CN101433905A - 一种利用观赏植物凤仙花修复石油污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机毒物污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用观赏植物凤仙花修复石油烃污染土壤的方法。凤仙花是一年生草本花卉，生物量高40~100cm，通过该植株的生长、发育、开花和结实过程，即在植株的整个生长阶段，由于该植物根系分泌物、根圈微生物和土壤酶的作用，从而使土壤中石油烃类污染物得以降解；通过反复种植该种植物，重复上述过程，就可以连续减少污染土壤中石油烃污染物，直至其污染物含量达到环境安全标准。该方法具有对环境破坏小，不需要处置现场，不破坏土壤的理化性质，无二次污染，费用低且适于大规模操作，在治理污染的同时美化环境等优点。

Description

一种利用观赏植物凤仙花修复石油污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及有机毒物污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用观赏植物凤仙花修复石油污染土壤的方法。

背景技术

土壤是生态系统的重要组成部分，也是人类赖以生存的环境资源之一。但是在过去的几十年里，人们使用有毒有害有机物的种类和数量不断增多，进入土壤环境中的有机污染物日益增加。土壤有机污染物不仅直接导致生活在其中的生物衰亡，而且通过土壤-植物系统经由食物链危及人类的健康和安全，还通过污染物的迁移引起地表水和地下水的污染，在多个层面上构成对人类生存环境的威胁，使人类暴露于更大的环境风险中[文献1：Fismes，J.；Perrin-Ganier，C.；Empereur-Bissonnet，P.Soil-to-RootTransfer and Translocation of Polycyclic Arometic Hydrocarbons by VegetablesGrown on Industrial Contaminated Soils.J.Environ.Qual.2002，31，1649-1656；文献2：周启星，孔繁翔，朱琳.生态毒理学.北京：科学出版社：2004，353-386；文献3：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-144]。因此修复土壤中的有毒有害有机污染物已经成为国内外土壤和环境科学界共同研究的热点领域之一[文献4：Chaudhry，Q.；Blom-zanddstra，M.；Gupta，S.；Erick J.Joner.Utilising theSynergy between Plants and Rhizosphere Miroorganisms to Enhance Breakdown ofOrganic Pollutants in the Enviroment.Environ.Sci.& Pollut.Res.12(1)34-48；文献5：Euliss K.Ho C H.Schwab A P.et al.2008.Greenhouse and field assessmentof phytoremediation for petroleum contaminants in a riparian zone.BioresourceTechnology，99：1961-1971；文献6：宋玉芳，许华夏，任丽萍.两种植物条件下土壤中矿物油和多环芳烃(PAHS)的生物修复研究.应用生态学报.2001，12(1)：108-112.]。在当今世界，石油作为能源的主要支柱影响着社会的方方面面。石油被人们称为“工业的血液”，现今全球每年石油产量约37亿吨左右[文献7：Table 11.1 World Primary EnergyProduction by Source，1970-2005.Energy Information Administration(EIA)，International Energy.]。石油在开采、运输和加工处理过程中，造成了大面积的污染，石油勘探、开采及储运过程中出现的含油泥浆、岩屑和落地原油，对油井周围较大面积的土壤产生了严重的污染。土壤中过量的石油烃导致土壤结构的破坏，分散土粒，影响土壤的通透性，同时被石油烃污染的土壤产生严重的疏水性，导致土壤不能正常吸湿和储存水分从而阻碍植物正常生长[文献8：Liste H H.Felgentreu D.2006.Crop growth，culturable bacteria，and degradation of petrol hydrocarbons(PHCs)in a long-termcontaminated field soil.Applied Soil Ecology，31：43-52.]；并且可能通过渗透作用污染地下水[文献9：N.Sawatsky，X.Li.Importance of soil-water relations inassessing the endpoint of bioremediated soils.Plant and Soil.1997，192：227-236.]。因此对石油污染土壤进行治理已经刻不容缓。

土壤石油污染的有效治理手段是学术界和工程界共同面对的一大难点，用以土壤石油污染修复的主要技术有物理化学方法和微生物修复技术。传统的物理化学方法费用高昂，易产生二次污染，不适合大规模应用；值得注意的是微生物修复技术中使用的细菌等微生物可能给土壤和地下水带来生物性污染，并且对于微生物难降解的有机污染物，根本无法使用微生物修复技术。可以预见，安全可靠、经济高效的新技术在有机污染土壤修复中将扮演越来越重要的角色[文献10：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-120]。作为一项新兴的环境修复技术，有机污染土壤的植物修复是指利用植物在生长过程中，吸收、降解、钝化有机污染物的一种原位处理污染土壤的方法[文献11：周启星，宋玉芳.2004.污染土壤修复原理与方法.北京：科学出版社]。与传统方法相比，有机污染土壤的植物修复方法主要优点有：对环境破坏小；不需要处置现场；具有处理不同种类危险物质的多功能性；费用低，适于大规模操作，一般远低于物理、化学和微生物修复技术；在美学上另人愉悦；公众接受度高[文献12：Macek T.et al.2000.BiotechnologyAdvances.18：23；文献13：Euliss K.Ho C H.Schwab A P.et al.2008.Greenhouseand field assessment of phytoremediation for petroleum contaminants in a riparianzone.Bioresource Technology，99：1961-1971；文献14：Schnoor J L.PhytoremediationTechnology Evalution Report，Prepared for Groundwater Remediation TechnologiesAnalysis Center.http://gwrtac.org.1997.；文献15：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-122.]，因而正逐渐成为石油烃污染修复研究的方向之一。

在植物提取修复技术的研究和实践中，筛选出能够高效降解土壤中过量石油烃的植物是开展工作的必要前提和基础。然而，迄今为止，国内外对能够降解土壤中过量石油烃的植物研究还比较少；我国在这方面的研究还处于起步阶段，而具有我国自主知识产权的用于修复石油烃污染物的植物就更少，加之在农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学方面的研究不完备，严重影响其在实际修复的应用[文献16：Ute K.Phytoremediation：novel approaches to cleaning up polluted soils.Current Opinion in Biotechnology，2005，16：133-141.]。因此，寻找更多更为理想的高效修复石油烃污染土壤的植物仍然是当前植物提取修复研究的一项重要任务。

观赏植物是人类利用历史悠久的一大植物类群，包含40万个以上的栽培品种，种质资源极其丰富，而我国是世界上拥有观赏植物种类最为丰富的国度之一[文献17：郭维明，毛龙生.观赏园艺概论[M].北京：中国农业出版社，2001.]。在观赏植物中筛选超富集植物并用于修复研究和实践具有以下优点：(1)观赏植物种质资源丰富，既有草本也有木本植物，为筛选工作奠定了坚实的基础；(2)能够在进行治理污染同时美化环境，一举两得；(3)观赏植物一般不会进入食物链，可减少对人体的危害；(4)很多观赏植物都有一定的经济价值，修复后植物材料可以作为原材料，以提高修复产出，降低修复成本；(5)人类在长期的农业生产中，积累了丰富的观赏植物栽培管理经验，使得观赏植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献18：刘家女，周启星，孙挺，等.花卉植物应用于污染土壤修复的可行性研究.应用生态学报，2006，18：1617-1623.]。因此，从观赏植物中筛选高效降解土壤石油烃植物并用于修复实践是完全可行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用高效修复植物凤仙花(Impatiens balsamina.)修复石油烃污染土壤的方法。

为实现上述目的，本发明的具体实施步骤如下：

(1)在石油污染土壤中掺入适量沙子增强透水性和透气性，预防土壤板结，利于植物根系进行有氧呼吸，使植物生命活动得到足够的能量并可增强凤仙花根际微生物的活性。

(2)选取饱满的凤仙花种子，将凤仙花种子用蒸馏水浸泡至种壳膨胀裂开后，点播于石油烃污染土壤中。

(3)在石油烃污染土壤中种植的凤仙花采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高。

(4)当凤仙花成熟后将其从土壤中移除，再种植第二茬凤仙花，重复上述操作，直至土壤中的石油烃污染物含量达到环境安全标准。

收获的凤仙花可以作为观赏花卉(商品)进行出售，在获得经济效益的同时，自动获得对生物量的处理(千家万户可以把使用过的花卉扔到各自的垃圾箱，随着垃圾的处理，就解决了生物量的处理)。因此，大规模栽培，意味着大规模修复，同时也意味着通过商品交换取得更大的经济效益。当然，如果不考虑成本，可以进行集中处理，或者卫生填埋，或者进行资源化加工处理，从而避免二次污染。

本发明所采用的凤仙花(Impatiens balsamina.)为一年生草本花卉，具有较好的观赏价值。其植物分类学特征如下：肉质，粗壮，直立。上部分枝，有柔毛或近于光滑。叶互生，阔或狭披针形，长达10厘米左右，顶端渐尖，边缘有锐齿，基部楔形；叶柄附近有几对腺体。其花形似蝴蝶，花色有粉红、大红、紫、白黄、洒金等，善变异。有的品种同一株上能开数种颜色的花朵。凤仙花多单瓣，重瓣的称凤球花。凤仙花的花期为6-8月，结蒴果，蒴果纺锤形，有白色茸毛，成熟时弹裂为5个旋卷的果瓣；种子多数，球形，黑色，状似桃形，成熟时外壳自行爆裂，将种子弹出，自播繁殖，故采种须及时。

凤仙花适应性强，耐旱耐瘠薄，移植易成活，生长迅速，养护管理粗放。生长季节每天应浇水一次，炎热的夏季每天应浇水2次。用种子繁殖，3-9月进行播种，以4月播种最为适宜，移栽不择时间。生长期在4-9月份，6月上、中旬即可开花，花期可保持两个多月。播种前，应将苗床浇透水，使其保持湿润，凤仙花的种子比较小，播下后不能立即浇水，以免把种子冲掉。再盖上约3-4毫米一层薄土，注意遮荫，约10天后可出苗。在固定种植凤仙花在外面以前，必须先在夜间实行坚苗。研究表明，凤仙花是一种高效修复植物，对土壤中的石油烃污染物具有很强的忍耐和降解能力。

本发明通过种植石油烃修复植物凤仙花来修复石油烃污染土壤。该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点；而且作为一种绿色原位修复技术，所收获植株进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因石油烃污染而引起的土壤退化和生产力下降等问题，恢复并提高其生物多样性。另外，作为一种观赏植物，种植凤仙花在修复环境污染的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的生态效益。

附图说明

图1为不同石油烃污染处理浓度对凤仙花生长速度的影响。

图2为经过127天后不同石油烃处理浓度对凤仙花根生长的影响。

图3为不同石油烃处理浓度下凤仙花的修复效果。

图4为不同石油烃处理浓度下石油烃各组分的降解率。

具体实施方式

实施例：对凤仙花的温室小区试验

本实验于2008年初进行。实验地点设在农业部天津农业环境保护研究所内，该研究所地处天津市南开区，属温带半湿润大陆性季风气候，年降水量在500~600mm左右。试验用原始石油污染土壤取自山东省东营市胜利油田，清洁土壤取自天津市西青区。原始石油污染土壤和清洁土壤分别过4mm筛后，将其按比例均匀混合，配置成不同的浓度梯度并在不同浓度梯度石油污染土壤中掺入适量沙子。实验共设5个处理，分别为：CK(清洁土壤)、石油烃污染物浓度依次为土壤A：0.5％(5,000mg/kg)、土壤B：1.0％(10,000mg/kg)、土壤C：2.0％(20,000mg/kg)、土壤D：4.0％(40,000mg/kg)，每个处理重复3次。设计每格长×宽×深为35cm×25cm×20cm的试验小区，播种前将苗床浇透水，使其保持湿润，将凤仙花种子用蒸馏水浸泡至种壳膨胀裂开并长出根后，种子之间保持适当距离点播于试验小区的土壤中，每个小区8颗。根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水，使土壤含水量常保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高。实验初期，由于土壤肥力低并为了不受石油污染土壤环境和条件的限制，选择调节型叶面肥，将肥料溶于水，形成肥料溶液后喷洒于植物叶片上，从而提高叶片光合作用强度、提高叶片呼吸效能和酶的活性，为花卉的生长提供全面营养，增强凤仙花修复石油污染土壤的能力。花卉生长期间利用竹片或小铁铲松动表土，竹片或小铁铲的角度应在45°位置左右，松土时不要伤到凤仙花的根，从而保证土壤中氧气充足，利于凤仙花和根际微生物生长繁殖。生长期每天浇水一次，炎热夏季7-8月份每天浇水2次，但不使试验小区积水，浇水采用根部浇水。

为了防止凤仙花白粉病的出现，影响凤仙花和根际微生物的修复效果，应当注意凤仙花栽植不过密，适当通风，并加强肥水管理，增强植株的抗病力。当出现凤仙花白粉病时可用15％粉锈宁可湿性粉剂1000~1200倍液，或70％甲基托布津可湿性粉剂1000倍液防治。在32℃以上的高温下避免喷药，以免发生药害。

植物生长127d后收获植株。将收获的植物样品分为地上部分和地下部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分。之后，在65℃下烘干至恒重。并分别对株高、根长、植物鲜重、植物干重进行测定。

实验结果如下：

1)不同处理浓度下凤仙花对石油烃污染的耐受性

参见表1可知，在不同污染物浓度处理下，凤仙花的生物量不同。当石油烃污染浓度为0.5％时，凤仙花对污染物显示出了较强的耐受性，植株生物量与清洁对照土壤中凤仙花相比差异不大。与清洁土壤中的各项生物指标相比，浓度为0.5％处理下石油烃污染物对株高、根长及植株鲜重的抑制率分别为4.65％，2.16％，6.68％。在此处理浓度下，石油烃污染物对生物量的影响均小于10％，凤仙花长势良好；在处理浓度为1％，2％，4％时，石油烃污染物对凤仙花植株株高的抑制率分别为12.51％，25.19％，48.97％；对凤仙花根的抑制率分别为15.09％，30.90％，49.24，均远超过10％，抑制作用显著；如图1所示当石油烃浓度>0.5％且土壤中石油烃浓度逐渐升高时，石油烃污染物对凤仙花的生长抑制作用明显加强。由此可见，凤仙花适合修复浓度为5,000mg/kg左右的中低浓度石油烃污染土壤。

表1 不同浓度石油烃污染土壤对凤仙花生物量的影响

2)不同处理浓度下总石油烃的降解率

如图2，PA、PB、PC、PD分别代表种植有凤仙花的石油烃浓度为5,000mg/kg、10,000mg/kg、20,000mg/kg、40,000mg/kg的土壤，CA、CB、CC、CD分别代表未种植凤仙花的石油烃浓度为5,000mg/kg、10,000mg/kg、20,000mg/kg、40,000mg/kg的土壤，小区修复试验结束后，种植凤仙花组的石油烃降解率是空白对照组的1.83~2.03倍，尽管土壤石油烃污染物的降低是土壤物理、化学和生物过程共同作用的结果，但在相同处理条件下的空白对照排除了挥发、淋滤和光解等的影响。土壤中石油烃污染物尽管存在着一定程度的降解，但是对比空白对照，凤仙花的修复效果显著。由于凤仙花的根系可以向土壤环境释放各种天然有机物或酶类，从而促进石油烃污染物在植物体外发生生物降解，凤仙花根系活动的参与使得根际环境的微生物生物降解作用增强，并通过凤仙花吸收后经体内代谢、留在植物组织内或挥发掉，进而显著提高土壤中石油烃污染物的去除率，从而有利于石油烃的降解和污染土壤的植物修复。

3)不同处理浓度下石油烃各组分的降解

图4显示，在凤仙花及其根际微生物的共同作用下石油烃降解的主要成分是饱和烃，饱和烃的降解率明显高于芳香烃、沥青质及极性物等非烃化合物的降解率，尤其是在低浓度5,000mg/kg石油污染的土壤中凤仙花修复效果显著。而未种植凤仙花的石油污染土壤在自然环境条件下沥青质和极性物等非烃化合物比较难降解。沥青质分子量很大，是高度缩合的稠环芳烃，周围连接有若干个环烷环，芳香环和环烷环上一般都带有几个长度不同的烷基侧链，分子中还含由含硫、含氮和含氧的杂原子基团等。沥青质经过降解后碎片中含有较多的芳香烃等烃类物质。在高浓度40,000mg/kg石油污染土壤中如图4，由于微生物的活性和凤仙花的生长受到较强抑制可能使得石油烃降解的中间产物不能被快速有效降解，从而导致石油污染土壤中芳香烃类的降解率出现负值。由此可见凤仙花适合于修复浓度为5,000mg/kg左右的石油污染土壤。

Claims (1)

1.一种利用观赏植物凤仙花修复石油污染土壤的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

(1)在石油污染土壤中掺入适量沙子增强透水性和透气性，预防土壤板结，利于植物根系进行有氧呼吸，使植物生命活动得到足够的能量并可增强凤仙花根际微生物的活性。

(2)选取饱满的凤仙花种子，将凤仙花种子用蒸馏水浸泡至种壳膨胀裂开后，点播于石油烃污染土壤中。

(3)在石油烃污染土壤中种植的凤仙花采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高。

(4)当凤仙花成熟后将其从土壤中移除，再种植第二茬凤仙花，重复上述操作，直至土壤中的石油烃污染物含量达到环境安全标准。

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