以煤矸石為原料制備土壤改良劑的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

＊朱曉波 門子湄 李望 馬名杰

（河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 河南 454000）

隨著高等院校深化教育改革的持續(xù)推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的重要性日益凸顯，提高大學(xué)生實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)尤為重要[1]。“大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是生物工程、礦冶工程和環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的實(shí)踐課程，是增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和解決問題能力的重要途徑。根據(jù)國家“綠色發(fā)展是人類永續(xù)發(fā)展的必由之路”和“環(huán)保興國，可持續(xù)發(fā)展”等思想理念，結(jié)合煤炭行業(yè)排放大量煤矸石等固體廢棄物的實(shí)際情況，將最新科研成果引入實(shí)踐教學(xué)過程，拓寬教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀意識(shí)。

1.實(shí)驗(yàn)背景

隨著能源工業(yè)的快速發(fā)展，煤矸石作為煤炭采選、綜合利用過程排放的固體廢棄物，嚴(yán)重污染周邊土壤、水體和大氣環(huán)境[2-4]。目前，煤矸石綜合利用主要包括以下幾個(gè)方面：提取回收有價(jià)組分、制備建筑材料、制備環(huán)境吸附材料等[5-7]。這些處置方式雖能在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)煤矸石的再利用，但其仍會(huì)存在能耗高和二次污染嚴(yán)重的問題，不能實(shí)現(xiàn)煤矸石大宗、綠色、資源化利用[8-9]。因此，開發(fā)出一種煤矸石高效利用新途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)煤矸石“減量化、資源化、無害化”綜合利用，是目前科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

利用微生物將煤矸石制備成土壤改良劑，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)赤泥大宗利用，而且也不會(huì)對環(huán)境造成污染。為煤矸石的高效綜合利用奠定基礎(chǔ)[10]。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試劑與儀器

①實(shí)驗(yàn)試劑：內(nèi)蒙古地區(qū)煤矸石，LB固體培養(yǎng)基，實(shí)驗(yàn)用水均為蒸餾水。

②實(shí)驗(yàn)儀器：錐形瓶、培養(yǎng)箱（DLHR-Q222，北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司）、電感耦合原子發(fā)射光譜儀（Varian 820-MS，美國VARIAN公司）、X射線衍射儀（SmartLab，日本株式理學(xué)會(huì)社）、掃描電子顯微鏡（Merlin Compact，德國Carl Zeiss NTS GmbH）、紫外分光光度計(jì)（UV-1700，上海美析儀器有限公司）、PCR擴(kuò)增儀（NCBI，美國國立生物技術(shù)信息中心）、烘箱（DHG-9075A，上海恒科學(xué)儀器有限公司）。

(2)實(shí)驗(yàn)步驟

①土壤改良劑制備實(shí)驗(yàn)

A.微生物選育：預(yù)先煤矸石用無菌水浸泡4天，取上清液于LB固體培養(yǎng)基中劃線培養(yǎng)，待菌落長出后分別挑取不同菌落形態(tài)的菌株在LB固體培養(yǎng)基中劃線純化培養(yǎng)，利用PCR擴(kuò)增儀進(jìn)行16S rRNA基因測序，判斷菌種種屬；然后將不同數(shù)量的細(xì)菌菌落刮入9mL無菌生理鹽水中，配制成不同濃度的菌液，利用紫外分光光度計(jì)測定細(xì)菌代謝產(chǎn)物。

B.改良劑制備：將煤矸石磨細(xì)至粒度小于0.045mm，稱一定量取磨細(xì)后煤矸石于錐形瓶中，將上述配制好的菌液倒入錐形瓶中，將錐形瓶靜置于30℃培養(yǎng)箱中4d，再于80℃烘箱中烘干，檢測其中營養(yǎng)元素的含量。

②土壤改良劑微觀特征分析

利用電感耦合原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）分析煤矸石和改良劑的化學(xué)成分；

采用X射線衍射儀（XRD）分析煤矸石和土壤改良劑的物相組成；

采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析煤矸石和土壤改良劑的表面形貌。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）菌種形貌鑒定及代謝產(chǎn)物特征。從煤矸石選育出的微生物，其形貌特征及鑒定結(jié)果見圖1。

圖1 菌株形貌特征及鑒定

該菌落微凸呈淡黃色，表面光滑圓潤不透明，在LB固體培養(yǎng)基培養(yǎng)產(chǎn)生刺激的氨氣味，其細(xì)胞形態(tài)呈兩端圓滑的短桿狀，該菌株YZ1與嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas Maltophilia）有最高相似度（98.66%），屬于黃單胞菌目黃單胞菌科，其無植物病原性，無黃單胞菌素[11]。

YZ1細(xì)菌在培養(yǎng)過程中的代謝產(chǎn)物分析見表1。

表1 YZ1菌株代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸種類及含量

（2）化學(xué)成分分析。煤矸石和土壤改良劑的主要化學(xué)成分分析見表2。

表2 煤矸石及土壤改良劑的主要化學(xué)成分分析

由表2可知，煤矸石中的主要化學(xué)成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀和少量五氧化二磷，其中有效磷、速效鉀和有效硅含量分別為0.2mg/kg、170mg/kg和175mg/kg。煤矸石經(jīng)過YZ1細(xì)菌作用制備成土壤改良劑，由于其中含有少量的細(xì)菌導(dǎo)致主要化學(xué)成分含量略微降低，但值得注意的是其中有效磷、速效鉀和有效硅含量分別提高至260mg/kg、1300mg/kg和520mg/kg。由于YZ1細(xì)菌的代謝產(chǎn)物為草酸、酒石酸、甲酸、蘋果酸等有機(jī)酸（見表1），故此其可以活化煤矸石中的含磷礦物，將其轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的有效磷，從而提高有效磷的含量。

（3）物相分析。煤矸石和土壤改良劑的XRD物相分析見圖2。

圖2 煤矸石和土壤改良劑的XRD圖譜

由圖2可知，該煤矸石經(jīng)過YZ1細(xì)菌處理后，主要礦物組成包括高嶺石、石英及黃鐵礦沒有發(fā)生明顯變化。而三斜磷鈣石（Monetite）、白云母（Muscovite）、綠錐石（Annite Ferrian）礦相衍射峰強(qiáng)度變?nèi)酰f明YZ1細(xì)菌作用于這些礦物促進(jìn)了磷、鉀、硅的釋放，使其轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的有效磷、速效鉀及有效硅。

（4）微觀形貌分析。煤矸石（a）和土壤改良劑（b）的SEM-EDS形貌分析見圖3。

圖3 煤矸石和土壤改良劑的SEM-EDS圖譜

由圖3可知，煤矸石經(jīng)YZ1菌處理后微觀形貌發(fā)生顯著變化，形成凸凹不平的表面，同時(shí)這些部位存在大量的YZ1細(xì)菌，說明這些細(xì)菌通過選擇性吸附作用于煤矸石中的特定礦物組成，利用其代謝過程產(chǎn)生的有機(jī)酸，促使礦物中磷、鉀、硅的釋放溶解，同時(shí)也保證了細(xì)菌自身的生命活動(dòng)。

4.教學(xué)特色

本實(shí)驗(yàn)綜合了微生物選育、土壤改良劑制備以及分析儀器使用等知識(shí)點(diǎn)，并融入“環(huán)保興國、可持續(xù)發(fā)展”的理念，增強(qiáng)了大學(xué)生的實(shí)踐操作能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和環(huán)保意識(shí)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)特色為：

（1）該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以煤矸石為原料，經(jīng)過微生物選育及作用后制備土壤改良劑，通過對比微生物作用煤矸石前后的有用組分含量、礦物組成特征和表面微觀形貌，實(shí)驗(yàn)操作簡單，效果明顯。

（2）本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貼合“環(huán)保興國、可持續(xù)發(fā)展”的理念，為煤矸石的高效綜合利用奠定基礎(chǔ)，具有顯著的環(huán)境和社會(huì)效益。

（3）本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入了授課教師的最新科研成果，具有顯著的創(chuàng)新性和實(shí)踐性，并可根據(jù)課時(shí)情況進(jìn)行調(diào)整。

5.結(jié)語

煤矸石綠色大宗資源化利用是固體廢棄物處置領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將煤矸石作為研究對象，利用微生物選育及作用將其制備成土壤改良劑。該實(shí)驗(yàn)將微生物選育、改良劑化學(xué)制備、實(shí)驗(yàn)儀器操作以及數(shù)據(jù)分析高效融合，提高了學(xué)生動(dòng)手能力并拓寬了其研究視野。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容與企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀密切相關(guān)，符合國家“節(jié)能減排”的綠色發(fā)展理念，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性的特點(diǎn)，可顯著提高本科生的學(xué)習(xí)熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，增強(qiáng)了學(xué)生對國家環(huán)境政策和社會(huì)發(fā)展效益的理解。