一种石油降解菌固定化包埋颗粒的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物固定化领域，具体涉及用于修复石油污染土壤的石油降解菌固定化包埋颗粒的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]石油污染土壤是石油及石化企业的重要污染之一，其中的石油污染物对人体及环境具有很高的毒害作用。土壤的污染越来越受到人们的关注，保证土壤修复的效率，恢复健康生产也就变得越来越重要。
[0003]国内外石油污染土壤的处理方法主要有:焚烧法、填埋法、堆放法以及生物修复法等。但以生物法最经济、最彻底，是实现土壤生态恢复的最有效手段。为了解决传统生物处理技术现场实验中游离微生物与土著菌竞争力弱、抗毒性污染能力差、易受外界环境冲击而难以适应环境等缺点，近些年，人们广泛采用固定化微生物技术来修复受污染的流体介质(如废水)和半流体介质(如泥浆)，它具有菌体密度高、微生物活性高且稳定、耐毒性能力强等特点。因此，近十年来，对其修复受污染的非流体介质(如土壤)的研究也日益增多，但将其广泛应用于受石油污染土壤修复的报道还较少。
[0004]固定化载体和固定化方法的选择是固定化微生物技术的关键性问题。载体性能是关系到固定化技术成败的关键因素。固定化载体主要有有机载体、无机载体和复合载体。理想的固定化载体应该具备以下特征:对微生物细胞无毒性；基质通透性好，传质性能稳定；机械强度高，使用寿命长；价格低廉；重复利用率高，使用后不产生二次污染等。传统的固定化方法主要有吸附法和包埋法，吸附法制备容易，载体可再生，但微生物与载体的结合程度不够牢固；包埋法包埋的菌量大、细胞不易渗漏，稳定性好、能抗有毒物质的侵害，但是可能会导致部分细胞活性丧失。
[0005]CN101177677A公开了一种用于多环芳烃(PHAs)污染土壤修复的固定化颗粒制备方法，按照重量5?20%的比例将培养12?14h的种子液与凝胶液混匀，在25?40°C和pH自然条件下，通过制粒器制得固定化颗粒。凝胶液质量百分配比为:海藻酸钠疒3%，(150目)活性炭、红砖粉、泥炭土和/或粉煤灰0.3^0.6%，余量为水。该发明以海藻酸钠为主要载体材料，以活性炭、红砖粉、泥炭土和/或粉煤灰等为辅助载体，改进了传统的海藻酸钠包埋固定化工艺，可使固定化颗粒的机械强度、弹性和缓释性能大大提高。但是，该方法直接对菌体进行包埋，影响菌体的活性，并且也不能保证载体对菌体的吸附量，所制备出的粉煤灰固定化颗粒对土壤PYR和BaP去除率最高为54.1%和45.8%，其他固定化颗粒对PYR和BaP去除率均低于50%和40%。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种石油降解菌固定化包埋颗粒的制备方法及其应用。本发明方法制备的石油降解菌固定化包埋颗粒可用于石油污染土壤的原位修复，对石油污染土壤具有良好的修复效果，是一种可以推广应用的环保产品。
[0007]本发明石油降解菌固定化包埋颗粒的制备方法，包括以下内容:(1)将35.8wt%?46.5wt%的水葫芦、14.2wt%?18.5wt%的小麦稻杆粉碎过筛，与35wt%?50wt%的核桃壳质活性炭混合，作为辅助载体；(2)取占包埋体系3.0wt9T7.0wt%的辅助载体，接入10wt%?20wt%的石油降解菌种子液,进行吸附；(3)将占包埋体系8.0wt%?10wt%的聚乙烯醇(PVA)搅拌溶解于8(Tl00°C水中，加入1.2wt°/Tl.5wt%的海藻酸钠混匀，冷却后加入余量的水；(4)将(2)和(3)混匀组成包埋体系，滴入CaCl2溶液中交联成球，再转入Na2SO4溶液中固定化，获得石油降解菌固定化包埋颗粒。
[0008]本发明中，步骤(I)所述的辅助载体最好进行预处理，首先将按比例混合的水葫芦、小麦秸杆与核桃壳质活性炭混合物用蒸馏水浸泡12?24h，调节ρΗ7.(Γ7.2，滤去上层杂质，再将滤出的混合物50°C干燥24h，121°C高压蒸汽灭菌20min。
[0009]本发明中，步骤(I)所述的水葫芦全碳含量为220g/kg?260g/kg、全氮含量为38.5g/kg?45.5g/kg、全磷含量为9 g/kg?10.8 g/kg。小麦稻杆的全碳含量为28.1g/kg?35.6g/kg、全氮含量为32.9g/kg?46.8g/kg、全磷含量为0.64 g/kg?0.83 g/kg。核桃壳质活性炭为粉末活性炭，其比表面积为960m2/g，碘吸附值为820mg/g。核桃壳质活性炭为用ZnCl2活化法制备，具体的制备方法为:称取一定量的粉碎过筛的核桃壳浸溃于质量浓度50%的ZnCl2溶液中，料液比2:3，搅拌2小时后静置24 h，干燥后放入管式加热炉中，于3000C > N2的氛围下炭化80min,所得炭化样品再在50%ZnCl2溶液中浸溃20min,经抽滤、干燥后置于马弗炉中500°C下活化40 min，冷却后将活化产物用质量分数20%的盐酸煮沸20min，再用去离子水将所得产物洗涤至中性，置于干燥箱中120 °C烘干。核桃壳质活性炭表面积大，吸附能力强，可以有效的吸附菌丝体和游离酶，其多孔性还可以增加产物和底物的扩散速度，降低扩散阻力，增加微球内部的通透结构。水葫芦和小麦秸杆本身所含的纤维物质和营养物质，有助于活性炭吸附菌体，保证吸附的菌量满足要求，同时还可以满足菌体的营养需求。
[0010]本发明中，步骤(2)所述的石油降解菌种子液的制备采用牛肉膏蛋白胨液体培养基，在120r/min、3(TC条件下培养至对数生长期与稳定期的交界点，保证石油降解菌的数量达到I X 1ltl飞XlOltl个/mL。将石油降解菌培养至对数生长期与稳定期的交界点，可以保证菌的最高活性和稳定性。
[0011]本发明中，步骤(2)所述的石油降解菌的吸附是在12(Tl60r/min、3(rC条件下培养吸附16?24h，使石油降解菌吸附在辅助载体上，保证吸附的菌量达到Qx19Ux1iq个 /mL0
[0012]本发明中，步骤(4)采用的CaCl2溶液的浓度为lwt°/T5wt%，Na2SO4溶液的浓度为10wt%。交联成球后，将微球取出用生理盐水洗涤，放入Na2SO4溶液中，搅拌条件下继续反应2?4h，然后再用生理盐水洗涤，最终制得石油降解菌固定化包埋颗粒。
[0013]本发明石油降解菌固定化包埋颗粒的应用，具体为:先将制备的石油降解菌固定化包埋颗粒在无菌条件下按10wt%?20wt%的比例接入增殖培养基中，120?160r/min、30°C条件下恒温培养24h，然后滤掉培养基，以播种的方式对5(Tl00g/kg油污土壤按每平方米撒0.rikg石油降解菌固定化包埋颗粒，保持土壤30Wt9T40wt%的水分含量，并对表层(T30cm 土壤进行翻耕，使之与石油降解菌固定化包埋颗粒混合均匀，并保证土壤良好的通气性。
[0014]与现有技术相比，本发明方法具有如下突出特点:
1、以天然的无机载体(核桃壳质活性炭)和天然的有机载体(水葫芦和小麦秸杆)的混合物作为辅助载体，采用吸附-包埋组合的方法制备石油降解菌固定化包埋颗粒，可以使石油降解菌优先吸附在辅助载体上，以辅助载体为附着载体和营养物质，在微球内可以更好的生长繁殖，分泌菌丝体，比直接包埋对固定化菌的活性影响小，能够更好的适应外界环境的冲击。
[0015]2、本发明所用载体对生物无毒、传质性能好、吸附容量大、机械强度大、耐酸碱、寿命长，还可以为菌体的生长繁殖提供营养物质，克服了单独使用天然无机载体需要补充外来营养源和单独使用天然有机载体固定菌量不足的缺点。
[0016]3、水葫芦和小麦秸杆提供给微生物的氮、磷质量比接近细胞成分中的氮磷比，有利于提高微生物降解能力。同时，该氮磷比一方面可以满足微生物增殖对氮磷元素的需求，还可以通过缓慢释放满足石油污染土壤生物修复对氮磷元素的需求量,无需额外添加氮磷营养源。
[0017]4、小麦秸杆含有大量的纤维素和半纤维素物质，具有很好的保水性能，在改善微球内部通透性、提供氮磷营养源、增加活性炭吸菌量的同时，还可以减少修复过程中的洒水频次和洒水量，满足细菌修复过程中所需的水分。
[0018]5、石油降解菌固定化包埋颗粒对石油污染土壤有明显的修复效果，对50g/kg^l00g/kg油污土壤，在投料比0.5^1kg/m2 土壤、修复时间40d的条件下，石油污染物去除率可达55%?75%，比游离菌高出21%?33%，其中饱和烃去除效果最好，可达65%?85%。
【具体实施方式】
[0019]下面通过【具体实施方式】来进一步描述本发明，但并不因此限制本发明。本发明中，wt%为质量分数。
[0020]实施例1
1、辅助载体的制备
将水葫芦和小麦秸杆晒干、粉碎，过80目筛，然后与核桃壳质活性炭混合，其中水葫芦46.5wt%,小麦秸杆18.5wt%,核桃壳质活性炭35wt%。混合物用蒸馏水浸泡24h，调节pH7.0，滤去上层漂浮的杂质和上清液，将滤出的混合物50°C干燥24h，121 °C高压蒸汽灭菌20min，备用作辅助载体。
[0021]辅助载体中的水葫芦全碳含量为250g/kg、全氮含量为43.8g/kg、全磷含量为10.2g/kg。小麦稻杆的全碳含量为32.6g/kg、全氮含量为40.8 g/kg、全磷含量为0.76g/kg。核桃壳质活性炭为粉末活性炭，其比表面积为960m2/g，碘吸附值为820mg/g。辅助载体中的碳氮磷比为25:5.7:1，接近细胞成分中的氮磷比，一方面可以满足微生物增殖对氮磷元素的需求，同时还可以通过缓慢释放满足石油污染土壤生物修复对氮磷元素的需求量，无需额外添加氮磷营养源。
[0022]核桃壳质活性炭为用ZnCl2活化法制备，具体的制备方法为:称取一定量的粉碎过筛的核桃壳浸溃于质量浓度50%的ZnCl2溶液中，料液比2:3，搅拌2小时后静置24 h，干燥后放入管式加热炉中，于300°C、N2的氛围下炭化80min，所得炭化样品再在50%ZnCl2溶液中浸溃20min，经抽滤、干燥后置于马弗炉中于500°C下活化40 min，冷却后将活化产物用质量分数20%的盐酸溶液煮沸20 min，再用去离子水将所得产物洗涤至中性，置于干燥箱中于120 °C烘干。
[0023]2、种子液的制备
将石油降解菌接种