一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法技术

本发明专利技术公开了一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法，包括如下步骤：1）将两种杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；2）将固化培养基填入固化装置中，固化风干；3）得到固化样砂柱，进行理化指标分析。该方法在固化沙漠风积砂过程中较传统的MICP技术、EICP技术和BICP技术有着固化周期短，固化速率快，固化样无侧限抗压强度提升大，最高可提升1.96倍。本发明专利技术还提供基于此的野外沙漠的治理方法。本发明专利技术的方法是一套对土壤改性温和、成本低廉、适应性强、无污染、短期内生态恢复效果显著的荒漠化、沙化治理新方案。沙化治理新方案。沙化治理新方案。

【技术实现步骤摘要】
一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法


[0001]本专利技术属于土地荒漠化和沙化治理领域，具体地涉及一种用于固化沙漠风积砂的菌酶联用方法，利用该菌酶联用技术固化沙漠风积砂，具有明显技术优势，是可复制、可借鉴、可推广的荒漠化治理新方案。

技术介绍

[0002]土地荒漠化是一种严重的自然灾害，它不仅破坏了人类赖以生存的土地和生态环境，而且还严重影响了经济、社会和生态系统，甚至可能导致人类的生存和发展受到极大的威胁。荒漠化已成为一种极具挑战的全球化现象，它对2/3的国家、1/5 的人口的健康及其未来的发展构成了巨大威胁，而且这种威胁还正在以每年5万
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7万平方公里的速度增长。因此，有效的应对措施对于保护当前的生态系统、减缓全球气候变暖，实现经济社会的长期稳定增长都具有极其重要的意义。
[0003]当前，应对土壤退化、沙尘暴的传统措施包括：（1）采用人工栽培的植物来改善自然环境，构筑大规模的防护林，并在林内设置护林网。（2）通过建造草坪、粘土、栅栏、立体堆积沙、平坦沙地等多样化的沙漠防护技术，来实现沙漠化的防护目标。（3）采取喷洒化学粘合剂来处理沙漠，增加土壤的稳定性，防止水分和空气侵入，从而改善土壤的耐久性和耐磨损性。（4）在碳酸钙的微生物矿化方面，巴氏芽孢杆菌作为微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP），脲酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）和胶质芽孢杆菌分泌碳酸酐酶诱导碳酸钙沉淀技术（BICP）是一种常规的生物诱导矿化反应过程，属于微生物固沙技术。
[0004]由于传统的植物治沙技术受到水资源的限制，使得植物的存活率降低，生长速度减慢，无法在短时间内建立起一个完整的生态体系。而传统的工程治沙技术，存在成本昂贵和治理周期长的问题。尽管化学治沙技术操作简便，效果也比较明显，但其所使用的化学粘合剂会产生重金属等有毒物质，严重破坏土壤的结构及理化特征，从而导致二次污染。在MICP和BICP固化过程中，参与固化过程的巴氏芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌的生长都有延滞期，且脲酶和碳酸酐酶的表达量会因环境因素，培养基添加量而变化，进而会延长固化周期和固化强度。
[0005]巴氏芽孢杆菌迄今为止所知的利用尿素降解进行生物矿化的最为高效的微生物系统之一。基于其碳酸钙生物矿化形成的“超强能力”，巴氏芽孢杆菌已经被成功地应用于沙石、土壤等生物固化中，成为一种全新的、具有极大潜力的生物建筑辅助技术。微生物诱导碳酸钙沉积技术的机理包括，巴氏芽孢杆菌通过表达脲酶将尿素水解成NH3和CO2，从而迅速提高细胞微环境的pH值与碳酸根浓度，形成诱导碳酸钙沉淀所需的碱性环境。同时微生物细胞表面通常带有大量负电荷的官能团，从而吸附溶液中带正电荷的Ca
2+
形成碳酸钙，并沉淀在细胞表面，最终形成生物矿化体。碳酸酐酶能够促进CO2的水解，从而产生HCO3‑
和CO
32
‑
，能够显著地改善生物体的矿物质转运过程，有助于矿物质的沉淀。但具体如何实现固化沙漠风积砂还没有成熟的做法。
[0006]因此急需一种用于生态修复的新型技术，能够有效地缓解荒漠化、沙化等问题，并
且具有成本低廉、环境友好、可持续发展、治理周期短等优势。

技术实现思路

[0007]针对上述存在的问题，本专利技术提出了一种用于固化沙漠风积砂的菌酶联用方法，该方法在固化沙漠风积砂过程中较传统的MICP技术、EICP技术和BICP技术有着固化周期短，固化速率快，固化样无侧限抗压强度提升大（最高可提升1.96倍），是一套对土壤改性温和、成本低廉、适应性强、无污染、短期内生态恢复效果显著的荒漠化、沙化治理新方案。
[0008]本专利技术提出了一种固化沙漠风积砂的方法，包括以下步骤：步骤S1：将巴氏芽孢杆菌、可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌两种杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；步骤S2：将固化培养基填入固化装置中，固化4
‑
10天，自然烘干1
‑
3天；步骤S3：得到固化样砂柱，进行理化指标分析。
[0009]优选地，所述胶结液是尿素和氯化钙混液，两者摩尔比1：0.8
‑
1.2；所述固化培养基的含有糖蜜，大豆蛋白胨，氯化钠，磷酸二氢钾，硫酸锰，且pH在6
‑
7之间；更优选地，其配方为：糖蜜15.0 g/L，大豆蛋白胨5.0 g/L，氯化钠5.0 g/L，磷酸二氢钾0.5 g/L，硫酸锰0.05 g/L，pH 7.0，121℃灭菌20 min。
[0010]另外优选地，所述巴氏芽孢杆菌添加量为1
‑
10
×
10
11 CFU/g，脲酶添加量为0.5
‑
2.0
×
10
6 U/g，碳酸酐酶添加量为20
‑
40 U
·
mL
‑1·
OD600
‑1，对应芽孢杆菌菌粉的添加量为3
‑
6 g，胶结液浓度3
‑
7 mol/L；更优选地，巴氏芽孢杆菌最适添加量为6.0
‑
6.5
×
10
11 CFU/g，脲酶最适添加量为1.0
‑
1.1
×
10
6 U/g，碳酸酐酶最适添加量为27
‑
35 U
·
mL
‑1·
OD600
‑
1 (对应芽孢杆菌菌粉的最适添加量为4.6 g) 胶结液最适浓度5 mol/L，沙漠风积沙450 g。
[0011]在具体实施方式中，所述沙漠风积砂天然含水率为0.41%，干密度为1.63 g/cm3，体积质量为2.63 g/cm3，孔隙率为0.42，渗透系数为1.08
×
10
‑
3 cm/s，pH值为8.25。或者所述沙漠风积砂中包含Si含量28.3
‑
35.25wt%，Ca含量0.25
‑
0.55wt%。或者所述沙漠风积砂主要成分为伊利石和蒙脱石，分别占比19.5%和11.5%；非粘土矿物的主要成分为钾长石、石英、钠长石，分别占比15.6%、12.9%和12.4%；所述沙漠风积砂中阳离子以钠离子和钙离子主，分别达到0.451 g/Kg和0.128 g/Kg，硫酸根、碳酸氢根分别占阴离子含量的0.9166 g/Kg和0.560 g/Kg。
[0012]在实施方式中，所述固化样砂柱的无侧限抗压强度达到28.32Mpa以上；所述固化样砂柱产生了以方解石晶型为主的碳酸钙沉淀，CaCO3生成量不低于20%；所述固化样砂柱的密度增加到至少为2.78 g/cm3；所述固化样砂柱的渗透系数降低到3.25
×
10
‑
6 cm/s以下。
[0013]本专利技术也提供一种野外沙漠的治理方法，其是将两种杆菌、脲酶、胶结液按比例加入固化培养基混匀，用工业化喷雾器将其均匀喷洒至沙漠处理区，用旋耕机旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种菌酶联用固化沙漠风积砂的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将巴氏芽孢杆菌、可分泌碳酸酐酶的胶质芽孢杆菌、脲酶、胶结液和沙漠风积砂按比例加入固化培养基中；步骤S2：将固化培养基填入固化装置中，固化4
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10天，自然烘干1
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3天；步骤S3：得到固化样砂柱，进行理化指标分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述胶结液是尿素和氯化钙混液，两者摩尔比1：0.8
‑
1.2；所述固化培养基含有糖蜜，大豆蛋白胨，氯化钠，磷酸二氢钾，硫酸锰，且pH在6
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7之间。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述巴氏芽孢杆菌添加量为1
‑
10
×
10
11 CFU/g，脲酶添加量为0.5
‑
2.0
×
10
6 U/g，碳酸酐酶添加量为20
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40 U
·
mL
‑1·
OD600
‑1，胶结液浓度3
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7 mol/L。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：巴氏芽孢杆菌最适添加量为6.0
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6.5
×
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11 CFU/g，脲酶最适添加量为1.0
‑
1.1
×
10
6 U/g，碳酸酐酶最适添加量为27
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35 U
·
mL
‑1·
OD600
‑1，胶结液最适浓度5 mol/L，沙漠风积沙450 g。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述风积砂天然含水率为0.41%，干密度为1.63 g/cm3，体积质量为2.63 g/cm3，孔隙率为0.42，渗透系数为1.08
×
10
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张燕飞，牛磊，施晶晶，刘美子，马雨悦，
申请(专利权)人：中国科学院天津工业生物技术研究所，
类型：发明
国别省市：