CN101560019A - 一种修复镉污染环境的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复镉污染环境的方法。该方法，是在受到镉污染的环境中种植水龙骨科植物。所述水龙骨科植物优选为铁皇冠。本发明的方法利用水龙骨科植物修复受镉污染的环境，特别是利用铁皇冠修复镉污染的水体、湿地生态系统，具有方便、美观、修复力强的特点。

Description

一种修复镉污染环境的方法

技术领域

本发明涉及一种修复镉污染环境的方法，特别涉及一种利用水龙骨科植物修复受到镉污染的水体和/或湿地生态系统的方法。

背景技术

金属镉毒性很低.但其化合物毒性很大。人体的镉中毒主要是通过消化道与呼吸道摄取被镉污染的水、食物、空气而引起的。镉在人体积蓄作用，潜伏朗可长达10-30年。据报道，当水中镉超过0.2mg/L时，居民长期饮水和从食物中摄取含镉物质，可引起“骨痛病”。动物实验表明，小白鼠最少致死量为50mg/kg，进入人体和温血动物的镉，主要累积在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼中。使肾脏器官等发生病变，并影响人的正常活动。造成贫血、高血压、神经痛、骨质松软、肾炎和分泌失调等病症。镉对鱼类和其他水生物也有强烈的毒性作用。其毒性最大的为可溶性氯化镉，当质量浓度为0.001mg/L时，对鱼类和水生物就能产生致死作用(孟紫强.生态毒理学原理与方法[M].科学出版社，北京2006年12月，130-135)。

而随着工业化、城市化的不断推进，排出的含有重金属的废水废气废渣量大幅度增加，土壤或水体污染时Cd的浓度可达14.3mg/kg。截至2008年12月，我国长江流域约有工矿企业10万多个，整个流域每年接纳的汞、铬、镉等重金属高达0.5万吨(http://www.tianya.cn/techforum/content/157/523999.shtml)。2006年5月湖南湘江发生镉污染事件，检测结果显示：当时每日废水量3万吨的霞湾闸镉平均浓度为2.376mg/L、每日废水量15万吨的霞湾港镉浓度为0.9mg/L，一条每日废水排放6万吨的水渠，镉浓度为0.047mg/L，据此推算，霞湾每天排入湘江能导致人体健康受损、严重时可致命的镉竟达208公斤(http://news3.xinhuanet.com/video/2006-01/11/content_4036711.htm)！我国饮用水国家标准规定Cd浓度应低于0.001mg/L；2000年，国家环保总局颁布的国家地表水环境质量标准(GHZB 1-1999)，更确定了n类、m类、W类地表水镉浓度小于等于0.005mg/L的严格标准(贺绍君.转MT基因水花生重金属富集能力研究[J].扬州大学学位论文，2008年6月)。

目前，重金属污染的修复技术主要包括下述方法：

1、土壤重金属污染修复的方法

1)客土法

客土法是在被污染的土壤上覆盖非污染土壤：换土法是部分或全部挖除污染土壤而换上非污染土壤。实践证明，这是治理农田重金属严重污染的切实有效的方法。此法必须注意用作客土的非污染土壤的pH值等性质最好与原污染土壤相一致，以免由于环境因素的改变而引起污染土壤中重金属活性的增大。

2)水洗法

水洗法是采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子。使重金属离子迁移至较深土层中，以减少表土中重金属离子的浓度，或者将含重金属离子的水排出田外，但采用此法也须遵守防止次生污染的原则。要将毒水排入一定的贮水池或特制的净化装置中，进行净化处理，切忌直接排入江河或鱼塘中。

3)电动力修复法

此法是由美国路易斯安那州立大学研究出的一种净化土壤污染的原位修复的方法，也可称为电动修复法。在土壤中插入一些电极，把低强度直流电导人土壤以清除污染物。研究表明：电流能打破所有的金属一土壤键，当电压固定时，去除效率与通电时间成正比。但对于渗透性较高、传导性较差的土壤，电动力学方法所能起的作用较弱，此法不适于对砂性土壤重金属污染治理。

4)热解吸法

对于挥发性的重金属，如Hg，采取加热的方法能将Hg从土壤中解吸出来，然后再回收利用。在处理土壤时，首先将土壤破碎，向土壤中加入能够使汞化合物分解的添加剂。然后，再分2个阶段通人低温气体和高温气体使土壤干燥，去除其它易挥发物质。最后使土壤汞汽化，并收集挥发的汞蒸汽。有试验表明，应用热处理法可使砂性土、粘土、壤土中Hg质量分数分别从15000mg/kg，900mg/kg，225mg/kg降至0.07mg/kg，0.12mg/kg和0.15mg/kg，回收的汞蒸汽纯度达99％。热处理法对于修复Hg污染土壤是一种行之有效的方法，并可以回收Hg。它的不足之处是易使土壤有机质和土壤水遭到破坏，而且需消耗大量能量。

5)淋溶法

运用试剂和土壤中的重金属作用，形成溶解性的重金属离子或金属一试剂络合物，最后从提取液中回收重金属，并循环利用提取液。采用表面活性剂作为重金属的去除试剂是在近年来开始研究的新技术。应用EDTA络合剂去除土壤中的Cu，Ni，Cd，Zn，浓度为0.01mol/L EDTA能去除初始质量分数为100～300mg/kg重金属的80％。

6)生物修复

生物修复是近年来土壤重金属污染修复的热点，包括植物修复、微生物修复、动物修复。

①植物修复：在不破坏土壤生态环境，保持土壤结构和微生物活性的情况下，通过植物的根系直接将大量的重金属元素吸收，通过收获植物地上部分来修复被污染的土壤。植物修复的机理通常包括植物萃取作用、植物挥发作用和根系过滤作用。目前主要是植物萃取作用。中国科学院在湖南、广西等地找到大面积分布的蕨类植物蜈蚣草，发现蜈蚣草对As具有很强的超富集功能，其叶片含As质量分数高达8‰，大大超过植物体内的氮磷养分比例。

②微生物修复：利用土壤中的某些微生物对重金属Pb具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，从而降低土壤Pb的毒性。曹德菊等利用常规微生物资源大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌对重金属离子Cu，Cd进行生物修复试验，研究了不同菌种对Cu，Cd离子的吸附特性和环境的pH值变化对生物修复效应的影响。结果表明，当环境中Cu，Cd质量浓度较低(≤5mg/L)时，微生物修复性能良好，去除率可达25％-60％；而当Cu，Cd质量浓度较高时。修复性能下降，且不同菌体对Cu，Cd的修复存在一定差异。

③动物修复：利用土壤中的某些低等动物(如蚯蚓、鼠类等)能吸收重金属的特性，在一定程度上降低了污染土壤中重金属比例，达到了动物修复重金属污染土壤的目的。也有学者测量出当土壤中Pb的质量分数为170-180mg/kg，蚯蚓的富集系数为0.36。在Pb污染的土壤中投放蚯蚓，待其富集重金属后，采用电激、清水等方法驱出蚯蚓集中处理，对于Pb污染的土壤也有一定的治理效果(俞佳，戴万宏.土壤重金属污染及其修复研究[J].环境科技，2008，21(2)：79-81)。

2、水体重金属污染修复的方法

1)河流稀释法

稀释是改善受污染河流的有效技术之一，通过稀释，能够降低污染物在河流中的相对浓度，从而降低污染物质在河流中的危害程度。但是，应用这种方法必须要有充足的外来水源，同时还要考虑外来水流量与河流流量比例，判断河流沿岸的生态状态，可以调用的水量以及河流水力负荷允许的变化幅度等。此法适用于轻度污染的河流，可以暂时降低该河流中的重金属离子含量，当重金属污染物在这些水体中的浓度达到一定程度时，生活在其中的生物就会受到重金属的影响，发生病变和死亡等现象。所以这种处理方法目前渐渐被否定。

2)化学混凝、吸附法

许多重金属在水体溶液中主要以阳离子的形态存在，升高水体pH值，能使大多数重金属生成氢氧化物沉淀或其它离子沉淀。因此，向被重金属污染的水体中施加石灰、碳酸钙等物质，均能降低重金属对水体的危害程度。另外，不溶性的淀粉黄酸酯(ISX)与废水中的重金属离子可以形成溶度积很小的粒状沉淀；单宁含量高的农产品残渣，像花生皮和胡桃皮粉，具有从溶液中吸附高含量汞的阳离子能力，梧桐落叶可吸附重金属铜、镍和铬。

3)离子还原、交换法

离子还原法是利用一些容易得到的化学还原剂，将水体中的重金属还原，形成难以污染的化合物，从而降低重金属在水体中的迁移性和生物可利用性，以减轻重金属对水体的污染危害。离子交换法是利用重金属离子交换剂与污染水体中的重金属物质发生交换作用，从水体中把重金属交换出来，达到治理目的。经离子交换处理后，废水中的重金属离子转移到离子交换树脂上，经再生后又从离子交换树脂上转移到再生废液中。这类方法费用较低，操作人员不直接接触重金属污染物，但适用范围有限，并且容易造成二次污染。

4)生物修复法

目前国内外利用生物修复水体重金属污染的研究很多，根据所用的生物对象不同，可分为以下三种：

①植物修复法：是利用重金属积累或超重金属积累水生植物，将水体中的重金属提取出来，富集输运到植物体内，然后通过收割植物将重金属从水体清除出去。目前，人们已经发现许多水生植物能够较好地吸收水中的重金属离子，水浮莲、印度葵、香蒲和芦苇都已被用来处理污水。本文中提到的铁皇冠即是一种对Cd具有很强吸收能力的，可用于水体修复的水生植物。

②动物修复法：应用一些优选的鱼类以及其它水生动物品种，在水体中吸收、富集重金属，然后把它们从水体中驱除，以达到水体重金属污染修复的目的。此法需驯化出特定的水生动物，并且处理周期较长、费用高，而且后续处理费用较大，所以要大力推广比较困难。

③微生物和藻类修复法：利用水体中的微生物或者向污染水体中补充经驯化的高效微生物，在优化的条件下经过生物还原反应，将重金属离子还原或吸附成团沉淀，以此完成对重金属污染水体的修复。目前，Chlorella vulgaris和Spirulinaplatensis等藻类已经应用到水体重金属污染的治理当中。

5)电动力学修复法

电修复法是20世纪90年代后期发展起来的水体重金属污染修复技术，其基本原理是给受重金属污染的水体两端加上直流电场，利用电场迁移力将重金属迁移出水体。电修复法设备相对简单，易于自动控制，同一电解槽中兼有氧化、还原、凝聚及上浮等多方面的功能，越来越受到重视。但是缺点在于无法大范围应用。

6)生物膜修复法

膜生物反应器MBR(Membrane Bioreactor)起源于20世纪60年代的美国，是将生物处理与膜技术联合起来而形成的新型废水处理技术。MBR可在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物的降解和超滤膜对污染物的分离，因此是一种高效、实用的污水处理技术。该项技术70年代在日本走向实际应用，80年代以后随着膜质量的提高和造价的降低、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改善和污水处理厂出水水质要求的提高，国际上对MBR的研究更深入。90年代，各国对MBR投人了大量的精力，从各个方面提高了MBR的实用性。目前，该技术已成功地应用于中水回用、粪便废水、垃圾渗滤液、工业废水的处理，而且具有很强的抗冲击负荷能力。加上近几年材料科学的快速发展，新型耐污染膜材料的开发成为可能；MBR与其他处理方法相结合，改变料液性质，减少膜表面污泥附着污染；新的膜清洗方法的发展，MBR将成为未来几年的研究热点，并且在废水处理回用等方面会得到日益广泛的应用(许秀琴，朱勇，杨挺，叶字飞，江潇潇.水体重金属的污染危害及其修复技术[J].污染防治技术，2007，20(4)：67-69)。

由于地表水具有水量大、分布广等特点，其污染处理不可能像生活污水或工业废水那样，采用传统的混凝沉淀、吸附、萃取、离子交换、膜分离等处理工艺和设备对其进行集中处理，这给地表水污染治理带来了很大的难度。而植物修复技术具有成本低(仅为传统物理和化学方法的30％～50％)、处理效果好(去除率可达99％以上)、对环境扰动小、操作简便等优点(唐志坚，张平，左社强，查吕应.植物修复技术在地表水处理中的应用[J].中国给水排水，2003，Vol.19.)，并且在处理设备和规模上基本没有限制，这一特点尤其适合大面积地表水污染的修复治理。地表水植物修复具有很好的应用前景，据1999年美国的统计，地表水植物修复占整个植物修复市场份额的比例约为35％，达到1000～1700万美元，这一数字今后仍将增加(杨柳春，郑明辉，刘文彬，等.有机物污染环境的植物修复研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2002，3(6)：1-7)。

重金属污染不能通过生物降解而清除，它们只能从一种形态转化为另一种形态或通过扩散迁移等作用使污染物浓度逐步降低。植物修复为从根本上清除水体的重金属污染提供了一条重要途径。

植物修复的优点主要有以下几点：

首先，与传统的修复技术相比，成本要低得多。如把Pb从土壤中清除的预期成本只有传统修复技术的50％～70％(旷远文，温达志，周国逸.有机物及重金属植物修复研究进展[J].生态学杂志，2004，23(1)：90～96)，特别适用于发展中国家；

其次，技术要求较低，重点在于对应被污染的土壤或水体选择合适的植物种植，一定时间后移除即可，后期处理简易。还可选择不同的植物及其组合来适应不同的受污染土壤或水体，通过控制植物的数量来调控净化能力的大小。起到固土或修复受污染水体并保持水质的作用。这些对于研究的比较清楚的植物种类及对应吸收的污染物，操作起来比较容易；

再次，技术的应用范围较广，既可应用于土壤、地表水，也可应用于地下水，适用于多种污染物的修复等。主要适用于中、低强度污染的治理，可大规模应用(屈冉，孟伟，李俊生，丁爱中，金亚波.土壤重金属污染的植物修复[J].生态学杂志，2008，27(4)：626-630)；

最后，这是一种环境友好的污染物修复技术。它以太阳能为驱动能(曲向荣，孙约兵，周启星.污染士壤植物修复技术及尚待解决的问题[J].环境保护，2008，398：45-47)，在修复土壤时，对土壤肥力和土壤结构没有破坏，还能增加土壤有机质含量和土壤肥力，同时能减少土壤侵蚀的发生；永久解决被修复基质中的污染问题，而不是将污染物从一个基质搬运到另一个基质(明华，胡春胜，张玉铭，程一松.浸提法测定玉米叶绿素含量的改进[J].玉米科学，2007，15(4)：93～95，99)，不但保持了修复过程的原位性，且避免了可能出现的二次污染的情况(韦朝阳，陈同斌.重金属污染植物修复技术的研究与应用现状[J].地球科学进展，2002，17(6)：833-839)。

其他优点还包括可能回收利用一些重金属(鲍桐，廉梅花，孙丽娜，孙铁珩，苏磊，雷刚.重金属污染土壤植物修复研究进展[J].生态环境，2008，17(2)：858-865)，兼具环境美学性等等。

目前全世界镉超富集植物只有16种，禾秆蹄盖蕨Athyrium yokoscense(M.K.Dauda，Yuqiang Suna，M.Dawooda，Y.Hayatb，M.T.Variatha，Yu-XiangWua，Raziuddina，c，Ullah Mishkatd，Salahuddine，Ullah Najeeba，ShuijinZhua.Cadmium-induced functional and ultrastructural alterations in roots of twotransgenic cotton cultivars[J].Journal of Hazardous Materials，161(2009)463-473)、拟南芥Arabidopsis thaliana(曹树青，黄琼，魏鹏.一个耐受镉毒害的拟南芥突变体的筛选[J].环境科学学报，2006，26(2)：318-322)、遏蓝菜Thlaspi caerulescens(刘美青，江荣风，赵方杰.Zn对Zn超积累植物遏蓝菜(Thlaspi caerulescens L.)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响，农业环境科学学报，2006，25(增刊)：465-470)、宝山堇菜Violabaoshanensis(刘威，束文圣，蓝崇枉.宝山堇菜—一种新的镉超富集植物[J].科学通报，第48卷第19期，2003年10月)、印度芥菜Brassica junica(江春玉，盛下放，何琳燕，马海艳，孙乐妮，张艳峰.一株铅镉抗性菌株WS34的生物学特性及其对植物修复铅镉污染土壤的强化作用[J].环境科学学报，第28卷第10期，2008年10月)、东南景天Sedumalfredii(龙新宪，艳红，刘洪彦.不同生态型东南景天对土壤中Cd的生长反应及吸收积累的差异性[J].植物生态学报，2008，32(1)168～175)、筷子介属Arabis gemmifera(Kubota，H.，Takenaka，C.，2003.Arabis gemmifera is a hyperaccumulator ofCd and Zn.Int.J.Phytoremediat.5，197-201.)、长柔毛委陵菜Potentilla griffithiiHook.f.var.velutina card(胡鹏杰，周小勇，仇荣亮，汤叶涛，应蓉蓉.Zn超富集植物长柔毛委陵菜对Cd的耐性与富集特征[J].农业环境科学学报，2007，26(6)：2221-2224)、龙葵Solanum nigrum L(魏树和，周启星，王新，张凯松，郭观林.一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L)[J].科学通报，第49卷第24期，2004年12月)、商陆Phytolaccaacinosa(聂发辉.镉超富集植物商陆及其富集效应[J].生态环境，2006，15(2)：303-306)、叶用红菾菜Beta vulgris var.cicla L(李玉双，孙丽娜，孙铁珩，王洪.超富集植物叶用红菾菜(Beta vulgaris var.cicla L.)及其对Cd的富集特征[J].农业环境科学学报，2007，26(4)：1386-1389)、球果蔊菜Rorippa globosa(孙约兵，周启星，任丽萍.镉超富集植物球果蔊菜对镉2砷复合污染的反应及其吸收积累特征[J].环境科学，第28卷第6期，2007年6月，1355-1360)、圆锥南芥(多重金属超富集植物)[于方明，仇荣亮，周小勇，应蓉蓉，汤叶涛，赵璇，胡鹏杰，曾晓雯.镉对超富集植物圆锥南芥氮素代谢的影响研究[J].土壤学报，第45卷第3期，2008年5月，497-502]、油菜(吕建波，徐应明，贾堤，林大松.土壤镉、铅污染对油菜生长行为及重金属累积效应的影响[J].天津城市建设学院学报，第11卷第2期，2005年6月，107-110)、Echinochloa polystachya(F.A.Sol′is-Dom′inguez，M.C.Gonz′alez-Ch′avez，R.Carrillo-Gonz′alez，R.Rodr′iguez-V′azquez.Accumulation and localization of cadmium in Echinochloapolystachya grown within a hydroponic system[J].Journal of Hazardous Materials 141(2007)630-636)、水葱(LI Shuo，LIU Yun Guo，LI Yong Li，XU Wei Hua，LI Xin，The hyperaccumulating of Scirpus tabernaemontani to Cd and its potential forphytoremediation[J].广西植物，27(2)：180-185)，其中镉富集最大含量为遏蓝菜2130mg/kg。

水龙骨科(Polypodiaceae)，多年生挺水植物或沉水植物，高从15厘米到25厘米左右。根茎绵延状，而叶子通常呈现单一或三叉状，繁衍用的孢子密生于叶脊。一般来说，该种植物都生长在低海拔山区的林下小溪流。水龙骨科的植物属于蕨门(Pterophyta)、薄囊蕨纲(Leptosporangiopsida)、蕨目(Filicales)。生于陆地上、或着生于树木和岩石上。叶厚、不透明，具中肋、鳞片与被毛，叶为单叶、指状或一回羽状复叶。孢子囊堆生于叶背，为圆形、线形或全面分布，无盖膜。此科植物在台湾约有20属58种，自白垩纪及渐新世、中新世起出现孢子的化石(http://zh.wikipedia.org/wiki/％E6％B0％B4％E9％BE％8D％E9％AA％A8％E7％A7％91)。

铁皇冠(Microsorium pteropus)是一种观赏价值较高的水生蕨类植物，为真蕨纲、薄囊蕨亚纲、水龙骨目、水龙骨科植物，原产于爪哇至菲律宾等东南亚地区(薛春丽，王卫江，高永红.铁皇冠孢子人工培养研究[J].云南农业科技，2008年第5期，16-17)。此种水草可生长于潮湿地、岩石或沉木上，可培植水中和水陆型的水草，水中草和陆上草外观同型，具有条状根茎，下方长着黑色或黑褐色的不定根，上方长着长披针型叶。光线比较长时，偶尔会长出三裂状的复叶，叶脉有些像龟甲壳的纹路，成长完全的叶底会蔓生黑褐色的孢子囊。植物本体为绿色，叶子的长度可到30公分，是一种生命力非常长的水草。因为其外观类似皇冠草，所以取名为铁皇冠。铁皇冠繁殖较易，成熟的铁皇冠叶背会有一粒粒的孢子囊，成长为子株后即可取下。在水中栽培时忌让水质酸度的急聚变化，比较偏好于旧水，所以换水时间通常约两星期一次。

铁皇冠因能攀附于流木或岩石上生长，在水族造景时，有特殊的营造效果，因此常作为鱼缸中的景观植物，对食草性鱼类配合养殖，是很好的选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便、美观、修复力强的修复镉污染环境的方法。

本发明所提供的修复镉污染环境的方法，是在受到镉污染的环境中种植水龙骨科植物。

所述水龙骨科植物优选为铁皇冠。

上述受到镉污染的环境为受到镉污染的水体和/或湿地生态系统。

关于超积累植物的衡量标准，最初提出的同时也是最主要的一个是植物富集重金属的临界含量，亦即植物茎或叶中重金属的含量要高于一定的标准值.Chaney等人(Chaney R L，Malik M，Li Y M.Phytoremediation of soil metals.Curr OpinBiotechnol[J]，1997，8：279-284)研究认为Cd超积累植物的临界含量标准是100mg/kg，同时还认为超积累植物对重金属应有较强的转移能力并提出超积累植物的一个极其关键的特征是其对重金属有超强的耐性。

本发明的发明人通过大量实验证明了(从2008.09-至今，本实验共重复了3次，3次数据均显示铁皇冠是一种镉超富集植物)铁皇冠对于重金属镉达到了超强的耐性和超富集的标准。并且，由于铁皇冠是一种沉水植物，用其来进行水体镉污染的修复容易整株收获，不需要进行镉转移，就能达到修复目的。实验表明，铁皇冠羽片和不定根的镉含量2575mg/kg、5570mg/kg都远远超过目前镉富集最大的遏蓝菜。说明铁皇冠对镉的富集能力非常强，用其来进行镉污染水体的修复具有非常大的潜力。实验暴露7d，铁皇冠就表现出对镉非常强的富集能力，与其他超富集植物相比，比如用龙葵修复镉污染土壤需要95d(魏树和，周启星，王新，张凯松，郭观林.一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L)[J].科学通报，第49卷第24期，2004年12月)，用商陆修复镉污染土壤的生长时间为2-4个月左右(吴双桃，朱慧.商陆修复镉污染土壤初探[J].河北化工，第29卷第11期，2006年11月，58-60)，等等。因此，用铁皇冠修复镉污染水体具有周期短的优点。

铁皇冠属于水陆两栖型水草，可以同时用来修复水体和湿地生态系统，这是其他陆生超富集植物所不具备的。铁皇冠植株本身繁殖较为容易，生命力较强，具有可推广的优势。铁皇冠植株生长特点是根状茎横走，并且各组织比较羽片生物量最大，容易整株打捞或收获，不易造成二次污染。铁皇冠属于一种景观水草，用其修复水体，兼具了美学价值。

因此，本发明的方法利用水龙骨科沉水植物修复受镉污染的环境，特别是利用铁皇冠修复镉污染的水体、湿地生态系统，具有方便、美观、修复力强的特点。

附图说明

图1为Cd处理对铁皇冠叶绿素含量的影响结果

图2为Cd处理对可溶性糖和丙二醛含量的影响

图3为Cd处理对超氧化物歧化酶活性的影响

图4为Cd处理对过氧化物酶活性的影响

图5为Cd处理对可溶性蛋白质含量的影响

图6为铁皇冠羽片、叶柄、不定根、根状茎镉含量

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做详细说明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1、利用铁皇冠修复镉污染水体的方法及其效果验证

1、主要仪器与试剂

仪器：MEA-3B精密恒温热板，XMT1501-J1马福炉，HITACHI180-80原子吸收分光光度计，Model 680酶标仪，752紫外光栅分光光度计，TDL-5-A离心机，FDU-830冷冻干燥仪，W2-100恒温浴锅。试剂均采用分析纯或色谱纯试剂.

2、试验方法

实验设计水样镉浓度梯度为0.1、1、5、10、20mg/L CdCl₂(以纯Cd计)，并以空白做对照。实验材料铁皇冠购自中蔬大森林花卉市场。

实验材料铁皇冠先于10％Hoagland营养液(Hoagland营养液用蒸馏水稀释10倍获得的溶液)中驯养7d。第8天开始，将实验材料铁皇冠放入含0、0.1、1、5、10、20mg/L CdCl₂(以纯Cd计)的10％Hoagland营养液中，全部培养缸置于实验室自然光照下，水温17.5℃±0.5℃，pH值为6.0±0.3。每组设3个重复，培养7d后取相同部位的羽片，先用大量自来水冲洗，再用去离子水洗净，用吸水纸将材料表面水吸干，按照如下2)-6)的方法测定生理生化指标，剩余植物组织冷干密封保存作为7)所示的植物富集量的测定方法的原料，并且在生长过程中观察铁皇冠生长状况。上述实验，以在不含镉的10％Hoagland营养液中培养的铁皇冠作为对照。

1)生长状况

从第1d暴露开始，每天观察水草铁皇冠的生长状况，直至暴露结束取样，对水草的外伤症状用目测估计。

2)叶绿素含量的测定

按照明华的方法(明华，胡春胜，张玉铭，程一松.浸提法测定玉米叶绿素含量的改进[J].玉米科学，2007，15(4)：93～95，99)测定叶绿素含量。

3)丙二醛和可溶性糖含量的测定

按照赵世杰、李德全的方法(Zhao SJ(赵世杰)，Xu CC(许长成)，Zou Q(邹琦).Improvements of method for measurement of malondialdehyde in planttissues[J].Plant Physiol Comm un(植物生理学通讯)，1994，30(3)：207～210)测定丙二醛和可溶性糖含量。

4)超氧化物歧化酶活性的测定

采用NBT光化还原法，以抑制NBT光还原50％的酶液量为一个活力单位。按照李合生(李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000，7)的方法测定超氧化物歧化酶活性。

SOD总活性＝(Ack-Ae)*V/(1/2*Ack*W*Vt)

其中SOD总活性以鲜重酶单位每克表示；Ack为照光对照管的吸光度；Ae为样品管的吸光度；V为样品液总体积，mL；Vt为测定时样品量，mL；W为样鲜重，g。

5)过氧化物酶活性的测定

按照尹颖、王晓蓉(尹颖，孙媛媛，郭红岩，王晓蓉.芘对苦草的生物毒性效应[J].应用生态学报，2007年7月，第18卷第7期，1528-1533)的方法测定过氧化物酶活性。

6)可溶性蛋白含量的测定

用考马斯亮蓝G-250染色法(李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000，7)测定可溶性蛋白含量。

7)植物富集量的测定

分别取冷干铁皇冠根状茎、叶柄、羽片、不定根，放入50mL瓷坩埚内，先在低温电炉上碳化1-2h，然后将瓷坩埚转入马福炉，升温至200℃继续碳化30min，再采用每升100℃停0.5h，逐步升温至500℃，约4-5h即可灰化完毕，得白色灰。样品冷却至室温，在坩埚内加入体积百分浓度为10％的硝酸溶液5ml，置低温电炉上消化提取，使坩埚内硝酸体积减至0.5ml左右。冷却后用体积百分浓度为1％的硝酸溶液将坩埚内样品无损转入25ml容量瓶内，定容至刻度。全过程用一空白样(空白样指的是从在低温电炉上碳化开始，就放一空坩埚一起碳化，直到最后定容到25ml容量瓶，所有步骤都与样品处理步骤同步)作为对照。所得样品于原子吸收分光光度计上测定重金属镉的含量。原子吸收分光光度计测镉浓度的分析条件为(光源：Cd空心阴极灯，灯电流：5mA，波长：228.8nm，狭缝：0.4nm，燃烧头：标准型，燃烧头高度：5mm，火焰类型：Air-C₂H₂，助燃气压力：160kPa(9.4L/min)，燃气压力：22.7kPa(2.0L/min)，标准曲线的浓度范围：0-1mg/L)。

上述实验结果表示为3个平行的平均值±标准差，试验原始数据的处理和制图采用excel软件，处理组与对照组之间的差异显著性分析由spss13.0统计软件完成，其中P＞0.05、P＜0.05和P＜0.01分别表示差异无显著、有显著和极显著。

3、结果与分析

1)铁皇冠对重金属Cd的耐性结果分析

①Cd对铁皇冠表观生长的影响(步骤2的步骤1)的方法获得的结果)

由实验结果可知，暴露Cd 7天后，在不同浓度Cd暴露下生长的铁皇冠表观生长状况基本一致，未发现明显的氧化损伤。

②Cd对铁皇冠叶片叶绿素含量的影响(步骤2的步骤2)的方法获得的结果)

叶绿素含量是植物生长过程中一个重要的生理指标，由于其对周围环境很敏感，并与植物的光合作用、营养吸收等密切相关，被广泛作为植物生长的常规测定指标项目(黄帆，郭正元，徐珍.测定浮萍叶绿素含量的方法研究[J].实验技术与管理，第24卷第5期，2007年5月，29-31)。

铁皇冠在不同浓度镉溶液中暴露7d后，叶绿素含量变化见图1。从图1可以看出，随着镉浓度的增加，叶绿素含量并没有发生明显的变化。在镉暴露浓度为1mg/L时，叶绿素总量达到最高，为1.87mg/g，在镉暴露浓度为10mg/L时，叶绿素总量最低为1.24mg/g。与对照叶绿素总量1.63mg/g相比，只有在水中镉暴露浓度为10mg/L时，存在显著差异(P＝0.012＜0.05)，其他镉处理浓度下的铁皇冠叶绿素总量与对照相比并没有明显差异。图1中，Chla指叶绿素a，Chlb指叶绿素b，Chl(a+b)指叶绿素a与叶绿素b的和，即叶绿素总量。

③Cd对铁皇冠叶片丙二醛含量和可溶性糖含量的影响(步骤2的步骤3)的方法获得的结果)

丙二醛是植物器官衰老时发生膜脂过氧化作用的产物之一，通过其变化可以反应出细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱。

由图2可见，与对照相比，在不同浓度镉暴露下，丙二醛和可溶性糖含量均没有显著变化(P＞0.05)。说明铁皇冠在不同Cd浓度的暴露下没有发生细胞膜脂过氧化作用，对镉的耐性比较强。图2中，MDA表示丙二醛。

④镉对铁皇冠叶片超氧化物歧化酶活性的影响(步骤2的步骤4)的方法获得的结果)

超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内重要的抗氧化酶，能够清除超氧阴离子自由基。植物在逆境条件下受到氧化损伤，超氧阴离子自由基就会增多，因此会诱导SOD活性增强。

步骤2的步骤4)的方法获得的结果如图3所示，SOD表示超氧化物歧化酶总活性。由图3可见，与对照相比，在水中镉暴露浓度为1.0mg/L时，SOD总活性显著降低(P＝0.012＜0.05)，其余镉处理浓度下，SOD总活性基本没有变化，说明铁皇冠没有受到氧化损伤。

⑤镉对铁皇冠叶片过氧化物酶活性的影响(步骤2的步骤5)的方法获得的结果)

过氧化物酶(POD)是植物体内普遍存在的、活性较高的一种酶，它与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有密切的关系，在植物生长发育过程中，它的活性不断发生变化，因此测量这种酶，可以反映某一时期植物体内代谢的变化。

步骤2的步骤5)的方法获得的结果如图4所示，由图4可见，与对照相比，不同镉浓度处理下，POD活性没有显著变化(P＞0.05)，说明各处理铁皇冠代谢情况基本一致。

⑥可溶性蛋白含量的测定(步骤2的步骤6)的方法获得的结果)

蛋白质是基因表达的产物，是所有生命活动的基础，外界引起的或植物生长发育过程中出现的变化都会反映到蛋白质的变化上来。(李跃建.彭云良高荣.刘世贵.条锈菌侵染后小麦体内蛋白质的变化[J].西南农业学报，2003年16卷4期，1-3)。当细胞面临胁迫时，需要进行渗透调节以维持细胞内外的渗透平衡，因此必然会使机体内参与渗透调节的物质，如蛋白质等的含量发生变化，从而提高植物抗胁迫的能力。(何云，李贤伟，李西，龚伟.2种野生岩生植物叶片可溶性蛋白含量对低温胁迫的响应[J].安徽农业科学，2008，36(18)：7552-7553).

步骤2的步骤6)的方法获得的结果如图5所示，由图5可见，与对照相比，不同镉浓度处理下，可溶性蛋白质含量没有显著变化(P＞0.05)，说明各处理铁皇冠生长发育状况基本一致。

综上①-⑥所示的结果表明，从植物对重金属的耐性来看，铁皇冠具有超富集植物所应具有的耐性较强的基本特征。

2)铁皇冠对重金属Cd的富集数据分析

步骤2的步骤7)所示的植物富集量的测定方法结果如图6和表1所示，由图6可见，在水中镉浓度为1mg/L时，羽片和不定根中镉的浓度分别达到166mg/kg和542mg/kg(DW)，均远远超过镉超富集植物100mg/kg的标准。铁皇冠各组织镉浓度随着水相浓度的升高而上升，在水中镉浓度为20mg/L时，铁皇冠羽片、叶柄、不定根、根状茎中镉浓度分别达到2575mg/kg、1302mg/kg、5570mg/kg、1575mg/kg。

生物富集系数BCF是生物组织(干重)中镉的浓度和水中的镉浓度之比，水中镉浓度以实验暴露浓度代替。由表1可见，铁皇冠各组织对水中镉的生物富集系数最小为48.60，最大达到920.21，说明铁皇冠对镉有非常强的富集能力。

表1.铁皇冠各组织在不同镉浓度水相暴露下的生物富集系数BCF

水相镉浓度(mg/L)	羽片镉富集浓度/水相镉浓度	叶柄镉富集浓度/水相镉浓度	不定根镉富集浓度/水相镉浓度	根状茎镉富集浓度/水相镉浓度
					0.1	224.41	127.76	920.21	65.22
1	166.08	74.41	541.96	48.60
					5	125.60	59.71	493.42	70.27
10	123.37	80.58	442.04	86.28
					20	128.75	65.11	278.52	78.73

3、讨论

关于超积累植物的衡量标准，最初提出的同时也是最主要的一个是植物富集重金属的临界含量，亦即植物茎或叶中重金属的含量要高于一定的标准值.Chaney等人(Chaney R L，Malik M，Li Y M.Phytoremediation of soil metals.Curr OpinBiotechnol[J]，1997，8：279-284)研究认为Cd超积累植物的临界含量标准是100mg/kg，同时还认为超积累植物对重金属应有较强的转移能力并提出超积累植物的一个极其关键的特征是其对重金属有超强的耐性。实验数据显示，铁皇冠对于重金属镉达到了超强的耐性和超富集的标准。由于铁皇冠是一种沉水植物，用其来进行水体镉污染的修复容易整株收获，所以没有进行铁皇冠对镉转移能力的实验。因为目前关于超富集植物的定义标准主要是针对陆生植物，所以我们认为转移能力不是限制铁皇冠定义为镉超富集植物的标准之一。并且铁皇冠属于水陆两栖型水草，我们会进一步通过陆生实验来研究它对重金属镉的转移能力。

另外，由于我们实验用的铁皇冠购自花卉市场，并非采自被镉污染的水体，所以我们认为铁皇冠对重金属镉的富集属于其固有特性，不存在种群间的差异(龙新宪，王艳红，吴启堂.两种生态型东南景天(Sedumalfredii Hance)根系互作效应对植株生长及吸收利用土壤Zn的影响[J].农业环境科学学报，2008，27(1)：0092-0098)。

上述实验表明，铁皇冠羽片和不定根的镉含量2575mg/kg、5570mg/kg都远远超过目前镉富集最大的遏蓝菜。说明铁皇冠对镉的富集能力非常强，用其来进行镉污染水体的修复具有非常大的潜力。

实验暴露7d，铁皇冠就表现出对镉非常强的富集能力，与其他超富集植物相比，比如用龙葵修复镉污染土壤需要95d(魏树和，周启星，王新，张凯松，郭观林.一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L)[J].科学通报，第49卷第24期，2004年12月)，用商陆修复镉污染土壤的生长时间为2-4个月左右(吴双桃，朱慧.商陆修复镉污染土壤初探[J].河北化工，第29卷第11期，2006年11月，58-60)，等等。因此，用铁皇冠修复镉污染水体具有周期短的优点。

铁皇冠属于水陆两栖型水草，可以同时用来修复水体和湿地生态系统，这是其他陆生超富集植物所不具备的。铁皇冠植株本身繁殖较为容易，生命力较强，具有可推广的优势。铁皇冠植株生长特点是根状茎横走，并且各组织比较羽片生物量最大，容易整株打捞或收获，不易造成二次污染。铁皇冠属于一种景观水草，用其修复水体，兼具了美学价值。

Claims (3)

1、一种修复镉污染环境的方法，是在受到镉污染的环境中种植水龙骨科植物。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水龙骨科植物为铁皇冠。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述受到镉污染的环境为受到镉污染的水体和/或湿地生态系统。

Images