CN101433906B - 一种利用观赏植物牵牛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牵牛花修复石油污染土壤的方法。本发明的技术方案为：在石油污染土壤中掺入适量沙子；将牵牛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；在石油烃污染土壤中种植的牵牛花采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70~80％。与传统的石油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，恢复并提高其生物多样性。

Description

一种利用观赏植物牵牛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牵牛花修复石油污染土壤的方法。

背景技术

上个世纪以来的快速的工业经济的发展导致了大量的人工化学品被释放到自然环境中。其中，石油作为人类主要的能源之一，在其开采、储运、以及加工过程中不可避免的对周围环境造成了大量的污染[文献1：Karen E.Gerhardt，Xiao-Dong Huang，Bernard R.Glick et al，2008.Phytoremediation and rhizoremediation of organicsoil contaminants：Potential and challenges.Plant Science，176(2009)20-30.文献2：Paul M.White，JR.，Duane C.Wolf，Gregory J.Thoma et al，2005.Phytoremediation of Alkylated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons In a CrudeOil-Contaminated Soil.Water，Air，and Soil Pollution(2006)169：207-220.]。土壤作为主要的环境介质成为石油类污染物的最大受体，各种有毒物质进入土壤不仅对农作物产量以及品质有不利影响，而且还能通过食物链对人类健康构成重大威胁，并通过物质迁移对大气，水等其他环境要素产生不利影响[文献3：周启星，孔繁翔，朱琳.2004.生态毒理学.北京：科学出版社：353-386]。石油类物质含有多种环境毒性物质，尤其是其中的多环芳烃类被认为具有很强的致癌性，并且由于其分子结构相当稳定很难被降解，对周围环境造成很大威胁[文献4：Heidi K.Bojes，Peter G.Pope，2007.Characterization of EPA’s  16priority pollutant polycyclic aromatichydrocarbons(PAHs)in tank bottom solids and associated contaminated soils atoil exploration and production sites in Texas.Regulatory Toxicology andPharmacology 47(2007)288-295.]。石油污染土壤不仅不适于农业、工业以及娱乐用途，而且污染地表地下水，威胁饮用水安全，造成很大的生态威胁和经济损失[文献5：Wang Jing，Zhang Zhongzhi，Su Youming et al，2008.Phytoremediation of petroleumpolluted soil.Pet.Sci.(2008)5：167-171.文献6：I.Issoufi，R.L.Rhykerd，K.D.Smiciklas，2005.Seedling Growth of Agronomic Crops in Crude Oil ContaminatedSoil.J.Agronomy & Crop Science 192，310-317(2006).]，特别在我国，随着石油开采工业的迅速发展，油田开发及作业过程使得大量落地原油、钻井废水和泥浆进入到周围的土壤环境中，同时废弃泥浆直接埋藏地下更使得油类和一些化学添加剂等污染物直接进入到土壤中，从而对油田地区的土壤造成严重污染。也就是说，随着我国石油开采、炼制、储存的产量和使用的数量逐年增加，不可避免地在生产、运输、储存和使用过程中产生大量的油品泄漏。与此同时，油泥的数量也在逐渐增加。这些都严重威胁了油田区及其周围环境的生态安全和人体健康，亟待修复和治理。

现有的修复方法包括物理修复，化学修复和生物修复等，传统的物理化学修复有一大弊端，那就是具有副效应且成本太高，使应用范围受到限制，目前，对于有机污染土壤通常采用生物修复的方法予以治理和“末端”解决，有关研究与实践已取得了较大进展。然而，值得注意的是，生物修复则会导致细菌等微生物对土壤及地下水的生物性污染。因此，许多学者近来纷纷研究利用植物修复有机污染土壤，并取得了一定的进展。有机污染物的植物修复一般来说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7：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]。石油污染土壤的植物修复技术以其环境友好性，经济节约性，无二次污染，不破坏土壤结构及其理化性质，自然美观等特点正逐步取代传统方法成为今后石油污染土壤修复领域的研究热点[文献8：Marja R.T.Palmroth，Perttu E.P.Koskinen，JohnPichtel et al，2006.Field-Scale Assessment of Phytotreatment of Soil Contaminatedwith Weathered Hydrocarbons and Heavy Metals.J Soils Sediments 6(3)128-136(2006).]。

在植物提取修复技术的研究和实践中，筛选出能够有效降解土壤中石油烃污染物的植物是开展工作的必要前提和基础。然而，迄今为止，在国内外已有研究中，能够降解石油烃污染物的植物种类很少。而我国关于石油烃污染土壤的修复植物研究还在起步阶段，具有我国自主知识产权的用于修复石油烃污染物的植物还几乎没有，加之在其农艺性状、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9：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修复植物仍然是当前植物降解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12：郭维明，毛龙生.观赏园艺概论[M].北京：中国农业出版社，2001]。在观赏植物中筛选高效修复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的同时美化环境，一举两得；(3)观赏性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，积累了丰富的品种选育、花卉栽培以及病虫害防治等经验，使得观赏植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献13：刘家女，周启星，孙挺，等.2006.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，18：1617-1623]。因此，从观赏植物中筛选高效降解修复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牵牛花(Pharbitis nil(Linn.)Choisy)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，以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牵牛花根际微生物的活性。

(2)将牵牛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牵牛花采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70~80％。

(4)当牵牛花成熟后将其从土壤中移除，再种植第二茬牵牛花，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。

收获的牵牛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。

本实验采用的牵牛花(Pharbitis nil(Linn.)Choisy)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：旋花科牵牛属植物，一年生缠绕草本，茎上被倒向的短柔毛及杂有倒向或开展的长硬毛。叶宽卵形或近圆形，深或浅的3裂，偶5裂，长4-15cm，宽4.5-14cm，基部圆，心形，中裂片长圆形或卵圆形，渐尖或骤尖，侧裂片较短，三角形，裂口锐或圆，叶面或疏或密被微硬的柔毛；叶柄长2-15cm，毛被同茎。花腋生，单一或通常2朵着生于花序梗顶，花序梗长短不一，长1.5-18.5cm，通常短于叶柄，有时较长，毛被同茎；苞片线形或叶状，被开展的微硬毛；花梗长2-7mm；小苞片线形；萼片近等长，长2-2.5cm，披针状线形，内面2片稍狭，外面被开展的刚毛，基部更密，有时也杂有短柔毛；花冠漏斗状，长5-8cm，蓝紫色或紫红色，花冠管色淡；雄蕊及花柱内藏；雄蕊不等长；花丝基部被柔毛；子房无毛，柱头头状。蒴果近球形，直径0.8-1.3cm，3瓣裂。种子卵状三棱形，长约6mm，黄褐色或米黄色，被褐色短绒毛[文献14：吴征镒等，中国植物志64(1)卷103-104页，科学出版社]。

牵牛花子发芽温度为20～30℃，一般在四月末五月初播种，湿度适中时大约10天左右萌发。大约再过10天左右，子叶完全张开。牵牛花生性强健，喜气候温和、光照充足、通风适度，对土壤适应性强，较耐干旱盐碱、不怕高温酷暑、属深根性植物，地栽土壤宜深厚，最好直播或尽早移苗。大苗不耐移植。研究表明，牵牛花是一种高效有机污染修复植物，对土壤中石油烃污染物有较强的耐受性和较高的降解率。

本发明通过种植高效石油烃修复植物牵牛花来修复石油烃污染土壤。该方法与传统的石油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，恢复并提高其生物多样性。另外，作为一种观赏植物，牵牛花在修复环境污染的同时，还可以起到美化环境的作用，具有良好的生态效益。

附图说明

图一：不同总石油烃浓度下牵牛花的修复效果

图二：不同总石油烃浓度下牵牛花对石油烃各组分的降解

图三：不同总石油烃浓度下石油烃各组分的自然降解

具体实施方式

实施例：牵牛花修复石油污染土壤小区试验

试验在2008年进行(2008.4.27-2008.7.27)共计127天，试验地点选在农业部天津农业环境保护研究所内，该站地处天津市南开区，属暖温带半湿润大陆性气候。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。两种土壤经自然风干后过4mm筛然后按比例配置成所需浓度。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。

牵牛花种子经25℃水培膨胀出芽后点播于试验小区内(每个处理8颗)，定期浇水，保证土壤含水率经常保持在田间持水量的70％-80％。所用水为自然曝气24小时的自来水。播种之前，用小铲子先松土，将苗床浇透水，使其保持湿润。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，每个处理添加20g固态花肥作为底肥，10天适时施加一次稀液态肥。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，松土时不要伤到牵牛花的根，从而保证土壤中氧气充足，利于牵牛花和根际微生物生长繁殖。

试验前后分别测定土壤中总石油烃含量、石油烃各组分含量，植物连根一起收获，然后于自来水下小心冲洗以去除附着的泥土及其他污物。然后再用去离子水冲洗，沥去水分。分别测定各个植物根长。由于试验小区设在温室内，注意保持室内通风，当植株长到适当长度后每个处理小区内增插一根1m长的木棍，以利于牵牛的伸蔓生长。注意病虫害的防治，及时拔除染病植株，并喷洒1％波尔多液。

具体试验结果如下：

1.不同处理浓度下牵牛花对石油烃污染物的耐受性

由表1可知，在低石油烃浓度下牵牛花根长与清洁对照相比没有明显变化，在浓度为0.5％和1％的土壤中根长相对于清洁土壤只分别减少了1.85％和3.51％，说明在较低石油污染浓度下，牵牛花有较好的耐受性。但是在高浓度土壤中牵牛花根长明显被抑制，在浓度为4％土壤中，牵牛根长较清洁土壤中减少了20.48％，减少量分别是低浓度土壤(0.5％，1％)的11倍和6倍，说明在高浓度石油污染土壤中牵牛花的生长被明显抑制。因此本实验推荐的牵牛花修复浓度为≤10,000mg/kg。

表1不同浓度石油烃污染土壤对牵牛根长的影响

2.不同处理浓度下总石油烃的降解

由图1可知虽然在自然条件下各浓度污染土壤均有一定的降解，但是牵牛花种植对石油烃的降解有显著的促进作用，降解率达到自然降解的1.9~2.7倍。随着石油浓度的升高，石油烃降解率虽然有所降低，但是种植牵牛和自然降解之间石油烃降解率的倍数关系却没有相应降低，反而略有升高。相同处理条件下的空白对照排除了挥发、淋滤和光解等自然因素的影响，牵牛花的根系的存在能提高土壤的持水能力提高土壤通透性，促进土壤微生物的繁殖，增进土壤肥力，加速石油烃的降解。

3.不同处理浓度下石油烃各组分的降解

由图2图3可知石油烃各组分中，不管是在种植牵牛或是没有种植牵牛的自然对照中饱和烃是降解得最多的一种组分，说明石油污染土壤中，饱和烃是比较容易被降解的，而芳香烃，沥青质及极性物质则是比较难降解的，这与之前的一些研究的结果是相符的，造成这种差别的原因主要是这几种物质之间分子结构的差异导致其水溶性以及生物可利用性之间产生了差别。

Claims (1)

1.一种利用观赏植物牵牛花修复石油污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在石油污染土壤中掺入适量沙子；

(2)将牵牛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牵牛花采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的70~80％；

(4)当牵牛花成熟后将其从土壤中移除，再种植第二茬牵牛花，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。

Images