CN100569402C - 一种通过提高土温来提高植物富集土壤金属元素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过提高土壤温度来提高植物富集土壤金属元素的方法，属于环境(土壤)重金属污染的植物修复技术领域。当生长于重金属污染土壤上的植物生物量达到或接近最高值时，首先向土壤中浇灌金属螯合剂溶液。12至48小时后，提高土壤温度到40-60摄氏度，并维持1-3小时。在热处理后2-14天收获植株。与常规措施相比，使用该方法可以使植物地上部分金属元素的富集能力提高5-40倍。大幅度提高植物地上部富集重金属的效率，提高螯合剂的使用效率。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种通过提高土壤温度来提高植物提取环境(土壤)中金属元素的方法，属于环境(土壤)重金属污染植物修复技术领域。
(二)技术背景：
植物修复(Phytoremediation)技术是上世纪80年代末期利用植物修复环境污染物的一种新的修复工艺。重金属污染土壤的植物修复技术包括植物提取、植物固化、植物挥发和植物过滤等类型。对于大多数的有毒重金属来说，可采取的主要技术是植物提取。植物提取技术可以分为两种对策：依赖于超量积累植物的称之为持续的植物提取和依赖于利用螯合剂来促进普通植物吸收土壤重金属的称之为化学诱导的植物提取。诱导性修复提取技术(Chelant-assisted phytoextraction)是通过向土壤中施加螯合剂来活化土壤中的重金属，提高土壤重金属的生物有效性，从而促进植物吸收土壤重金属达到修复的目的。目前螯合诱导修复技术已经成为植物修复发展的一个新方向，并取得了很大进展。乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺二琥珀酸(EDDS)等是目前应用于诱导性植物提取的螯合剂，但价格比较高。如何提高螯合诱导修复效率，提高植物富集土壤(或培养基质)中的金属元素，减少螯合剂施用成本，缩短植物修复时间，是螯合诱导修复技术中需要解决的问题。
(三)发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种提高植物富集土壤金属元素的方法，提高诱导性植物修复过程中植物地上部提取重金属的效率，以完善目前的植物螯合诱导修复技术。
技术方案一种提高植物富集土壤金属元素的方法，其特征在于，
当植物在土壤或培养基质中生长到采收前3至15天，在植物根际区的土壤或培养基质中加入一种或多种以下的金属螯合剂：乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺二琥珀酸(EDDS)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二醇双四乙酸(EGTA)、乙二胺二乙酸(EDDHA)、环己烷二胺四乙酸(CDTA)或氨基三乙酸(NTA)或这些螯合剂的钠、钾盐溶液，溶液浓度为1-1000mmol/L，一次浇灌于植物根系周围，最终加入土壤或培养基质的金属螯合剂浓度为0.1-5mmol/kg。
在加入金属螯合剂或其盐类12至48小时后，通过一系列热处理装置使土壤或培养基质温度升高到40-60度，并维持1-3小时。这些热处理措施包括：地下铺埋的热水管、或通过地表插入的电加热棒、或通过电加热的金属板(网)、地埋管进行喷水蒸气操作，或灌溉热水的滴灌装置等。在热处理后2-14天收获植株。
有益效果本发明可用于重金属污染土壤的诱导性植物提取。该方法效果明显，具有可操作性。与常规措施相比，使用该方法可以使植物地上部分金属元素的富集能力提高5-40倍。
试验结果表明：
(1)在施用EDTA的Cu污染土壤中，随着土壤温度(23-38℃)的升高，玉米地上部分Cu含量、积累量、以及根系Cu含量均有明显增加。
(2)在铜污染土壤和重金属复合污染土壤上均表明，施用了螯合剂(EDDS或EDTA)之后，土壤被高温(50℃或80℃)处理3小时，可以显著提高植物地上部分重金属浓度，其增加量由大到小的处理依次为：螯合剂施用2天后进行热处理＞螯合剂施用后立即进行的热处理＞螯合剂施用前2天进行的热处理。
(3)采用在地下铺埋PVC管，并在PVC管内通入循环流动的热水(50℃)以提高土壤温度，该方法可以提高螯合剂诱导植物提取土壤Cu的效率约5倍(绿豆)或10-14倍(玉米)。
(4)在野外铜污染农田进行了田间试验，在玉米接近最大生物量时，向土壤中浇灌EDTA或EDDS的溶液(处理浓度为1.0mmol kg-1土)。螯合剂加入后2天，通过采用电热管对土壤加热，或直接浇灌热水处理。与不加热不施用螯合剂处理相比，螯合剂在提高土壤温度辅助下可以提高玉米地上部分的铜富集量近40倍；与施用螯合剂不加热处理相比，螯合剂在提高土壤温度辅助下可以提高玉米富集土壤铜的效率约33倍。
这些结果表明通过提高土壤温度能够明显增加植物对重金属的提取效率，减少螯合剂的施用量，从而达到降低螯合剂使用成本以及减少可溶性重金属向地下水迁移的潜在危险。该方法为修复重金属污染土壤提供了一种新的工艺技术。
(四)附图说明
图1不同浓度EDTA施加后0天(0d)或2天(2d)，50℃热处理对玉米幼苗地上部分Pb、Cu、Zn和Cd含量的影响
图2EDTA和EDDS施用后进行不同的温度处理(25℃，50℃，80℃)对绿豆幼苗地上部分重金属(Pb、Cu、Zn和Cd)含量的影响
图3：实施例1和例2热处理方式
图4：通过地下水管加热方式(实施例3)
图5：EDTA非加热(左图)和EDTA加热(右图)处理的玉米和绿豆幼苗(实施例3)
图6EDDS非加热(左图)和EDDS加热(右图)处理的玉米和绿豆幼苗(实施例3)
图7：实施例4田间加热处理的试验效果(左：EDDS处理未加热；中：EDDS处理用电加热；右：EDDS处理用热水加热)
(五)具体实施方式
实施例1.50℃热处理对EDTA诱导玉米幼苗提取土壤重金属的作用
材料与方法：
供试土壤采自南京市卫岗一菜圃地0-20cm的表层土，经自然风干，过4cm筛。对土壤人为施加Pb(2000mg kg-1土，)、Cu(200mg kg-1)、Zn(200mg kg-1)和Cd(2mgkg-1)等四种重金属，分别以：Pb(NO3)2、CuSO4、ZnSO4和Cd(NO3)2·4H2O溶液的形式添加。人工复配的重金属污染土壤经过多次的干湿交替平衡放置一年。土壤的基本理化性质见表1。
表1重金属复合污染土壤的理化性质
称取人工复配的重金属污染土壤置于一次性塑料杯中(8.0cm直径x11.0cm高，250克土/杯)，加水平衡放置一周。
玉米(Zea mays L.cv.Nongda No.108)种子经消毒、浸种10h后播种于塑料杯中。出苗后每杯留三颗苗。用称重法保持土壤含水量为饱和含水量的60％。
播种后第8天，对土壤进行三种浓度的EDTA处理：1.0，3.0，5.0mmol kg-1土(以50ml不同浓度Na2-EDTA溶液浇灌)，同时以加50ml水设为对照组。分别于EDTA处理后0h或48h，将塑料杯置于50℃恒温水浴锅中3h(保持水浴锅内水面位于塑料杯土面下方1cm)。每处理设3个重复。
除进行热处理外，玉米幼苗在自然光照下生长，温度21-32℃。用称重法加水，保持土壤含水量为饱和含水量的70％。
EDTA处理后7天，沿土面上方0.5cm处剪取玉米地上部分，样品经清洗、烘干、粉碎、后用酸消煮，用原子吸收分光光度计测定重金属含量。
试验结果：
随着EDTA处理浓度的增加，玉米幼苗地上部分Pb、Cu、Zn和Cd的含量也明显增加(图1)。在相同浓度EDTA处理下，与EDTA施用后随即进行的热处理相比(0d)，EDTA施用2天后进行热处理(2d)可以更有效地增加玉米幼苗地上部分重金属的含量，其增加量大概为3倍(5.0mmolkg-1EDTA)到5倍(1.0或3.0mmol kg-1EDTA)。
实施例2.热处理对EDTA、EDDS诱导绿豆幼苗提取土壤重金属的作用
材料与方法：
供试土壤、试验用塑料杯及装土量同实施例1。
双子叶植物绿豆[Vigna radiat(L.)R.Wilczek var.radiata cv.VC2768A]种子经消毒、浸种4h后播种。出苗后每杯留苗四颗。
播种后14天(螯合剂处理前2天，记为：-2d)，部分塑料杯置于25℃，50℃或80℃三种温度的恒温水浴锅中3h(保持水浴锅内水面位于塑料杯土面下方1cm)。播种后16天(记为：0d)，5.0mmol L-1Na3-EDDS或Na2-EDTA溶液50ml浇灌于土面(使螯合剂处理浓度均为1.0mmol kg-1土)。不进行螯合剂处理的塑料杯加50ml H2O。播种后18天(螯合剂处理后2天，记为：-2d)，将部分进行螯合剂处理的塑料杯置于25℃，50℃或80℃三种温度的恒温水浴锅中3h。每处理设4个重复。
绿豆幼苗在自然光照下生长，温度19-28℃。用称重法保持土壤含水量为饱和含水量的70％。
螯合剂处理7天后，从子叶节处剪取地上部分样品。样品后处理与重金属含量测定方法如前。
试验结果：
比较了在三种温度处理下(25℃，50℃，或80℃)，两种螯合剂(EDTA和EDDS)对绿豆幼苗地上部分重金属含量的影响。
当土壤没有添加螯合剂，与25℃处理相比，50℃或80℃处理3小时对绿豆幼苗地上重金属含量略有增加，但总体影响不大(图2)。
当土壤添加1.0mmol kg-1EDTA，与25℃处理相比，热处理(50℃或80℃)明显增加了地上部分Pb、Cu、Zn和Cd的含量。对于EDDS，热处理(50℃或80℃)则明显增加了地上部分Cu、Zn和Cd的含量，对Pb的含量影响不大。在所有温度条件下，EDDS比EDTA更能有效地提高地上部分Cu含量，而EDTA比EDDS更有效地提高地上部分Pb和Cd的浓度(图2)。
实施例3.通过地下水管加热处理对玉米和绿豆提取土壤重金属的影响
材料与方法：
供试用土壤为Cu污染土壤，采自于南京市东郊汤山铜污染农田，其理化性质见表2。Cu污染土壤置于塑料盆钵内(18.0cm直径x 15.0cm高)，每盆2500g土。在装土的同时，沿盆钵内壁弯曲环绕铺设PVC(polyvinyl chloride)水管(内径18mm，1.5m/盆)，除进水口和出水口外，其余水管均埋在土里。埋好水管后，土壤加水平衡一周。
表2铜污染土壤的理化性质
在每个盆钵内同时间种玉米和绿豆。出苗后每种植物留苗8-12颗。
播种后第10天，250ml EDDS or EDTA溶液浇灌于土壤表面(以10mmol L-1Na3-EDDS或Na2-EDTA溶液浇灌，使螯合剂处理浓度为1.0mmol kg-1土)。部分盆钵浇水作为对照组。每处理重复4次。
播种后第12天，即螯合剂处理后2天，PVC水管内循环泵入50℃热水并持续4h(水泵放置于40L恒温水浴锅内)。播种后第13天，部分盆钵再次进行50℃循环热水处理4h。
除进行热处理外，幼苗在自然光照下生长，温度12-26℃。播种后第17天(即螯合剂处理后5天)，由于部分绿豆幼苗出现叶片脱落死亡现象，剪取绿豆和玉米幼苗地上部分。样品取样、后处理及重金属含量测定方法如上。
试验结果：
土壤添加1.0mmol kg-1EDDS，与未进行热处理相比，热处理可以分别提高玉米和绿豆地上Cu浓度约17倍和5倍。同样，EDTA辅助下，热处理可以分别提高玉米和绿豆地上Cu浓度约20倍和6倍(表3)。
在螯合剂辅助下，虽然提高土温使植物干物重下降到常温处理的50-80％，但由于地上部分Cu浓度增加显著，因而，地上部分总Cu积累量也明显增加。与常温螯合剂处理相比，土壤升温处理可以提高两植物地上部分总Cu积累量4到14倍(表3)。
与通过水管进行一次加热处理(50℃)相比，两次加热处理(50℃+50℃)并没有进一步增加Cu的积累量(表3)。
表3通过地下水管加热处理对玉米和绿豆幼苗地上部分Cu含量以及Cu积累量的影响
实施例4.野外铜污染土壤的田间加热试验
材料与方法：
在野外铜污染农田(土壤总铜含量701mg kg-1土)种植玉米，在玉米接近最大生物量时，向土壤中浇灌EDTA或EDDS的溶液(处理浓度为1.0mmol kg-1土)。螯合剂加入后2天，用两种方法对土壤进行加热处理：A直接浇热水；B在玉米植株四周的土壤表面，插入电加热金属管，通电2小时，可以使土壤温度维持在50度左右。加热处理5天后取玉米地上部分样品，测定玉米地上部分的铜含量及总吸收量。
试验结果：
由表4可见，在不施用螯合剂条件下，与对照相比，浇灌热水处理无明显效果，通过电加热处理可以提高玉米地上部分铜总积累量。施用1.0mmol kg-1土的EDDS或EDTA，与对照相比，对玉米地上部分铜的总积累量增加不明显，但在加热条件下，可以明显增加螯合剂的使用效率。通过浇灌热水可以提高螯合剂的效率约4-6倍，而通过电加热处理可以提高螯合剂的效率约24-40倍。
表4通过电加热或浇灌热水处理对玉米地上部分富集野外铜污染土壤中铜的影响
Claims (1)
1.一种通过提高土温来提高植物富集土壤金属元素的方法，其特征在于：
当植物在土壤或培养基质中生长到采收前3至15天，在植物根际区的土壤或培养基质中加入金属螯合剂溶液，12至48小时后，通过热处理使土壤或培养基质温度升高到40-60度，并维持1-3小时，热处理后2-14天收获植株，热处理措施为：地下铺埋的热水管、通过地表插入的电加热棒或通过电加热的金属板或网。
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