一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物沉水植物基生物源固碳材料及制备方法和应用

本发明涉及湖泊生态修复，更具体涉及一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，同时还涉及一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料的制备方法，还涉及到一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料的应用，适用于富营养化湖泊河流的生态修复工程。

背景技术：

1、气候变化是全球面临的重大挑战之一。碳中和是应对全球气候危机的重要手段。沉水植物恢复重建是湖泊治理和生态修复的重点和难点。沉积物底质是影响沉水植物定植与存活的关键限制因子。沉水植物作为水生态系统的初级生产者和重要调节者，对水体生源要素的生物地球化学循环过程具有重要影响，进而影响湖泊生态系统温室气体产生与排放。湖泊沉积物是温室气体产生的热点及重点区域。沉积物生态基底改良技术在原位修复底泥的同时改善基底微环境，使其适合沉水植物生长，是健康水生态系统恢复和构建的重要措施。

2、生物炭是一种高度稳定的多功能富碳材料，在碳库减排增汇、土壤肥力改良以及环境污染修复等领域都展现了巨大的应用潜力。目前，制备生物炭的原料主要集中于农业秸秆、木屑、果壳、污泥和禽畜粪便等，且生物炭的制备技术多为单一的直接热解法，该技术制备的生物炭吸附性能通常十分有限，往往不能满足实际工作中去除特定污染物的应用需求，存在一定的应用局限性。生物炭固碳减排效果主要取决于生物质在热解过程中固碳和生物炭输入沉积物后碳封存两个过程。因此，开发具有高固碳率及稳定性的沉水植物基生物源固碳材料对植物基生物质资源化及促进碳减排具有重要的理论和实际意义。沉水植物是水生态系统中的重要组成部分，具有分布广、产量大、繁殖快的特点，过量繁殖的沉水植物腐烂分解会向湖泊生态系统中释放体内积累的大量营养物质，影响湖泊沉积物微生物群落组成，加剧湖泊富营养化程度及温室效应。鉴于沉水植物在湖泊生态系统中具有重要作用，将复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源材料，合成具有高固碳性及稳定性的复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，通过生物炭固碳减排、沉积物生态基底改良与沉水植被恢复重建，在实现沉水植物资源化的同时，实现沉积物生态基底改良、沉水植被恢复重建与减排增汇的共赢，为促进实现碳中和提供科学依据。

技术实现思路

1、为了克服现有富营养化湖泊河流底质内源污染严重、不利于沉水植物生长和恢复等技术难题，本发明的目的是在于提供了一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，配方合理，使用方便，通过添加粘土矿物提高生物炭的固碳能力和吸附性能；通过负载复合功能微生物菌剂，制备复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，促进微生物活性，提高微生物多样性，有效改善底质条件。

2、本发明的另一个目的是在于提供了一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料的制备方法，方法易行，操作简便，该方法对湖泊河流生态系统产出的大量沉水植物残体进行生物质资源化再利用，减少对环境造成二次污染。

3、本发明还有一个目的是在于提供了一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料在沉水植物恢复中的应用，为沉水植物的恢复重建提供有利的生长环境，显著的促进了沉水植物生长，进一步增加沉水植物碳输入，增强湖泊生态系统生态碳汇功能。

4、为了实现上述技术目的，本发明采取了如下技术措施：

5、本发明的技术构思：沉水植物收集、沉水植物基生物炭前驱体制备、粘土矿物改性处理、载体制备、菌液培养、菌剂负载、沉水植物种植、设置培养环境及沉水植物生长。

6、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料(复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料底质改良剂)，它由以下重量份原料组成：

7、

8、

9、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，它由以下重量份原料组成：

10、

11、

12、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，它由以下重量份原料组成：

13、

14、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，它由以下重量份原料组成：

15、

16、

17、通过上述技术措施，在上述3种粘土矿物中，最关键的是绿脱石粉末，是一种富铁的蒙脱石，其双八面体层中相邻的fe-fe结构有利于电子传递，具有较低的氧化还原电位和较高的反应活性。许多功能微生物可利用绿脱石中的结构铁[fe(iii)]作为电子传递的受体，将其还原生成结构亚铁[fe(ii)]，影响碳、氮等多种氧化还原敏感元素的生物地球化学循环过程；此外可通过活化分子氧等途径产生羟自由基降解污染物等。在上述8种细菌中，最关键的是光合菌、反硝化菌和硝化菌。光合菌可吸收水体中的耗氧因子，有效减少水体中的耗氧物质，间接增加水体中的溶解氧，为水生生物提供更好的生长环境，从而促进水生生物的生长和发育；硝化细菌和反硝化细菌在氮循环中发挥重要作用，硝化细菌能将氨氮和亚硝酸盐转化为硝酸盐而被藻类利用，从而起到净化水质的作用；反硝化细菌可将硝态氮还原为氮气，降低水体和沉积物中的氮素积累。

18、在上述14种原料的比例是通过大量试验研究和工程应用得到的最适合比例。粘土矿物海泡石粉末是一种2:1型多孔结构粘土矿物，具有比表面积大、吸附性能好、结构稳定、极易获取和价格低廉等优点；高岭土粉末也是一种分布广泛、价格低廉的粘土矿物，具有良好的吸附和离子交换性能。粘土矿物海泡石粉末、绿脱石粉末、高岭土粉末高岭土能促进微生物的生长代谢能力，进而影响碳氮循环过程。本发明将述14种材料按比例组合，充分发挥14种材料的特点和优势，制备一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，通过生物炭固碳减排、沉积物生态基底改良与沉水植被恢复重建，在实现沉水植物资源化的同时，实现沉积物生态基底改良、沉水植被恢复重建与减排增汇的共赢。

19、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料的制备方法，其步骤是：

20、(1)沉水植物收集：收集沉水植物苦草、金鱼藻和眼子菜植株，去掉根部及腐烂叶片，在自来水中浸泡4－6h，去除表面附着物，用自来水冲洗干净(2－4次)；沥水后放入烘箱中，在105℃条件下杀青14－16min。在68－72℃条件下烘干至恒重，粉碎后过90－110目筛，烘干后存放于干燥容器玻璃瓶中待用。

21、(2)沉水植物生物炭前驱体制备：采用限氧升温炭化法，将步骤(1)中处理好的沉水植物苦草、金鱼藻和眼子菜粉末按比例混合放在坩埚中压实盖严，置于可调节程序控制管式真空电阻炉中，在氮气气氛下以9－11℃/min的升温速率至炭化温度500℃左右，恒温炭化3h左右，自然冷却至室温(20－25℃)后，取出样品研磨过90－110目筛，存放于干燥容器玻璃瓶中待用。

22、(3)粘土矿物改性处理：采用化学活化法和微波热解法制备改性粘土矿物。将优选的粘土矿物海泡石粉末、绿脱石粉末、高岭土粉末在稀盐酸溶液(氢离子浓度为0.5－10mol/l)以固液质量比1:10－1:30混合，于45－55℃水浴温度下混合搅拌1－2h，反应结束后用自来水洗至悬浮液为中性，沥水后置入烘箱中，在45－55℃下烘干至恒重，在加热功率600－1200w，微波频率2.45ghz活化5－30min，制备成改性粘土矿物。

23、(4)载体制备：采用热解-活化耦合技术制备粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料。将步骤(3)中获得的改性海泡石粉末、改性绿脱石粉末及改性高岭土粉末按一定比例混合均匀后，与步骤(2)中获得的沉水植物生物炭前驱体按照质量比1:4混合均匀，采用水热活化处理法，按照1:5－1:10的比例将以上干基原料与氯化镁(mgcl2)溶液(0.5－1mol/l)混合均匀后置于微型水热反应釜中，反应结束后，将釜内固液混合物转移至干燥烧杯中，通过真空抽滤进行固液分离，获得的固相产物即为水热样品。将本步骤中获得的水热样品干燥后置于可调节程序升温的程序控制式管式真空电阻炉，在氮气气氛下以9－11℃/min的升温速率至炭化温度350－500℃，恒温炭化3左右h冷却至室温(20－25℃)，取出样品研磨过90－110目筛即得粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料。

24、(5)菌液培养：复合微生物菌剂由厌氧菌酵母菌、乳酸菌、光合菌、反硝化菌及好氧菌芽孢杆菌、硝化菌、固磷菌、假单胞菌混合培养而成。按照各组分重量，分别称取各基料，按3％－5％的接种量充分溶解，调节ph至7.0，高压灭菌，制成发酵液备用。以质量百分比计，复合微生物菌剂中厌氧菌含量为65％－80％，好氧菌含量为20－35％。以质量分数计，厌氧菌中各组分含量为：酵母菌8－15份、乳酸菌8－15份、光合菌24－35份、反硝化菌20－25份；好氧菌中各组分含量为：芽孢杆菌5－8份、硝化菌5－10份、固磷菌5－10份、假单胞菌5－7份。将上述各菌种分别接种至发酵基液，置恒温摇床下于30－35℃培养4－6天，获得复合微生物菌剂。

25、所述的厌氧菌酵母菌、乳酸菌、光合菌、反硝化菌，好氧菌芽孢杆菌、硝化菌、固磷菌、假单胞菌、鞘氨醇单胞菌，均从市场上购置。

26、(6)菌剂负载：将步骤(4)制备得粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料浸泡在步骤(5)获得的复合菌剂内在自然条件下进行菌剂负载，负载完成后，对生物源多孔材料自然风干，得到复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料。

27、本发明中，步骤(4)中添加粘土矿物后，沉水植物基生物炭的碳含量可提高40－50％，沉水植物基生物炭碳保留量可提高60％－80％。

28、在本发明中，最关键的步骤(6)中，将复合功能微生物菌剂负载在粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料制备得到复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料。目前，对于水体中复杂污染物的去除，单独以生物炭或粘土矿物作为吸附剂的方式能力有限，对其进行复合是改善相关性能的较好办法。粘土矿物与生物炭复合可以增强材料结构可控性和性能稳定性，粘土矿物的添加可以提高生物炭的固碳能力和吸附性能，生物炭的多孔基质可以为粘土矿物提供支撑，进而提高对水中污染物的吸附性能，增强水体生态碳汇功能。

29、本发明首次通过复合功能微生物菌剂负载在粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料制备得到复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，该方法对湖泊河流生态系统产出的大量沉水植物残体进行生物质资源化再利用，减少对环境造成二次污染；通过添加粘土矿物提高生物炭的固碳能力和吸附性能；负载复合功能微生物菌剂，粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料科为微生物提供生长所需营养物质和栖息地，促进微生物的生长繁殖，提高微生物多样性，增加微生物同化合成稳定性碳库，间接增加碳固存。

30、本发明中，复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料可应用于富营养化湖泊底质改良，改善沉积物微生物的栖息地环境，增强微生物活性，促进微生物同化稳定性碳基续埋效应，间接增加沉积物碳固存；改变沉积物性状，抑制微生物之间的信号分子和保外电子传递以及酶的分泌，调控温室气体的排放；复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料与沉积物原有机质、矿物结合形成有机-矿物复合体，以及促进微生物分泌菌丝、胶结物质和一系列疏水蛋白可以提高沉积物团聚体的稳定性，增加沉积物碳库的稳定性。

31、一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料在沉水植物恢复中的应用，其步骤是：

32、a、采用盐酸活化-微波热解耦合技术改性粘土矿物海泡石粉末、绿脱石粉末及高岭土粉末，制备改性粘土矿物；采用热解-活化耦合技术，将制备的改性粘土矿物与沉水植物生物炭前驱体按照质量比1:4混合均匀，采用氯化镁(mgcl2)溶液水热活化处理获得水热样品，在氮气气氛下，于400℃左右恒温炭化3h，制备粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料；采用热解处理和活化处理制备粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料；

33、b、将制备得粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料浸泡在复合菌剂内，在30℃左右发酵负载5－7天，负载完成后，对生物源多孔材料自然风干，得到复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料；

34、c、将制备得到的生物源固碳材料铺洒在沉积物表面，沉积物厚度为10cm左右，铺洒厚度为3－5cm，分别种植沉水植物苦草、金鱼藻、眼子菜及两两组合组；

35、d、种植4周后苦草组、黑藻组、眼子菜组、苦草+黑藻组、黑藻+眼子菜组、苦草+眼子菜组的沉水植物平均株高分别提高50％左右、80％左右、70％左右、65％左右、85％左右、70％左右；

36、e、种植4周后苦草组、黑藻组、眼子菜组、苦草+黑藻组、黑藻+眼子菜组、苦草+眼子菜组的沉水植物平均生物量分别提高80％左右、70％左右、90％左右、105％左右、120％左右、105％左右；

37、f、种植4周后苦草组、黑藻组、眼子菜组、苦草+黑藻组、黑藻+眼子菜组、苦草+眼子菜组的沉水植物平均净光合速率分别提高60％左右、40％左右、50％左右、70％左右、80％左右、75％左右；

38、j、通过施加复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，能够显著提高沉水植物的平均株高、生物量和净光合速率，特别是对混合组沉水植物的平均株高、生物量及光合速率均有显著提高，这说明本发明复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料能够显著促进沉水植物的生长，通过增加沉水植物光合作用和生物量碳库，提高沉水植物对大气co2捕获能力，进而增加湖泊生态系统的生态碳汇功能。本发明中，复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料可应用于沉水植物恢复。复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料的施加可以通过改变沉积物性状，提高营养物质的生物有效性，促进水生植物的生长发育，增加水生植物的光合作用和生物量碳库，加强水生植物与微生物之间的联系，进而增加沉积物的“碳封存”潜力，增强湖泊生态系统生态碳汇功能。

39、与现有技术相比，本发明方法的优点和有益效果如下：

40、1、本发明中，将湖泊生态系统产出的大量沉水植物残体进行生物炭资源化再利用，减少了对环境的二次污染。

41、2、本发明中，通过添加改性粘土矿物来提高沉水植物基生物炭的固碳性能及稳定性能，可控合成多功能粘土矿物/沉水植物基生物源材料。

42、3、本发明中，通过负载多功能微生物菌，绿色可控合成复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，增强了微生物活性，提高了微生物多样性。

43、4、本发明中，复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料可有效改善湖泊底质条件，为沉水植物恢复重建提供有利的生长环境，显著促进沉水植物生长，进一步增加沉水植物碳输入及沉积物的“碳封存”潜力，增强湖泊生态系统生态碳汇功能。

44、5、本发明中，步骤(3)中选用化学活化和微波热解法复合改性粘土矿物，克服单一改性方法的局限性，提高了改性粘土矿物的比表面积、孔隙率、表面活性。将粘土矿物中经微波热解被活化氧化铝与盐酸反应浸取出来，将其制备成酸活化-微波热解复合改性粘土矿物，经改性后的粘土矿物表面酸位数量与其比表面积都有明显增加，粘土矿物的孔数量和平均孔径均有所提高，而且孔径分布也变得较为集中。

45、6、本发明中，步骤(4)中采用热解-活化耦合技术制备粘土矿物/沉水植物基生物源多孔材料，提高了粘土矿物/沉水植物基复合材料的孔隙率和表面活性，增强了材料结构可控性、吸附促进性及固碳稳定性。

46、7、本发明中，步骤(5)和步骤(6)中，微生物种类丰富，微生物含量高，促进了微生物活性，提高了微生物多样性。

47、8、与现有技术相比，本发明操作简单、适用范围广，经济成本低，不仅可以改善底质微环境，还对沉水植物生长具有一定的促进作用，一方面可有效减少富营养化湖泊底泥的营养盐含量，抑制底泥中氮磷营养盐的释放，提升和稳定水质；另一方面可进一步增加沉水植物碳输入，增强湖泊生态系统生态碳汇功能。

48、9、应用生物源固碳材料后，湖泊生态系统温室气体在水-气界面的排放通量、冒泡通量和沉积物-水界面的平均扩散通量分别减少60％、30％和50％以上。

技术特征：

1.一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，其特征在于，它由以下重量份原料组成：

2.根据权利要求1所述的一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料，其特征在于：

5.权利要求1所述的一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料的制备方法，其特征在于，其步骤是：

6.权利要求1所述的一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料在沉水植物恢复中的应用，其步骤是：

技术总结
本发明公开了一种复合功能微生物菌剂负载粘土矿物/沉水植物基生物源固碳材料及制备方法，由一定比例的沉水植物苦草、金鱼藻、眼子菜、粘土矿物海泡石粉末、绿脱石粉末、高岭土粉末、好氧菌酵母菌、乳酸菌、光合菌、反硝化菌、厌氧菌芽孢杆菌、硝化菌、固磷菌、假单胞菌组成，步骤是：(1)沉水植物生物炭前驱体制备；(2)粘土矿物改性处理；(3)载体制备；(4)菌液培养；(5)菌剂负载：在自然条件下菌剂负载，自然风干后得到该材料；还涉及该材料用途，促进微生物活性，提高微生物多样性，有效改善底质条件，为沉水植物的恢复重建提供有利的生长环境，显著促进沉水植物生长，进一步增加沉水植物碳输入，增强湖泊生态系统生态碳汇功能。

技术研发人员：刘子森,张义,吴振斌,许佳乐,杜小佩,冯琦
受保护的技术使用者：中国科学院水生生物研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23