CN101780466B - 一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法 - Google Patents

一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法，该方法包括：1)在重金属镉污染土壤中种植翅荚决明植株；2)种植翅荚决明植株时，在土壤中添加乙二胺四乙酸作为强化剂。本发明所采用的豆科植物具有生长快速、生物量大等优点，能够克服现有富集植物的不足，适用于重金属镉污染土壤的修复。

Description

一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法
技术领域
本发明涉及土壤污染治理领域，更具体地说，本发明涉及一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法。
背景技术
土壤是人类社会赖以生存和发展的重要自然资源，但是随着工农业的迅速发展以及城市化进程的加剧，我国土壤环境污染也日趋严重，其中，土壤重金属污染是一个全球关注的热点问题。目前我国受重金属污染的耕地面积近2×107m2，约占总耕地面积的1/5，由此造成每年粮食减产1×107多吨，被重金属污染的粮食每年达到1.2×107吨，每年经济损失至少2×107元。重金属元素在土壤中一般不易随水移动，具有相对稳定性，不能被微生物降解，而在土壤中累积，甚至有可能转化成毒性更强的甲基化合物，通过植物吸收在植物体内富集转化，并进一步通过食物链危害人体健康。如世界上土壤污染最为严重的国家之一日本，在20世纪60年代先后出现的因Hg污染引发的“水俣病”以及因Cd污染造成的“骨痛病”就是典型的例证。因此，土壤重金属污染的治理与修复已成为环境科学领域中国内外学者们的热点研究课题之一。当前，土壤的重金属污染主要集中在Cd、Hg、Pb、Cr、As等生物毒性显著的元素污染，而Cd以移动性大、毒性高，成为最受关注的元素。近几年来，无论在中国还是在世界范围内，如何控制和减轻重金属Cd对环境的污染和危害己成为一个备受关注的课题。
目前土壤重金属污染的修复主要包括工程治理措施、化学治理方法以及生物修复技术三种。植物修复属于生物修复的一种，是指将某种对土壤中的污染元素具有特殊吸收富集能力的植物种植在重金属污染的土壤上，将植物收获并进行妥善处理后，可将该污染元素移出土壤，达到污染治理与生态修复的目的。植物修复技术因其具有处理成本低廉、操作简单、效果持久、安全可靠以及易于后处理等优点，现已成为土壤修复领域的研究热点。已知具有土壤修复功能的植物(称为“富集植物”)包括有：凤眼莲、苎麻、印度芥菜、宝山堇菜和杂草龙葵等。然而，目前的植物修复技术仍然存在着许多问题，例如：植物修复的速度慢、耗时长，对于环境条件要求苛刻，受污染物毒性的限制较大；已知的富集植物大部分都生物量小，且个体矮小，生长较慢，生长周期较长。
提高植物修复效果的途径有两条：一是设法提高植物体内重金属的蓄积量(浓度)而不使植物中毒死亡；二是设法增加植物的生物量，尤其是地上部分的生物量。为了提高植物的重金属蓄积量和生物量，利用化学诱导剂强化植物修复功能成为研究的热点。化学强化植物修复是指通过向土壤施用化学诱导剂，改变土壤中靶重金属的赋存形态，使其从土壤结合态向水溶态、交换态转换，从而提高重金属的植物可利用性。常用的化学诱导剂有pH调节剂、鳌合剂、共存离子和水溶性腐殖质等，其中以乙二胺四乙酸(EDTA)为代表的鳌合剂是化学强化植物修复中使用最多的诱导剂。鳌合剂能够与土壤中的重金属离子结合，极大地提高土壤水溶性重金属，并使植物地上部分的重金属含量增加。然而，EDTA等螯合剂在环境中不易降解，存于土壤中将严重影响到非修复植物的生长发育；此外，其对土壤中物质的增溶、增流作用会导致靶重金属及其它非靶金属活化后向深层土壤或地下水转移，引起土壤或水体环境的二次污染，增加修复的难度；再者，由于大多数螯合剂对金属元素的结合作用是非专一性的，其在活化重金属的同时也活化了土壤中的其它微量元素，如Fe、Mn、Ca、Mg等，使这些元素的淋失量增加，可能会导致植物营养缺乏，对植物的生长十分不利。
由此可见，寻找出更有效的富集植物，以及减少使用化学诱导剂造成的不良影响，具有十分重要的社会意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对重金属污染土壤具有极强修复作用的豆科植物及其在修复重金属镉污染土壤中的应用。本发明所采用的豆科植物具有生长快速、生物量大等优点，能够克服现有富集植物的不足。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法，该方法包括以下步骤：
1)在重金属镉污染土壤中种植翅荚决明植株；
2)种植翅荚决明植株时，在土壤中添加乙二胺四乙酸(EDTA)作为强化剂。
在本发明中，翅荚决明植株在重金属镉污染土壤中的种植密度为每平方米4株；强化剂EDTA在重金属镉污染土壤中的添加量为0.1mmol/kg～0.5mmol/kg。
翅荚决明(Cassia alata L.)，别名翅荚槐、蜡烛花，是豆科植物的一种，为多年生常绿灌木，花期为7月至来年1月，花开期间黄花绿叶非常鲜艳，有较高的观赏价值。翅荚决明对生态环境的要求不高，在贫瘠的山地中仍然生长茂盛，已在华南地区作为园林观赏和山坡绿化的常用植物。翅荚决明生长快速、生物量大，在华南地区种植10cm高的植株，其平均年增高量可达50cm～90cm。此外，翅荚决明的根系能够分泌固氮菌，可提高土壤的肥力。由此可见，利用翅荚决明作为富集植物，用于重金属镉污染土壤的修复，不仅能够克服现有的富集植物生物量小、生长周期长等缺点，还能提高土壤肥力，促进植株的生长。
试验结果表明，翅荚决明种植在0～110mg/kg的镉(Cd)污染土壤中，没有任何明显的中毒现象，成活率达到100％，生物量增长量大，且在不同浓度的镉污染土壤中，其生长量差异性较小，说明翅荚决明具有较强的抗镉能力，适合在镉污染区种植。试验结果还表明，经不同浓度的Cd(NO3)2与EDTA处理后，翅荚决明的体内镉富集量地下部分远远大于地上部分，并随着Cd(NO3)2浓度的增大而增大。经EDTA的强化作用后，翅荚决明植株的镉富集能力大于未经EDTA处理的植株。当Cd的浓度较低(0～60mg/kg)时，EDTA的添加量在0.1mmol/kg时，翅荚决明就可达到较大的镉富集量；当Cd的浓度为60～100mg/kg时，EDTA的添加量越大，翅荚决明体内富集的镉越多。
附图说明
图1是经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明株高增长量的柱状图；
图2是经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明整株重量增加量的柱状图；
图3a是经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明地上部分体内镉含量的柱状图；
图3b是经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明地下部分体内镉含量的柱状图。
具体实施方式
一、重金属污染土壤的模拟
试验设计4个(CdNO3)2处理组，(CdNO3)2在土壤中的浓度分别为5mg/kg、25mg/kg、50mg/kg和100mg/kg，同时设不施Cd的对照组。
试验设计3个EDTA处理组，EDTA在土壤中的浓度分别为0.0mmol/kg、0.2mmol/kg和0.5mmol/kg，分别投加到Cd处理浓度为5mg/kg、25mg/kg、50mg/kg和100mg/kg的(CdNO3)2处理组中，即每个施Cd处理浓度分别用施EDTA的3个处理浓度进行处理，每个处理浓度10-15个重复，同时设不施EDTA的对照组。
各试剂的处理浓度及其对应的代码见表1。
表1    Cd(NO3)2与EDTA的处理浓度代码对照表
Figure GSA00000044110600031
二、试验植株的栽种方法
将翅荚决明组培苗植入对应的模拟试验土壤中，每个处理浓度12棵，种植后浇水，按顺序排列摆放好放在温室内，温度低时加盖塑料膜。种植第42天时，除对照组以外，每盆植株按10mg/kg的添加量分别补充添加Cd(NO3)2。
三、翅荚决明生长情况的记录
记录处理前后不同阶段的翅荚决明的生长量，包括重量、株高等，记录它们的差距，并与相关处理浓度进行联系比较。
表2    翅荚决明不同生长时期的生长状态
Figure GSA00000044110600041
由表2可知，经不同浓度的(CdNO3)2与EDTA处理后，各组翅荚决明之间的表观生长状况均非常良好，无明显的中毒现象。
表3    经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明株高增长量
Figure GSA00000044110600042
由表3可知，翅荚决明在处理前后，由H0至H4，其株高的增长量呈下降趋势，即同一EDTA浓度，平均株高的增长量与Cd浓度呈反比关系。翅荚决明植株在浓度代码为H2L1时较大，其他处理对株高的影响不明显。
表4    经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明整株重量增加量
Figure GSA00000044110600043
Figure GSA00000044110600051
由表4可知，除对照组外，经不同浓度的EDTA与Cd(NO3)2处理后，各组翅荚决明的总重量差变化均较平缓，长势比较均匀。
综上所述，翅荚决明在Cd处理浓度较高时，亦没有明显的中毒现象，说明其对Cd的抗性较高。翅荚决明经不同浓度的Cd(NO3)2处理后，其株高的增长量略呈下降趋势，但植株的总重量差变化比较平缓，说明在不同浓度的Cd污染土壤中，翅荚决明的生长量差异性较小。此外，翅荚决明经不同浓度的EDTA处理后，其株高的增长量和植株的总重量均没有明显的差异，说明EDTA的添加量对翅荚决明的生长量没有显著的影响。
四、翅荚决明体内镉含量的测定
通过微波消解法，采用美国pe-optina2000Dv等离子体发射光谱，测定试验植株体内各部分的镉含量，测定结果见表5。
表5  经不同浓度Cd(NO3)2与EDTA处理后的翅荚决明体内镉含量(单位：mg/g)
Figure GSA00000044110600052
由表5可知，未添加任何物质的对照组中，植株体内也含有少量的镉，这是因为试验用的土壤本身已含有少量的镉。经不同浓度的Cd(NO3)2与EDTA处理后，翅荚决明的体内镉含量地下部分远远大于地上部分，并且其富集量随着Cd(NO3)2浓度的增大而增大。此外，经EDTA强化作用后，翅荚决明植株的镉富集能力大于未经EDTA处理的植株，在同一个Cd(NO3)2浓度进行EDTA处理时，翅荚决明植株体内地上部分的镉含量变化为：L3＞L2＞L1＞L0，地下部分的镉含量变化为：L1＞L3＞L2＞L0，由此可见，当EDTA的浓度为0.5mmol/kg时，其对翅荚决明体内地上部分富集镉的强化作用最大。
五、翅荚决明在修复重金属镉污染土壤中的应用
选取10cm高的翅荚决明植株，种植在受重金属镉污染的土壤中，种植密度为每平方米4株。然后，在植有翅荚决明的土壤中添加乙二胺四乙酸(EDTA)作为强化剂，EDTA的添加量为0.1mmol/kg～0.5mmol/kg。

Claims (3)

1.一种利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在重金属镉污染土壤中种植翅荚决明植株；
2)种植翅荚决明植株时，在土壤中添加乙二胺四乙酸作为强化剂。
2.根据权利要求1所述的利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：翅荚决明植株在重金属镉污染土壤中的种植密度为每平方米4株。
3.根据权利要求1所述的利用豆科灌木修复重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：乙二胺四乙酸在土壤中的添加量为0.1mmol/kg～0.5mmol/kg。
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