本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用碳納米管調(diào)控草坪堆肥基質(zhì)酶活性的方法。
背景技術(shù)：
在21世紀(jì)，納米材料現(xiàn)已成為中極具發(fā)展前途的材料之一，據(jù)估計(jì)，市面上現(xiàn)已有超過(guò)800種的含納米材料的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其中，碳納米材料是一類具有重要應(yīng)用價(jià)值的納米材料，僅從2009年至2010年期間，全球的碳納米材料從2190 t上升至4065 t。目前，受到比較多關(guān)注的碳納米材料有石墨烯，氧化石墨烯和碳納米管等。石墨烯是近些年來(lái)新興的一種碳納米材料，是由sp2雜化的C原子六邊形排列而形成的蜂窩狀二維平面結(jié)構(gòu)材料，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了對(duì)石墨烯進(jìn)行卓越研究的科學(xué)家。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其表面有多種基團(tuán)。石墨烯表面具有的含氧基團(tuán)有利于其親水性，且含氧基團(tuán)能夠與重金屬發(fā)生作用。碳納米管是指石墨烯片層卷成的無(wú)縫的中空管體，其管身是由碳六邊形構(gòu)成，sp2雜化是C原子主要雜化形式，同時(shí)也會(huì)混有sp3雜化。碳納米材料的性質(zhì)與其的結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，主要表現(xiàn)在電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)及很好的吸附性能等等，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在材料、生物醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)境等多領(lǐng)域。作為吸附材料，其在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中污染物的吸附與鈍化中作用顯著。
現(xiàn)如今，人類正面臨著造成了能源過(guò)度消耗、環(huán)境污染和全球變暖等諸多問(wèn)題，其中重金屬礦物的大量使用，使人類面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。重金屬離子毒性大、在環(huán)境中長(zhǎng)期分散存在，在食物鏈中由于富集作用，其危害被放大，且并不易被生物代謝，進(jìn)而威脅人類健康。如何解決重金屬問(wèn)題一直引人關(guān)注。碳納米材料因?yàn)榫哂谐弑缺砻娣e等性質(zhì)，在進(jìn)行吸附作用的時(shí)候有高的反應(yīng)效率并且作用效果明顯，一直受到重視。有研究不同條件下氧化石墨烯對(duì)水體中Pb（Ⅱ）富集率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度在60℃的時(shí)候，富集率達(dá)1850 mg/g；有人曾使用被次氯酸鈉處理后的單層碳納米管和多層碳納米管富集水體中的Zn2+，發(fā)現(xiàn)在pH=7、t=25℃條件下吸附容量分別是43.66和32.68 mg/g；通過(guò)引入-SH修飾氧化石墨，提高了其親水性與吸附性能；而制備了GNSPF6材料，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb2+和Cd2+吸附效果良好，分別可達(dá)406.6 mg/g和73.42 mg/g。
土壤酶是存在于土壤中的各類酶的總稱，目前已發(fā)現(xiàn)的約有60種，來(lái)源于植物根系、動(dòng)物和微生物的分泌釋放。土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程之所以可持續(xù)發(fā)生，就得益于土壤酶的積極參與，由于其活性與土壤理化性質(zhì)等密切相關(guān)，所以一直可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤酶，是土壤的生物催化劑，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，參與了土壤中全部的生物化學(xué)過(guò)程，例如有機(jī)質(zhì)的分解及養(yǎng)分的循環(huán)等。土壤酶活性代表了土壤代謝的情況，也可以反映出養(yǎng)分情況的變化情況，是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。此外，土壤酶活性對(duì)土壤受干擾程度響應(yīng)敏感，可反映不同情況下的土壤質(zhì)量變化，進(jìn)而評(píng)價(jià)土壤管理措施是否合理安全。
以前研究者對(duì)土壤酶的關(guān)注主要關(guān)注在肥力方面，后來(lái)因?yàn)榄h(huán)境問(wèn)題的不斷出現(xiàn)，土壤酶在關(guān)于重金屬的一些問(wèn)題上受到了矚目。目前的研究包括作物和污染物的治理等，主要涉及的土壤酶有蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶等。研究人員以玉米試驗(yàn)材料，研究碳納米材料對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用機(jī)制，結(jié)果表明納米碳材料對(duì)土壤酶的活性及玉米根系活力具有促進(jìn)作用。
城市生活垃圾是指城市的居民在日常生活當(dāng)中一般被丟棄的各種固體廢棄物的總稱，其主要包括地灰、商業(yè)垃圾及集市垃圾、廚余垃圾等。在中國(guó)，隨著城市迅速發(fā)展，城市的生活垃圾產(chǎn)量也增多，垃圾成分的更復(fù)雜也造成了環(huán)境問(wèn)題更復(fù)雜，在現(xiàn)在已經(jīng)成為來(lái)當(dāng)今社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。垃圾既是廢棄物又是可利用的特殊資源，因此垃圾的資源化利用受到了廣泛的重視。若將垃圾合理處置，可節(jié)約能源、減少污染并有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，倘若處置不當(dāng)，則會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危機(jī)。在國(guó)內(nèi)外，垃圾成分、自然條件、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和傳統(tǒng)習(xí)慣的差異造成了并沒(méi)有統(tǒng)一處理垃圾的處理方法。目前，我國(guó)進(jìn)行生活垃圾處理的方式主要包括焚燒、填埋和堆肥等。其中焚燒處理所占比例約為2%，所需運(yùn)行成本較為龐大，且焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵、有毒有害氣體、重金屬等污染物，進(jìn)一步造成二次污染。衛(wèi)生填埋大多不符合標(biāo)準(zhǔn)，且會(huì)占據(jù)大量土地資源，被利用的土地較短時(shí)間內(nèi)并不能恢復(fù)到原來(lái)的用途，致使土地資源嚴(yán)重浪費(fèi)。堆肥化處理垃圾是目前被廣泛使用且可資源化利用堆肥的途徑。堆肥化的垃圾可以實(shí)現(xiàn)垃圾從自然來(lái)再返回到自然，可達(dá)到處理廢物和改良土壤等多個(gè)目的，此外，其終端產(chǎn)物是有機(jī)肥料，可在農(nóng)業(yè)、草業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮潛力。
草坪體系是集多種功能于一體的生態(tài)工程，具有觀賞與美化的效果，并能供人娛樂(lè)、休閑及適度的運(yùn)動(dòng)，是城市復(fù)合綠化的重要組成部分。草坪建植體系可改善居民生活質(zhì)量，如凈化空氣、降低噪聲等，也起到吸引外資、促進(jìn)城市旅游業(yè)的發(fā)展等作用，對(duì)城市生活的各個(gè)方面都具有重要作用，愈來(lái)愈受到人們的重視。一般來(lái)說(shuō)，如果要進(jìn)行一次草皮的生產(chǎn)至少需要2 cm土壤，所以長(zhǎng)期生產(chǎn)則會(huì)破壞環(huán)境。近年來(lái)，相當(dāng)一部分城市草坪是用舊城拆遷地、垃圾填埋地來(lái)生產(chǎn)，一般來(lái)說(shuō)土質(zhì)較差，因此對(duì)草坪所需土壤添加肥料對(duì)提高草坪質(zhì)量、保證草坪產(chǎn)期具有良好的狀態(tài)具有積極作用。而將堆肥作為肥料應(yīng)用于綠化體系既可使堆肥中重金屬避開食物鏈、實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，又可解決草坪土壤的養(yǎng)分供應(yīng)問(wèn)題。已有研究表明，堆肥會(huì)促進(jìn)草坪植物的生物量、密度和抗逆境能力，且對(duì)葉片色澤和均一度也有積極影響。鑒于上述分析，如能將草坪堆肥基質(zhì)重金屬鈍化固定于草坪建植體系中，則會(huì)使堆肥草坪建植體系應(yīng)用方式更加安全有效。
在我國(guó)，由于人口增長(zhǎng)以及城市迅速發(fā)展，生活垃圾日趨增多，由垃圾引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題引人關(guān)注。將垃圾進(jìn)行堆肥化是資源化利用生活垃圾的重要途徑，其產(chǎn)物十分有利于改良土壤環(huán)境。而把堆肥應(yīng)用在草坪建植體系既能夠改良草坪土壤的質(zhì)量，有利于草坪植物保證較為良好的生長(zhǎng)，還能夠資源化利用生活垃圾堆肥。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
一種采用碳納米管調(diào)控草坪堆肥基質(zhì)酶活性的方法，其特征在于按如下的步驟進(jìn)行：
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性質(zhì)為：pH 7.49，電導(dǎo)率2300 μS/cm，有機(jī)質(zhì)131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，F(xiàn)e 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供試土壤為天津師范大學(xué)校園土壤，其主要理化性質(zhì)如下：含水量19.4%，pH 7.27，電導(dǎo)率2250 μS/cm，有機(jī)質(zhì)52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥來(lái)自天津小淀垃圾處理廠，將生活垃圾堆肥進(jìn)行分類后粉碎。
草坪植物選用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉倉(cāng)納米科技有限公司生產(chǎn)，為黑色無(wú)規(guī)則薄片狀，微片大小0.5-20 μm，比表面積40-60 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）購(gòu)自蘇州恒球納米公司，為黑色或褐黃色粉末，平均厚度3.4-7 nm，片層直徑10-50 μm，比表面積100-300 m2/g；碳納米管（Carbon nanotube）產(chǎn)自北京博宇高科技新材料技術(shù)有限公司，直徑20-40 nm，長(zhǎng)度10-30 μm，比表面積＞110 m2/g。
（2）試驗(yàn)方法：
試驗(yàn)采用塑料盆，高15 cm、內(nèi)徑20 cm裝土，每盆裝校園土壤1500 g（根據(jù)土壤濕度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，與土壤組配成草坪建植基質(zhì)；碳納米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳納米管（CNT）均按土壤質(zhì)量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳納米材料的處理為對(duì)照，土壤、生活垃圾堆肥與碳納米材料混勻后裝盆，每盆播入草坪植物高羊茅種子5 g，試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行，塑料盆隨機(jī)排放并于每5 d移動(dòng)位置，培養(yǎng)期間溫度為15-26℃，相對(duì)濕度35-55%，光照條件是自然條件下的入射光，按需用電子天平稱重補(bǔ)水，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鮮基質(zhì)樣品中雜物，過(guò)1mm篩，混勻后放入到樣品袋并于4℃進(jìn)行儲(chǔ)存，測(cè)定組配基質(zhì)各種酶活性。
本發(fā)明進(jìn)一步公開了采用碳納米管調(diào)控草坪堆肥基質(zhì)蛋白酶活性的方法在提高草坪基質(zhì)蛋白酶活性方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：添加碳納米管后草坪基質(zhì)蛋白酶的活性提高幅度了17.2%。
本發(fā)明更加詳細(xì)的描述如下：
1 研制材料與方法
1.1 材料
生活垃圾堆肥的主要理化性質(zhì)為：pH 7.49，電導(dǎo)率2300 μS/cm，有機(jī)質(zhì)131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，F(xiàn)e 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供試土壤為天津師范大學(xué)校園土壤，其主要理化性質(zhì)如下：含水量19.4%，pH 7.27，電導(dǎo)率2250 μS/cm，有機(jī)質(zhì)52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥來(lái)自天津小淀垃圾處理廠，將生活垃圾堆肥進(jìn)行分類后粉碎。草坪植物選用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉倉(cāng)納米科技有限公司生產(chǎn)，為黑色無(wú)規(guī)則薄片狀，微片大小0.5-20 μm，比表面積40-60 m2/g。
氧化石墨烯（Graphene Oxide）購(gòu)自蘇州恒球納米公司，為黑色或褐黃色粉末，平均厚度3.4-7 nm，片層直徑10-50 μm，比表面積100-300 m2/g。
碳納米管（Carbon nanotube）產(chǎn)自北京博宇高科技新材料技術(shù)有限公司，直徑20-40 nm，長(zhǎng)度10-30 μm，比表面積＞110 m2/g。
1.2 技術(shù)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用塑料盆（高15 cm、內(nèi)徑20 cm）裝土，每盆裝校園土壤1500 g（根據(jù)土壤濕度，折合成干土土重1500 g）。每盆添加50 g生活垃圾堆肥，與土壤組配成草坪建植基質(zhì)。碳納米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳納米管（CNT）均按土壤質(zhì)量的1%比例添加。以不添加碳納米材料的處理為對(duì)照，各處理設(shè)置3次重復(fù)。土壤、生活垃圾堆肥與碳納米材料混勻后裝盆，每盆播入草坪植物高羊茅種子5 g。試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行，塑料盆隨機(jī)排放并于每5 d移動(dòng)位置，培養(yǎng)期間溫度為15-26℃，相對(duì)濕度35-55%，光照條件是自然條件下的入射光，按需用電子天平稱重補(bǔ)水，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)130 d，于第65 d割第一茬草。
1.3研制方法
試驗(yàn)歷時(shí)130 d后，刈割，先剔除新鮮基質(zhì)樣品中雜物，過(guò)1mm篩，混勻后放入到樣品袋并于4℃進(jìn)行儲(chǔ)存，測(cè)定組配基質(zhì)各種酶活性。
采用茚三酮比色法進(jìn)行基質(zhì)蛋白酶活性的測(cè)定，結(jié)果以30℃培養(yǎng)24 h，1 g基質(zhì)中氨基氮的質(zhì)量（mg）來(lái)表示。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理
采用SPSS 17.0 軟件完成數(shù)據(jù)處理，利用 one-way ANOVA單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性分析，采用SigmaPlot 12.5進(jìn)行圖表的制作。
2 研制結(jié)果分析
表1 不同處理下的基質(zhì)酶活性（mg/g）
由表1可知，四種處理下蛋白酶活性大小以此為碳納米管>對(duì)照>氧化石墨烯>石墨烯，對(duì)照、石墨烯處理組、氧化石墨烯處理組和碳納米管處理組的蛋白酶活性分別為3.89、2.94、3.13和4.56 mg/g。與對(duì)照相比，添加碳納米材料處理組中雖然石墨烯和氧化石墨烯處理下的蛋白酶活性分別減少了24.4%和19.5%，而碳納米管處理組增加了17.2%，但各個(gè)處理之間差異并不顯著（P > 0.05）。
3 研制結(jié)論
蛋白酶可促進(jìn)水解土壤中的蛋白質(zhì)和肽等，其產(chǎn)物是植物的N源之一。另外，蛋白酶和N礦化及ATP等指標(biāo)密切相關(guān)，且和土壤中的有機(jī)質(zhì)含量及其它的土壤性質(zhì)有關(guān)。與未添加碳納米材料的對(duì)照相比，添加碳納米管后草坪基質(zhì)蛋白酶的活性明顯增加，提高幅度為17.2%。
具體實(shí)施方式：
下面通過(guò)具體的實(shí)施方案敘述本發(fā)明。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明中所用的技術(shù)手段均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。另外，實(shí)施方案應(yīng)理解為說(shuō)明性的，而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍僅由權(quán)利要求書所限定。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，對(duì)這些實(shí)施方案中的物料成分和用量進(jìn)行的各種改變或改動(dòng)也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所用原料、試劑均有市售。
實(shí)施例1
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性質(zhì)為：pH 7.49，電導(dǎo)率2300 μS/cm，有機(jī)質(zhì)131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，F(xiàn)e 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供試土壤為天津師范大學(xué)校園土壤，其主要理化性質(zhì)如下：含水量19.4%，pH 7.27，電導(dǎo)率2250 μS/cm，有機(jī)質(zhì)52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥來(lái)自天津小淀垃圾處理廠，將生活垃圾堆肥進(jìn)行分類后粉碎。
草坪植物選用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉倉(cāng)納米科技有限公司生產(chǎn)，為黑色無(wú)規(guī)則薄片狀，微片大小10 μm，比表面積40 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）購(gòu)自蘇州恒球納米公司，為黑色或褐黃色粉末，平均厚度3.4 nm，片層直徑10 μm，比表面積100 m2/g；碳納米管（Carbon nanotube）產(chǎn)自北京博宇高科技新材料技術(shù)有限公司，直徑20 nm，長(zhǎng)度10μm，比表面積＞110 m2/g。
（2）試驗(yàn)方法：
試驗(yàn)采用塑料盆，高15 cm、內(nèi)徑20 cm裝土，每盆裝校園土壤1500 g（根據(jù)土壤濕度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，與土壤組配成草坪建植基質(zhì)；碳納米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳納米管（CNT）均按土壤質(zhì)量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳納米材料的處理為對(duì)照，土壤、生活垃圾堆肥與碳納米材料混勻后裝盆，每盆播入草坪植物高羊茅種子5 g，試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行，塑料盆隨機(jī)排放并于每5 d移動(dòng)位置，培養(yǎng)期間溫度為15℃，相對(duì)濕度35%，光照條件是自然條件下的入射光，按需用電子天平稱重補(bǔ)水，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鮮基質(zhì)樣品中雜物，過(guò)1mm篩，混勻后放入到樣品袋并于4℃進(jìn)行儲(chǔ)存，測(cè)定組配基質(zhì)各種酶活性。
實(shí)施例2
（1）材料
生活垃圾堆肥的主要理化性質(zhì)為：pH 7.49，電導(dǎo)率2300 μS/cm，有機(jī)質(zhì)131.84 g/kg，全磷6.81 g/kg，全氮25.09 g/kg，Ca含量23.33 mg/kg，F(xiàn)e 30.49 g/kg，Cu 341.34 mg/kg，Zn 677.33 mg/kg，Pb 216.98 mg/kg，Cd 5.02 mg/kg，Mn 437.88 mg/kg，Cr 702.60 mg/kg，Ni 41.82 mg/kg。
供試土壤為天津師范大學(xué)校園土壤，其主要理化性質(zhì)如下：含水量19.4%，pH 7.27，電導(dǎo)率2250 μS/cm，有機(jī)質(zhì)52.29 g/kg，全磷3.75 g/kg，全氮2.15 g/kg。
生活垃圾堆肥來(lái)自天津小淀垃圾處理廠，將生活垃圾堆肥進(jìn)行分類后粉碎。
草坪植物選用高羊茅（Festuca arundinacea.）。
石墨烯（Graphene）微片由南京吉倉(cāng)納米科技有限公司生產(chǎn)，為黑色無(wú)規(guī)則薄片狀，微片大小20 μm，比表面積60 m2/g；
氧化石墨烯（Graphene Oxide）購(gòu)自蘇州恒球納米公司，為黑色或褐黃色粉末，平均厚度7 nm，片層直徑50 μm，比表面積300 m2/g；碳納米管（Carbon nanotube）產(chǎn)自北京博宇高科技新材料技術(shù)有限公司，直徑40 nm，長(zhǎng)度30 μm，比表面積＞110 m2/g。
（2）試驗(yàn)方法：
試驗(yàn)采用塑料盆，高15 cm、內(nèi)徑20 cm裝土，每盆裝校園土壤1500 g（根據(jù)土壤濕度，折合成干土土重1500 g），每盆添加50 g生活垃圾堆肥，與土壤組配成草坪建植基質(zhì)；碳納米材料石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）和碳納米管（CNT）均按土壤質(zhì)量的1%（w/w）比例添加，以不添加碳納米材料的處理為對(duì)照，土壤、生活垃圾堆肥與碳納米材料混勻后裝盆，每盆播入草坪植物高羊茅種子5 g，試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行，塑料盆隨機(jī)排放并于每5 d移動(dòng)位置，培養(yǎng)期間溫度為26℃，相對(duì)濕度50%，光照條件是自然條件下的入射光，按需用電子天平稱重補(bǔ)水，整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)130 d，于第65 d割第一茬草，先剔除新鮮基質(zhì)樣品中雜物，過(guò)1mm篩，混勻后放入到樣品袋并于4℃進(jìn)行儲(chǔ)存，測(cè)定組配基質(zhì)各種酶活性。