[发明专利]一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂与应用

说明书

技术领域

本发明属于环保领域，具体涉及一种激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂与应用。

背景技术

2014年环境保护部和国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》，全国土壤镉、铜、铅、锌、镍等5种二价阳离子型重金属的点位超标率分别为7.0％、2.1％、1.5％、0.9％、4.8％。耕地土壤点位超标率为19.4％，其中轻微13.7％、轻度2.8％、中度1.8％和重度污染1.1％，主要污染物为镉、镍、铜、铅等。土壤镉等重金属污染治理是我国面临的重大环境问题，稻田镉污染尤为突出。

我国大面积的稻田镉污染，亟待开发一种能够大面积推广应用、成本较低、不误农时的技术方法，以降低稻米中镉含量。事实上，稻田镉等重金属行为是水—土—气—生共同作用的地表过程；有许多元素的生物地球化学行为会影响到这一过程。其中硫元素是稻田人为输入量最大的活性元素，铁元素是稻田最活跃的高丰度金属元素；微生物是稻田土壤硫、铁形态转化从而引起重金属形态转变的主要驱动力。稻田土壤中硫、铁的生物地球化学循环会影响重金属镉的形态和生物有效性，从理解镉与硫、铁元素循环的生物地球化学基础科学问题与研制具有应用价值的产品入手，降低稻田镉的移动性与生物有效性，减少水稻吸收镉，从而提高稻米镉的安全性，是切实可行的技术思路，也是我国大面积稻田镉污染控制的必由之路。

硫显著影响重金属镉的活性和生物有效性。硫是土壤中重要的活性元素，其地球化学过程非常活跃。土壤中的硫有-2至+6不同价态，主要包括S^2-、S⁰、SO₄^2-、S₂O₃^2-和S₄O₆^2-等离子形式。进入土壤的SO₄^2-，在厌氧条件下很快被还原在S^2-，S^2-可以与金属离子形成硫化物，从而对重金属起到稳定化作用；但土壤中硫在氧化形成SO₄^2-时，会产生大量的H⁺，导致重金属活化(陈怀满等，2002)。因此，土壤中硫的氧化-还原过程是控制土壤重金属溶解-沉淀的关键机制。土壤微生物在硫酸盐源和汇中起着中心作用，各种微生物之间的相互作用是土壤硫酸盐含量的重要调节因子(Wainwright,1984)。

最近Muehe等人分离出Geobacter sp.strain Cd1，该菌株可还原溶解含Cd氧化铁矿物，该菌还原氧化铁后，释放的Cd可以被二次氧化铁矿物固定(Muehe et al.,2013)。该研究表明，铁还原过程中，由于氧化铁矿物的重结晶也会促进Cd的再次固定。Cooper等人研究发现，在此过程中，土壤中游离态二价重金属(Cd、Co、Mn、Ni、Pb及Zn)在氧化铁重结晶过程中均可被固定在次生矿物结构中，从而实现重金属结构化固定脱毒(Cooper et al.,2006)。

根据上述原理分析，激活土壤中硫还原菌等微生物活性可以促进稻田土壤硫、铁还原，并进而固定镉。土壤中硫还原菌等微生物的活性与土壤中电子供体、电子穿梭体等有关。通过向稻田土壤添加电子供体和电子穿梭体可以有效激活硫还原菌等微生物的活性。

电子供体是指硫还原菌等微生物生长需要的低分子量有机碳物质。电子穿梭体是指在微生物与矿物之间搬运电子的载体。电子穿梭体从胞外呼吸微生物获得电子，被还原，然后将电子传递给电子受体(矿物，例如氧化铁)，同时被氧化，穿梭体自身的结构在此过程中相对稳定，不被消耗。驱动铁还原与硫还原的大部分微生物均具有胞外呼吸功能，因此电子穿梭体能够激活铁还原与硫还原微生物，同时加速稻田土壤的铁还原与硫还原过程。