CN102085528A - 一种利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用观赏植物花环菊治理并修复镉污染土壤的方法。该方法是将花环菊种植于镉污染土壤中，当土壤中镉浓度≤25mg/kg时，植物地上部生物量没有显著受到抑制。同时，地上部还能从土壤中累积大量的镉，当镉投加浓度为25mg/kg时，该植物地上部镉含量达到116.34mg/kg，超过镉超富集植物临界含量标准100mg/kg，说明了花环菊对镉污染具有很强的耐性和富集能力。因而，将花环菊种植在镉污染土壤中，当植物生长成熟后将植株移除并集中并妥善处理，从而达到除去土壤中镉的目的。并通过连续种植该种植物，重复上述步骤，植物不断从污染土壤中提取吸收大量的镉，直至土壤中镉含量达到环境安全标准。

Description

一种利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用观赏植物花环菊治理并修复镉污染土壤的方法。

背景技术

植物修复(phytoremediation)技术就是利用植物来治理污染了的环境，即利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解等作用机理来清除污染环境中的污染物质。广义的植物修复包括利用植物净化空气，利用植物及其根际圈微生物体系净化污水和治理污染土壤，主要包括重金属、放射性核素及有机污染物等。狭义的植物修复主要是指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤。包括无机和有机污染物[文献1：周启星.2002.污染土壤修复的技术再造与展望[J].环境污染治理技术与设备，3(8)：36-40；文献2：ChannyRL.1983.Plantuptake ofinorganic waste constituents[A].In：Parr JF，eds.Land Treatment of HazardousWaste[C].Noyes Data Corporation.Park Ridge，New Jersey，USA；文献3：周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京：科学出版社，2004.]。而通常所说的植物修复主要是指利用超富集植物(hyperaccumulator)的提取作用去除污染土壤中的重金属，亦即通过重复种植和收获超富集植物将污染土壤中重金属浓度降低到可接受水平[文献3：周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京：科学出版社，2004.]。

超富集植物通常指对重金属的吸收积累量超过一般植物的100倍而不影响其正常生长的植物。目前，有关超富集植物的衡量标准有3个：一是临界含量标准，即植物茎或叶中重金属达到其临界含量，Cd为100mg/kg；二是富集系数标准，即富集系数大于1.0，但有时甚至达50-100；三是转移系数标准，即重金属在植物地上部积累量大于其根部积累量，同时还需要对它们有一定的耐受能力[文献4：孙约兵，周启星，任丽萍.镉超富集植物球果蔊菜对镉-砷复合污染的反应及其吸收积累特征.环境科学，2007，28(6)：1355-1360.]。但是，这些已知的超富集植物都不同程度存在着不能同时超量积累多种重金属、生物量较小、生长缓慢，且在基因工程培育理想的超富集植物方面进展也十分缓慢等缺点，从而影响植物修复技术的有效性和广泛应用。鉴于上述现状，寻求生物量大且生长快的镉超富集植物就成为污染土壤治理的研究重点。

花卉植物是人类利用历史悠久的一大植物类群，包含40万个以上的栽培品种，种质资源极其丰富。而我国是世界上拥有花卉种类最为丰富的国度之一，亦为世界花卉栽培的发源地。通过不断引种、驯化，能够培育出新多新品种。在花卉植物中筛选富集/超富集植物并用于植物修复的研究和实践具有以下优点：(1)花卉植物种质资源丰富，为筛选工作奠定了坚实的基础；(2)能够在进行治理污染同时美化环境；(3)很多花卉植物都有一定的经济价值，修复后植物材料可以作为原材料，从而降低修复成本；(4)人类在长期的农业生产中，积累了丰富的花卉植物栽培和管理经验，使得花卉植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献5：刘家女，周启星，孙挺，等.花卉植物应用于污染土壤修复的可行性研究.应用生态学报，2006，18：1617-1623.]。因此，从花卉植物中筛选富集/超富集植物并用于植物修复是切实可行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种去除土壤中镉污染的植物修复方法，解决现有技术中存在的不能同时超量积累多种重金属、生物量较小、生长缓慢等问题，该方法操作性强，费用低廉，不破坏土壤理化性质，同时还能美化环境。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法，主要包括：

1.在镉污染土壤上种植花环菊，当植物生长成熟后，将植株整体从污染土壤上移走，从而实现去除土壤中过量镉的目的。

2.所述种植花环菊是将含4-6片真叶的花环菊幼苗种植在镉污染土壤。

3.所述在镉污染土壤中种植的花环菊采用网室栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。

4.所述在镉污染土壤中种植的花环菊，当植物生长到成熟期时将植物整体移除。再种植下一茬植物，重复上述操作，直至彻底去除土壤中过量的镉。

本发明所采用的修复植物为花环菊：花环菊(Chrysanthemum carinatum)为菊科、茼蒿属，一、二年生草本植物。茎直立多分枝，株高30厘米至70厘米，叶二回羽裂。头状花序，花冠有红、粉、黄、白和紫等色，常二、三色呈复色环状，花期6-9月。

本发明所具有的优点如下：

1、本发明方法采用富集植物修复镉污染土壤，与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、技术要求不高等优点。同时，作为一种绿色原位修复技术，将收获的植株进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因重金属污染而引起的土壤退化和生产力下降。另外，作为一种观赏植物，利用花环菊修复镉污染土壤的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的生态效益。

2、本发明方法是将花环菊(Chrysanthemum carinatum)种植于镉污染土壤中，当土壤中镉浓度≤25mg/kg时，植物地上部生物量没有显著受到抑制。同时，地上部还能从土壤中累积大量的镉，当镉投加浓度为25mg/kg时，该植物地上部镉含量达到116.34mg/kg，超过镉超富集植物临界含量标准100mg/kg，说明了花环菊对镉污染具有很强的耐性和富集能力。因而，将花环菊种植在镉污染土壤中，当植物生长成熟后将植株移除并集中并妥善处理，从而达到除去土壤中镉的目的。并通过连续种植该种植物，重复上述步骤，植物不断从污染土壤中提取吸收大量的镉，直至土壤中镉含量达到环境安全标准。采用本发明可操作性强，成本低，修复污染土壤的同时又能美化环境。

附图说明

图1为不同浓度镉处理对花环菊生物量的检测图。

图2为不同浓度镉处理下花环菊体内镉积累量的检测图。

具体实施方式

本实验于2009年进行。实验地点设在中国科学院沈阳应用生态所网室内，盆栽试验土壤采自该站无污染区表土(0-20cm)，土壤类型为草甸棕壤，当花环菊幼苗生长至含4-6片真叶时，将其种植在镉污染土壤中。实验共设6个处理，分别为：CK(对照，不投加镉)、10mg/kg、25mg/kg、50mg/kg、100mg/kg和200mg/kg，每个处理重复3次，以CdCl₂·2.5H₂O的形式加入。平衡3周后，选择生长一致的花环菊，分别移栽入各盆中，每盆2棵苗，为了使其在自然状况下生长，不施底肥且露天栽培，根据盆中土壤缺水情况，不定期浇水(水中未检出Cd)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的75-85％左右。为防止污染物淋溶渗漏损失，在盆下放置塑料托盘并将渗漏液倒回盆中，植物生长时间为85天。而后将植物从污染土壤上移走，再种植下一茬花环菊，重复上述操作。

将收割的植物样品分为根、茎、叶3部分，分别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，在105℃杀青10min。之后，在70℃下烘干至衡重，将植物样品粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积为3∶1)，原子吸收分光光度计测定样品中的Cd含量。

所有检测的数据都重复3次，在计算机上用Microsoft Excel 2003进行平均值和标准差的运算，以Mean±SD形式表示，并利用最小显著性差异测验(LSD测验)进行植物样品差异显著性测验(参见表1、表2、图1和图2)。

实验结果：

参见图1可知，花环菊对镉污染具有一定的耐性能力。施加镉抑制了花环菊生长和发育，表现出地上部生物量(g/pot，即：克/盆)有所降低。当镉处理浓度为10-25mg/kg时，与对照相比，其地上部生物量分别减少了35.9％和38.5％，但生物量并没有显著受到抑制(p＞0.05)。而当镉投加浓度超过25mg/kg时，其地上部生物量则显著降低(p＜0.05)，与对照相比，当土壤中镉浓度达到50、100和200mg/kg时，分别降低了48.7％、48.7％和6.9％。由上可知，在一定浓度镉污染水平下，花环菊表现出对镉有很强的耐性特征。

参见表1可知，随着土壤中镉投加浓度的增加，花环菊体内各部分镉含量呈极显著的线性增加关系，通过一元线性回归分析可得回归方程分别为：

根：Y＝74.85X-80.24；R²＝0.854(显著性p＜0.01)；

茎：Y＝58.97X-62.76；R²＝0.968(显著性p＜0.01)；

叶：Y＝50.54X-49.27；R²＝.838(显著性p＜0.01)；

地上部：Y＝52.65X-52.60；R²＝0.898(显著性p＜0.01)；

其中，Y表示的是植物各部分镉含量；X表示的是土壤中镉含量。

植物体内镉含量表现为：根＞茎、叶和地上部。在本实验中，当花环菊幼苗地上部干重没有受到显著抑制时(Cd 25mg/kg)，茎、叶和地上部Cd含量分别达到108.32、120.22和116.34mg/kg，超过Cd超富集植物临界含量标准，即100mg/kg。

表1镉处理浓度下花环菊不同部位镉含量(mg/kg)

参见表2可知，花环菊对镉有很强的吸收和富集能力。富集系数是指植物中重金属含量与土壤中重金属元素含量之比。富集系数是表征土壤-植物系统中重金属元素的迁移的难易程度，也是反映植物将重金属通过吸收转移到体内能力大小的评价指标，即富集系数越高，表明植物对重金属的吸收累积能力就越强，越有利于植物提取修复污染土壤。由表可知，花环菊对镉的富集能力很强，其富集介于6.34-1.55，都大于1.0，具备镉超富集植物富集系数特征。然而，随着土壤中镉浓度的增大，其富集系数逐渐减少，说明了高浓度镉处理抑制了植物对镉的吸收和积累。

表2不同镉处理浓度下花环菊对镉的富集系数、转移系数和提取率

转移系数是指地上部重金属元素的含量与地下部同种重金属元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上部运输和富集能力。转移系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力就越强。由表2可知，花环菊的转移系数介于0.88-0.59，都小于1.0。说明镉由根向地上部转运能力较差。

重金属的提取率是指植物重金属积累量与土壤中重金属含量之比，它是评价超富集植物提取修复重金属污染土壤潜力的重要指标之一。由表2可知，花环菊的提取率系数介于0.50％-0.02％，且随之土壤中镉浓度的增加，其提取率基本上随之减少。

参见图2可知，随着土壤镉浓度的增加，其体内镉积累量(μg/pot，即：微克/盆)叶随之增加。且地上部镉积累量大于根部，达到0.06-1.30倍。地上部镉积累量高于根部，通过收获植株地上部，也能达到去除污染土壤中镉。

上述实验结果表明，花环菊对一定程度的镉污染具有较强的耐受能力，当土壤中镉投加浓度≥25mg/kg时，植物茎、叶和地上部镉含量达到镉超富集植物的标准，所有处理中植物对镉的富集系数＞1.0，而且地上部镉积累量大于根部。这些特征使得花环菊在修复镉污染土壤有一定的应用潜力。

Claims (4)

1.一种利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植花环菊，从而实现去除土壤中过量镉的目的。

2.按照权利要求1所述的利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述植物花环菊是将含4-6片真叶的花环菊幼苗种植在镉污染土壤中，所属植物为镉富集植物。

3.按照权利要求1所述的利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植的花环菊采用在网室中栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％。

4.按照权利要求1所述的利用观赏植物花环菊修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植花环菊，花环菊从污染土壤中吸收镉并向地上部富集，当花环菊生长成熟后，将植株从污染土壤上整体移除，通过连续种植植物，并重复上述操作，直至彻底去除污染土壤中的镉。

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