CN101497078B

CN101497078B - 一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法

Info

Publication number: CN101497078B
Application number: CN200810010350.0A
Authority: CN
Inventors: 刘家女; 周启星; 任丽萍
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2008-02-03
Filing date: 2008-02-03
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2028-02-03
Also published as: CN101497078A

Abstract

本发明涉及化学法强化植物修复技术，具体地说是一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法。具体为在每千克受镉污染土壤中施加0.5-2mmol螯合剂，而后种植金盏菊，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的，其中螯合剂为乙二醇双四乙酸。采用本发明积累重金属镉的方法不但能够促进金盏菊的生长，而且提高了地上部积累Cd的浓度，从而金盏菊地上部积累Cd的总量也显著增加，有效地强化了金盏菊修复Cd污染土壤的效率，在治理Cd污染土壤的同时又美化了环境。

Description

一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法

技术领域

本发明涉及化学法强化植物修复技术，具体地说是一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法。

背景技术

施用螯合剂或配位基诱导或强化植物超积累作用被称为螯合诱导修复技术，这种技术已被应用于金属污染土壤的植物修复或植物采矿中[文献1：WuJ，HsuFC，CunninghamSD.1999.Chelate-assistedPbphytoextraction：Pbavailability，uptake，andtranslocationconstraints.EnvironmentalScienceandTechnology，33：1898-1904；文献2：R_mkensP，BouwmanL，JapengaJ，etal.2002.Potentialsanddrawbacksofchelate-enhancedphytoremediationofsoils.EnvironmentalPollution，116：109121；文献3：SatosFS，Hernndez-AllicaJ，BecerrilJM，etal.2006.Chelate-inducedphytoremediationofmetalpollutedsoilswithBrachiariadecumbens.Chemosphere，65：43-50]。螯合剂能够打破重金属-螯合剂复合体的吸持强度，使平衡关系向着利于重金属解吸的方向发展，从而在达到平衡之前，大量重金属进入土壤溶液，合成螯合物或有机酸能够促进重金属的吸收，增加了植物修复效率。污染土壤中重金属形态可能存在水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态等6种。大多数植物可吸收的重金属包括土壤溶液中的水溶态、弱交换态及小部分碳酸盐态，而大部分与土壤固相牢固结合的重金属则很难被吸收。螯合诱导技术的基本原理是扰动污染物在土壤液相浓度和固相浓度之间的平衡[文献4：骆永明.2000.强化植物修复的螯合诱导技术及其环境风险.土壤，(2)：57-61¹。螯合作用具体是指，将一种配位基(L^m-)加入土壤体系，因与配位基的螯合作用(按1∶1螯合反应)游离金属离子(Mⁿ⁺)的活度低：由于离子价数的减少或符号的变化，土壤对金属-配位复合体的吸持强度大大降低，为维持游离金属(Mⁿ⁺)在溶液和固体颗粒之间的平衡关系，金属从土壤颗粒表面解吸。这种螯合反应的形成常数(亦称为稳定性常数)可定为：K_f＝{M_L ^n-m}/{Mⁿ⁺}{L^m-}，式中为该金属、配位基和金属-配位体在溶液中的摩尔浓度。一般而言，某种螯合剂与重金属离子形成的螯合物的稳定常数越大，该种螯合剂活化对应重金属的能力越强，土壤溶液中这种重金属浓度也就越高，对于Cd，Cu，Pb，Zn而言，DTPA＞EDTA＞HEDTA＞NTA；对同一配位基来说，通常是Cu＞Pb＞Zn＞Cd。可见，运用螯合诱导技术强化植物提取修复的成功与否与螯合剂类型的选择密切相关。

常用的螯合剂大致可分为合成螯合剂和天然螯合剂。合成螯合剂包括：乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、羟乙基替乙二胺(HEDTA)、乙二醇双四乙酸(EGTA)、乙二胺二乙酸(EDDHA)、氨基三乙酸(NTA)和环己烷二胺四乙酸(CDTA)等。天然螯合剂包括：柠檬酸、丙二酸、组氨酸、苹果酸、乙酸以及其他类型天然有机物质。螯合剂诱导植物修复的效应已被大量实践所证实，其中，已有的试验结果显示，DTPA和EDTA在增加植物吸收Pb量方面最有效[文献5：GrcmanH，Velikonja-BoltaS，VodnikD，etal.2001.EDTAenhancedheavymetalphytoextraction：metalaccumulation，leachingandtoxicity.PlantandSoil，235：105-114]，而EGTA则对Cd最有效[文献6：BlaylockMJ，SaltDE，DushenkovS，etal.1997.EnhancedaccumulationofPbinIndianmustardbysoil-appliedchelatingagents.EnvironmentalScienceandTechnology，31：860-865]。施加螯合剂不但提高了某些植物对重金属的吸收，更重要的是促进了重金属在地上部分的富集，这对植物修复是非常重要的，因为植物修复主要是通过收割地上部分来完成的。螯合剂的主要作用体现在：(1)增加土壤中重金属的溶解度；(2)提高了重金属根际扩散能力；(3)促进重金属自根系向地上部转运[文献7：McGrathSP，ZhaoFJ，LombiE.2001.Plantandrhizosphereprocessesinvolvedinphytoremediationofmetal-contaminatedsoils.Plantandsoil，232：207-214]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

在每千克受镉污染土壤中施加0.5-2.0mmol螯合剂，而后种植金盏菊，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的，其中螯合剂为乙二醇双四乙酸(EGTA)。

所述乙二醇双四乙酸以固体形式和镉一起施加到土壤中。所述在镉污染土壤中种植金盏菊是采用室外栽培，将幼苗期的金盏菊移植到含有乙二醇双四乙酸和镉的污染土壤中，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。在镉污染土壤上种植金盏菊后，金盏菊从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当金盏菊生长至成熟期时，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬金盏菊，重复上述操作，使土壤中过量镉积累到金盏菊，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

本发明所具有的优点：

采用本发明积累重金属镉的方法不但能够促进金盏菊的生长，使地上部生物量明显增加，而且提高了地上部积累Cd的浓度，从而金盏菊地上部积累Cd的总量也显著增加，有效地强化了金盏菊修复Cd污染土壤的效率。本发明为原位修复污染土壤技术，不破坏场地，对土壤的扰动小，耗资较少，技术操作比较简单，容易在大范围内实施。金盏菊花朵鲜黄，叶片翠绿，十分醒目，可摆放在公园、车站等公共场所，在阳光的照射下金光闪闪，能够在治理Cd污染土壤的同时美化环境，易于为社会接受。

具体实施方式

实施例：对金盏菊的盆栽实验

实验设计与实验条件：

实验设计30mgkg^-1Cd污染土壤(土壤1)和100mgkg^-1Cd污染土壤(土壤2)，二者分别设有Cd单一处理和Cd+EGTA复合处理，即：土壤1：30mgkg^-1Cd和30mgkg^-1Cd+1.0mmolkg^-1EGTA；土壤2：100mgkg^-1Cd和100mgkg^-1Cd+1.0mmolkg^-1EGTA；其中，实验投加的Cd形态为CdCl₂·2.5H₂O，为分析纯试剂。实验用土壤采自中国科学院沈阳生态站(地理位置为东经123°41′、北纬41°31′)休耕地(为无污染区)表土(0～20cm)，土壤类型为草甸棕壤，土壤理化性质为pH值6.59，有机质1.19％，总氮0.85gkg^-1，有效磷8.96mgkg^-1，有效钾95.21mgkg^-1。

2006年4月，将供试土壤风干并过4.0mm筛后，按照浓度设计与相应量的试剂混合，装入塑料盆(Φ＝20cm，H＝15cm)中，每盆2.5kg，平衡一个月待用。同时，进行花卉的育苗，具体方法为：将花卉种子置于预装沙土的育苗盒中，沙/土1∶3，待幼苗长出5～6片叶子后移栽到上述处理土中。选择生长一致的幼苗分别移栽入各处理的盆中。根据植株大小，每盆各栽3棵苗，各重复间栽入的苗数一致。

盆栽实验地点设在中国科学院沈阳生态所露天网室内，该场地在沈阳市中心，海拔约50m，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区，属温带半湿润大陆性气候。根据盆中土壤水份情况，不定期浇自来水(水中未检测出Cd)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的75～85％。植物在Cd污染土壤中生长4个月后收获植株。

样品分析和数据分析：

将收获的植物样分成根、茎、叶和籽实4部分，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，于105℃下杀青20min，然后在70℃下烘至恒重。烘干后的植物样品粉碎备用。土壤样品风干后过100目筛备用。植物及土壤样品均采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积比为1∶3)。原子吸收分光光度计法测定植物及土壤样中的重金属含量，原子吸收分光光度计为日立180-80型，其Cd的波长为228.8nm。所得数据采用ExcelXP及DPS进行处理，所列结果为平均值±标准偏差。

实验结果：

在整个生长过程中，尽管土壤中的重金属Cd浓度达到了100mgkg^-1，金盏菊没有表现出任何的受毒害症状，说明金盏菊对Cd具有很强的耐性。尤其是，EGTA的加入使金盏菊的地上部干重与Cd单一处理时相比有所增加，如表1所示，对于Cd浓度较低和较高的土壤1和土壤2，地上部干重分别增加48.1％和15.7％。可见，无论对于较低还是较高浓度的Cd污染土壤，螯合剂EGTA的使用可促进花卉植物金盏菊的生长。

表1各处理条件下金盏菊的地上部干重/g盆^-1

处理	土壤1	土壤2
			CdCd+EGTA	8.76±0.7812.97±1.56	7.21±0.698.34±0.87

如表2所示，EGTA的加入使金盏菊的地上部Cd浓度与Cd单一处理时相比增加，尤其对于土壤2，复合处理的地上部Cd浓度是单一处理的2.96倍。可见，无论对于较低还是较高浓度的Cd污染土壤，螯合剂EGTA的使用对于提高花卉植物金盏菊体内的重金属Cd浓度也是有效的。

将对重金属有耐性的花卉植物用于植物修复的最终目的是希望其在美化环境的同时，在收获时其地上部能够积累尽可能多的重金属，因为地上部是较容易收获和处理的部位，因此，考察植物地上部所能积累的重金属总量对于评价其修复重金属污染土壤的效率是必要的。如表3所示，对于土壤1和土壤2，复合处理的地上部Cd总量分别是单一处理的1.73倍和3.69倍，所以，螯合剂EGTA的使用能够提高金盏菊地上部积累Cd总量，尤其对于Cd污染浓度较高的土壤更是如此。

表2各处理条件下金盏菊的地上部Cd浓度/mgkg^-1

处理	土壤1	土壤2
			CdCd+EGTA	96.36±8.56112.13±10.02	293.15±26.42868.39±34.66

表3各处理条件下金盏菊的地上部Cd总量/mg盆^-1

处理	土壤1	土壤2
			CdCd+EGTA	0.84±0.071.45±0.13	1.96±0.217.24±0.82

实施例2

与实施例1不同之处在于：

在每千克受镉污染土壤中施加0.5mmol的EGTA，而后种植金盏菊，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

在每千克受镉污染土壤中施加2mmol的EGTA，而后种植金盏菊，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的。

Claims

1.一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法，其特征在于：在每千克受镉污染土壤中施加0.5-2mmol螯合剂，而后种植金盏菊，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的，其中螯合剂为乙二醇双四乙酸。

2.按权利要求1所述的利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法，其特征在于：所述乙二醇双四乙酸以固体形式和镉一起施加到土壤中。

3.按权利要求1所述的利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法，其特征在于：所述在镉污染土壤中种植金盏菊是采用室外栽培，将幼苗期的金盏菊移植到含有乙二醇双四乙酸和镉的污染土壤中，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。

4.按权利要求1所述的利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植金盏菊后，金盏菊从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当金盏菊生长至开花期时，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬金盏菊，重复上述操作，使土壤中过量镉积累到金盏菊，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。