一种生物炭耦合微生物的生物prb在修复多环芳烃污染场地中的应用
技术领域
1.本发明属于土壤和地下水修复技术领域，具体涉及一种生物炭耦合微生物的生物prb在修复多环芳烃污染场地中的应用。


背景技术：

2.多环芳烃是一类典型的持久性有机污染物，在环境中具有较强的生物毒性和潜在的生物累积性，严重危害生态环境和人体健康，已被各国列为优先控制污染物。环境中的多环芳烃主要来源于人类活动中的化石燃料和高分子有机化合物的不完全燃烧以及石油开采、运输、使用和排放。这类物质会随大气沉降、降雨、工业排放及土壤渗滤液的作用进入地下环境。此外，多环芳烃具有低水溶性、强疏水性和高吸附性的特点，很容易聚集在土壤中，并不断通过吸附-解吸过程，逐步扩散到地下水中，成为一个持久性和危害性很强的污染源。因此，亟需寻求经济、有效、绿色可持续的治理方法对多环芳烃污染地下水进行修复。
3.目前，国内外常用的地下水修复方式主要有异位修复和原位修复，其中原位渗透性反应墙(permeable reactive barrier，prb)修复技术因具有较好的处理效果、安装施工方便、运行费用低等优点而被关注，是一种经济可行的修复方式。渗透性反应墙是指一种填充活性反应介质材料的被动污染处理系统，当污染的地下水流借助自身水力梯度作用通过反应墙时，污染物与墙体中的反应介质发生物理、生化反应而被去除，从而达到污染修复的目的。其中最为关键的是对可渗透反应墙复合材料的研发，常用的填充反应介质主要包括沸石、活性炭、零价铁等。但是经过一段时间运行后，填充材料由于吸附量达到饱和或者活性反应介质消耗而容易失活。因此，需要探寻经济有效并且能够提高prb运行周期的填充材料。
4.微生物修复技术因其成本低、降解彻底、环境友好等优点备受关注，被认为是较为安全环保、经济节约的修复方式。研究指出，多环芳烃能在微生物的降解作用最终达到无害化修复的目的。已有许多研究报道从污染场地筛选、驯化的单一多环芳烃降解菌，但在实际应用过程中游离的功能微生物因环境条件、存活时间、代谢活性等因素影响去除效率。多环芳烃的微生物降解速率，一方面受到多环芳烃憎水亲脂性的影响限制其传质过程，另一方面受到环境因子对微生物的生长环境的影响。已有研究表明，将固定化微生物作为prb填充材料能够有效缓解生长环境对微生物生存的压力，应用于污染地下水的修复中。但是目前对于其降解菌大部分采用纯菌株，很难适应实际污染地下环境，因此，存在降解率低、生物修复时间长的问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物炭耦合微生物的生物prb及其制备方法，以驯化后的土著功能降解菌群为功能微生物，以生物炭为固定化载体，可以有效吸附和降解多环芳烃，提高修复效率和运行周期。
外在环境的冲击，并且可以有效提高微生物数量、活性和反应速度，增强微生物对不同环境条件的适应力，提高修复效率和运行周期。可见，本发明生物炭的比表面积大、多孔结构为优势降解菌群的繁殖提供了良好的生境，显著增强了微生物的活性和数量，提高地下水中多环芳烃的降解效率；驯化后的污染物降解菌群可以有效降解污染物，缓解了土著微生物降解率低、生物修复时间长等特点。生物炭耦合降解功能菌群，缓解了微生物修复周期长、对环境适应性差，生物炭的物理吸附无法从根本上消除污染物、并且容易吸附饱和而“失活”的缺点，两者可在协同效应作用下，增强对污染地下水的实际修复效果，提高运行周期。本发明制备工艺简单、成本低，对于地下水的原位修复具有环保无二次污染、效果显著的应用可行性。
附图说明
25.图1为本发明实施例驯化的多环芳烃优势菌群的组成(属水平)；
26.图2为生物炭对多环芳烃(菲)的吸附去除效率；
27.图3为生物prb对多环芳烃(菲)地下水的柱体模拟修复效果。
具体实施方式
28.本发明提供了一种生物炭耦合微生物的生物prb，所述生物prb的填充反应介质为生物炭耦合功能微生物和惰性介质的混合物。
29.在本发明中，所述生物prb对填充反应介质进行了改进。所述生物prb的填充反应介质为生物炭耦合功能微生物和惰性介质的混合物。本发明对所述惰性介质的种类不做具体限定，采用本领域所熟知的惰性介质的方法即可，例如石英砂。所述石英砂的粒径优选为0.18～0.5mm，更优选为0.25～0.42mm，最优选为0.35mm。所述生物炭耦合功能微生物和惰性介质的体积比为1:(1～3)，优选为1:(1.5～2.5)，更优选为1:2。所述惰性介质的作用是提高填充材料的渗透性，在污染地下水处理时，渗透性高，有助于地下水优先从墙体流过，从而发生系列吸附及氧化还原反应，去除污染物。
30.在本发明中，生物炭耦合功能微生物是从污染土壤中富集驯化的污染物降解功能菌群与生物炭混合培养得到。所述污染物降解功能菌群的富集驯化方法，优选将采集的污染土壤样品在目标污染物浓度梯度递增的无机盐培养基中驯化培养，得到目标污染物降解功能菌群。所述培养基为无机盐培养基。所述无机盐培养基的基础配方优选如下：nh4cl，1g/l；na2hpo4，0.38g/l；nah2po4，0.38g/l；mgcl2·
6h2o，0.08g/l；cacl2，0.07g/l；kcl，0.04g/l；fe so4·
7h2o，0.001g/l和2.5ml的微量元素，其中微量元素包括：mncl2·
h2o，0.027g/l；h3bo3，0.031g/l；cocl2·
6h2o，0.036g/l；cucl2·
2h2o，0.010g/l；nicl2·
6h2o，0.020g/l；zncl2，0.050g/l；na2moo4·
2h2o，0.030g/l，ph调节至7.0～7.2的范围内。所述目标污染物溶液的梯度浓度优选为1mg/l、2mg/l、3mg/l、4mg/l、5mg/l、6mg/l、7mg/l、8mg/l、9mg/l、10mg/l。所述目标污染物溶液的种类与待修复的污染场地的污染物所对应，可以根据实际具体的目标污染物的种类就地取材富集驯化目标污染物降解功能菌群，同时采用目标污染物的种类进行梯度浓度的扩大培养。所述培养的温度优选为25～30℃，更优选为28℃。每种污染浓度的扩大培养时间优选为5d继代一次。所述扩大培养优选在振荡条件下进行。所述振荡的转速优选为140～180rpm，更优选为160rpm。继代培养结束后，本发明得到的
富集驯化的目标污染物降解功能菌群的菌液浓度优选为107～109cfu/ml，更优选为108cfu/ml。本发明实施例中，以多环芳烃污染场地为例，对富集驯化的多环芳烃降解功能菌群在属水平上分析，所述污染物降解功能菌群优选主要包括methylobacterium methylorubrum、鞘脂杆菌属(pedobacter)和假单胞菌属(pseudomonas)。所述methylobacterium methylorubrum、鞘脂杆菌属(pedobacter)和假单胞菌属(pseudomonas)的相对丰度占污染物降解功能菌群总丰度的98.8％以上。
31.在本发明中，所述生物炭的粒径优选为0.05～0.3mm，更优选为0.15mm；孔径优选为1～25nm，更优选为5～15nm；比表面积优选为2～200m2/g，更优选为100m2/g。本发明对所述生物炭的来源没有特殊限制，采用本领域所熟知的符合上述要求的生物炭即可。在本发明实施例中，所述生物炭的制备方法，优选将植物等原材料进行清洗、烘干并研磨成粉末，以升温速率10℃/min加热到100℃，保持30min，再以4℃/min的升温速率到目标温度300℃～700℃，保持120min后自然降温，在这过程持续通入氮气。最后将制备好的生物炭过100目筛备用。本发明对制备生物炭原材料的来源没有特殊限制，采用本领域所熟知的材料即可，例如所述植物材料包括但不限于水葫芦、空心莲子草、互花米草、芦苇秸秆水生植物等，玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳等农业废弃物，甘蔗、麦芽渣等加工尾渣。所述生物炭具有的微孔结构和极强的吸附力，能够吸附目标污染物；同时生物炭为耦合的微生物提供碳源、能量、矿质营养等，促进其生长繁殖并提高其代谢速率。
32.在本发明中，在所述混合培养时，所述污染物降解功能菌群的菌液浓度优选为107～109cfu/ml。所述污染物降解功能菌群的菌液体积与生物炭的质量比优选为1.5～3.0ml:1g，更优选为2～2.5ml:1g。所述混合培养的温度优选为25～30℃，更优选为28℃。所述混合培养的转速优选为160～200rpm，更优选为180rpm。所述混合培养的时间优选为45～50h，更优选为48h。所述混合培养有利于污染物降解功能菌群进入到生物炭的孔隙中，减少了环境因子对菌群的影响，从而在细菌数量、活性方面有显著提高。同时，生物炭的高比表面积和孔隙率以及丰富的生物官能团，具有较高的吸附性能，有利于将地下水中污染物吸附到生物炭的表面或孔隙中，从而有利于功能菌群对污染物的就近降解，大大提高污染物的降解效率，缩短修复周期。因此，本发明将渗透性反应墙与生物处理法相结合(生物prb)，利用生物炭作为微生物固定化载体，能够有效解决反应墙不能持续作用、生物处理法需要时间长和对污染程度较高区域不适应等问题，可以更加有效的促进地下水中目标污染物的去除。
33.本发明对所述生物炭耦合微生物的生物prb的制备方法没有特殊限制，采用本领域所熟知的prb的制备方法即可，即以改进的填充反应介质替换常规的填充反应介质即可。
34.本发明提供了所述生物炭耦合微生物的生物prb在修复多环芳烃等污染场地中的应用。所述污染场地包括但不限于多环芳烃污染地下水等。所述多环芳烃包括以下化合物中的一种或几种萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽和苯并(g,h,i)苝、1-甲基奈和2-甲基奈。为了举例说明本发明对多环芳烃污染场地的修复方法，本发明以菲为例加以具体说明。
35.本发明还提供了一种利用生物炭耦合微生物的生物prb修复污染场地的方法，包括以下步骤：
36.1)从待修复污染场地采集土壤或地下水样品，以梯度压力式驯化法培养，得到具有降解目标污染物的土著降解功能菌群；
37.2)将所述土著降解功能菌群与生物炭混合培养，得到生物炭耦合功能微生物；
38.3)将所述生物炭耦合功能微生物与惰性介质混合作为填充反应介质填充至prb中，得到生物prb；
39.4)将所述生物prb进行原位修复污染场地。
40.在本发明中，所述污染场地优选多环芳烃污染场地。为了举例说明本发明对多环芳烃污染场地的修复方法，本发明以菲污染为例加以具体说明。
41.下面结合实施例对本发明提供的一种生物炭耦合微生物的生物prb在修复多环芳烃污染场地中的应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
42.实施例1
43.一种生物炭耦合微生物的生物prb的制备方法
44.1)将10g多环芳烃污染土壤(采集时间为2020年10月份，采集地为天津某污染场地)溶于200ml灭菌蒸馏水中，用玻璃棒搅拌20min后取10ml转接到含有100ml无机盐培养基的250ml三角瓶中，并将其放置于28℃、160rpm的恒温振荡摇床中培养。其中无机盐培养基中按照浓度梯度依次添加菲溶液，使其浓度分别达到1～10mg/l，每5天转接一次进行继代培养，转接时按照10％体积比转接前一代菌液至新的培养基中。所有操作均在无菌超净工作台中操作，无机盐培养基在使用前用高压灭菌锅在121℃下灭菌30min，放到无菌超净工作台中冷却至常温后添加菲储备液。无机盐培养基组成包括：nh4cl 1g/l、na2hpo40.38 g/l、nah2po40.38 g/l、mgcl2·
6h2o 0.08g/l、cacl20.07 g/l、kcl 0.04g/l、feso4·
7h2o 0.001g/l和2.5ml的微量元素，其中微量元素包括：mncl2·
h2o 0.027g/l、h3bo30.031 g/l、cocl2·
6h2o 0.036g/l、cucl2·
2h2o 0.010g/l、nicl2·
6h2o 0.020g/l、zncl20.050 g/l、na2moo4·
2h2o 0.030g/l，ph调节至7.0～7.2的范围内。
45.将驯化后的多环芳烃降解菌群通过16s rrna高通量测序进行物种组成分析。
46.从图1可以看出，驯化后的多环芳烃菌群在属水平上分析，多环芳烃优势降解菌群主要集中3个属，分别为methylobacterium-methylorubrum、pedobacter和pseudomonas，占菌群总丰度的98.87％。
47.(2)使用空心莲子草制备生物炭的方法。将空心莲子草先后用自来水和蒸馏水洗净、切碎，放入烘箱内(30～50℃)烘干后，用粉碎机将材料粉碎，然后将空心莲子草粉末置于管式炉中，以室温20℃，升温速率10℃/min到100℃，保持30min，再以4℃/min的升温速率到300℃，保持120min后自然降温至100℃左右，关闭管式炉，在制备过程持续通入氮气。待温度自然下降至室温后，取出烧制后的样品过100目筛，得到空心莲子草生物炭备用。
48.将制备的空心莲子草生物炭进行吸附菲的实验，具体方法如下：将1g/l的生物炭置于含有50ml菲溶液(初始浓度为1mg/l)的离心管中，并在25℃的摇床中以150r/min速度下振荡，在10min～24h间隔取样，进行吸附动力学试验。取样时将溶液静置3分钟然后取上清液约1ml，并用二氯甲烷进行萃取，随后在高效液相色谱(hplc)上测定菲的浓度。以上试验均设置3个平行样及空白对照试验。
49.从图2可以看出，空心莲子草生物炭能够有效吸附去除1mg/l的菲溶液，去除率达到70％。
50.(3)在250ml三角瓶中配制100ml无机盐培养基，于121℃下灭菌30分钟后冷却至室温备用；按照5％的体积比接种量，将富集驯化后的多环芳烃优势降解菌液接种到新鲜配制
的无机盐液体培养基中，置于28℃、180r/min摇床中震荡培养至对数期od
600
＝0.6～1.0；对数期菌液4000r/min离心5min后，弃上清液，加入等体积已灭菌的去离子水并重悬混匀，重复该操作三次以洗去培养基，重悬混匀的菌液备用。
51.(4)按照1g生物炭加2.5ml降解菌菌液的比例混合，分别称取6g生物炭材料加入到两个灭菌的烧杯中，其中两个烧杯添加15ml菌液作为实验组微生物固定化材料，分别混合均匀后置于摇床中震荡培养48小时，摇床培养条件为28℃、180r/min，既得到微生物固定化材料。
52.(5)石英砂首先使用自来水淘洗5遍，洗去石英砂中的灰尘和粉末；然后，使用0.1mnaoh浸泡6h后使用去离子水洗至上清液为中性；用0.1m hno3浸泡5h，用去离子水洗至中性后平铺在不锈钢盘中，置于烘箱中105℃烘干；烘干后的石英砂分别过0.5～1.4mm筛、0.18～0.5mm筛和0.11～0.25mm筛，得到不同粒径的粗砂、中砂和细砂。将石英砂放置于1l烧杯中在121℃下灭菌30分钟后，置于超净工作台中冷却至室温。将中砂20ml与微生物固定化材料20ml按照1:1的体积比混合均匀后，作为模拟柱体实验中prb区域的填充材料。
53.(6)柱体填充前，首先将所有实验器材及实验材料紫外杀菌，连接柱体盖与柱体。两端柱体盖与柱体连接方法相同，使用400目筛网对柱体一端封口，并在柱体侧壁与筛网及柱体盖接触的区域涂抹硅橡胶，将柱体盖与柱体连接，形成密封，首先密封出水端柱体盖与柱体。使用14tygon chemical泵管连接进水装置与出水端，然后将柱体竖直放置，出水端为底部。依次按照粗砂过滤层、prb下游区域、prb区域、粗砂过滤层的顺序进行填充。其中除实验组prb区域采用干填充外，其余区域均采用湿法填充，湿法填充过程中从底部进水，使水位线始终高于砂层3cm，且每填充3cm即使用橡胶锤轻轻压实。填充至prb区域时，首先使用虹吸方法使水位与砂层平齐，然后填充prb区域，每填充2cm压实一次。填充完毕后，缓慢从底部进水使水位线再次高于砂层3cm，依次进行其他区域的填充。
54.实施例2
55.污染地下水模拟修复方法
56.1)将实施例1制备的生物炭耦合微生物的生物prb连接出水端柱体盖与柱形槽体，连接完成后密封，竖直放置48h，柱体内无镂空或气泡后水平放置24h，仍无镂空或气泡产生后依次连接进水装置、一维饱和含水层模拟装置和废液收集装置。
57.2)污染地下水模拟修复实验采用模拟地下水，用去离子水配制模拟地下水，模拟地下水的组成包括：大量盐溶液0.1mg/l feso4·
7h2o、2mg/lmgso4·
7h2o、3mg/lnh4cl、0.6mg/lnah2po4·
h2o；微量盐溶液组成包括5μg/lmncl2、5μg/l h3bo3、5μg/lna2moo4·
2h2o、5μg/l cocl2·
6h2o、5μg/lniso4·
6h2o、5μg/l caso4·
5h2o和5μg/l znso4·
7h2o。将模拟地下水配制于10l玻璃广口瓶中，经高压灭菌锅121℃、30分钟后冷却使用。冷却后的模拟地下水中添加浓度为10g/l的菲溶液0.6ml，混合均匀，使模拟地下水中菲浓度达到600μg/l。将配制的模拟地下水注入到进水装置中。
58.3)定期采集prb模拟柱体入口处和出口处水溶液样品，检测其中菲的浓度含量。每个取样口每次重复取三个平行样，取平均值。菲的含量采用高效液相色谱(岛津lc-20at，日本)进行测定。分析参数：流动相为50％的甲醇水溶液，流速为1.0ml/min，水相(a相，超纯水)和有机相(b相，乙腈)的比例为1:1。
59.结果如图3所示，其中耦合体系1和2为两组重复试验。从图3可以看出，本发明的生
物炭耦合功能微生物的prb材料对菲的去除效果显著，prb模拟柱体实验运行到75天时仍然具有稳定的菲去除率，在整个过程中生物炭对菲的吸附逐渐达到饱和后，多环芳烃优势降解菌以生物炭为载体，发挥高效稳定的菲去除效果。因此，生物炭耦合功能微生物降解是多环芳烃污染地下水的一种有效修复方法。
60.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。