CN101147914A - 一种利用菊科植物修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是利用菊科超积累/超富集植物三叶鬼针草修复镉污染土壤的方法。三叶鬼针草种植于重金属污染环境，不但能够正常生长没有任何受毒害现象，其生物量也没有减少，而且地上部重金属含量高于根部重金属含量，地上部重金属含量达到了Cd超积累植物应达到的临界含量标准100mg/kg，具备了超积累植物的基本特征。该方法将三叶鬼针草种植在含污染物镉的土壤上，当植物成熟时，将植物整体从污染土壤上移走，然后再移栽下一茬植物，之后重复上述过程，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

Description

一种利用菊科植物修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用菊科植物修复镉污染土壤的方法。

背景技术

重金属污染土壤的途径通常有以下两种：一是金属矿开采活动造成的环境污染，污染类型主要有坑口周围土壤中矿床矿物在水、气、热等环境因素长期作用下而形成的重金属污染较严重的土壤；采矿废石堆放过程中因淋滤等原因造成的重金属污染土壤；含有较高浓度重金属的矿山废水对土壤造成的污染等。二是工业污水灌溉农田引发的重金属污染土壤，具有代表性的是我国发现最早，面积较大，而且污染又十分严重的沈阳张士灌区污染土壤，其主要重金属污染物是Cd[文献1：吴燕玉，陈涛，张学询.1986.沈阳张士灌区镉的污染生态研究.见：高拯民主编，土壤-植物系统污染生态研究.295-301]。Cd是环境中的有毒物质，是生物体的非必需元素，其化合物的毒性很大，蓄积性很强，高浓度的镉对大多数动物有致畸、致突变和致癌作用，因此，镉污染土壤急需修复。

世界各国对土壤重金属污染十分重视，采取了各种各样的修复方法，如消除重金属毒性的固化技术、玻璃化技术，修复挥发性重金属的电动力修复技术等。但这些技术对污染场地破坏较大，修复费用昂贵，且存在着运输、储存、回填等新的环境问题，在小面积或重污染土壤处理中作用很大，甚至不可替代，但对于面积巨大、污染程度较轻的污染土壤来说则难以应用。因此，人们寻求费用较低、修复效果又好的革新技术。植物修复技术利用重金属超积累植物/超富集植物的提取作用在稳定污染土壤减少风蚀、水蚀及不引起地下水二次污染的同时，使污染土壤得到修复，既不破坏污染现场土壤结构、培肥地力，又减少修复费用，已成为世界各国竞相研究的热点。

超积累植物(Hyperaccmulator)也叫超富集植物，这一定义最初是由Brooks等提出的，当时用以命名茎中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物[文献2：BrooksR.R.，Lee J.，Reeves R.D.，et al.1977.Detectionof nickliferous rocks by analysis of herbariums pecies of indicatorplants.Journal of Geochemical Exploration.7：49～77]。现超积累植物的概念已扩大到植物对所有金属元素的超量富集现象，即是指能超量富集一种或同时富集几种金属元素的植物。现一般认为[文献3：Chaney R.L.，Malik M.，LiY.M.，et al.1997，Phytoremediation of soil metals.CurrentOpinions in Biotechnology.8：279～284；文献4：Brooks，R.R.，Chambers，M.F.，Nicks，L.J.，Robinson，B.H.，1998.Phytoming.Trends in PlantScience.3，(9)：359～362；文献5：Salt D E.Phytoextraction：presentapplications and future promise.2000.In：Wise D L，et al.(eds.)，Bioremediation of Contaminated Soils.New York，Marcel Dekker]超积累植物应同时具备三个特征：一是植物地上部(茎或叶)金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍，其临界含量分别为Zn 10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Cu 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg/kg；二是植物地上部重金属含量大于根部该种金属含量；三是植物的生长没有出现明显的毒害症状。其实，植物地上部生物量没有明显下降(与生长在未污染土壤同种植物生物量相比)同时植物地上部富集系数大于1也是必不可少的特征。

生活在重金属污染程度较高土壤上植物地上部生物量没有显著减少是超积累植物区别于普通植物的一个重要特征。超积累植物能够超量富集重金属而生物量又没有明显下降的可能机理是液泡的区室化作用和植物体内某些有机酸对金属的螯合作用消除了金属植物生长的抑制[文献3：ChaneyR.L.，Malik M.，Li Y.M.，et al.1997，Phytoremediation of soilmetals.Current Opinions in Biotechnology.8：279～284；文献6：Ortiz，D.F.，Ruscitti，T，McCue，K.F.，Ow，D.W.1995.Transport ofmetal-binding peptidesby HMT1，afission yeast ABC-type vacuolarmembrane protein.J Biol.Chem.，270：4721～4728；文献7：Kramer，U.，Cot ter-Howells，J.D.，Charnock，J.M.，Baker，A.J.M.，Smith，J.A.C.1996.Free histidine as a metal chelator in plants thataccumulate inckel.Nature，379：635～638]，这是超积累植物所具有的区别于普通植物的超强忍耐性的表现特征之一。而对于普通植物而言，虽有些植物在这种情况下也能生存下来并完成生活史，但其地上部生物量往往会明显降低，通常表现为植株矮小，有的生物学特性还会改变如叶子、花色变色等[文献8：孔令韶.1982.植物对重金属元素的吸收积累及忍耐、变异.环境科学，1：65～69]。植物地上部富集系数大于1，意味着植物地上部某种重金属含量大于所生长土壤中该种重金属的浓度，这是超积累植物区别于普通植物对重金属积累的又一个重要特征。因为当土壤中重金属浓度高到超过超富集植物应达到的临界含量标准时，甚至高出几倍的情况下，因植物对重金属的积累有随土壤中重金属浓度升高而升高的特点[文献9：郭水良，黄朝表，边媛，林国平.2002.金华市郊杂草对土壤重金属元素的吸收与富集作用(I)-6种重金属元素在杂草和土壤中的含量分析.上海交通大学学报(农业科学版)，20(1)：22～29]，植物对重金属的积累量虽达到了公认的临界含量标准，但当土壤中重金属浓度略低于超积累植物所应达到的含量标准时，植物对重金属的积累量可能就难以达到超富集植物应达到的临界含量标准而表现出与普通植物相同的特征，同时由于土壤pH等因素对污染土壤中重金属可吸收态的影响，在土壤中重金属浓度较高的情况下，普通植物也可能正常生长，因此，那些植物所表现出的较强耐性的表面特征也可能是一种假象。因此，植物地上部生物量没有明显减少同时地上部富集系数大于1也应是超积累植物区别于普通植物的必不可少的特征。其中，植物地上部富集系数至少应当在土壤中重金属浓度与超富集/超积累植物应达到的临界含量标准相当时大于1[文献10：WeiS，Zhou Q，Koval PV.Flowering stage characteristics of cadmiumhyperaccumulator  Solanum nigrum L.and their significance tophytoremediation.Science of the Total Environment.2006，369：441-446；文献11：Wei Shuhe，Zhou Qixing，Wang Xin，Zhang Kaisong，GuoGuanlin，Ma Lena.A newly-discovered Cd-hyperaccumulator Solanumnigrum L.Chinese Science Bulletin.2005，50(1)：33-38]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种费用低廉、可操作性强、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好效果的利用菊科植物修复镉污染土壤的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：在含污染物镉的土壤上种植三叶鬼针草(Bidens pilosa L.)，通过三叶鬼针草根系大量吸收污染土壤中的镉，并将其转移至茎和叶等地上部器官，当植物长到成熟期时，将植物整体从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

所述在含污染物镉的土壤上种植三叶鬼针草，可采用露天栽培，根据土壤缺水情况，浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40～95％。

所述在含污染物镉的土壤上种植三叶鬼针草，可采用复种的方式，即在第一茬三叶鬼针草长到成熟时，将植物整体从污染土壤上移走，再种植第二茬三叶鬼针草，重复上述过程，直至彻底除去土壤中超标的镉。

本发明所具有的优点：

本发明利用具有超富集的菊科植物修复镉污染土壤，其具有费用低廉、可操作性强、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好的效果等优点。实验证明菊科植物三叶鬼针草是一种超富集植物，本发明利用三叶鬼针草对镉金属的超富集提取作用，通过在镉污染土壤上种植这种超积累植物，能够在稳定污染土壤，减少土壤风蚀、水蚀及不引起地下水二次污染的同时，使污染土壤得到修复，与现有技术相比，既不破坏污染现场土壤结构、培肥地力，又大大降低了修复费用。

附图说明

图1为本发明在Cd单一污染及Cd-Pb-Cu-Zn复合污染条件下三叶鬼针草地上部生物量对比图。

图2本发明菊科植物三叶鬼针草在不同Cd浓度处理条件下地上部生物量对比图。

具体实施方式

实施例1

针对目前植物修复中Cd单一污染和Cd-Pb-Cu-Zn复合污染的富集/积累植物缺乏研究，采用田间盆栽模拟试验方法，对东北沈阳地区22科65种田间杂草植物进行其重金属耐性及积累能力的初步系统研究。

试验地点设在中国科学院沈阳生态实验站内，地理位置为东经123°41′、北纬41°31′，海拔约50m，该试验站周围没有污染源，是重金属未污染区。该站地处松辽平原南部的中心地带，距沈阳市区约35km，属温带半湿润大陆性气候，年平均温度5～9℃，大于10℃的年活动积温3100～3400℃，年总辐射量520～544KJ/cm²，无霜期127～164d，年降水量650～700mm。盆栽试验采自该站表土(0～20cm)，土壤类型为草甸棕壤。

参照我国国家土壤环境质量标准GB15618，1995(夏家淇，1996)设计T1为Cd单一污染和T2为Cd-Pb-Cu-Zn复合污染的2个处理，其中Cd单一污染处理投加浓度为10mg/kg，复合污染处理中Cd、Pb、Cu和Zn的投加浓度分别依次为10、1000、400和1000mg/kg，相当于国家土壤环境质量标准三级标准值的10、2、1、2倍，这一污染水平与辽宁地区重金属污染状况和水平大体相符。投加的重金属形态分别为CdCl₂·2.5H₂O、Pb(CH ₃COO)₂·3H₂O、CuSO₄·5H₂O和ZnSO₄·7H₂O，均为分析纯试剂，分别以固态加入到土壤中，充分混匀，平衡两周后待用。与此同时，以不投加重金属的处理为对照CK(参见表1)。

于杂草开始生长季节，将供试土壤风干、过2mm筛后，与一定量的重金属混合，装入塑料盆(￠＝20m，H＝15m)中，平衡两周后，选择生长一致的各种杂草幼苗分别移栽入CK、T₁和T₂处理的盆中。根据植株大小，每盆各栽2～6棵苗，其中三叶鬼针草每盆2棵；重复3次，各重复间栽入的苗数一致，露天栽培，无遮雨设施。根据盆缺水情况，不定期浇自来水(水中未检出Cd、Pb、Cu、Zn)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的80％左右，待植物成熟后，收获杂草。

烘干后的植物样，采用HNO₃-HClO₄法消化、原子吸收分光光度计测定其中的重金属含量。分析所获数据(参见图1)，在计算机上用Microsoft Excel进行平均值和标准差(SD)的计算，并利用最低显著性差异法(leastsignificant difference，LSD)进行差异显著性测验.

试验结果如下：

表明三叶鬼针草在Cd单一污染及Cd-Pb-Cu-Zn复合污染条件下，其地上部生物量与对照相比，均未下降(p＜0.05)，说明三叶鬼针草对Cd具有较强的耐性。因此，从植物对重金属的耐性来看，三叶鬼针草具有超积累植物所应具有的耐性较强的基本特征。

表1给出了三叶鬼针草对重金属Cd的富集情况。在Cd单一污染处理T₁中，其地上部Cd积累量达到28.3mg/kg，大于根部含量(13.2mg/kg)，且其地上部Cd富集系数为2.83，明显大于1。在Cd-Pb-Cu-Zn复合污染处理T₂中，三叶鬼针草对Cd的富集特性与其在Cd单一污染条件下对Cd的富集特性大体一致。由此可见，三叶鬼针草对Cd的富集特性符合超积累植物所具有的地上部重金属含量大于其根部重金属含量的基本特征，而且其地上部Cd富集系数也大于1。

可见，从三叶鬼针草对Cd污染的耐性及对Cd的富集特性来看，无疑是Cd超积累特征植物。

表1三叶鬼针草对重金属的富集特性及富集系数

处理	部位	总Cd	AC*	总Pb	AC	总Cu	AC	总Zn	AC
										CK	根茎叶籽实地上部	0.30.81.30.40.8		9.23.72.30.82.6		9.58.525.68.111.5		83.827.695.276.553.0
T1	根茎叶籽实地上部	13.228.353.712.428.3	1.322.835.371.242.83
										T2	根茎叶籽实地上部	12.928.651.910.327.1	1.292.865.191.032.71	110.530.139.822.728.7	0.110.030.040.020.03	38.811.726.111.012.3	0.090.030.060.030.03	264.8198.3580.9262.5280.4	0.260.190.560.250.27

*AC为富集系数

本实施例实验室小规模试验，将三叶鬼针草种植在上述设计的含污染物镉的土壤上，待三叶鬼针草成熟时，将植物整体从污染土壤上移走，再种植第二茬三叶鬼针草，去除第二茬后再种植第三茬，直到可得到修复好的镉污染土壤。当大规模实施时可重复上述的操作步骤，直至使污染土地达到标准为止。

实施例2

试验地点设在中国科学院沈阳生态实验站内，地理位置为东经123°41′、北纬41°31′，海拔约50m，该试验站周围没有污染源，是重金属未污染区。该站地处松辽平原南部的中心地带，距沈阳市区约35km，属温带半湿润大陆性气候，年平均温度5～9℃，大于10℃的年活动积温3100～3400℃，年总辐射量520～544KJ/cm²，无霜期127～164d，年降水量650～700mm。盆栽试验采自该站表土(0～20cm)，土壤类型为草甸棕壤。

试验共设了6个处理，分别为对照CK，不投加Cd及5个不同的Cd投加浓度试验，Cd投加浓度：10mg/kg(R1)、25mg/kg(R2)、50mg/kg(R3)、100mg/kg(R4)、200mg/kg(R5)，投加的重金属形态为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂，以固态加入到土壤中，充分混匀，平衡两周后待用。

本试验于2004年春开始，移栽三叶鬼针草幼苗均采自沈阳生态站内，每盆2棵，3次重复。生长天数为88天。露天栽培。根据盆缺水情况，不定期浇水(水中未检出Cd)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的80％左右。待植物成熟后收获。

试验结果

图2给出了在不同Cd浓度处理条件下三叶鬼针草的地上部生物量。差异显著性分析表明，与对照相比，三叶鬼针草在Cd投加浓度为10，25，50和100mg/kg的处理中，地上部生物量均未下降(p＜0.05)，表现出较强的耐性；但在Cd污染水平很高时，即投加浓度为200mg/kg情况下，地上部生物量则有所下降(p＜0.05)，说明三叶鬼针草对Cd的耐性虽然较强但还是有一定限度，这就是说，在土壤Cd浓度大于200mg/kg情况下，植物的生长会受到抑制。

植物体内Cd含量测定结果表明(参见表2)，在各个处理中，三叶鬼针草地上部Cd含量均大于其根部Cd含量。当土壤中Cd投加浓度为25，50，100mg/kg时，三叶鬼针草叶中Cd含量均大于100mg/kg，达到了Cd超积累植物应达到的临界含量标准，即茎或叶Cd含量大于100mg/kg，而且其地上部Cd富集系数均大于1，因此从植物对Cd的积累特性来看已满足了Cd超积累植物的临界含量特征。随着土壤Cd污染水平的增加，植物体内Cd含量也在增加，并在Cd投加浓度为200mg/kg时达到最大。

表2三叶鬼针草对镉的富集特征(mg/kg)

处理	根	茎	叶	花	地上	TF
							T1AC*T2ACT3ACT4ACT5AC	11.71.1920.90.8425.50.0235.40.3656.50.28	35.43.61843.3797.10.07115.41.16123.70.62	83.98.56145.35.84160.70.12192.31.93247.31.24	18.31.8731.21.2537.40.0347.70.4867.70.34	46.14.7084.73.4097.30.07102.31.03121.30.61	3.944.053.822.892.15

*AC为富集系数

上述试验结果表明，三叶鬼针草在土壤Cd投加浓度为25，50和100mg/kg时，其叶中Cd含量均达到了Cd超积累植物应达到的临界含量标准，而且地上部Cd含量大于其根部Cd含量，同时对Cd耐性较强，完全具有Cd超积累植物的基本特征，是Cd的超积累植物。

上述详细说明针对本发明的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围。

Claims (5)

1.一种利用菊科植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上种植菊科植物，当菊科植物长到成熟期时，将植物整体从污染土壤上移走，从而实现除去土壤中污染物镉的目的。

2.根据权利要求1所述利用菊科植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述菊科植物可为：三叶鬼针草。

3.根据权利要求1所述利用菊科植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述种植三叶鬼针草是指将幼苗期的三叶鬼针草移植在含污染物镉的土壤上。

4.根据权利要求1所述利用菊科植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上种植三叶鬼针草，可采用露天栽培，根据土壤缺水情况，浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40～95％。

5.根据权利要求1所述利用菊科植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在含污染物镉的土壤上采用复种的方式种植三叶鬼针草，即在第一茬三叶鬼针草成熟时，将植物整体从污染土壤上移走，再种植第二茬三叶鬼针草，重复上述过程，直至最终修复镉污染土壤。