本發(fā)明屬于重金屬污染土壤改良劑，具體涉及一種用于鎘污染土壤修復協同固碳減排的微生物改性生物質炭及其制備方法與應用。

背景技術：

1、土壤二氧化碳排放是陸地生態(tài)系統與大氣進行碳交換的重要途徑，其排放量和空間分布對于全球碳循環(huán)和氣候變化具有重要影響。越來越多的研究顯示，土壤排放二氧化碳會削弱全球氣候方面的努力。隨著全球氣候變化問題的加劇，提高土壤的固碳能力成為應對氣候變化的重要策略。土壤固碳不僅能夠減少大氣中的二氧化碳濃度，緩解氣候變化，還能改善土壤肥力，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。然而，當前的土壤固碳技術存在一定的局限性，難以在實際應用中達到理想的效果。

2、土壤的二氧化碳排放主要是通過土壤微生物、植物根系以及土壤動物的呼吸作用等分解有機質而產生的，影響土壤二氧化碳排放量的因素比較復雜。研究顯示，重金屬污染也會對土壤二氧化碳排放量產生明顯的影響，重金屬污染會改變土壤的化學性質和物理性質，重金屬積累會導致土壤酸堿度失調，影響土壤肥力，影響土壤微生物功能及其群落結構；而這些因素又基本都與土壤二氧化碳排放量有關。由于影響因素的復雜性，目前對于土壤固碳減排技術的開發(fā)，始終比較片面化，未有成熟的理論；而面對更加復雜的重金屬污染土壤的固碳減排，由于重金屬對土壤生態(tài)環(huán)境影響方式的多樣性以及環(huán)境的高度復雜性，使得當前對該過程影響機理的研究依然存在爭議。

3、與此同時，我國耕地土壤重金屬污染問題日益嚴重，超標率已達19.4％，尤其是鎘(cd)的土壤點位超標率最高，達到7.0％。鎘是一種具有強毒性、高流動性和持久性的重金屬，以cd2+或有機和無機配合物的形式廣泛存在于地殼中。鎘在土壤中易于遷移和轉化，使其更容易沿著食物鏈積累，最終危及人類健康。因此，面對鎘污染的嚴峻形勢，修復受污染土壤，減少鎘污染土壤二氧化碳排放量，恢復土壤生態(tài)功能，成為亟待解決的問題。

4、生物質炭是以秸稈等生物質為原料，在缺氧或無氧的高溫條件下進行熱解，得到的一種多孔固體顆粒物質，作為一種具有良好吸附性能的材料，被廣泛應用于土壤修復。它能夠改善土壤的物理和化學性質，能夠有效吸附土壤中的重金屬，如鎘，減少其在土壤中的生物有效性，從而降低其對植物和人類的潛在危害。而在固碳減排方面，生物質炭的作用有而不強，尤其生物質炭的固碳減排作用還受到制備原料種類的影響。玉米秸稈是十分豐富的制作生物質炭的重要原料，但是研究顯示，玉米秸稈生產的生物質炭幾乎沒有固碳作用，很難利用其實現固碳減排目的，這也一定程度上限制了玉米秸稈的利用。

5、另外，也有利用微生物修復重金屬污染和固碳的報道，比如多種芽孢桿菌被報道具有一定的修復鎘污染土壤作用，沼澤紅假單胞菌等光合細菌具有固碳作用。然而，單一生物質炭、單一微生物菌的作用也有局限性，而且種類不同的作用相差較大，因此實際應用效果仍顯不足，無法完全滿足重金屬污染修復和土壤固碳的需求。公開號cn117402626a的中國發(fā)明專利公開了一種搭載具有固碳能力的蠟狀芽孢桿菌的水稻秸稈生物質炭，應用到土壤中可增加土壤有機碳含量，但是該生物質炭無法處理重金屬污染；公開號cn112592240a的中國發(fā)明專利公開了一種修復土壤鎘污染的生物碳基復合調理劑，利用具有固定鎘能力的枯草芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌，降低鎘的生物有效性，改良土壤重金屬鎘污染狀況，但是該復合調理劑成分復雜，制作流程繁瑣，而且沒有固碳功能。

6、因此，在土壤的重金屬污染與二氧化碳排放之間有密切關系，但相互影響及機理不清楚的情況下，面對重金屬污染土壤的修復和固碳減排雙重需求，加強相關研究、開發(fā)重金屬污染土壤修復并協同固碳減排的技術，意義重大。

技術實現思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是克服現有重金屬尤其是鎘污染土壤修復和固碳減排雙重技術的不足，提供一種能夠短時間、高效修復鎘污染土并同時提高土壤固碳能力的微生物改性生物質炭材料的制備方法，該方法耦合生物質炭材料與微生物修復技術，具有短時間高效實現重金屬鎘污染土壤的鎘固定以及固碳減排的雙重功能，對重金屬鎘污染土壤的修復具有重要應用價值。

2、本發(fā)明的目的是提供一種用于鎘污染土壤修復協同固碳減排的微生物改性生物質炭制備方法。

3、本發(fā)明另一目的是提供上述方法制備得到的用于鎘污染土壤修復協同固碳減排的微生物改性生物質炭。

4、本發(fā)明再一目的是提供上述微生物改性生物質炭在鎘污染土壤修復協同固碳減排方面的應用。

5、本發(fā)明上述目的通過以下技術方案實現：

6、本發(fā)明耦合生物質炭材料與微生物修復技術，使用以玉米秸稈為原料制作的生物質炭吸附固定枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的混合菌，制備得到的微生物改性生物質炭，兼具鎘污染土壤修復和土壤固碳作用，能夠短時間、高效實現重金屬鎘污染土壤的鎘固定以及固碳減排的雙重功能，對重金屬鎘污染土壤的修復具有重要應用價值。

7、具體來說，本發(fā)明提供了一種用于鎘污染土壤修復協同固碳減排的微生物改性生物質炭的制備方法，該方法是使用生物質炭吸附固定混合菌得到微生物改性生物質炭；所述生物質炭是以玉米秸稈為原料制作的生物質炭；所述混合菌是枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的混合菌。

8、優(yōu)選地，所述生物質炭的制作方法為：將玉米秸稈粉末在無氧或缺氧條件下、300-600℃熱解1-3h(更優(yōu)選為450℃熱解2h)，得到生物質炭。

9、更優(yōu)選地，所述玉米秸稈粉末的粒徑小于等于2mm。

10、可選地，所述無氧或缺氧條件可由流速為400-800ml/min(優(yōu)選600ml/min)的氮氣作為保護氣形成的無氧或缺氧條件。

11、優(yōu)選地，所述枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌按照菌液體積比(1-3)∶(1-3)∶(1-3)進行混合。更優(yōu)選為體積比2∶2∶3混合。

12、優(yōu)選地，所述生物質炭與混合菌液的質量比為1∶(5-15)。更優(yōu)選質量比為1∶10。

13、該制備方法中，所述使用生物質炭吸附固定混合菌的方式為將生物質炭與混合菌液混合后培養(yǎng)12-48h。優(yōu)選為100-200rpm，25-35℃震蕩培養(yǎng)12-48h。

14、最后所得微生物改性生物質炭材料經過干燥。優(yōu)選地，所述干燥的方式采用凍干。相比普通的烘干，凍干不會因溫度過高而對負載的細菌造成損傷。

15、具體地，本發(fā)明提供的微生物改性生物質炭的制備方法，包括如下步驟：

16、s1.菌種的培養(yǎng)：將枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌分別培養(yǎng)得到三種菌懸液；

17、s2.混合菌的共培養(yǎng)：將三種菌懸液按照體積比(1-3)∶(1-3)∶(1-3)混合，然后繼續(xù)共培養(yǎng)12-48h，得到混合菌液；

18、s3.生物質炭材料的制備：將粒徑小于等于2mm的玉米秸稈粉末在無氧或缺氧條件下、300-600℃熱解1-3h，得到生物質炭，將得到的生物質炭烘干，過60-100目篩，得到生物質炭粉末；

19、s4.微生物改性生物質炭材料的制備：將步驟s2所得混合菌液與步驟s3所得生物質炭粉末按照質量比(5-15)∶1進行混合，然后100-200rpm，25-35℃震蕩培養(yǎng)12-48h，使混合菌均勻的在生物質炭表面上吸附固定，收集吸附固定后的生物質炭，冷凍干燥，得到微生物改性生物質炭。

20、優(yōu)選地，步驟s1中枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的菌懸液的od600均為0.5-1.5。更優(yōu)選od600＝1.0

21、優(yōu)選地，步驟s1中枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的培養(yǎng)條件均為30℃、180rpm條件下震蕩培養(yǎng)。更優(yōu)選30℃、180rpm條件下培養(yǎng)。

22、優(yōu)選地，枯草芽孢桿菌培養(yǎng)12-48h(更優(yōu)選24h)。

23、優(yōu)選地，貝萊斯芽孢桿菌培養(yǎng)24-60h(更優(yōu)選48h)。

24、優(yōu)選地，沼澤紅假單胞菌培養(yǎng)6-8天(更優(yōu)選7天)。

25、另外優(yōu)選地，沼澤紅假單胞菌的培養(yǎng)條件需增加光照條件(優(yōu)選10-100瓦鎢絲燈)。

26、可選地，枯草芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌的培養(yǎng)基均為：牛肉膏2.0-4.0g，蛋白胨8.0-12.0g，氯化鈉4.0-6.0g，蒸餾水定容至1.0l，ph為6.5-7.5。

27、優(yōu)選地，枯草芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌的培養(yǎng)基均為：牛肉膏3.0g，蛋白胨10.0g，氯化鈉5.0g，蒸餾水定容至1.0l，ph為7.0。

28、可選地，沼澤紅假單胞菌的培養(yǎng)基為：磷酸氫二鉀0.8-1.2g，硫酸鎂0.4-0.6g，酵母提取物8.0-12.0g，蒸餾水定容至1.0l，ph為6.5-7.5。

29、優(yōu)選地，沼澤紅假單胞菌的培養(yǎng)基為：磷酸氫二鉀1.0g，硫酸鎂0.5g，酵母提取物10.0g，蒸餾水定容至1.0l，ph為7.0。

30、優(yōu)選地，步驟s2中共培養(yǎng)的條件為25-35℃、100-200rpm條件下震蕩培養(yǎng)12-48h。更優(yōu)選為30℃、180rpm條件下震蕩培養(yǎng)24h。

31、優(yōu)選地，步驟s2中枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的菌懸液按照體積比2∶2∶3混合。

32、優(yōu)選地，步驟s3中450℃熱解2h。

33、可選地，步驟s3中無氧或缺氧條件可由流速為400-800ml/min(優(yōu)選600ml/min)的氮氣作為保護氣形成的無氧或缺氧條件。

34、優(yōu)選地，步驟s3中烘干的生物質炭過60目篩得到生物質炭粉末。

35、優(yōu)選地，步驟s4中混合菌液與生物質炭粉末的質量比為10∶1。

36、優(yōu)選地，步驟s4中震蕩培養(yǎng)條件為120rpm，30℃震蕩培養(yǎng)24h。

37、優(yōu)選地，所述干燥的方式采用凍干。相比普通的烘干，凍干不會因溫度過高而對負載的細菌造成損傷。

38、優(yōu)選地，凍干方式為：先-80-20℃冰凍12-48h，再冷凍干燥24-60h。

39、更優(yōu)選地，凍干方式為：先-80℃冰凍24h，再冷凍干燥48h，得到微生物改性生物質炭材料。

40、該微生物改性生物質炭材料能夠短時間、高效實現重金屬鎘污染土壤的鎘固定以及固碳減排的雙重功能，因此，該微生物改性生物質炭材料及其在鎘污染土壤修復和固碳減排(減少鎘污染土二氧化碳的排放量)方面的應用，也均應在本發(fā)明保護范圍之內。

41、本發(fā)明具有以下有益效果：

42、(1)本發(fā)明耦合生物質炭材料與微生物修復技術，使用以玉米秸稈為原料制作的生物質炭吸附固定枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和沼澤紅假單胞菌的混合菌，制備得到的微生物改性生物質炭，能夠針對重金屬鎘污染土壤，短時間、高效實現鎘固定和固碳減排的雙重功能(處理20天左右即出現二氧化碳的負排放，并在之后持續(xù)表現出二氧化碳的負排放)，對重金屬鎘污染土壤的修復具有重要應用價值。

43、(2)本發(fā)明的微生物改性生物質炭材料成分簡單，制作流程簡便，具有很好的推廣應用前景。