来，即可得到降解土壤中多环芳烃的复合材料。进一步地，上述技术方案中，所述多环芳烃降解菌包括比例为1-10％v/v：1-10％v/v：1-10％v/v混合的嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)sy-1，芽孢杆菌(bacillussp.)sy-2和小麦苍白杆菌(ochrobactrum tritici)sy-3；所述嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)sy-1的菌株保藏号cctcc m 2020310，所述芽孢杆菌(bacillus sp.)sy-2的菌株保藏号cctcc m 2020309，所述小麦苍白杆菌(ochrobactrum tritici)sy-3的菌株保藏号cctcc m 2020308。
16.进一步地，上述技术方案中，步骤(1)中所述海带渣粉为脱胶海带粉；所述预处理包括用水冲洗，烘干，粉碎。
17.进一步地，上述技术方案中，步骤(1)和步骤(2)所述高温热解的温度均为400～500℃，高温热解的时间均为1～2h；步骤(1)和步骤(2)所述过筛的孔径为50～150目。
18.进一步地，上述技术方案中，步骤(2)中所述氯化铁溶液的浓度为2～4mol/l，混合搅拌的时间为1～3h。
19.进一步地，上述技术方案中，步骤(3)中所述摇床震荡培养的温度30～37℃，转速为150～180r/min，培养时间为12～24h。
20.进一步地，上述技术方案中，步骤(4)中将步骤(3)的生物炭分离出来的方法包括：将步骤(3)所得溶液静止放置，待生物炭沉淀后，去上清，即可。
21.具体为：将培养后的溶液静止放置10min，使溶液中的生物炭尽可能沉淀，待结束后，用移液枪沿边缘轻轻吸去上清液，即可。
22.一种根据上述的制备方法制备得到的降解土壤中多环芳烃的复合材料。
23.进一步地，上述技术方案中，所述多环芳烃包括苯并芘。
24.一种上述复合材料在降解多环芳烃污染土壤中的应用。
25.本发明的有益效果：
26.本发明制备的生物炭微生物复合材料，可以使微生物免受环境的不利影响，尽可能避免外界条件造成外源微生物死亡的因素，且制备过程简单，成本低廉。
27.另外，生物炭本身具有吸附土壤中多环芳烃的特性，通过富集多环芳烃，在吸附多环芳烃的同时能对多环芳烃进行降解，从而提高微生物有效浓度；此外，生物炭作为外来降解菌的栖息地，大大增加了接种微生物的数量和活性，同时也增加了微生物细胞的稳定性。
28.另外，采用常见的农业废弃物材料作为生物炭的原材料，不仅成本低，还实现了废物资源化，解决了相关的环境问题；且制备条件温和、操作简单。
附图说明
29.图1为生物炭材料(a)及改性生物炭材料(b)的sem扫描电镜图。
30.图2为生物炭材料(a)及改性生物炭材料(b)的eds谱图。
31.图3为生物炭材料及改性生物炭材料的ftir红外光谱图。
32.图4为本发明所述复合材料对多环芳烃的吸附热力学曲线。
33.图5为本发明所述复合材料对多环芳烃的吸附动力学曲线。
34.图6为本发明所述复合材料对苯并芘的一级动力学拟合曲线。
35.图7为本发明所述复合材料对苯并芘的二级动力学拟合曲线。
36.图8为本发明所述复合材料在不同时间对质量浓度为100mg/l的苯并芘溶液的降解率。
37.图9为本发明所述复合材料在不同时间对质量浓度为50mg/l的苯并芘溶液的降解率。
38.图10为本发明所述复合材料在不同时间对实际污染土壤中苯并芘的降解率。
具体实施方式
39.下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
40.实施例1
41.一种降解土壤中多环芳烃的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)将海带渣粉(脱胶海带粉)用水冲洗，再烘干，粉碎，然后置于管式炉内n2保护下450℃高温热解1h，将热解产物研磨成粉末，过100目筛子，获得生物炭；
43.(2)将氯化铁配制成溶液，获得氯化铁溶液，其中，氯化铁溶液的浓度为3mol/l，在常温条件下，将氯化铁溶液与步骤(1)所得生物炭混合搅拌，离心，过滤，洗涤，干燥，再将改性好的材料置于管式炉内n2保护下450℃高温热解1h，将热解产物研磨成粉末，过100目筛子，获得改性海带渣生物炭材料；
44.(3)将步骤(2)制备的改性海带渣生物炭材料与菌液按照1g：100ml的质量体积比接种后，在培养温度30℃，转速为170r/min的摇床震荡培养12h，即完成生物炭对微生物的固定，获得可以降解土壤中多环芳烃的复合材料。
45.所述菌液由多环芳烃降解菌在无机盐培养基中培养48h后制得，该多环芳烃降解菌是从辽宁省某市油田附近农田种植水稻根际土壤中筛选得到的以黄单胞菌属、芽孢杆菌属和苍白杆菌属为优势的功能菌。
46.所述多环芳烃降解菌包括按浓度比为1-10％v/v：1-10％v/v：1-10％v/v混合的嗜麦芽窄食单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)sy-1(菌株保藏号cctcc m 2020310)、芽孢杆菌(bacillus sp.)sy-2(菌株保藏号cctcc m 2020309)、小麦苍白杆菌(ochrobactrum tritici)sy-3(菌株保藏号cctcc m 2020308)。
47.所述无机盐培养基为：以100ml无机盐培养基为例，含有0.56g k2hpo4·
3h2o、0.17g kh2po4、0.21g nh4cl、0.3g nacl、0.01g酵母粉和100ml双蒸水。此外，为了培养多环芳烃降解菌，需先在灭菌后的空瓶中加入多环芳烃母液，待丙酮挥发完全后，向锥形瓶中加入无机盐培养基和多环芳烃降解菌。
48.经检测，所述产物海带渣改性生物炭的比表面积为11.7279m2·
g-1
、孔容为0.048768cm3·
g-1
、孔径为14.5915nm。图1为生物炭材料(a)及改性生物炭材料(b)的sem扫
描电镜图。所述生物炭材料为上述步骤(1)获得的，所述改性生物炭材料为上述步骤(2)获得的，本发明实施例中关于生物炭材料和改性生物炭材料的描述均同此处。由图1中可见，本发明改性生物炭具有多孔结构，孔变小，数量增加，从而增大了生物炭的表面积，进而提高其对苯并芘的吸附能力；另一方面，有利于苯并芘在生物炭孔隙内部的扩散，缩短吸附所需的时间。图2为生物炭材料(a)及改性生物炭材料(b)的eds谱图。由图2中可见，改性后的生物炭比未改性的生物炭谱图中增加了铁元素，说明经过改性处理，氯化铁被成功地负载到生物炭上。图3为生物炭材料(a)及改性生物炭材料(b)的ftir红外光谱图。由图3中可见，改性生物炭在1116cm-1
处出现的谱带为c—o伸缩振动导致，而1425cm-1
处则是与甲基(—ch3)的伸缩振动有关，3402cm-1
处的谱带出现较强的宽吸收峰，这归因于羟基(o—h键)的伸缩振动，此外，564cm-1
处的谱带主要归因于fe—o键的伸缩振动，这在bc的ft-ir光谱中较弱或不存在，证明了fe3o4颗粒的存在。
49.实施例2吸附热力学曲线
50.将实施例1步骤(1)制得的生物炭材料用于对含多环芳烃水溶液吸附实验，具体步骤如下：
51.向30ml的小棕瓶中加入10ml由cacl2和nan3配成的背景液，然后加入苯并芘母液配制2mg/l、6mg/l、10mg/l、14mg/l、18mg/l、22mg/l、24mg/l、30mg/l、42mg/l、50mg/l和56mg/l质量浓度的苯并芘溶液，再向小棕瓶中分别加入0.02g生物炭材料，置于常温条件下吸附72h，待结束后，将溶液转移至离心管中，在4500r/min下离心20min，取上清液，向上清液中加入20ml的正己烷溶液，涡旋震荡5min，手持摇晃5min，超声30min。静置放置待分层稳定后，取上层有机，用针管取样，并通过0.22μm滤膜过滤的得到水样，用液相色谱测定水样中苯并芘的浓度，重复实验，附图4。
52.图4为生物炭材料对多环芳烃的吸附热力学曲线，由图4可知，生物炭材料对多环芳烃的吸附能力先增加后降低，最后趋于平稳，且最大吸附量为55.14mg/l。
53.实施例3吸附动力学曲线
54.将实施例1步骤(1)制得的生物炭材料用于对含多环芳烃水溶液吸附实验，具体步骤如下：
55.向30ml的小棕瓶中加入10ml由cacl2和nan3配成的背景液，然后加入苯并芘母液配制10mg/l质量浓度的苯并芘溶液，再向小棕瓶中分别加入0.02g生物炭材料，置于常温条件下吸附15min、30min、45min、60min、120min、240min和360min，待结束后，将溶液转移至离心管中，在4500r/min下离心20min，取上清液，向上清液中加入20ml的正己烷溶液，涡旋震荡5min，手持摇晃5min，超声30min。静置放置待分层稳定后，取上层有机，用针管取样，并通过0.22μm滤膜过滤的得到水样，用液相色谱测定水样中苯并芘的浓度，重复实验，附图5、图6、图7。
56.图5为本生物炭材料对多环芳烃的吸附动力学曲线，由图5可知，生物炭材料对苯并芘的吸附分为快速吸附阶段(0-45min)、缓慢吸附阶段(45-240min)和平衡吸附阶段(240-360min)，且在240min时可以达到饱和吸附；图6和图7分别为生物炭材料对苯并芘的一级动力学拟合曲线和二级动力学拟合曲线，分析可得，生物炭材料对苯并芘的吸附符合二级动力学曲线，说明多环芳烃在生物炭材料上的吸附主要是化学吸附，芳香官能团中的π键使生物炭和多环芳烃发生π—π相互作用。
57.实施例4生物炭材料及改性生物炭材料对水中多环芳烃的降解
58.向20ml小棕瓶中加入4ml无机盐培养基和1ml菌液，然后分别加入苯并芘母液配制100mg/l质量浓度的苯并芘溶液，再分别加入0.01g生物炭材料和改性生物炭材料，同时用不加生物炭的样本作空白对照，一同置于培养温度31℃、振动速率为170r/min的摇床上培养4d、7d、10d和14d，接着加入等体积正己烷试剂，用涡旋混合器充分振荡萃取5min，用针管取样，并通过0.22μm滤膜过滤的得到有机样，用液相色谱测定水样中苯并芘的浓度，重复实验，附图8。
59.图8为改性生物炭材料在不同时间对质量浓度为100mg/l的苯并芘溶液的降解率。由图8可知，与单独加降解菌相比，生物炭材料负载降解菌的降解效果更好，在14d可达到35.82％，比单独施加降解菌提高了3.94％；而改性生物炭材料降解效果更优于生物炭材料，在14d的降解率提高了5.42％。
60.实施例5生物炭材料及改性生物炭材料对水中不同浓度多环芳烃的降解
61.向20ml小棕瓶中加入4ml无机盐培养基和1ml菌液，然后分别加入苯并芘母液配制50mg/l质量浓度的苯并芘溶液，再分别加入0.01g生物炭材料和改性生物炭材料，同时用不加生物炭的样本作空白对照，一同置于培养温度31℃、振动速率为170r/min的摇床上培养4d、7d、10d和14d，接着加入二倍体积正己烷试剂，用涡旋混合器充分振荡萃取5min，用针管取样，并通过0.22μm滤膜过滤的得到有机样，用液相色谱测定水样中苯并芘的浓度，重复实验，附图9。
62.图9为改性生物炭材料在不同时间对质量浓度为50mg/l的苯并芘溶液的降解率。由图9可知，与单独加降解菌相比，生物炭材料负载降解菌的降解效果更好，在14d可达到50.32％，比单独施加降解菌提高了10.42％；而改性生物炭材料降解效果更优于生物炭材料，在14d的降解率可达到60.77％。
63.实施例6生物炭材料及改性生物炭材料对实际污染土壤中多环芳烃的降解
64.向20ml小棕瓶中加入3g实际污染土壤，将降解菌离心重悬后0d调至1.0，再分别向小棕瓶中加入0.06g生物炭材料及改性生物炭材料、0.5ml超纯水和1ml重悬好的菌液，同时用不加生物炭的样本作空白对照，将全部样品放置恒温培养箱中分别降解4d、7d、10d和14d，期间每隔2d加1ml重悬好的菌液，保证加入菌液总体积为6ml；用二氯甲烷/丙酮＝1/1比例混合溶液作萃取剂，每份样品中加入5ml萃取剂，手动振荡5min，再用涡旋混合器充分振荡萃取5min，超声30min，重复3次，取上清液；将合并的萃取液转移至圆底烧瓶，调节旋转蒸发温度为35℃进行悬蒸实验，待有机溶剂挥发完全，加入2ml丙酮手动摇晃烧瓶，重新萃取，用针管取样，并通过0.22μm滤膜过滤的得到有机样，用液相色谱测定水样中苯并芘的浓度，重复实验，附图10。
65.图10为生物炭材料和改性生物炭材料在不同时间对实际污染土壤中苯并芘的降解率。由图10可知，与单独加降解菌相比，生物炭材料负载降解菌的降解效果更好，在14d可达到76.07％，比单独施加降解菌提高了17.07％；而改性生物炭材料降解效果更优于生物炭材料，在14d的降解率可达到86.98％，比单独施加降解菌提高了27.98％。