CN101560018B - 用鸭跖草对含铜污水生物修复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及治理重金属污水植物修复技术，具体的说利用鸭跖草科植物和微生物菌剂协同进行对含铜等重金属污水修复的方法。将鸭跖草制成生物浮床放置于加有益生菌剂的铜污染污水中，利用植物对重金属铜的吸附富集作用去除铜的污染，菌剂的作用是拮抗腐败菌、分泌生长素物质提高鸭跖草的生物量，收获的鸭跖草作为提取降糖药物脱氧野尻霉素(简称DNJ)的原料，使修复过程成为治污、美化环境和得到DNJ原料的过程。

Description

用鸭跖草对含铜污水生物修复的方法

技术领域

本发明涉及环境污染治理技术领域，具体涉及利用紫叶鸭跖草和益生菌剂协同作用富集去除污水中的Cu等重金属，从而实现污水的生物修复。

背景技术

随着社会与经济的发展，人类在工农业生产中及生活消费中不断向环境排放含重金属的污染物。目前，全世界平均每年排放Cu约340万吨(崔德杰，张玉龙，2004)。重金属对土壤的污染来自工业“三废”中重金属的排放，含重金属农药、化肥的施用，废水灌溉与污泥农用。由于重金属的滞留时间长，不能被植物或微生物降解等特点，致使水质变差，而且通过食物链进入人体，危及到人类的生命和健康。有关重金属在植物内的富集积累以及对重金属污染水体的治理技术引起了全世界的重视。

为了寻找更为有效、经济、可行的治理方法，近年来，针对铜污染的植物修复技术(phytoremediation)已引起了公众及科学界的极大关注。利用植物材料吸收去除铜，也称绿色修复或生物修复。

铜的开采在我国有非常悠久的历史，大约从夏代开始，中国进入青铜时代。到了商代及西周时期，青铜冶铸业达到了很高的水平。目前我国铜矿分布广泛，江西，云南、甘肃、安徽、内蒙古、湖北、山西、等省地的铜储量尤其丰富，但随着铜矿的长期开采和冶炼、含Cu杀虫剂(比如波尔多液)的长期使用和污水污泥灌溉的增多，使得水体与土壤Cu污染的程度日益加剧，导致农产品中Cu超标(蔬菜中Cu的卫生国家标准为≤10mg/kg)对人体的健康带来了极大的危害。

在我国重金属污染中，铜是一个主要的污染元素。在江西、江苏、浙江等地均存在大面积的受铜污染的水体和土壤。通过超积累植物或富集植物从移走重金属即植物修复是一种新兴起的高效、廉价的绿色治理技术。而使用超富集植物是人们常采用的方法。

据报道，目前已发现能富集重金属的超积累植物700多种(顾继光，周启星，王新，2003)，但公认的Cu超积累植物却只有24种，而且这些Cu超积累植物只分布在非洲扎伊尔和赞比亚的铜矿带。我国植物资源丰富，近几年来陆续报道了海州香薷、酸模、戟叶酸模、小头蓼、鸭跖草等植物对Cu具有不同程度的忍耐和积累能力，利用我国原生铜耐性/富集植物海州香薷修复铜污染土壤已获中国专利授权(ZL200310108946.1，铜污染土壤的生物原位修复方法)，束文圣，杨开颜等人(2001)经过对长江中下游铜矿区植物资源进行调查研究发现海州香薷(Elsholtziasplendens)、鸭跖草(Commeliana communis)和酸模(Rumex acetosa Linn.)是铜矿区的优势植物。

姜理英，石伟勇(2002)等在浙江3个矿区的调查发现，海州香薷含Cu量超过1000mg/kg的报道很少，仅在诸暨矿区有一个样点海州香薷Cu含量达1060.4mg/kg，其他报道都没有发现海州香薷Cu含量达到1000mg/kg。所以，从矿区调查来看，海州香薷称为Cu的耐性植物更为合适(唐明灯，2008；Song J，Zhao FJ，Luo YM，McGrath SP，Zhang H.Copper uptake by Elsholtzia splendens and Silenevulgaris and assessment of copper phytoavailability in contaminated soils.EnvironmentalPollution，2004.)。黄长干等在江西德兴铜矿筛选的紫叶鸭跖草(Setcreasea purpureaBoom)在实验室培育条件1000μmol·L^-1硫酸铜培养液中生根、开花并完成生命史，且整株体内铜积累量高达1130mg·kg^-1。因而鸭跖草是Cu的超积累植物，在铜的超积累植物中，鸭跖草最适宜在水体中生长。因此本发明使用鸭跖草特别是紫叶鸭跖草作为Cu污染水体生物修复的材料，此外，鸭跖草花叶俱美，生长迅速，繁殖力强，有些种类生物量还很大(如表1)，是治理污水与美化环境的适宜植物。本发明利用鸭跖草枝条在水体能快速生根的特性，制成生物浮床等用于水体污染治理。

表1几种鸭跖草的生物量

但在一些受铜污染而有机质丰富的水体中，鸭跖草容易受腐败菌的危害而产生烂根现象，因此本发明中向水体加入益生菌剂来拮抗腐败菌的繁殖，与鸭跖草同时协同降解污水中的有机物，净化污水。

益生菌(probiotics)是指对人体和动、植物机体有益的菌。植物益生菌一般具有高效的多功能性，对一些有害真菌具有拮抗作用，可分泌生长素类物质促进植物生长发育以增加其生物量，分泌超氧化物歧化酶类以增强作物抗逆能力。通常使用的益生菌菌种如细菌类的地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌，真菌类的黑曲霉、米曲霉，放线菌类的泾阳链霉菌等。益生菌菌剂有粉末装和液体装两种剂型，粉末装制剂的使用方法有拌种、浸种、包衣、蘸根(秧)或者叶面喷雾，液体装菌剂就直接喷洒使用，菌剂使用的量为10⁵～10⁹CFU/g或CFU/mL。

鸭跖草用于含铜污水的生物修复后，收获的植物用来提取有效药物成分1-脱氧野尻霉素(DNJ)，为已申请专利()所用的原料提供更广阔的鸭跖草来源，且治污过程即是生产提取DNJ原料的生产过程。1-脱氧野尻霉素(DNJ)及其衍生物是植物生物碱，为植物在与昆虫协同进化过程中形成的一大类具有防御功能的次生代谢物质，作为α-葡萄糖苷酶抑制剂，是治疗糖尿病、肥胖症、病毒感染等疾病的有效药物。多种植物具有合成和积累DNJ的特性，其中以桑的含量最高(桑叶中DNJ含量为0.11％)。而桑是蚕的饲料，用桑提取DNJ存在与蚕争粮的问题。且桑叶中DNJ的含量与生长季节以及气候温度有关，随着气温下降，DNJ含量也逐渐下降(欧阳臻，陈钧，2003)，所以以桑叶为原料的DNJ提取产业受到资源的很大限制。而鸭跖草中就含DNJ，有专利报道了利用鸭跖草(Commelina communis.L)提取生物碱(1-脱氧野尻霉素为代表)为化学本质的有效部位，含该有效部位的药物可用作治疗糖尿病、肥胖症及艾滋病等疾病。(中国专利，ZL02136313.7，一种具有α-糖苷酶抑制活性的中药提取物的制备方法及用途)。提取出DNJ后的植物残渣再用于生物堆肥处理，可根据其中铜含量进行适当的配料，使堆肥产品中有关金属含量适宜微量元素含量的要求。

本发明的创新之处在于：采用人工生物浮床技术来吸收和富集重金属铜，不仅净化了水体，而且还具有良好的景观效果。同时提取鸭跖草中降糖药用成分DNJ。这些综合利用既降低了污染治理成本，又有着良好的社会效益和环境效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可作花卉植物又是铜的超富集植物鸭跖草特别是紫叶鸭跖草用于修复含铜污水，美化水体的方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：在含污染物铜的污水加入益生菌剂，并种植鸭跖草，当鸭跖草生长到一定的生物量(作种源或绿化用植株时)或成熟期时，将植物部分或整体从污染水体移走，收获的鸭跖草或紫叶鸭跖草材料用于提取其中的1-脱氧野尻霉素(DNJ)。

具体的操作可以是：

1.制备人工生物浮床。选用100×100×4cm³平整泡沫板，按间距6～8cm、孔径4～6cm打孔。用于扦插植根据鸭跖草植株的大小或每孔扦插、或隔孔扦插。将栽培好植物的泡沫板放入污染水体，用竹片和软绳把浮床模板一块块连接起来。浮床整体组装完成后，四周固定，浮床即构建完毕.

2.在含污染物铜的污水加入益生菌剂。粉末装菌剂型可以按照0.1～1g/m²粉剂的比例直接洒在水体中，根据水体铜污染程度的不同可以适当调节加入的菌剂量。液体装菌剂型的加入量可以参照上述方法菌量使用。

3.当鸭跖草生长到一定的生物量(作种源或绿化用植株时)或成熟期时，将植物部分或整体从污染水体移走，收获的鸭跖草材料用于提取其中的1-脱氧野尻霉素(DNJ)。

本发明中，使用益生菌剂作用是拮抗腐败菌、分泌植物生长刺激素提高鸭跖草的生物量和抗病能力，改善水质，菌株分别为芽孢杆菌、放线菌和真菌。

上述的鸭跖草可以采用鸭跖草科紫竹梅属紫叶鸭跖草(Setcreasea purpureaBoom)；鸭跖草属鸭跖草(Commelina communis Linn)；紫露草属的紫露草(Tradescantia reflexa Rafin)、无毛紫露草(Tradescantia virginiana)和“魏顾林”紫露草(Tradescantia andersoniana ‘J.C.Weguelin’)等；吊竹梅属的吊竹梅(Zebrina pendnlaSchnizl)。

其中，所述的益生菌剂包括细菌类的地衣芽孢杆菌剂(Bacillus Licheniformis)、胶质芽孢杆菌剂(Bacillus mucilaginosus)、枯草芽孢杆菌剂(Bacillus subtilis)、乳酸杆菌剂(Lactobacillus)；真菌类的绿色木霉(Trichoderma viride)或哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、梅奇酵母(Metschnikowia)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、黑曲霉(Aspergillus niger)；放线菌类泾阳链霉菌(Streptomyces Jingyingensis)等等。加入益生菌后，促进了鸭跖草的生长发育，根系要比不加益生菌时还要发达，生物量也相应增加5％～15％。不加益生菌时，烂根现象比较严重，大约50％的植株因出现烂根而无法正常生长，加入益生菌后，鸭跖草叶片增厚，根系粗壮，95％以上的植株都能在含铜污水中正常生长，对一些有害菌起到了较好的防治效果。

其中，所述收集鸭跖草的方式是将长到成熟期的鸭跖草从污染水体上收割或连根移走，让其再生或再移植鸭跖草，重复操作，直到将水体中的Cu等重金属减少到规定量以下，或采取流动水体进行污水的连续修复。

其中，所述收获后的鸭跖草材料可以用来提取有效成分DNJ或多糖类物质。

附图说明

图1鸭跖草提取DNJ的HPLC分析图

图2铜离子对DNJ积累的影响

鸭跖草水培与铜测定的方法：

取相同生长状况的整株鸭跖草分别移植入各浓度处理的水溶液中，每瓶内放入一定量的植株，每个处理3个重复，每5天更换一次培养液，记录植株生长变化情况。室内通风，并有光照，10天后收获植株制成分析样品。样品均采用HNO₃-H₂O₂法进行消化，HNO₃与H₂O₂体积比为3∶1，利用原子吸收法(TAS986型，北京普西公司)测定其中重金属Cu的含量。

(1)铜处理实验

供试植株：采于南京师范大学仙林校区。

设置六个处理，分别为对照组CK(不加Cu)；Cu处理组，Cu浓度分别为50μmol/L、100μmol/L、250μmol/L、500μmol/L、1000μmol/L。取鸭跖草母株，剪取大小一致长约8～10cm带叶的节，分别移植入各浓度处理的水溶液中，在采光良好的环境中培养10天取样分析。样品均采用HNO₃-H₂O₂法进行消化，HNO₃与H₂O₂体积比为3∶1，利用原子分光光度计(TAS-986型)测定其Cu的含量。实验结果见表2所示。

表2鸭跖草在水体中对重金属的积累

在有机物丰富的铜污染水体中，加入益生菌剂，加入菌剂后的水体中，鸭跖草生长良好。

(2)活性成分DNJ的提取

先将收获的鸭跖草枝条制成粉状，利用盐酸或硫酸等其他酸用超声波或微波辅助浸提后得DNJ提取液，用柱前洐生法HPLC-RP紫外检测法测定其含量。色谱条件：C₁₈色谱柱(250mm×4.6mm，5μm)(Agilent，USA)；流动相为乙腈-醋酸溶液；柱温25℃；体积流量1.0mL/min；进样量20μL，检测波长254nm。从鸭跖草中提取DNJ的HPLC分析如图1所示。

各种铜离子浓度处理后，紫叶鸭跖草枝条内活性成分DNJ的含量发生了变化。不同浓度Cu处理对紫叶鸭跖草中DNJ含量的影响如图2。由图可知，实验组鸭跖草中DNJ含量与对照组相比有一定的提高。

实施例1：

将紫叶鸭跖草(Setcreasea purpurea Boom)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度50μmol/L的污水中，污水中同时加入地衣芽孢杆菌剂(Bacillus Licheniformis)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，直至收获时紫叶鸭跖草的生长情况良好，植株的存活率比不加菌剂时提高了45％，运用SPSS分析软件进行数据方差分析，结果表明在此铜浓度处理下加了菌剂的实验组的存活率与实验组存在显著差异(P＜0.05)，修复后水体中铜离子浓度为7.5μmol/L(不加菌剂对照样铜离子浓度为15.2μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，60℃烘干后粉碎，称取紫叶鸭跖草500kg，以1∶10的固液比加入0.05mol/L的HCl或H₂SO₄，微波辅助浸提二次，过滤，合并滤液即得到DNJ粗提取液。除杂后后利用常规的树脂提取法对DNJ进行纯化分离，得185g的DNJ纯品(＞95％)。

实施例2

将鸭跖草(Commelina communis Linn)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度250μmol/L的污水中，水中同时加入枯草芽孢杆菌剂(Bacillus subtilis)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，直至收获时紫叶鸭跖草的生长情况良好，植株的存活率比不加菌剂时提高了35％，运用SPSS分析软件进行数据方差分析，结果表明在此铜浓度处理下加了菌剂的实验组的存活率与实验组存在显著差异(P＜0.05)，修复后水体中铜离子浓度为103.2μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为153.8μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例3

将紫露草(Tradescantia reflexa Rafin)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度500μmol/L的污水中，水中同时加入胶质芽孢杆菌剂(Bacillus mucilaginosus)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，修复后水体中铜离子浓度为213.5μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为265.7μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例4：

将无毛紫露草(Tradescantia virginiana)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度1000μmol/L的污水中，水中同时加入乳酸杆菌剂(Lactobacillus)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，修复后水体中铜离子浓度为674.1μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为718.2μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例5

将″魏顾林″紫露草(Tradescantia andersoniana ‘J.C.Weguelin’)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度50μmol/L的污水中，水中同时加入黑曲霉菌剂(Aspergillusniger)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，修复后水体中铜离子浓度为8.3μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为16.7μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例6：

将″田荠菜″紫露草(Tradescantia andersoniana‘Charlotte’)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度100μmol/L的污水中，水中同时加入哈茨木霉(Trichodermaharzianum)菌剂0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，修复后水体中铜离子浓度为45.9μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为57.8μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例7：

将″盖紫力″紫露草(Tradescantia andersoniana‘Zwanenburg Blue’)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度250μmol/L的污水中，水中同时加入梅奇酵母(Metschnikowia)菌剂0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，修复后水体中铜离子浓度为116.4.μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为144.1μmol/L)。收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，提取分离DNJ。

实施例8

将″冰越橘″紫露草(Tradescantia andersoniana‘Bilberry Ice’)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度500μmol/L的污水中，水中同时加入的枯草芽孢杆菌剂(Bacillus subtilis)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，修复后水体中铜离子浓度为226.2μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为253.7μmol/L)。提取分离DNJ。

实施例9：

将″小玩具″紫露草(Tradescantia andersoniana‘Little Doll’)枝条或植株制成浮床，种植于含铜离子浓度1000μmol/L的污水中，水中同时加入泾阳链霉菌剂(Streptomyces Jingyingensis)0.1～1g/m²，让紫叶鸭跖草在生长过程中充分吸收铜离子，收获充分富集铜离子的紫叶鸭跖草，修复后水体中铜离子浓度为650.9μmol/L(不加菌剂对照样的水体中铜离子浓度为687.3μmol/L)。提取分离DNJ。

实施例10：

方法同例1，只是将紫叶鸭跖草改为吊竹梅(Zebrina pendnla Schnizl)。

实施例11：

方法同例3，只是将紫露草改为″白羽″紫露草(Tradescantia andersoniana‘Ospery’)。

Claims (3)

1.一种用鸭跖草对含铜污水生物修复的方法，其特征在于，在含污染物铜的污水中加入益生菌剂，并种植鸭跖草，当鸭跖草生长到作种源或作绿化用植株或成熟期时，将植物的一部分或整体从污染水体中移走，收获的鸭跖草作为用于提取1-脱氧野尻霉素的原料；所述的鸭跖草是鸭跖草科紫竹梅属紫叶鸭跖草(Setcreaseapurpurea Boom)；鸭跖草属鸭跖草(Commelina communis Linn)；紫露草属的紫露草(Tradescantia reflexa Rafin)，或“魏顾林”紫露草(Tradescantiaandersoniana‘J.C.Weguelin’)或无毛紫露草(Tradescantia virginiana)；或吊竹梅属的吊竹梅(Zebrina pendnla Schnizl)。

2.根据权利要求1所述的用鸭跖草对含铜污水生物修复的方法，其特征在于，所说的生物修复是指将鸭跖草制成植物修复浮层或种植浅水水域。

3.根据权利要求1所述的用鸭跖草对含铜污水生物修复的方法，其特征在于，所说的益生菌包括细菌、放线菌和真菌。

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