重金属污染耕地修复用重金属稳定剂

发布者:邵永运发布时间:2018-11-13浏览次数:14

一、技术背景

根据经济观察报报道,我国目前有2亿亩耕地在利用上存在食品安全、生态安全的问题,其中有5000多万亩受到了重金属的中、重度污染,造成了我国重金属的土壤超标率为16.1%。2016年4月25日报道,中国环保部部长陈吉宁介绍,目前环保部门已在10个省份启动土壤污染治理与修复试点示范项目。支持38个重金属重点防控区域开展综合防治示范。持续开展农产品产地土壤重金属污染普查,涉及16.23亿亩。在长株潭地区实施重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点,涉及170万亩。在新疆、甘肃等6省(区)和新疆生产建设兵团约涉及1200万亩。

二、技术原理

本研发团队开发的重金属稳定剂基础材料选自天然,并且经历过3000度高温的自然煅烧。通过复合微生物、生物化工、有机高分子材料技术,不含有任何的有害物质,经过80多项重金属的稳定实验数据分析,稳定土壤中的重金属作用率均在50%以上,是国内当前除化学钝化方式重金属稳定率最大的产品,而且还具有成本低的优点。

本产品包含三种主要成分:(1)重金属稳定专用微生物;(2)生物硅;(3)γ-聚谷氨酸。

(1)重金属稳定专用微生物

重金属污染的微生物修复原理主要包括生物吸附和生物转化。

本产品中含有的枯草芽孢杆菌,其细胞壁带有负电荷而使整个细菌表面呈现阴离子特性,通过细菌细胞中均聚物或杂聚物上的羰基或磷酰基等阴离子作用可以增加金属离子的吸附。此外,细胞壁中的分子结构也具有活性,可以将金属螯合在细胞表面。具体包括:① 细胞壁上的活性基团(如琉基、羧基、羟基等)与重金属离子发生定量化合反应(如离子交换、配位结合或络合等)而达到吸收的目的;② 物理性吸附或形成无机沉淀而将重金属污染物沉积在自身细胞壁上。如细胞壁的多孔结构使其活性化学配位体在细胞表面合理排列并易于和金属离子结合。此外,胞壁多糖可提供氨基、羧基、羟基、醛基以及硫酸根等官能团,它们对金属离子有着较强的络合能力。

本产品含有的枯草芽孢杆菌,体内含有抗Cd基因,可通过“区域化作用”,将重金属离子分配在细胞内的不同部位,刺激体内合成金属硫蛋白(MT),MT通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物,达到稳定重金属离子的浓度的目的。

本产品含有的荧光假单胞菌,其体内含有Cd还原酶,可以将Cd6+还原为Cd3+,降低Cd的毒性。在有硫酸根基团存在的环境中,可将SO42-还原成S2-,S2-与细胞体内和体外的Cd阳离子结合,形成沉淀,达到去除Cd离子的目的。

(2)生物硅

本产品含有的生物硅是一种多孔性的固体,主要成分为 SiO2,由于其粒度小,比表面积较大,具有极强的表面活性,是一种优良的重金属吸附材料。

具有如下特点:

1)高比表面积:本产品采用的微硅粉是一种比表面积大、活性高的火山灰物质。粒度为微米级,是一种超微固体物质;比表面积可达 20~28 m/g,比粉煤灰大 50~70 倍左右,比水泥约大 80~100 倍,因此对重金属离子具有强大的物理吸附能力。

2)生物硅颗粒表面存在着大量硅酸基、羧基、羟基基团:本产品除了天然形成的负离子基团外,由于加入了微生物菌群,其在生长和代谢过程中产生的有机酸、酶等活性物质显著促进了硅表面的硅酸基、羧基、羟基化,使得生物硅对重金属如Ag、 Pd、Cd、Cr等离子的吸附去除率达到40%以上。

3)具有较高的强度和耐磨性:由于颗粒本身受到火山喷发、自然筛选和加工过程中气(液)体的反复冲刷、压力的频繁变化和温差的变化,因此机械强度和耐磨性好高,具有良好的物理机械性能。

4)颗粒大小均匀:经过精细加工,生物硅吸附孔半径主要分布在500-900Å,其中873Å占了 61.4%,说明颗粒均匀,同时,这种孔径尺寸适合吸附半径在 800Å左右的Cd、Ag、Pd等重金属离子。

(3)γ-聚谷氨酸

本产品添加了1%含量的γ-聚谷氨酸吸附材料。γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是由微生物合成的一种细胞外高分子氨基酸聚合物,是由L-谷氨酸和/或D-谷氨酸单体通过γ-谷氨酰胺聚合而成的一类均聚氨基酸。γ-聚谷氨酸主链上存在大量氢键、游离羧基和肽键,可以和100倍以上的重金属离子进行鳌合。γ-聚谷氨酸的主链结构如图1所示。

图1 γ-聚谷氨酸的主链结构

三、应用影响

由于具有以上所述的物理和化学吸附的双重功能,本重金属稳定剂对Cd、Ag、 Pd、Cr等离子的吸附去除率达到45%以上,对其他金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等也具有良好的吸附能力。