CN101402099A - 象草与蕈菌轮作联合修复农田重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于资源环境技术领域中的一种农田重金属污染土壤的象草－蕈菌轮作联合修复技术，是在污染农田上采用轮作方式种植象草和蕈菌来富集土壤中的重金属离子，当处理地中的象草和蕈菌成熟后，分别收割象草和蕈菌，将两者以特定比例投入沼气池进行生物减量并发酵产沼气，沼液用化学沉淀去除其中重金属离子，沉淀和沼渣集中填埋。本发明中的象草具有富集重金属离子能力强、生物量大、促进蕈菌生长的特点，而蕈菌具有富集重金属离子能力强、生长周期短、易于后处理的特点。两者联合修复重金属污染土壤，可达到更高修复效率。后续处理中的化学沉淀法可从根本上拔除环境重金属污染，总体修复效果为年去除农田耕作层污染重金属15％～30％。

Description

象草与蕈菌轮作联合修复农田重金属污染土壤的方法

技术领域：

本发明属于资源环境技术领域，具体涉及象草与几种蕈菌轮作联合修复农田重金属污染土壤的方法。

背景技术：

工农业发展和城市化进程的加快，使土壤重金属污染问题日益突出，其中镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、汞(Hg)、砷(As)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)等是较常见的污染重金属。全球平均每年排放Hg约为1.5万吨，Cu为340万吨，Pb为500万吨，Mn为1500万吨，Ni为100万吨，严重破坏了生态环境平衡和农业经济良性发展。

目前，我国受重金属污染的农田土壤约2500×10⁴公顷，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。富含重金属的农副产品经食物链进入人体后，对人类健康的潜在危害极大，寻找有效去除农田重金属的方法势在必行。

重金属在土壤中分布范围广、种类多、结合复杂、不被微生物降解，这使得重金属污染土壤的修复成为世界性难题。目前的修复技术主要包括工程治理修复、物理修复、化学修复、农业修复及生物修复五种方法。前四种方法比较传统，虽然在实际应用中取得了一定成效，但存在人力与财力耗费大，实施复杂、治理费用高、易引起土壤肥力降低等缺陷，不利于大规模的推广应用。

近年来生物修复技术治理土壤重金属污染已成为主流，生物修复包括动物修复、植物修复和微生物修复。其中，植物修复是目前国际国内研究的重点和热点，国家给予了大量资助，取得了一定成效。植物修复优点：适用污染因子广泛，不仅适合重金属，同时兼治有机污染；从生态角度看，有利于污染地生态修复，美化环境；以太阳能为动力，投入少，成本低，适合大面积商业修复推广；不易引起二次污染。但植物修复重金属污染土壤也存在如生长周期长，修复时间久，后处理困难，长期种植降低土壤肥力等缺点。

针对植物修复的不足，我们研究团队提出了用蕈菌修复重金属污染土壤。蕈菌是指有显著子实体的大型真菌，分为肉质，木质或革质，大多属于担子菌，部分属于子囊菌。蕈菌具有以下特点：种类多、资源丰富、生长周期短、繁殖期长、生物量大、生境多样。蕈菌对重金属有较强的耐受和富集能力，蕈菌通过直接吸收空气中漂浮的重金属或通过菌丝体累积土壤基质中的重金属(Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等)。蕈菌修复与植物相比具有富集能力强，生长周期短，生物量大，易于后处理(沼气减量)等优点，但其也存在一些限制因素：蕈菌生长需要遮荫，保湿等更为苛刻的生长条件；蕈菌假根系浅对土壤耕作层下部(15-20cm)修复效果不佳。

鉴于上述植物与蕈菌单独修复时的优缺点，采用植物-蕈菌联合修复重金属污染土壤，可突显优势，互补有无。首先，蕈菌菌丝与植物根系形成特殊的土壤界面，将土壤重金属形态更多地转化为生物可利用态，以促进蕈菌和植物对重金属的富集吸收。其次，蕈菌与植物对土壤中不同重金属具有吸收选择性，两者联合可实现优势互补，以处理土壤重金属复合污染问题。第三，蕈菌修复浅层土壤，许多植物可修复重金属污染土壤的深层区，实现区间互补。第四，蕈菌培养料中含有丰富的有机质，可为植物修复后的土壤补充肥力。第五，修复过后的植物体与蘑菇以一定比例投放沼气池，可提高沼气产量和产气稳定性，并达到生物减量。另外，部分大型植物或藤蔓植物可为蕈菌遮荫保湿以满足蕈菌生长所需环境。

在蕈菌-植物联合修复技术中，选择合适的植物极为重要。所选植物不仅需具有较高的生物量和重金属富集能力，其生长环境还应与蕈菌一致，否则不易兼顾两者生物体的生长。其次，所选植物应与蕈菌相互促进彼此生长，而非抑制。此外，所选植物与蕈菌的生长周期也应兼顾，以利于合理安排修复时间。

象草是一种理想的蕈菌-植物联合修复植物。它是禾本科狼尾草属多年生草本植物，一年栽培，多年收获，其植株高大，根系发达，生长迅速，生物量大。象草适应性广，土地条件要求不严格，各类土壤均可栽培，平均亩产鲜草10000kg。由于巨大的年产量和极强的重金属(铜、铅、镉、铬、锌等)的吸附能力，象草在拔除土壤重金属方面具有很高的优势。此外，象草碳水化合物含量高，是优质的食用菌培养基料；象草生长后的土壤也利于蕈菌覆土出菇，并提高蕈菌菇体产量。因此，象草是与蕈菌联合修复重金属污染土壤的最佳植物。

蕈菌在生长过程中对重金属不敏感，可主动吸收或被动吸附土壤重金属。菌丝与土壤充分接触，可拔出土壤中大量的重金属。出菇后，土壤中残留蕈菌基料又可提高土壤肥力，以补充种植象草引起的土壤肥力流失。

发明内容：

本发明的目的在于克服植物和蕈菌单独修复重金属污染土壤的不足，通过象草与蕈菌的轮作联合种植，提高生物联合体去除土壤重金属的效率，为重金属污染农田土壤的实地修复提供一种周期短、易于实施、环保节约的象草-蕈菌联合修复技术。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明的象草-蕈菌轮作联合修复农田重金属污染土壤的方法是在重金属污染的农田上采用轮作方式种植对重金属具强富集能力的蕈菌和对重金属有极高富集能力、易于和蕈菌共生并可提高蕈菌产量的象草来富集土壤中的重金属离子。象草收割后与成熟蕈菌菇体以特定比例投放沼气池，发酵产沼气并完成富集生物的减量，沼液经化学沉淀去除重金属，沉淀后的沼液经检测达标后排放，重金属沉淀和沼渣作集中填埋处理。

上述方案中所述象草(Pennxsetum purpureum)是禾本科(Poaceae)狼尾草属(Pennisetum)多年生草本植物。象草生物量大，重金属富集能力高，其土壤重金属年拔除率可达15％-25％。

上述方案中所述象草可提高蕈菌产量，主要是指象草生长后，其土壤宿存根茎及根系分泌物对蕈菌菌丝和菇体的生长具促进作用，提高蕈菌菇体产量。

上述方案中所述蕈菌主要来自蘑菇属(Agaricus)、球盖菇属(Stropharia)、口蘑属(Tricholoma)、大环柄菇属(Macrolepiota)、鬼伞属(Coprinus)、小奥德蘑属(Oudemansiella)。

上述方案中所述蕈菌菌种主要是指双孢蘑菇(Agaricus bisporus)、大孢蘑菇(Agaricus macrosporus)、大球盖菇(Stropharla rugoso-annulata)、金福菇(Tricholoma giganteum Massee)、高大环柄菇(Macrolepiotaprocera)、鸡腿蘑(Coprinus comatus)、长根菇(Oudenmansiella radicata)等生物量大、重金属富集能力强、人工栽培技术成熟的蕈菌。

上述方案中所述重金属为环境污染方面所指的重金属，主要是指生物毒性显著的镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、汞(Hg)，还包括具有毒性的重金属锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等污染物。

上述方案中所述沼气发酵减量，主要是指蕈菌菇体较纤维植物具有较高的粗蛋白及生物可利用多糖含量，是沼气厌氧微生物优良的培养料和生长启动剂。通过菇体与象草以一定比例联合发酵，实现沼气池高效生物减量并稳定产生沼气。

上述方案中所述化学沉淀方法是指在含重金属的沼液中加入化学沉淀剂以析出重金属离子化合物，达到去除沼液中重金属的目的。

上述方案中所述沼气池减量后沼渣的集中填埋是指菇体和象草经沼气池发酵产沼气后，生物减量率可达80％～90％，富集的重金属大多浓缩于沼渣，沼渣做集中填埋并保证其环保和可控性。

上述方案中，根据污染土壤的重金属种类，选择不同的蕈菌与象草搭配以修复重金属污染土壤。

本发明人通过大量研究，发现要从根本上拔除土壤中的重金属离子，必须结合生物修复和化学处理两种方法；先依靠合适的生物富集浓缩土壤环境中分散的低浓度的重金属离子，后将富集生物质体投放沼气池，发酵产沼气并生物减量，沼液中的重金属通过化学沉淀法去除，含重金属的沉淀与浓缩减量后的重金属沼渣作集中填埋，最终以环保实用的方法从环境中拔除了污染重金属。

象草与蕈菌联合修复重金属污染土壤，比单一种植象草或蕈菌，更能够综合利用蕈菌与象草对不同重金属富集的能力，更高效量的富集土壤重金属，并对多种重金属复合污染的土地达到更好的修复效果。象草收割后与蘑菇以特定比例投放沼气池，达到浓缩减量的同时产沼气能源。

本发明技术具有如下优点：

本发明的象草-蕈菌轮作联合修复重金属污染土壤的技术，以生物量大、吸附重金属能力强的象草和蕈菌为主要生物富集器，充分利用象草与蕈菌相互促进彼此共生这一特点，使象草与蕈菌充分发挥各自对不同重金属的富集能力，更快更多地富集土壤重金属。蕈菌生物量较大，生长周期短(2-3个月)，田间栽培技术成熟，富集重金属离子能力强，可以吸附多种重金属。象草种植粗放，富集重金属能力强，生物量大。在农田重金属污染土壤中轮种象草和蕈菌，可使其在较短的生命周期内吸附积累更多的重金属，从而更高效地拔除土壤的重金属污染。收获象草植株与蕈菌菇体以一定配比投放沼气池生物减量并发酵产沼气后，沼液采用化学沉淀法去除重金属离子，沉淀与浓缩沼渣作集中填埋处理，环保实用。最终可达到年去除土壤耕作层15％～30％的污染重金属。

下面通过实施例进一步说明本发明，本发明不仅限于所述实施例。

具体实施方式：

实施例一

本例是在含镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)的污染土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，轮作双孢蘑菇(Agaricus bisporus)以联合富集土壤中这5种重金属离子。

修复工艺流程：象草种植→象草种植后田间管理→双孢菇基料的配制、发酵与发菌→象草收割→双孢蘑菇的覆土出菇→采收成熟菇体→菇体与象草特定比例投入沼气池生物减量并发酵产沼气→沼液采用化学沉淀法析出重金属→沉淀后的沼液经检测达标后排放，重金属沉淀和沼渣做可控集中填埋处理。

1.象草种植

(1)整地：按水平方向撩壕，沟宽和深各0.33米，沟间距离0.8～1米，每亩660-800米。栽植前1～2个月整好地，下好基肥。整地的标准和每亩米数直接影响着产量和重金属拔除量。

(2)种植：选成熟的越冬后青绿、粗壮、无病虫的茎秆为种茎，以2～3节为一段，每亩用种量300kg。腋芽朝上斜插或横埋于畦中，每隔0.5～0.6m一兜，每兜一般2段。斜插栽培时种茎要插入土中10～15cm，露一茎节在土表上，压实种茎与土表交结处。横埋栽培时，种茎上要覆土5～6cm，稍压实。6～7个月后，当象草茎节长到30个左右时，新叶生长速度明显下降，老叶逐渐退黄，茎秆由青绿转为青黄，说明象草基本老熟，可以采割。

双孢菇种植

双孢蘑菇原种制备→双孢蘑菇培养基料配制→基料发酵→发酵基料在重金属污染土壤中铺底→接种双孢蘑菇→双孢蘑菇菌丝的生长→覆土出菇→采收成熟菇体。

3.后续处理

象草和双孢菇子实体以3∶2的比例投入沼气池。进行沼气厌氧微生物减量化处理。减量后剩下的沼液和沼渣，总质量减少70～85％。沼液采用化学沉淀析出重金属，沉淀后的沼液经检测达标后排放，重金属沉淀和沼渣集中填埋，大大降低了对环境的危害。

本例中，象草对Cd的平均富集量可达56mg/kg(干重，下同)，Pb的平均富集量可达146mg/kg，对Cr的平均富集量可达178mg/kg，对Cu的平均富集量可达210mg/kg，对Zn的平均富集量可达258.0mg/kg。采用象草对一亩污染土壤进行修复，可富集Cd22.4g，Pb 58.4g，Cr 71.2g，Cu 83.8g，Zn 103g。(下同)

本例中，双孢蘑菇对Cd的平均富集量可达130.0mg/kg(干重，下同)，Pb的平均富集量可达330.0mg/kg，对Cr的平均富集量可达65.0mg/kg，对Cu的平均富集量可达310.0mg/kg，对Zn的平均富集量可达358.0mg/kg。采用双孢蘑菇对一亩污染土壤进行修复，可富集Cd 41.2g，Pb 115g，Cr 22.7g，Cu 108g，Zn 125g。

联合种植象草和双孢菇，土壤耕作层重金属平均年清除率可达15％～20％。

实施例二

本例是在含铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)的污染土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，然后轮种金福菇(Tricholoma giganteum Massee)来富集污染土壤中这3种重金属。按一般条件栽培，可达到亩产象草鲜料8000kg，鲜菇3200kg。采收金福菇与象草以3∶5的比例投入沼气池进行厌氧减量化发酵处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→金福菇培养料的配制、发酵与发菌→象草采收→金福菇脱袋覆土→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.金福菇种植技术

配制金福菇培养料(稻草生料)→浸草预堆→建堆发酵→装袋灭菌→接种养菌→脱袋覆土→采收。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，金福菇对Cu的平均富集量可达327mg/kg(干重，下同)，对Zn的平均富集量可达441mg/kg，对Cr的平均富集量可达12.0mg/kg。采用金福菇对1亩污染土壤进行修复，可富集Cu 114g，Zn 154g，Cr42g。

联合种植象草和金福菇，土壤耕作层重金属年清除率可达18％～25％。

实施例三

本例是在含镉(Cd)、铜(Cu)、锌(Zn)的污染土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，然后轮种大球盖菇(Stropharla rugoso annulata)来富集土壤中这3种重金属，种植2～3个月后，大球盖菇成熟，按一般条件栽培，亩产可达到亩产象草鲜料8000kg，鲜菇2800kg。采收割大球盖菇与象草以3∶5投入沼气池进行厌氧减量化发酵处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→大球盖菇培养料的配制、发酵与发菌→象草采收→覆土出菇→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.大球盖菇种植技术

配制大球盖菇培养料(稻草生料)→浸草预堆→建堆播种与发菌管理→播种30天后，覆土→采收。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，大球盖菇对Cd的平均富集量可达149.0mg/kg，对Cu的平均富集量可达150.0mg/kg，对Zn的平均富集量可达223.0mg/kg。采用大球盖菇对1亩污染土壤进行修复，可富集Cd 52g，Cu 53g，Zn 78g。

联合种植象草和大球盖菇，土壤耕作层重金属年清除率可达15％～18％。

实施例四

本例是在含镉(Cd)、铅(Pb)的污染土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，然后轮种鸡腿蘑(Coprinuscomatus)富集土壤中的镉和铅离子，种植2～3个月后，鸡腿蘑成熟，按一般条件栽培，亩产象草鲜料8000kg，鲜菇8000kg。采收鸡腿蘑与象草以2∶3投入沼气池进行厌氧减量化发酵处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→象草采收→象草后处理→鸡腿菇培养料的配制、发酵与发菌→覆土出菇→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.鸡腿蘑种植技术

配制鸡腿菇培养料→浸草预堆→建堆发酵→装袋灭菌→接种养菌→脱袋覆土→采收。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，鸡腿蘑对Cd的平均富集量最高可达38mg/kg，Pb的平均富集量可达382mg/kg。采用鸡腿蘑对1亩污染土壤进行修复，对Cd富集量最高可达15g，对Pb富集量152g。

联合种植象草和鸡腿菇，土壤耕作层重金属年清除率可达20％～25％。

实施例五

本例是在含镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)的土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，然后轮种大孢蘑菇(Agaricus macrosporus)富集土壤中的这5种重金属。种植3～4个月后，大孢蘑菇成熟，亩产象草鲜料8000kg，平均亩产鲜菇3500kg。采收大孢蘑菇与象草以2∶5投入沼气池进行厌氧微生物发酵减量化处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→象草采收→象草后处理→大孢蘑菇培养料的配制、发酵与发菌→覆土出菇→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.大孢蘑菇的栽培技术

配制大孢蘑菇培养料→浸草预堆→建堆发酵→装袋灭菌→接种养菌→脱袋覆土→采收。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，大孢蘑菇对Cd的平均富集量可达117.0mg/kg，Pb的平均富集量可达297.0mg/kg，对Cr的平均富集量可达58.50mg/kg，对Cu的平均富集量可达279.0mg/kg，对Zn的平均富集量可达322.2mg/kg。采用大孢蘑菇对一亩污染土壤进行修复，可富集Cd 70.2g，Pb 178.2g，Cr 35.1g，Cu 167.4g，Zn 193.3g。

联合种植象草和大孢蘑菇，土壤耕作层重金属年清除率可达23％～29％。

实施例六

本例是在含镉(Cd)、铜(Cu)、锌(Zn)的污染土壤上种植象草，6～8个月后象草成熟，然后轮种长根菇(Oudenmansiella radicata)富集土壤中这3种重金属，种植2～3个月后，长根菇成熟，亩产象草鲜料8000kg，亩产鲜菇2500kg。采收长根菇与象草以3∶5投入沼气池进行厌氧微生物减量发酵处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→象草采收→象草后处理→培养料培养料的配制、发酵与发菌→覆土出菇→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.长根菇种植技术

配制培养料(木腐质基质)→装袋、灭菌和接种→脱袋覆土→采收。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，长根菇对Cd的平均富集量可达180.0mg/kg，对Cu富集量可达285.0mg/kg，Zn富集量可达300.0mg/kg，。采用长根菇对1亩污染土壤进行修复，可富集Cd 18.0g，Cu 28.5g，Zn 30g。

联合种植象草和长根菇，土壤耕作层重金属年清除率可达15％～17％。

实施例七

本例是在含镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)污染的土壤中种植象草，6～8个月后象草成熟后，轮种高大环柄菇(Macrolepiota procera)富集土壤中这3种重金属离子。按一般条件栽培，亩产象草鲜料约8000kg，鲜菇约3500kg。采收高大环柄菇与象草以3∶7投入沼气池进行厌氧微生物减量发酵处理。

修复工艺流程：象草种植→象草田间管理→象草采收→象草后处理→高大环柄菇培养料的配制、发酵与发菌→覆土出菇→采收成熟菇体→后续处理。

1.象草种植技术如实施例一。

2.高大环柄菇栽培工艺

配料建堆→发酵→播种发菌→覆土→调水出菇。高大环柄菇发菌期在30天左右，从播种到出菇需35天左右，属中高温菇类。

3.本例中，后续处理同实施例一。

本例中，高大环柄菇对Cd的平均富集量可达236.0mg/kg，对Pb富集量可达100.0mg/kg，Cu富集量可达281.0mg/kg。采用高大环柄菇1亩污染土壤进行修复，可富集Cd 118.0g，Pb 50.0g，Cu 140.5g。

联合种植象草和高大环柄菇，土壤耕作层重金属年清除率可达19％～25％。

Claims (9)

1.一种重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于在农田重金属污染土壤上采用轮作方式种植生物量大、对重金属具强富集能力、利于提高蕈菌产量的象草和对重金属具强富集能力、生物量大，易于后续处理的蕈菌来富集土壤中的重金属离子，分别收割成熟象草和蕈菌后，将两者以一定比例投放于沼气池，经发酵减量处理后(生物减量率70-90％)，沼液采用化学沉淀法去除重金属，沉淀与沼渣集中填埋。

2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述植物为富集能力强、生物量大、促进蕈菌生长的象草。

3.根据权利要求1或2所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于象草生长后，其土壤宿存根茎及根系分泌物对蕈菌菌丝和菇体的生长具促进作用，可提高蕈菌菇体产量。

4.根据权利要求1或3所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述蕈菌为双孢菇、金福菇、大球盖菇、高大环柄菇、鸡腿蘑、大孢蘑菇、长根菇。

5.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述重金属为环境污染方面所指的重金属，主要是指生物毒性显著的镉、铅、铬、汞以及具有毒性的重金属锌、铜、镍等。

6.根据权利要求1或2所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述蕈菌较象草的粗蛋白和非纤维多糖含量高，将象草与蕈菌以特定比例投入沼气池组合发酵，可提高生物减量率并提高沼气产量和产气稳定性。

7.根据权利要求1或6所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述富含重金属离子的蕈菌菇体和象草以特定比例投入沼气池发酵生物减量后，沼液经化学沉淀去除重金属，沉淀与沼渣集中填满。

8.根据权利要求1或7所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于所述化学沉淀方法是指重金属沼液中加入化学沉淀剂或螯合剂得到重金属离子化合物沉淀，去除沼液中的重金属。

9.根据权利要求1或8所述的重金属污染土壤的象草-蕈菌轮作联合修复技术，其特征在于重金属沉淀物和沼渣被集中填埋处理，避免二次污染。