CN101486041A

CN101486041A - 一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法

Info

Publication number: CN101486041A
Application number: CNA2009100245864A
Authority: CN
Inventors: 郭红岩; 李佳华; 孙媛媛; 季荣; 王晓蓉
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-07-22

Abstract

本发明公开了一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法，属于环境保护中的土壤污染治理领域。其步骤为：(A)定期测量土壤中镉的含量，进行柳树的插种：(B)柳树插种两个月后加入由乳酸乙酯与乙二胺四乙酸组成的化学强化剂。上述步骤A中的柳树为苏柳无性系J1011，其种植密度为每土壤中镉的含量为6mg/kg时每平方米种植4～6株。采用本发明可以避免了植株矮小、生长速度慢、地上部生物量小等重金属镉污染植物修复的缺陷；且提高了单独用有机配体作为螯合萃取剂修复重金属的修复效率，修复成本较低；(3)乳酸酯的使用降低了合成螯合剂如EDTA的使用量，从而降低了植物提取修复土壤中重金属镉的环境风险。

Description

一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法

技术领域

本发明涉及环境保护中的土壤污染治理领域，更具体的说是用于重金属镉污染土壤的植物修复及其化学强化方法。

背景技术

土壤是人类生存与发展的重要自然资源和整个陆地生态系统赖以存在的基础，对于农业可持续发展和人类的生存都非常重要。随着现代化进程的推进，我国土壤污染的问题日益严重，其中每年因重金属污染土壤引起的粮食减产达上千万吨，对耕地资源可持续利用和粮食生产安全提出了严峻的挑战。土壤重金属污染的修复研究已成为国内外环境科学领域的热点课题之一。Cd是一种常见的重金属元素，在土壤中的活性较强，很容易被作物吸收而污染食物链，危及人类健康，因此，Cd的土壤污染修复研究更有现实意义。

Cd的土壤污染修复主要有工程措施、电动修复、土壤淋洗、化学固定、植物修复等。其中植物修复技术作为一种新兴的绿色生物技术，能在不破坏土壤生态环境，保持土壤结构和微生物活性的状况下，通过植物的作用从土壤中带走污染物，从而修复被污染的土壤。植物修复在环境友好性和经济性上都优于传统的物理或化学的方法，是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的方法，现已成为在环境领域的研究热点。

植物修复技术由于具有成本低、不破坏环境、保护人类健康和易为大众接受等优点而引起了人们极大的关注。但是，应用于修复的植物往往植株矮小、生长速度慢、地上部生物量小，成了实际应用中最大的限制。例如，周启星等(周启星，高拯民.沈阳张士灌区镉循环的分室模型与污染防治对策研究.环境科学学报，1995，15：273-280)估算，在张士灌区II闸和III闸地段，若用野生苋来净化土壤，使Cd含量降低到背景值(<0.2mg/kg)水平，需要的时间分别为4.11和1.43万年，这显然不实际。因此，利用柳树等高大植株对被污染的环境进行植物修复的研究工作应运而生，近年来发展迅速，也越来越受到重视。研究者在瑞典发现的蒿柳(S.viminalis)和毛枝柳(S.dasyclados)某些无性系的枝条对cd有较好的富集作用。由于这些无性系生物量大(枝条年产量最高达35t/hm²)，每年从土壤中吸收的镉最高可达210g/hm²(按6mg kg^-1计算)，显示了巨大的镉修复潜力(Maria Greger，Tommy Landberg.Use of willow in phytoremediation[J].International Journal of Phytoremediation，1999，1(2)：115-123)。

目前植物修复研究最为活跃的主要是螯合诱导的植物提取技术，通常所说的植物修复也指此技术。大量研究和实践表明，螯合剂能大幅度增加植物对重金属的吸收和富集，提高植物修复效率，甚至使得常规植物都可能用于植物修复中。但合成螯合剂容易残留在环境中，可能导致处理场所的重金属向周围和地下水迁移，造成二次污染。Wu(Wuet al.，2004)等研究发现添加乙二胺四乙酸(EDTA)极大地提高了土壤水溶性Cu、Zn、Pb、Cd，并使植物地上部重金属含量增加，但通过淋滤实验指出EDTA用于强化植物修复存在污染地下水的风险。因此选择合适的环境较友好的螯合萃取剂或者降低合成螯合剂如EDTA的使用量对于该方法的推广应用显得尤为迫切和重要。相关专利(修复重金属铜污染土壤的淋洗剂及方法，公开号CN200810019400)已提出了使用乙二胺二琥珀酸(EDDS)和乳酸乙酯来修复土壤重金属铜污染的方法，但只限于土壤的淋洗修复，未涉及螯合诱导的植物提取修复。而且目前EDDS试剂生产成本较高，因此大量使用EDDS用于土壤修复不太现实。

发明内容

1、本发明要解决的技术问题

本发明提供一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法，通过本发明可以实现低成本、高效、较安全的土壤修复，可实际应用于重金属镉污染场地土壤的修复。

2、技术方案

一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法，其步骤为：

(A)定期测量土壤中镉的含量，进行柳树的插种：

(B)柳树插种两个月后加入由乳酸乙酯与乙二胺四乙酸组成的化学强化剂。

上述步骤A中的柳树为苏柳无性系J10ll，其种植密度为每土壤中镉的含量为6mg/kg时每平方米种植4～6株。

步骤B中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的总加入量与Cd的物质的量比为2:1，两者都以纯物质的水溶液加入。

步骤B中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的物质的量比为4：3～7。

3、有益效果

本发明提供了一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法，相对于现有技术，具有以下的有益效果：(1)避免了植株矮小、生长速度慢、地上部生物量小等重金属镉污染植物修复的缺陷；(2)乳酸酯来源广，获取易，且提高了单独用有机配体作为螯合萃取剂修复重金属的修复效率，修复成本较低；(3)乳酸酯为可生物降解物质，它的使用降低了合成螯合剂如EDTA的使用量，从而降低了植物提取修复土壤中重金属镉的环境风险。

附图说明

图1是苏柳J101l培养时不同浓度Cd²⁺水溶液中Cd²⁺浓度随时间的变化；

图2是不同浓度Cd²⁺溶液暴露后苏柳J1011茎和叶中Cd的含量；

图3是苏柳J1011培养时不同比例添加物处理下Cd2+浓度减少量随时间的变化；

图4是不同比例添加物处理对苏柳J1011根、茎和叶中Cd含量的影响

图5是不同处理下土壤中Cd浓度随时间的变化

图6是不同处理下苏柳J1011叶(a)和茎(b)中Cd含量随时间的变化

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明

实施例1：

选用苏柳无性系J10ll(Salix×jiangsuensis CL.1011，简称苏柳J1011)，在苗圃中从苗基部剪取1年生苗，带回实验室后插入培养液中备用。试验插条规格长15cm、直径约2cm。以1/2 Hoagland营养液作为营养，以Cd(NO₃)₂溶液为母液，Cd浓度设置如下：0，6，9，20和23mg/L共5个处理，试验共进行15天，分别在1、2、3、4、5、9、13、15天分别采集水样测定，15天后采植物样测定叶和茎中Cd含量。在苏柳J1011培养时不同浓度Cd²⁺水溶液中Cd²⁺浓度随时间的变化以及不同浓度Cd²⁺溶液暴露后苏柳J1011茎和叶中Cd的含量分别参见图1和图2。由图1可知，水中Cd²⁺浓度随时间的延长而减小。几种浓度下单位时间内水溶液中Cd²⁺浓度降低最多时间点除6mg L^-1试验组在第4天外，其余均为第5天。此后水中Cd的浓度继续降低，但单位时间减少量却也有所下降。试验周期内随着Cd²⁺浓度的增加，浓度减少总量也最大。这从图2中随着Cd²⁺浓度的增加，萌条茎和叶的含镉量显著增加也可以证实。在本试验Cd²⁺浓度范围内，萌条茎和叶的含镉量最高达73.7和90.3mg kg^-1(干重)，萌条茎和叶的富集系数基本维持在3～4左右，表明苏柳J1011的茎和叶对Cd²⁺的的富集能力较强而且比较稳定，并不因污染的加重而减弱。苏柳J1011在约6mg kg^-1(干重)Cd污染土壤中插种三个月后，茎和叶能富集6mg kg^-1(干重)的Cd，说明苏柳J1011对Cd的富集速率比较快。由于这些无性系生物量大(枝条年产量最高达35t/hm²)，每年从土壤中吸收的镉最高可达210g/hm²(按6mg kg^-1计算)，显示了巨大的镉修复潜力。

实施例2：

不同EDTA与乳酸乙酯加入比例对Cd在苏柳无性系J10ll中富集效果的影响

选用苏柳无性系J10ll(Salix×jiangsuensis CL.1011，简称苏柳J1011)，在苗圃中从苗基部剪取1年生苗，带回实验室后插入培养液中备用。试验插条规格长15cm、直径约2cm。以1/2Hoagland营养液作为营养，以Cd(NO₃)₂溶液为母液，Cd的质量浓度设置为5mg/L，EDTA与乳酸乙酯总加入量与Cd的摩尔比为2:1，EDTA与乳酸乙酯加入比例设置为22:0、22:5、17:5、14:5、14:8和11:11(总量以22计)，分别记为T4L1、T4L2、T3L2、T2L2、T2L3和T1L4。以上每个处理设重复3个，每个重复设插条4根。试验用1500mL的塑料容器，1个重复用1个容器。在容器中加入处理液1200mL。试验在温室中进行，维持室温在30℃以下。试验中EDTA与乳酸乙酯在培养第5天后加入，分别在第8天和第11天采水样，11天后采样测定叶，茎和根中Cd含量。苏柳J1011培养时不同比例添加物处理下Cd²⁺浓度减少量随时间变化以及处理后苏柳J1011根、茎和叶中Cd含量分别如图3和图4所示。从图3可以看出，六个处理五天内(0-5day)对溶液中Cd²⁺浓度的降低作用基本一致，说明这六个处理可作为平行来进行后续试验。加入不同比例添加物三天后，Cd²⁺浓度开始下降较快(5-8day)，但随着暴露时间延长除T2L2处理外下降的速度开始降低(8-11day)。在六个处理中，T2L3和T1L4在处理6天内都能显著降低水溶液中Cd²⁺的浓度，T2L3与T2L2相比因为乳酸乙酯的加入量变大而导致的浓度减少量显著增大。图4给出的结果表明：Cd²⁺浓度的减少是由于苏柳J1011的富集引起的。不同处理后苏柳J1011根、茎和叶中Cd含量的增加与水溶液中Cd²⁺浓度的降低存在着较好的对应关系。T2L3和T1L4处理对苏柳J1011根、茎和叶中Cd含量的影响最为明显，说明了在有机配体(如EDTA)存在条件下，随着乳酸乙酯加入比例的增加，Cd²⁺的生物可利用性有明显的增加。而比较不同部位Cd含量可知：水培条件下苏柳J1011的根对Cd的富集浓度要远远大于茎和叶。

不同比例EDTA-乳酸乙酯处理对苏柳J10ll富集Cd的影响室内试验以及野外修复实际效果试验都表明在有配体存在的条件下随着乳酸乙酯加入比例的增加，Cd²⁺的生物可利用性会有明显的增加。结果预示：在有EDTA存在条件下同量(摩尔)生物可降解的乳酸乙酯的加入，能起到同样甚至更好的促进配合的效果，这样就可以降低生物较难降解的EDTA的使用量，这对于降低EDTA大量使用所导致的潜在风险有着非常积极的意义。

实施例3：

重金属镉污染土壤的原位植物修复及其新型化学强化修复效果

修复试验点位于南京市江宁区某镇。试验时先挖出200m²的长方形地块中的土壤，建好试验池并做好下渗水的收集系统，接着将土回填，在回填到表层土时进行分层回填，分层均匀撒上Cd的水溶液，充分混匀后平整土地，将表层大块土粒打细。然后用PVC隔板隔为若干1×1m²的正方形小区，隔板埋深25cm。每3个相邻的小区为1组平行。插种植物为苏柳J1011，插种时间为污染处理3天后。处理组有：土壤对照组，植物对照组，EDTA处理植物组(EDTA与Cd加入量的摩尔比为1:1，土层厚度按20cm计算)，EDTA与乳酸乙酯处理植物组(总加入量与EDTA处理组一致，EDTA与乳酸乙酯加入比例为14:8)，各处理分别记为CK、P、T3L0-P和T2L1-P。处理时间为污染三个月后，并在处理15天、30天以及45天分别采表层土壤和植物样品(含叶和茎部)，试验期间按照当地习惯进行田间管理。本实施方式确立的修复组合为苏柳无性系J10ll(Salix×jiangsuensis CL.1011)的栽种，根据土壤中镉的含量约为6mg/kg考虑种植密度为5株每平方米。

图5给出了不同处理对土壤中Cd污染的修复效果，从图中可以看出，处理前苏柳J1011插种三个月后表层土壤中Cd浓度降低了0.67～1.25mg kg^-1(干重)，这说明苏柳J1011对镉具有的较强吸收积累能力有利于其对Cd污染土壤的修复。进行几种处理后，T3L0-P和T2L1-P均能显著降低表层土壤中Cd浓度。而苏柳J1011植物对照组(P组)没有在试验45天内进一步降低土壤中Cd浓度。从图6(a)和(b)中苏柳J1011叶和茎Cd含量随时间的变化可知：EDTA与乳酸乙酯的加入使得Cd²⁺的生物可利用性有显著的增加，特别是乳酸乙酯加入比例的增加更有利于苏柳J1011茎和叶中Cd含量的增加。水培试验中的结果也从野外修复试验得到了进一步的验证。其中在约6mg kg^-1(干重)Cd污染土壤中，苏柳J1011茎和叶在插种三个月后能富集6mg kg^-1(干重)的Cd，说明苏柳J1011对Cd的富集速率比较快。室内水培实验得出的EDTA和乳酸乙酯的较佳比例14：8即7：4应用于野外修复是可行有效的。野外修复实际效果试验表明在有配体存在条件下随着生物可降解的乳酸乙酯加入比例的增加，Cd²⁺生物可利用性会有明显增加。这对于降低生物较难降解的EDTA大量使用所导致的潜在风险有着非常积极的意义。

实施例4：

其基本步骤同实施例3，土壤中镉的含量为12mg/kg，只是苏柳J1011植密度为每平方米种植12株，乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的总加入量与Cd的物质的量比为1:1，两者都以纯物质的水溶液加入，其中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的物质的量比为1：1。其处理效果虽与实施例3不尽相同，但也能在60天后达到10％以上。

实施例5：

其基本步骤同实施例3，土壤中镉的含量为1mg/kg，只是苏柳J1011植密度为每平方米种植1株，乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的总加入量与Cd的物质的量比为3:1，两者都以纯物质的水溶液加入，其中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的物质的量比为1：3。其处理效果虽与实施例3不尽相同，但也能在60天后达到20％以上。

Claims

1.一种受重金属镉污染土壤的植物修复方法，其步骤为：

(A)定期测量土壤中镉的含量，进行柳树的插种：

2.根据权利要求1所述的受重金属镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于步骤A中的柳树为苏柳无性系J10II，其种植密度为土壤中镉的含量为每6mg/kg时每平方米种植4～6株(种植密度为1棵/每mg/kg镉)。

3.根据权利要求1或2所述的受重金属镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于步骤B中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的总加入量与Cd的物质的量比为1～3:1，两者都以纯物质的水溶液加入。

4.根据权利要求3所述的受重金属镉污染土壤的植物修复方法，其特征在于步骤B中乳酸乙酯与乙二胺四乙酸的物质的量比为1:1～3。