在微生物作用下磷源修复剂对重金属铅固定效果的研究开题报告

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1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

土壤铅污染已成为世界性的环境问题，如城市、农业、工业土壤等。^【1】人为活动改变了有毒元素的分布和形式，增加了它们的相对毒性和生物所遇到的概率。^【2】重金属污染具有长期性、隐蔽性、低运输、高毒性、化学和生态反应的复杂性。^【3】 在铅污染土壤中，铅元素以多种化学形式存在，包括碳酸盐、氧化物和硫酸盐。^{【4, 5】}这些矿物也通常在土壤修复过程中产生。^{【6, 7 】}铅的相对高溶解度是土壤原位修复的制约因素之一。^【8】此外，这些矿物的溶解取决于土壤ph值。例如，在酸性土壤（ph＜5）中，不同矿物的溶解度呈下降趋势，pbo＞pbco₃ pbso₄；在中性土中遵循pbso₄ pbo＞pbco₃。^【8】以往的研究表明，当土壤中添加可溶性磷时，铅的淋溶增加。^【9】磷灰石是地球上最丰富的磷酸盐。^【10】地质磷灰石典型的构型是ca₁₀(po₄)₆(f,oh,cl)₂。^【11】生物磷灰石是一种比地质磷灰石的溶解性更高的羟基磷灰石[ca₁₀(po₄)₆(oh)₂] ^{【12，13】}，被认为是铅修复的理想材料。^【14-19】许多解磷菌分泌有机酸，尤其是草酸（oxalic acid，oa），显著提高磷灰石的溶解度，这也是是土壤中微生物释放磷的主要途径^{【20，21】}。以往的研究证实水溶液在铅的固定化中起着重要的作用。例如，当将真菌尼和氟基磷灰石添加在铅的水溶液中时，可以除去溶液中99%以上的铅。^【21】综上，以磷灰石为核心的磷源修复剂是一类可靠的且极具前景的铅污染修复剂。

2014年环保部与国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不乐观，部分地区土壤污染严重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。在调查的630万平方公里土地中，实际污染超标土地超过 100 万平方公里。2008年国务院审议并通过了《全国土地利用总体规划纲要（2006-2020 年）》，纲要中重申并强调了要坚守18亿亩耕地红线。而调查公报中显示，耕地土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。也就是说，在目前迫近18亩红线的耕地中约3.5亿亩受到污染。就污染类型而言，以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小。其中，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。有机物土壤污染可以被作物和土壤生物吸收，通过食物链积累、放大，对人体健康十分有害。而重金属污染不仅能够引起土壤的组成、结构和功能的变化，还能够抑制作物根系生长和光合作用，致使作物减产甚至绝收。与有机物污染一样，重金属也可以通过食物链迁移到动物、人类体内，严重危害动物、人类健康。镉米、砷毒、血铅等就是近年来经常见报的重金属污染案例。随着16年“土十条” 以及18年“土壤法”的落地，企业用地和耕地的污染防治及修复管理将走向正轨，多渠道融资机制的建立也将为土壤修复提供资金保障。土壤修复行业有望享受政策红利，实现快速、健康的成长。若参照美国和日本的土壤修复发展模式，并以最低修复成本计算，中国面对的必须修复的风险土地，至少要投入 5 万亿元人民币。磷源修复剂具有广泛的应用前景以及巨大的市场潜力。

2. 研究的基本内容和问题

本研究关注的领域是土壤重金属修复，目的是探究以磷灰石为核心的磷源修复剂的除铅效果。

首先，通过微生物培养实验模拟微生物参与条件下土壤体系中磷源修复剂的修复过程。探究在以磷灰石为磷源修复剂的土壤体系中，铅的生物有效性的降低情况；在重金属铅污染土壤中解磷真菌以何种形式释放质子（h ），以促进磷灰石的溶解以降低体系中的铅的生物有效性。

然后，实验模拟以磷灰石作为修复剂，以适宜的弱酸作为磷灰石的助溶剂的修复场景，同时考虑到自然淋滤现象对铅迁移的影响，重点研究修复剂的添加、土壤淋滤对修复效果的影响。探究在添加磷灰石和弱酸并伴随土壤表面淋滤的条件下，铅的淋滤是怎样影响铅生物有效性的降低的。

3. 研究的方法与方案

微生物培养实验：本次实验使用的土壤为黄棕壤，菌种为黑曲霉（a. niger）。a. niger能分泌草酸等有机酸，草酸能够与铅离子或氧化铅结合生成草酸铅沉淀，也可以通过溶磷来降低铅的生物有效性。培养三十天后测定ph，检验a.niger带来的土壤酸碱度的变化；用icp测定土壤中剩余有效铅的含量；用sem观察草酸铅的形态，与菌的结合；使用atr-ir、液相色谱测定有机酸的分泌及其种类。

4. 研究创新点

本研究充分考虑了土壤体系的复杂性以及场地修复中的影响因素，对微生物的作用进行了定性及定量分析：首先通过微生物培养实验，分析土壤体系中磷灰石及解磷真菌对土壤铅污染的影响及其机制；然后在前一实验的基础上通过淋滤效应实验，研究在微生物作用下（人工添加弱酸）修复剂的添加、土壤淋滤对修复效果的影响。

5. 研究计划与进展

2018年9月，在本科srt基础上确立了研究方向为土壤重金属修复，重点探究在微生物作用下磷源土壤修复剂的修复效果，与指导老师讨论实验方案及可行性，并在实验室中学习必要的实验技能，熟悉实验操作；

2018年10月至12月，实验材料的预处理、土壤样品的培养、测试样品制备；

2019年1月至3月，样品的仪器分析，主要包括：icp、sem-edx、atr-ir、液相色谱等项目。并完成测试结果的分析整理；