專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種利用富集植物小白酒草修復(fù)重金屬污染土壤的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種利用富集植物小白酒草修復(fù)重金屬污染土壤的方法。
背景技術(shù)：
：重金屬污染土壤的途徑通常有以下兩種一是金屬礦開(kāi)采活動(dòng)造成的環(huán)境污染，污染類(lèi)型主要有坑口周?chē)寥乐械V床礦物在水、氣、熱等環(huán)境因素長(zhǎng)期作用下而形成的重金屬污染較嚴(yán)重的土壤；采礦廢石堆放過(guò)程中因淋濾等原因造成的重金屬污染土壤；含有較高濃度重金屬的礦山廢水對(duì)土壤造成的污染等。二是工業(yè)污水灌溉農(nóng)田引發(fā)的重金屬污染土壤，具有代表性的是我國(guó)發(fā)現(xiàn)最早,面積較大,而且污染又十分嚴(yán)重的沈陽(yáng)張士灌區(qū)污染土壤，其主要重金屬污染物是Cd(文獻(xiàn)l:吳燕玉，陳濤，張學(xué)詢(xún).1986.沈陽(yáng)張士灌區(qū)鎘的污染生態(tài)研究.見(jiàn)高拯民主編,土壤-植物系統(tǒng)污染生態(tài)研究.295-301)。Cd是環(huán)境中的有毒物質(zhì)，是生物體的非必需元素，其化合物的毒性很大，蓄積性很強(qiáng)，高濃度的鎘對(duì)大多數(shù)動(dòng)物有致畸、致突變和致癌作用,因此，鎘污染土壤急需治理。世界各國(guó)對(duì)土壤重金屬污染十分重視，采取了各種各樣的修復(fù)方法，如消除重金屬毒性的固化技術(shù)、玻璃化技術(shù)，治理?yè)]發(fā)性重金屬的電動(dòng)力修復(fù)技術(shù)等。但這些技術(shù)對(duì)污染場(chǎng)地破壞較大，治理費(fèi)用昂貴，且存在著運(yùn)輸、儲(chǔ)存、回填等新的環(huán)境問(wèn)題，在小面積或重污染土壤處理中作用很大，甚至不可替代，但對(duì)于面積巨大、污染程度較輕的污染土壤來(lái)說(shuō)則難以應(yīng)用。因此，人們寄希望于費(fèi)用較低、修復(fù)效果又好的革新技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)(文獻(xiàn)2:周啟星,魏樹(shù)和,張倩茹等編著.生態(tài)修復(fù).中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2006)。植物修復(fù)(Phytoremedition)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的環(huán)境污染治理技術(shù)，它廣泛利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來(lái)固定、降解、提取和揮發(fā)環(huán)境中的污染物質(zhì)，就象一座"綠色清潔工廠(chǎng)"一樣將污染物質(zhì)加工成可直接去除的物質(zhì)形態(tài)或轉(zhuǎn)化為毒性小甚至無(wú)毒的物質(zhì)，從而對(duì)污染環(huán)境進(jìn)行徹底的治理；它具有不引起地下水二次污染，使污染土壤與水體可持續(xù)利用和美化環(huán)境等特點(diǎn)，因而也是一項(xiàng)非常理想的綠色修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涉及到污染環(huán)境治理的方方面面，既可以?xún)艋諝夂退w，又可以清除土壤中的污染物質(zhì)(文獻(xiàn)3:周啟星，宋玉芳等著.污染土壤修復(fù)原理與方法.科學(xué)出版社,2004)。重金屬污染土壤的植物修復(fù)是指利用植物及其根際微生物體系的提取、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化固定作用去除污染土壤中的重金屬，或?qū)⒅亟饘俜€(wěn)定在污染現(xiàn)場(chǎng)防止其對(duì)地下水及周?chē)h(huán)境造成更大的污染。植物修復(fù)主要包括植物提取(Phytoextrtion)、植物揮發(fā)(Phytovoltiliztion)、根際濾除(Rhizofiltrtion)和植物穩(wěn)定(Phytostiliztion)四種作用方式，其中，植物提取方面的研究日益受到人們的關(guān)注[文獻(xiàn)4:ChaneyR丄.，MalikM.，LiY.M.，etal.1997，Phytoremediationofsoilmetals.CurrentOpinionsinBiotechnology.8:279284;文獻(xiàn)5:WongM.H.，2003，Ecologicalrestorationofminedegradedsoils,withemphasisonmetalcontaminatedsoils.Chemosphere.50:775780]。植物提取，即利用重金屬富集植物(特別是超富集植物)從污染土壤中超量吸收一種或幾種重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到莖、葉等地上部器官，隨后將植物整體(包括部分根)收獲并集中處理，然后再連續(xù)種植，以便使土壤中重金屬濃度降低到可以接受的水平。超富集植物的主要特征(衡量標(biāo)準(zhǔn))為1)植物地上部(主要是指莖和葉)重金屬含量超過(guò)某一臨界含量,如Zn10000mg/kg、Cd100mg/kg、Aulmg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均為1000mg/kg等(文獻(xiàn)6:BakerAJM,BrooksRR.Terrestrialhigherplantswhichhyperaccumulatemetallicelements-areviewoftheirdistribution,ecologyandphytochemistry.Biorecovery1989,1:81126);2)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；4)植物地上部生物量(莖、葉與花序干重之和)與未投加金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；5)植物地上部(莖、葉與花序的平均值)對(duì)某種重金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的富集沐S累水平相當(dāng)時(shí)，地上部(主要是莖或葉)富集系數(shù)大于1(如土壤中重金屬含量分別為Zn10000mg/kg、Cd100mg/kg、Aulmg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均為lOOOmg/kg);富集系數(shù)AC—直物地上部重金屬含量/土壤中重金屬含量；富集植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)如下1)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；2)植物地上部生物量(莖、葉與花序干重之和)與未投加重金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；4)植物地上部(莖、葉與花序的平均值)對(duì)某種重金屬的富集系數(shù)大于1，但沒(méi)有滿(mǎn)足植物地上部(莖和葉)重金屬含量超過(guò)某一臨界含量這一標(biāo)準(zhǔn)。5)經(jīng)過(guò)濃度梯度試驗(yàn)后,植物如果仍達(dá)不到超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為是富集植物(文獻(xiàn)7:MaLQ，KomarKM,TuC,etal.Afernthathyperaccumulatesarsenic.Nature2001;409:579;文獻(xiàn)8:WeiS,ZhouKovalPV.FloweringstagecharacteristicsofcadmiumhyperaccumulatorSolanumnigrumL.andtheirsignificancetophytoremediation.ScienceoftheTotalEnvironment.2006,369(2006)441-446)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種費(fèi)用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對(duì)防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好效果的治理鎘污染土壤的方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種利用富集植物小白酒草修復(fù)重金屬污染土壤的方法，在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，通過(guò)小白酒草根系大量吸收污染土壤中的鎘，并將其轉(zhuǎn)移至地上部器官，當(dāng)植物長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥郎弦谱?，從而?shí)現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。所述地上部生物量最大時(shí)，是指植株從開(kāi)花期至成熟期這一段時(shí)期，成熟期是指小白酒草生長(zhǎng)到種子成熟時(shí)。當(dāng)植物長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí),可以是將植物整體從污染土壤上移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，可采用露天栽培，根據(jù)土壤缺水情況，澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的4095%。所述種植小白酒草是指在土壤上直接播種小白酒草種子或?qū)⒂酌缙诘男“拙撇菀浦苍诤廴疚镦k的土壤上。在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，可采用復(fù)種的方式，即在第一茬小白酒草長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥郎弦谱?再重復(fù)上述過(guò)程，直至最終修復(fù)鎘污染土壤；通過(guò)這種方式，可以從土壤中帶走大量的鎘，從^達(dá)到快速、一徹底去除土壤中污染重金屬的目的。所述含污染物鎘的土壤中鎘含量的為0.3-240mg/kg。本發(fā)明利用富集植物小白酒草治理鎘污染土壤，具有費(fèi)用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對(duì)防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好的效果等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明植物小白酒草是一種富集植物，本發(fā)明利用小白酒草對(duì)鎘金屬的超量富集提取作用，通過(guò)在鎘污染土壤上種植這種富集植物，使污染土壤得到修復(fù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，既不破壞污染現(xiàn)場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力，又大大降低了修復(fù)費(fèi)用。圖1為不同Cd濃度處理?xiàng)l件下小白酒草地上部生物量。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1盆栽濃度梯度試驗(yàn)試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，地理位置為東經(jīng)123°41'、北緯41。31',海拔約50m，該試驗(yàn)站周?chē)鷽](méi)有污染源,是重金屬未污染區(qū)。該站地處松遼平原南部的中心地帶,距沈陽(yáng)市區(qū)約35km,屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均溫度59。C，大于1(TC的年活動(dòng)積溫3100340(TC，年總輻射量520544KJ/cm2，無(wú)霜期127164d，年降水量650700mm。盆栽試驗(yàn)采自該站表土(020cm)，土壤類(lèi)型為草甸棕壤。試驗(yàn)共設(shè)了6個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK,不投加Cd)及5個(gè)不同的Cd投加濃度試驗(yàn)，Cd投加濃度10mg/kg(Tl)、25mg/kg(T2)、50mg/kg(T3)、100mg/kg(T4)、200mg/kg(T5),投加的重金屬形態(tài)為CdCl2'2.5H20,為分析純?cè)噭?，以固態(tài)加入到土壤中，充分混勻，平衡兩周后待用。本試驗(yàn)于春天開(kāi)始，移栽小白酒草幼苗均采自沈陽(yáng)生態(tài)站內(nèi)，每盆4棵,3次重復(fù)。露天栽培。根據(jù)盆缺水情況，不定期澆水(水中未檢出Cd)，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的80%左右。待植物成熟后收獲。試驗(yàn)結(jié)果如下圖1給出了在不同Cd濃度處理?xiàng)l件下小白酒草的地上部生物量。差異顯著性分析表明，與對(duì)照相比,小白酒草在Cd投加濃度為10,25,50和100mg/kg的處理中，地上部生物量均未下降(p0.05)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性；但在Cd污染水平很高時(shí)，即投加濃度為200mg/kg情況下，地上部生物量則有所下降(p0.05),說(shuō)明小白酒草對(duì)Cd的耐性雖然較強(qiáng)但還是有一定限度，這就是說(shuō)，在土壤Cd濃度大于200mg/kg情況下，植物的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。植物體內(nèi)Cd含量測(cè)定結(jié)果表明(表1)，當(dāng)土壤中Cd投加濃度為10,25mg/kg時(shí)，小白酒草地上部富集系均大于l,轉(zhuǎn)移系數(shù)也大于l,表現(xiàn)出富集植物的根本特征。當(dāng)土壤中Cd投加濃度為50mg/kg,其地上部富集系數(shù)大于1。雖然,植物的葉或莖中Cd含量在Cd投加濃度為100,200mg/kg時(shí),均大于100mg/kg,但其地上部含量小于其根部含量,地上部富集系數(shù)也小于1,且在Cd投加濃度為200mg/kg時(shí),植物地上部生物量明顯下降。因此，綜合植物對(duì)Cd的耐性和富集特征來(lái)看,小白酒草還達(dá)不到超富集植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)，只是Cd的富集植物。表1小白酒草對(duì)鎘的富集特征(mg/kg)處理根莖葉花序地上TFACTl13.929.744.518.027.82.002.81T246.650.259.721.147.51.021.92T379.077.993.447.570.40.891.39T4166.186.6114.748.580.00.480.79T5186.8199.3280.3130.4191.11.020.96*TF為轉(zhuǎn)移系數(shù)數(shù);AC為富集系數(shù)實(shí)施例2采礦污染區(qū)小白酒草對(duì)重金屬的富集特征遼寧鳳城青城子鉛鋅礦,地理位置為東經(jīng)123。37',北緯40°41'。該礦區(qū)年平均溫度6.58.7。C，降水量674.4腿.礦區(qū)主要母巖為大理石和云母片巖,土壤為棕壤性土.植被覆蓋主要為次生林和稀疏的灌叢及部分人工水杉、刺槐林.礦體各坑口海拔約270405m，開(kāi)采處距地面約180390m，鉛鋅礦品位約7080%，Cd主要伴生在閃鋅礦晶格中，平均品位約0.034%,但不單獨(dú)成礦。植物采樣采取的是見(jiàn)一棵采一棵的取樣方式。在Cd污染較為嚴(yán)重的鉛鋅礦區(qū)采集到的小白酒草植物,從外表特征上看均未表現(xiàn)出受毒害癥狀。對(duì)這幾株植物相應(yīng)根區(qū)土壤進(jìn)行理化性質(zhì)及Cd含量測(cè)定結(jié)果表明，采樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)為pH值6.536.95,有機(jī)質(zhì)14.3115.04g/kg,全N0.580.72g/kg,全P0.490.68g/kg,有效P9.2710.72mg/kg,速效K80.2490.43mg/kg。采樣點(diǎn)(18)土壤中Cd總量為0.911.8mg/kg,有效態(tài)含量為0.36.2mg/kg,有效態(tài)占總量的38.9°/。64.7%(表2)。表2鉛鋅礦區(qū)小白酒草和其根區(qū)土壤的Cd含量及植物地上部干重<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>采集的小白酒草地上部Cd富集系數(shù)分別為1.10,1.56,1.08,1.06,2.27，1.59,1.59和2.06,均大于1,且地上部Cd含量均大于其根部Cd含量(表2)，也表現(xiàn)出具有富集植物的主要特征。但這些植物的莖和葉Cd含量均未達(dá)到100mg/kg,這與盆栽濃度梯度試驗(yàn)中小白酒草X寸Cd的富集特征較一致。實(shí)施例3.污灌區(qū)小白酒草對(duì)Cd的富集特征沈陽(yáng)張士污灌區(qū)，位于沈陽(yáng)西郊，距中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)站約30km。1962年以來(lái)，由于不合理引用沈陽(yáng)衛(wèi)工明渠含Cd工業(yè)污水灌溉稻田，灌區(qū)大部分農(nóng)田受到污染，據(jù)1975年調(diào)查，土壤主要是受Cd污染而且Cd主要分布在土壤表層(約035cm),土地受Cd污染面積約2800hm2,污染較嚴(yán)重地區(qū)土壤Cd濃度為57mg/kg。于小白酒草成熟時(shí)采取隨機(jī)采樣方法到沈陽(yáng)張士灌區(qū)采集植物及其根區(qū)土壤樣品。植物部位(mg/kg)地上部地上部土壤(mg/kg)地上~~有效態(tài)根莖葉花序部AC干重(g/棵)CdCd植物株試驗(yàn)結(jié)果如下在張士污灌區(qū)采集到的小白酒草，從外表特征來(lái)看，也是生長(zhǎng)正常的植物，且已成熟。這些植物相應(yīng)土壤樣品的基本理化性質(zhì)為pH值6.516.79,有機(jī)質(zhì)16.0717.53g/kg,全N0.690.82g/kg,全P0.620.71g/kg,有效P9.8510.56mg/kg,速效K87.6990.22mg/kg。土壤中總Cd濃度為1.62.9mg/kg,有效態(tài)Cd含量為0.62.1mg/kg,有效態(tài)Cd占其總量的82.692.6%。由此可見(jiàn),張士灌區(qū)污染土壤中有效態(tài)Cd含量明顯高于青城子鉛鋅礦區(qū)土壤中Cd有效態(tài)含量(表3)。表3污灌區(qū)小白酒草和其根區(qū)土壤的Cd含量及其地上部干重15.28.111.82.98.53.1525.822.72.527.36.89.32.45.83.6348.341.61.435.67.410,84.46.93.8347.321.81.545.46.010.22.95.92.9540.42.01.857.28.613.43.77.92.7257.542.92.565.27.410.82.86.52.8347.92.31.974.97.39.62.76.33.1551.292.01.7所采集的所有小白酒草其地上部Cd富集系數(shù)均大于l,而且地上部Cd含量均大于其根部Cd含量(表3)，具備了Cd富集植物的主要特征。但這些植物的莖和葉Cd含量也均未達(dá)到100mg/kg,這也與盆栽濃度梯度試驗(yàn)中小白酒草對(duì)Cd的富集特征較一致。小白酒草這一植物,無(wú)論在鉛鋅礦天然Cd污染區(qū),還是在污灌條件下Cd人為污染區(qū)的自然生長(zhǎng)狀態(tài)下均表現(xiàn)出Cd富集植物的基本特征，而在沈陽(yáng)生態(tài)站人為模擬污染條件下，均達(dá)到Cd富集植物的全部特征。因此，可以認(rèn)為小白酒草是Cd的富集植物。從以上3個(gè)實(shí)施例可以看出，小白酒草對(duì)重金屬鎘具有極強(qiáng)的富集能力，是鎘的富集植物，對(duì)鎘污染土壤具有較強(qiáng)的修復(fù)能力。植物郃位(mg/kg)地上部地上部土壌(mg/kg)地上"i~~有效態(tài)根莖葉籽實(shí)部AC干重(g/棵)CdCd植物株權(quán)利要求1.一種利用富集植物小白酒草修復(fù)重金屬污染土壤的方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，通過(guò)小白酒草根系大量吸收污染土壤中的鎘，并將其轉(zhuǎn)移至地上部器官，當(dāng)植物長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥郎弦谱撸瑥亩鴮?shí)現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。2.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述地上部生物量最大時(shí)，是指植株從開(kāi)花期至成熟期這一段時(shí)期。3.按照權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述成熟期是指小白酒草生長(zhǎng)到種子成熟時(shí)。4.按照權(quán)利要求l所述方法，其特征在于當(dāng)植物長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí),可以是將植物整體從污染土壤上移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。5.按照權(quán)利要求l所述方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，可采用露天栽培，根據(jù)土壤缺水情況，澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的4095%。6.按照權(quán)利要求l所述方法，其特征在于所述種植小白酒草是指在土壤上直接播種小白酒草種子或?qū)⒂酌缙诘男“拙撇菀浦苍诤廴疚镦k的土壤上。7.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，可采用復(fù)種的方式，即在第一茬小白酒草長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥郎弦谱?，再重?fù)上述過(guò)程，直至最終修復(fù)鎘污染土壤。一8.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述含污染物鎘的土壤中鎘含量的為0.3-240mg/kg。全文摘要本發(fā)明涉及重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種利用富集植物小白酒草修復(fù)重金屬污染土壤的方法，在含污染物鎘的土壤上種植小白酒草，通過(guò)小白酒草根系大量吸收污染土壤中的鎘，并將其轉(zhuǎn)移至地上部器官，當(dāng)植物長(zhǎng)到地上部生物量最大時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥郎弦谱?，從而?shí)現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。本發(fā)明利用富集植物小白酒草治理鎘污染土壤，具有費(fèi)用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對(duì)防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好的效果等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)B09C1/00GK101391261SQ20071001292公開(kāi)日2009年3月25日申請(qǐng)日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日發(fā)明者周啟星,魏樹(shù)和申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所