以煤矸石为原料制备土壤改良剂的综合实验设计

＊朱晓波 门子湄 李望 马名杰

（河南理工大学化学化工学院 河南 454000）

随着高等院校深化教育改革的持续推进，实验实践教学的重要性日益凸显，提高大学生实践操作能力和创新性思维的培养尤为重要[1]。“大学化学实验”是生物工程、矿冶工程和环境工程等相关专业学生必修的实践课程，是增强学生动手能力和解决问题能力的重要途径。根据国家“绿色发展是人类永续发展的必由之路”和“环保兴国，可持续发展”等思想理念，结合煤炭行业排放大量煤矸石等固体废弃物的实际情况，将最新科研成果引入实践教学过程，拓宽教学内容，提高学生创新实践动手能力，增强学生的科学发展观意识。

1.实验背景

随着能源工业的快速发展，煤矸石作为煤炭采选、综合利用过程排放的固体废弃物，严重污染周边土壤、水体和大气环境[2-4]。目前，煤矸石综合利用主要包括以下几个方面：提取回收有价组分、制备建筑材料、制备环境吸附材料等[5-7]。这些处置方式虽能在技术上实现煤矸石的再利用，但其仍会存在能耗高和二次污染严重的问题，不能实现煤矸石大宗、绿色、资源化利用[8-9]。因此，开发出一种煤矸石高效利用新途径，能够实现煤矸石“减量化、资源化、无害化”综合利用，是目前科研人员关注的热点。

利用微生物将煤矸石制备成土壤改良剂，不仅能够实现赤泥大宗利用，而且也不会对环境造成污染。为煤矸石的高效综合利用奠定基础[10]。

2.实验设计

(1)试剂与仪器

①实验试剂：内蒙古地区煤矸石，LB固体培养基，实验用水均为蒸馏水。

②实验仪器：锥形瓶、培养箱（DLHR-Q222，北京东联哈尔仪器制造有限公司）、电感耦合原子发射光谱仪（Varian 820-MS，美国VARIAN公司）、X射线衍射仪（SmartLab，日本株式理学会社）、扫描电子显微镜（Merlin Compact，德国Carl Zeiss NTS GmbH）、紫外分光光度计（UV-1700，上海美析仪器有限公司）、PCR扩增仪（NCBI，美国国立生物技术信息中心）、烘箱（DHG-9075A，上海恒科学仪器有限公司）。

(2)实验步骤

①土壤改良剂制备实验

A.微生物选育：预先煤矸石用无菌水浸泡4天，取上清液于LB固体培养基中划线培养，待菌落长出后分别挑取不同菌落形态的菌株在LB固体培养基中划线纯化培养，利用PCR扩增仪进行16S rRNA基因测序，判断菌种种属；然后将不同数量的细菌菌落刮入9mL无菌生理盐水中，配制成不同浓度的菌液，利用紫外分光光度计测定细菌代谢产物。

B.改良剂制备：将煤矸石磨细至粒度小于0.045mm，称一定量取磨细后煤矸石于锥形瓶中，将上述配制好的菌液倒入锥形瓶中，将锥形瓶静置于30℃培养箱中4d，再于80℃烘箱中烘干，检测其中营养元素的含量。

②土壤改良剂微观特征分析

利用电感耦合原子发射光谱仪（ICP-AES）分析煤矸石和改良剂的化学成分；

采用X射线衍射仪（XRD）分析煤矸石和土壤改良剂的物相组成；

采用扫描电子显微镜（SEM）分析煤矸石和土壤改良剂的表面形貌。

3.实验结果与分析

（1）菌种形貌鉴定及代谢产物特征。从煤矸石选育出的微生物，其形貌特征及鉴定结果见图1。

图1 菌株形貌特征及鉴定

该菌落微凸呈淡黄色，表面光滑圆润不透明，在LB固体培养基培养产生刺激的氨气味，其细胞形态呈两端圆滑的短杆状，该菌株YZ1与嗜麦芽寡养单胞菌（Stenotrophomonas Maltophilia）有最高相似度（98.66%），属于黄单胞菌目黄单胞菌科，其无植物病原性，无黄单胞菌素[11]。

YZ1细菌在培养过程中的代谢产物分析见表1。

表1 YZ1菌株代谢产生的有机酸种类及含量

（2）化学成分分析。煤矸石和土壤改良剂的主要化学成分分析见表2。

表2 煤矸石及土壤改良剂的主要化学成分分析

由表2可知，煤矸石中的主要化学成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钾和少量五氧化二磷，其中有效磷、速效钾和有效硅含量分别为0.2mg/kg、170mg/kg和175mg/kg。煤矸石经过YZ1细菌作用制备成土壤改良剂，由于其中含有少量的细菌导致主要化学成分含量略微降低，但值得注意的是其中有效磷、速效钾和有效硅含量分别提高至260mg/kg、1300mg/kg和520mg/kg。由于YZ1细菌的代谢产物为草酸、酒石酸、甲酸、苹果酸等有机酸（见表1），故此其可以活化煤矸石中的含磷矿物，将其转化为可供植物吸收的有效磷，从而提高有效磷的含量。

（3）物相分析。煤矸石和土壤改良剂的XRD物相分析见图2。

图2 煤矸石和土壤改良剂的XRD图谱

由图2可知，该煤矸石经过YZ1细菌处理后，主要矿物组成包括高岭石、石英及黄铁矿没有发生明显变化。而三斜磷钙石（Monetite）、白云母（Muscovite）、绿锥石（Annite Ferrian）矿相衍射峰强度变弱，说明YZ1细菌作用于这些矿物促进了磷、钾、硅的释放，使其转化为可被植物吸收的有效磷、速效钾及有效硅。

（4）微观形貌分析。煤矸石（a）和土壤改良剂（b）的SEM-EDS形貌分析见图3。

图3 煤矸石和土壤改良剂的SEM-EDS图谱

由图3可知，煤矸石经YZ1菌处理后微观形貌发生显著变化，形成凸凹不平的表面，同时这些部位存在大量的YZ1细菌，说明这些细菌通过选择性吸附作用于煤矸石中的特定矿物组成，利用其代谢过程产生的有机酸，促使矿物中磷、钾、硅的释放溶解，同时也保证了细菌自身的生命活动。

4.教学特色

本实验综合了微生物选育、土壤改良剂制备以及分析仪器使用等知识点，并融入“环保兴国、可持续发展”的理念，增强了大学生的实践操作能力，提高了学生的创新意识和环保意识，该实验项目的教学特色为：

（1）该实验项目以煤矸石为原料，经过微生物选育及作用后制备土壤改良剂，通过对比微生物作用煤矸石前后的有用组分含量、矿物组成特征和表面微观形貌，实验操作简单，效果明显。

（2）本实验项目贴合“环保兴国、可持续发展”的理念，为煤矸石的高效综合利用奠定基础，具有显著的环境和社会效益。

（3）本实验项目引入了授课教师的最新科研成果，具有显著的创新性和实践性，并可根据课时情况进行调整。

5.结语

煤矸石绿色大宗资源化利用是固体废弃物处置领域的研究热点，本实验项目将煤矸石作为研究对象，利用微生物选育及作用将其制备成土壤改良剂。该实验将微生物选育、改良剂化学制备、实验仪器操作以及数据分析高效融合，提高了学生动手能力并拓宽了其研究视野。该实验项目内容与企业生产发展现状密切相关，符合国家“节能减排”的绿色发展理念，具有创新性和实用性的特点，可显著提高本科生的学习热情，有助于培养学生的科研能力，增强了学生对国家环境政策和社会发展效益的理解。