煤矸石载体粒径对微生物肥料中营养元素释放的影响

1 引言

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物，其堆积不仅占用大量土地资源，还会引发环境污染和生态破坏[1]。煤矸石富含有机碳、钙、镁、氮、磷等植物养分[2]，与土壤具有同源性，可作为微生物肥料的理想载体[3]。近年来，通过微生物转化技术将煤矸石资源化利用制备生物肥料，成为实现“ 变废为宝” 的重要途径之一[4]。

微生物肥料因其环保、高效的特点[5]，在农业可持续发展中备受关注，芽孢杆菌因其强大的解磷、固氮及促生能力，被广泛应用于生物肥料制备[6]。芽孢杆菌能有效活化煤矸石中的难溶性养分，提高其生物有效性[7]。使用芽孢杆菌处理高硫煤矸石，使得所制生物菌肥中N、P、K、Si、S 和Ga等元素的含量分别比原来提高了 26.84、65.76、10.55、1.07、2.70 和 1.27倍[8]。利用芽孢杆菌与低硫煤矸石制备生物菌肥[9]，其产品中有效氮、磷、钾的含量分别提高了 1.27、33.96 和 6.83 倍。然而，煤矸石微生物肥料的肥效受培养时间、接菌量、粒径等因素显著影响，需通过系统实验优化工艺参数[10]。

本研究通过实验分析煤矸石粒径[11]、接菌量[12]和培养时间[13]对生物肥料[14]中钙、镁、氮、磷含量的影响，旨在建立最优制备工艺[15]。通过对比枯草芽孢杆菌与巨大芽孢杆菌的肥效差异，揭示微生物转化煤矸石的关键因素[16]，为煤矸石的高值化利用提供理论支撑和技术参考，同时推动工业固废资源化与农业绿色发展的深度融合[17]。

2 材料与方法

2.1 实验材料

实验所用的煤矸石采集自郑州市巩义市大峪沟煤矿，含水量约为 0.5% ，其中 SiO₂ 占 55% ， Al₂O₃ 占 27% ， Fe₂O₃ 占 10.52% ，CaO 占 1.25% ， MgO 占 1.73% ，其余 4.5% 均为钛磷钾钒的氧化物。实验所用枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌品牌名为“ 绿恒丰” ，分别由邢台思倍特生物科技有限公司和湖北中向生物工程有限公司提供。

2.2 煤矸石预处理与粒径分级

选取煤矸石，去除杂质，经破碎机破碎后用 18 目和 35 目的筛网筛分成粒径分别为细颗粒（ <1mm ）、中颗粒（ 1～3mm ）、粗颗粒（ >3mm ）的原料备用。

2.3 菌液制备与活化

按此配方（ 100mL 蒸馏水 +2g 葡萄糖 +1.5g 蛋白胨 _⋅+0.5g 氯化钠 +0.05 g 牛肉膏 ⁺¹ g 菌种）依次制备出空白无菌液、枯草芽孢杆菌菌液和巨大芽孢杆菌菌液。溶液配制好后用 100g/L 的氢氧化钠溶液调节 pH 至 7.2-7.4并装入灭菌锥形瓶中，使用高压蒸汽灭菌锅 120^∘C 时保持20 分钟进行灭菌处理，冷却至室温左右，称取 1g 菌种于锥形瓶中，摇晃均匀。最后放置于震荡培养箱中在 160r/min ， 30^∘C 条件下震荡培养 24h

2.4 微生物肥料制备

称取以上3 种粒径的煤矸石原料（精确至0.0001）至培养皿中，根据单因素变量设置接入适量菌液，搅拌均匀，用 1mol/L 的稀 ΔNaOH 溶液和 1mol/L 的稀HCl 溶液调节 pH ，放入 30^∘C 恒温箱培养 104h

2.5 单因素实验法

分别从不同培养时间、不同粒径、不同接种量分析煤矸石芽孢杆菌生物菌肥中总磷和总氮、钙和镁含量的变化。

2.6 分析方法

煤矸石微生物菌肥中总氮含量用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）测定，总磷含量用钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）测定。钙镁元素的含量用原子吸收分光光度法（GB/T 11905-1989）测定。

3 结果与分析

3.1 煤矸石微生物菌肥中总磷和总氮的影响

枯草芽孢杆菌处理煤矸石的培养时间在 48h 时效果最好，巨大芽孢杆菌处理煤矸石的培养时间在72 h 时效果最好，在24 小时和72 小时的组合实验中总磷含量空白 巨大>枯草。在枯草芽孢杆菌处理煤矸石达到最佳培养时间后继续培养发现总磷含量出现下降趋势，且同组内接菌处理煤矸石的总磷含量大都低于空白。

巨大芽孢杆菌培养时间为 24h 和 72h 处理煤矸石效果更好、总氮含量更高，当培养时间为 48h 时枯草芽孢杆菌处于生长繁殖的旺盛状态，其对煤矸石生物菌肥的肥力影响比巨大芽孢杆菌更强。

图1 时间梯度对煤矸石微生物菌肥中总磷和总氮的影响

细颗粒比表面积大，生物菌肥处理中的总磷含量均明显高于中颗粒组和粗颗粒组，且枯草芽孢杆菌的处理效果均大于巨大芽孢杆菌处理。当粒径为细颗粒时出现空白处理组总氮含量的最大值，粗颗粒时出现枯草和巨大芽孢杆菌处理的最大值，煤矸石粒径大小的影响在此情况下对总氮的影响更为显著。

图2 粒径对煤矸石微生物菌肥中总磷和总氮的影响

在接种量相同的组合内，枯草芽孢杆菌处理煤矸石总磷的效果均优于巨大芽孢杆菌处理煤矸石。随着接种量的增加，整体芽孢杆菌处理煤矸石中总氮含量也增加，接种 6mL 的巨大芽孢杆菌处理煤矸石总氮的效果最佳。

3.2 煤矸石微生物菌肥中钙镁元素含量的影响

图4 时间梯度对煤矸石微生物菌肥中钙（A）镁（B）元素含量的影响

在 24h. 、 ⁴⁴h_⋅ 、 56h 时，枯草芽孢杆菌组中钙的含量和巨大芽孢杆菌组中钙的含量均比空白对照组中钙的含量高，枯草芽孢杆菌组和巨大芽孢杆菌组的培养时间在 24h 左右，对煤矸石中钙的溶出反应效果最佳。

在 24h. 、 ⁴⁴h_⋅ 、 56h 时，枯草芽孢杆菌组中镁的含量和巨大芽孢杆菌组中镁的含量均比空白对照组中镁的含量高，枯草芽孢杆菌组的培养时间在 56h 左右，巨大芽孢杆菌组的培养时间在 44h 左右，对煤矸石中镁的溶出反应效果最佳。

图5 粒径对煤矸石微生物菌肥中钙（A）镁（B）元素含量的影响

在煤矸石粒径为细粒径（颗粒直径 <1mm ）、中粒径（颗粒直径为1～3mm ）、粗粒径（颗粒直径 >3mm ）时，枯草芽孢杆菌组中钙镁的含量和巨大芽孢杆菌组中钙的含量均比空白对照组中钙镁的含量高。在培养时间和细菌接种量保持不变的情况下，煤矸石粒径的不同对煤矸石枯草芽孢杆菌生物菌肥中钙的影响均很明显，不过煤矸石粒径的不同对煤矸石枯草芽孢杆菌生物菌肥中镁的影响不大，但对枯草芽孢杆菌生物菌肥中镁的影响明显。枯草芽孢杆菌组的粒径和巨大芽孢杆菌组的粒径均控制在细粒径（颗粒直径 <1mm ）范围内效果最佳。

图6 接种量对煤矸石微生物菌肥中钙（A）镁（B）元素含量的影响

在培养时间和煤矸石粒径保持不变的情况下，不同细菌接种量对煤矸石芽孢杆菌生物菌肥中钙的影响明显。枯草芽孢杆菌组的接种量为 6mL 左右，巨大芽孢杆菌组的接种量为 s_mL 左右，煤矸石芽孢杆菌生物菌肥中钙的含量较高。不同细菌接种量对煤矸石芽孢杆菌生物菌肥中镁的影响明显，枯草芽孢杆菌组和巨大芽孢杆菌组的接种量为 4mL 左右，煤矸石芽孢杆菌生物菌肥中镁的含量较高。

4 结论

芽孢杆菌生物菌肥是一种利用芽孢杆菌为主要菌种制造的有机肥料，作为一种常见的土壤细菌，已经被广泛应用于生物农药和生物菌肥的制备中。以芽孢杆菌处理煤矸石，能够较为有效的将煤矸石中的营养元素和有机物质更好的发挥出来，从而提高煤矸石生物菌肥的肥力。本实验以郑州市巩义市大峪沟煤矿的煤矸石、巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌为原料，以不同培养时间，不同接种量，不同粒径三个因素作单因素变量实验，以此判断出各个因素对煤矸石生物菌肥中氮磷元素和钙镁元素含量的影响。

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基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（BJK2022058）；秦皇岛市市级科技计划（202301A168 ）；河北环境工程学院博士基金项目（2023BSJJ05）

通讯作者：梁雅洁，liangyajie@hebuee.com.cn

作者简介：林颂熙（2003-），男，本科生，主要研究方向是环境微生物资源化