CN102177802A - 苔草、结楼草、狗尾草在富集堆肥重金属中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草5种植物对生活垃圾堆肥中重金属的富集效应。通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草为研制材料，结果表明，植物不同器官对同一重金属的富集量不同，大多数植物表现为根的富集系数大于茎和叶。不同种植物对堆肥中的重金属表现出不同的富集效应。其中，苔草的茎和叶对Cd的富集系数分别达到1.6974和1.2165，均大于1，且苔草的茎和叶中Cd的含量高于根中的含量，具有很强的从根部向地上部运输Cd的能力，可作为重金属富集植物修复生活垃圾堆肥中重金属污染。

Description

苔草、结楼草、狗尾草在富集堆肥重金属中的应用

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市生活垃圾堆肥的治理及修复方法。更具体的说是一种植物包括：马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用。

背景技术

将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵，在人工控制条件下，利用微生物的生物化学作用，将垃圾中的有机物降解转化为稳定的类似腐殖质土壤物质的过程称为垃圾的堆肥处理。该处理过程将垃圾中的易腐有机物分解，转变成富含有机物和氮、磷、钾等营养元素的有机肥料，使垃圾实现从自然界又回到自然界的良性循环，是经济有效处理和消纳城市垃圾的重要途径。就我国垃圾的具体情况来看，生活垃圾中的易腐有机物含量较高，采用堆肥技术可以达到较好的处理效果。

将生活垃圾进行堆肥化处理既可解决城市垃圾的出路问题，又可达到再资源化的目的，具有一定的经济效益和社会效益。并且目前，世界各国都把城市固体废弃物的“无害化、减量化、资源化”的“三化”方针作为综合解决城市垃圾的原则，从这一发展趋势上看，采用堆肥法处理城市垃圾符合这一方向，并被视为处理城市生活垃圾、下水污泥的一条值得重视的途径。

由于垃圾堆肥中还含有重金属、病原菌等物质，因此直接用于农业使人们担心会造成农产品品质不良，污染环境，危害健康的负效应，从而严重影响了其农用前景。李秀文等（2001）研究了连续施用堆肥对大白菜品质的影响，结果表明：连续使用堆肥后大白菜维生素C的含量降低，且堆肥使用量越多降幅越大，大白菜粗纤维含量各处理均比对照有明显下降。垃圾堆肥中的重金属污染问题是最严重的负效应，如何降低堆肥中重金属的毒害效应，完善和提高堆肥技术和质量已经成为近年来垃圾堆肥研究中的热点问题。Vincent（1999）在美国Calverton农场研究发现垃圾堆肥中重金属含量是农场土壤的3～20倍，随着垃圾堆肥施入量的增加（21～62t/ha）土壤中重金属含量显著增加。Bhattacharyya等（2005）研究了施用垃圾堆肥对水稻（Oryza sativa L.）及土壤中Cu和Zn含量的影响，结果表明：Cu和Zn在水稻稻秆中的含量显著高于籽粒，同时垃圾堆肥明显地提高了土壤中可淋溶态Cu和Zn的含量。因此长期施用垃圾堆肥必须对植物和土壤中的重金属含量进行定期的监测以避免发生污染。

可见，垃圾堆肥是目前广泛应用且经济有效处理和消纳城市垃圾的重要途径之一。垃圾堆肥中含有丰富的N、P等有机养分，是发展农业、蔬菜、林木生产等方面的有效资源，它曾被当作有机肥料施入农田。但是近些年发现垃圾堆肥中重金属含量比较高，长期用于农田会导致土壤重金属污染，并在作物中富集，沿食物链对人体的健康构成威胁。因而如何降低垃圾堆肥中重金属的危害是一个重要的研究课题。

Saifullah（2009）在文章中总结植物提取的成功与否取决于生物量大小，植物中重金属浓度大小以及根中重金属可利用部分多少。

在倡导绿色技术的今天,对重金属污染进行绿色修复已显得十分必要，土壤重金属污染是全球面临的环境问题之一，许多研究人员曾对土壤重金属污染进行了大量的研究，作为一种廉价、安全的绿色治理技术—植物修复就是在这种形式下应运而生并成为国际研究和开发的一个重点。植物修复法（Phytoremediation）是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化处理)后即可将该重金属从土体中去除，达到治理污染与生态修复的目的。通过种植超富集植物或一些对重金属抗性强、具有一定吸收富集能力且生物量大的特殊植物逐步提取土壤中的有害元素，达到修复污染土壤的目的。

重金属在植物体内的分布除了与各种金属本身的性质差异有关外，还与各种植物的适应（对重金属的耐性）机制有关。长期生长在受重金属污染比较严重的地区的植物，由于长期受到高浓度有毒重金属的胁迫作用，会在生理生态特性上发生相应的变化以适应环境，这样，经过大自然筛选出来的一部分野生植物能够避免其毒害的同时超量吸收有毒重金属，另外一类就是不大吸收重金属的耐性植物。

魏树和等的研究表明，植物地上部分重金属含量与其地上部分生物量大小无关，在筛选重金属超富集植物时，植物地上部分重金属含量与植物地上部分生物量可以并重。因此，除植物本身的生长特性如植株大小、生长速率等外，植物对重金属的吸收和积累能力及其对重金属毒害的忍耐能力是决定植物是否适用于植物修复技术的主要因素。

目前对土壤重金属污染进行超富集植物修复的研究较多，但植物用于对生活垃圾堆肥中重金属富集的研究罕见报道。本发明就是在土壤重金属污染、植物修复法、超富集植物等的基础上，研究单子叶植物对生活垃圾堆肥中重金属的富集效应，从而筛选出堆肥中重金属污染的修复植物。农田植物是一类特殊的植物类群，它是在自然与人为干扰双重选择下形成的，它们具有生长快、抗性强、生物量大等特点。从植物中筛选重金属污染修复植物，可以弥补现有超富集植物的不足。

发明内容

本发明以五种植物为研究对象，通过分析研究它们对重金属的吸收富集特点，探讨它们在植物修复上的应用潜力，不仅为生活垃圾堆肥中重金属的修复提供依据，也可为土壤重金属的污染修复提供参考与借鉴。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；它是通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草为研制材料，当植物生长成熟时采集的整株鲜活植物；所述的重金属为Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb。优选植物苔草、结楼草根在修复生活垃圾堆肥重金属Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb方面的应用。

更加优选植物苔草在修复生活垃圾堆肥重金属Cd方面的应用。

更加优选植物结楼草在修复生活垃圾堆肥重金属Pb方面的应用。

本发明通过ICP-AES法测定马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草5种植物中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb6种重金属元素的含量，研究了5种植物对生活垃圾堆肥中重金属的富集效应。研究结果表明，植物不同器官对同一重金属的富集量不同，大多数植物表现为根的富集系数大于茎和叶。不同种植物对堆肥中的重金属表现出不同的富集效应。其中，苔草的茎和叶对Cd的富集系数分别达到1.6974和1.2165，均大于1，且苔草的茎和叶中Cd的含量高于根中的含量，具有很强的从根部向地上部运输Cd的能力，可作为重金属富集植物修复生活垃圾堆肥中重金属污染。

具体实施方式

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。

1

（1）修复基质制备：试验地于2004年建植，设在天津师范大学六里台校区，地理位置为北纬实验地设在天津师范大学校园内，地理位置为北纬39°13′、东经117°2′，属暖温带半湿润季风型气候，年平均气温12.3℃，平均降水量550～680 mm。生活垃圾堆肥取自天津小淀垃圾堆肥处理厂，实验地面积为10×22 m²，充分整地后，将总重为50t的生活垃圾堆肥平铺于试验地上，再通过镇压使堆肥变的结实平坦，通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植为马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草为研制材料；生活垃圾堆肥基质厚度为20cm，其植物为：马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草。当植物生长成熟时，采集整株鲜活植物。

（2）植物样品预处理：采集的植物样品，先用自来水冲洗干净泥土及其他粘附物，再用去离子水冲洗干净，将根茎叶分开，在90℃杀青30min，然后在70℃下恒温干燥至恒重，用研钵将干燥样品粉碎，密封备用。

（3）样品消化与测定：准确称取茎、叶、根各约0.3g置于小烧杯中，加入10 mL 高纯硝酸，盖上表面皿，于电热板上消化，控制温度在140—150℃ 。反应进行差不多时，加入高纯高氯酸1 mL，继续消化，至溶液澄清无色，最后赶高氯酸至溶液近干。将消化好的样品中加入0.5 mL高纯硝酸，稍加去离子水使其溶解，然后转移至10 mL 比色管中，用去离子水定容。消化液采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定其中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd及Pb的含量。

（4）堆肥基质的消化及测定：在采集植物样品的同时，采集堆肥基质，50℃烘干至恒重。准确称取堆肥（约0.5000g），加入1.5 mL H₂SO₄，3 mL HNO₃，9 mL HCl，恒温160℃加热，反应一定时间，至棕色气体很少时，在加0.5 mL HClO₄消化，至溶液澄清，沉淀为白色。升高温度，将溶液蒸发至近干。将消化好的堆肥样品中加入0.5 mL HNO₃，稍加去离子水使其溶解，然后转移至10 mL比色管中，用去离子水定容，贴上标签保存。待上层溶液澄清后，用ICP-AES光谱仪测测定其中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd及Pb的含量。

实施例2

植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值即富集系数（BCF），更能够反映植物对重金属积累能力大小。富集系数越大，其富集能力越强。尤其是植物地上部富集系数越大，越利于植物提取修复，因为地上部生物量比较容易收获。植物地上部富集系数大于1，意味着植物地上部某种重金属含量大于所生长土壤中该种重金属的浓度，是超富集植物区别于普通植物对重金属积累的一个重要特征。

（1）五种植物叶中的重金属元素含量

由表1可以看出，各植物对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb元素的吸收和积累特性存在差异。除苔草叶对Zn、Cd有较强的富集能力，其富集系数分别为1.0246、1.2165外，马唐、稗草、结楼草、狗尾草的叶对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的富集系数均小于1，即植物叶中的重金属含量均未超过基质中重金属的含量。

表1 五种植物叶中的重金属元素含量（μg/g）和富集系数

对于Mn元素，狗尾草的叶对Mn的富集作用稍强于其它4种植物叶，其富集系数略高于其它植物叶对Mn的富集系数，为0.1355，狗尾草叶Mn种元素的含量高达41.0789μg/g。马唐、稗草、苔草、结楼草的叶对Mn的富集系数相差不大，其叶中Mn元素含量相近。对于Ni元素，苔草叶对Ni的富集系数高于其它4种植物叶对Ni的富集系数，为0.1940，其次为结楼草，为0.0988。对于Cu元素，苔草叶对Cu的富集作用稍强,其富集系数为0.0984。对于Zn元素，苔草叶对Zn的吸收富集作用明显强于马唐、稗草、结楼草、狗尾草的叶对Zn的吸收富集作用，其富集系数为1.0246，且苔草叶中Zn元素含量高达468.5172μg/g，明显高于其它4种植物叶中Zn元素含量。对于Cd元素，苔草叶对Cd的吸收富集作用明显强于其它4种植物叶，其富集系数为1.2165，苔草叶中Cd元素含量高达1.6337μg/g。对于Pb元素，狗尾草的叶对Pb的富集系数略高于其它4种植物叶对Pb的富集系数，为0.4432。综合来看，马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草这5种植物的叶对Zn、Cd、Pb的吸收富集作用明显强于对Mn、Ni、Cu的吸收富集作用。

从同一种植物叶对不同元素的吸收富集作用的角度分析，对于马唐叶，其对Zn的富集系数最高为0.3214。对于稗草叶，其对Zn的富集系数最高为0.4180，其次为Pb,而对Mn、Ni、Cu的富集作用较小。对于苔草叶，其对Zn、Cd的富集系数均大于1，且明显高于对Mn、Ni、Cu、Pb的富集系数。对于结楼草叶，其对Pb的富集系数最高为0.3187，其次为Zn，而对Mn、Ni、Cu、Cd的富集系数较小，且相差不大。对于狗尾草叶，其对Pb的富集系数最高为0.4432，其次为Cd，为0.3589。综合来看，苔草叶对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb这6种元素的吸收富集作用强于其它4种植物叶。

（2） 五种植物茎中的重金属元素含量

由表2可以看出，只苔草茎对Cd有较强的富集能力，其富集系数为1.6974，且这五种植物对Zn的吸收富集作用稍强于对其它元素的富集。

对于Mn元素，马唐茎对Mn的富集系数较高，为0.0970，其它4种植物茎对Mn的富集系数相差不大，其叶中Mn元素含量相近。对于Ni元素，苔草茎对Ni的富集系数明显高于其它4种植物茎对Ni的富集系数，为0.3559，含量高达9.3092μg/g，其次为结楼草，富集系数为0.1701，其它3种植物茎对Ni的富集系数较小。对于Cu元素，苔草茎对Cu的富集作用稍强,其富集系数为0.1102。对于Zn元素，稗草茎对Zn的富集系数略高于其它4种植物茎对Zn的富集系数，为0.9792，且稗草茎中Zn元素含量高达447.7491μg/g，明显高于其它4种植物叶中Zn元素含量。对于Cd元素，苔草茎对Cd的吸收富集作用明显强于其它4种植物叶，其富集系数为1.6974，苔草叶茎中Cd元素含量高达2.2795μg/g，其次为狗尾草茎，富集系数为0.4348。对于Pb元素，苔草、结楼草对Pb的富集系数明显高于其它4种植物叶对Pb的富集系数，分别为0.5795、0.5445，其茎中Pb元素含量分别为3.6409、3.4207，马唐茎对Pb的富集系数最小为0.0073。综合来看，马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草这5种植物的叶对Zn、Cd的吸收富集作用强于对Mn、Ni、Cu、Pb的吸收富集作用。

表2 五种植物茎中的重金属元素含量（μg/g）和富集系数

从同一种植物叶对不同元素的吸收富集作用的角度分析，对于马唐茎，其对Zn的富集系数最高为0.3822，其次为Cd。对于稗草茎，其对Zn的富集系数最高为0.9792，其茎中Zn元素含量高达447.7491μg/g。对于苔草茎，其对Cd的富集系数大于1，为1.6974，且明显高于对Mn、Ni、Cu、Pb的富集系数，苔草茎中Cd元素含量高达2.2795μg/g，对Zn、Pb的富集系数相差不大分别为0.5579、0.5795。对于结楼草茎，其对Zn的富集系数最高为0.5929，其次为Pb，富集系数为0.5445。对于狗尾草茎，其对Cd的富集系数最高为0.4348，其次为Zn，为0.3064。综合来看，苔草茎对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb这6种元素的吸收富集作用强于其它4种植物叶，尤其是对Cd的吸收富集作用。

（3）五种植物根中的重金属元素含量

由表3可以看出，五种植物的根对重金属的吸收富集作用明显强于其茎和叶对重金属的吸收富集作用，植物根内的各重金属含量远远大于其茎和叶中的重金属含量。五种植物对Pb的积累能力很强，表现在根部Pb富集系数均大于1，其中结楼草对Pb的富集系数高达4.5444，但因Pb主要积累在根部，茎和叶中的Pb含量较少，所以，这五种植物从根部向地上部运输Pb的能力较差，其对Pb的提取修复能力可能会受到限制．

对于Mn元素，苔草的根对Mn的富集作用稍强于其它4种植物根，其富集系数略高于其它植物叶对Mn的富集系数，为0.2909，其次依次为马唐、结楼草、稗草，但相差不大，狗尾草茎对Mn的富集系数最小。对于Ni元素，苔草根对Ni的富集系数高于其它4种植物叶对Ni的富集系数，为0.1940，其次为狗尾草，为0.4131。对于Cu元素，结楼草茎对Cu的富集作用稍强,其富集系数较大为0.3763，其含量高达114.8237。对于Zn元素，稗草茎对Zn的吸收富集作用明显强于马唐、苔草、结楼草、狗尾草的茎对Zn的吸收富集作用，其富集系数为1.3753，且稗草茎中Zn元素含量高达628.8977μg/g，明显高于其它4种植物茎中Zn元素含量，苔草、结楼草茎对Zn的富集系数也较高，分别为0.8399、0.7337。对于Cd元素，苔草、结楼草茎对Cd有较强的吸收富集作用，其富集系数分别为1.1366、1.3527，且苔草、结楼草茎中Cd元素含量高达1.5264、1.8166μg/g。对于Pb元素，5种植物的根对Pb都有强的吸收富集作用，其富集系数均大于1，分别为1.8110、2.2431、3.4627、4.5444、1.1379，说明植物根部Pb重金属含量大于所生长土壤中Pb重金属的浓度，特别是苔草、结楼草Pb元素含量高达21.7553、28.5510μg/g。综合来看，马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草这5种植物的根对Zn、Cd、Pb的吸收富集作用明显强于对Mn、Ni、Cu的吸收富集作用。

表3 五种植物根中的重金属元素含量（μg/g）和富集系数

从同一种植物叶对不同元素的吸收富集作用的角度分析，对于马唐根，其对Pb的富集系数最高为1.8110，其次为Zn、Cd，但相差不大。对于稗草根，其对Pb的富集系数最高为2.2431，含量高达14.0927μg/g，对Zn的富集作用也较强，其富集系数为1.3753，含量达628.8977μg/g。对于苔草根，其对Pb的富集系数最高为3.4627，含量高达21.7553μg/g，对Cd的富集作用也较强，其富集系数为1.1366，含量达1.5264μg/g。对于结楼草根，其对Pb的富集系数最高为4.5444，含量高达28.5510μg/g，对Cd的富集作用也较强，其富集系数为1.3527，含量达1.8166μg/g。对于狗尾草根，其对Pb的富集系数最高为1.1379，含量高达7.1489μg/g，对Cd的富集作用也较强，其富集系数为0.6979，含量达0.9372μg/g。综合来看，苔草、结楼草根对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb这6种元素的吸收富集作用强于其它3种植物叶。

（4）结论：

植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存的微生物体系，有效清除环境中污染物的一门环境污染治理技术，它已被当今世界迅速而广泛地接受。国内外科学家对于土壤重金属污染进行了大量的研究，但目前对于植物对生活垃圾堆肥中重金属富集效应的研究较少，本研究就是在土壤重金属污染、植物修复法、超积累植物等的基础上，研究单子叶植物对生活垃圾堆肥中重金属的富集效应，从而筛选出堆肥中重金属污染的修复植物。

综合以上结果，不同植物种类以及同一植物的不同器官对重金属的吸收富集作用明显不同。从植物根、茎和叶对重金属的富集系数来看，大多数植物表现为根的富集系数大于叶和茎，这可能是植物对重金属污染的一种适应，把土壤中的有害重金属阻滞在根部。Stolts认为，只有那些地上部分重金属含量大于跟部，且地上部分重金属含量大于土壤重金属浓度的少数植物对于重金属超富集植物的筛选可能更有意义。由三个表可以看出，苔草的叶和茎对Cd的富集系数较高，分别为102165、1.6974，且含量高于苔草根中Cd的含量，具有很强的从根部向地上部运输Cd的能力，具备了重金属超富集植物的基本特征。对生活垃圾堆肥重金属污染修复具有重要的实践意义。而且，五种植物根对Pb的富集系数都较大，尤其是结楼草对Pb的富集系数高达4.5444，其他四种植物对Pb的富集系数也大于1，对生活垃圾堆肥中重金属污染修复具有一定的研究意义。

Claims (4)

1. 马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；它是通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植马唐、稗草、苔草、结楼草、狗尾草为研制材料，当植物生长成熟时采集的整株鲜活植物；所述的重金属为Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb。

2.苔草、结楼草根植物在修复生活垃圾堆肥重金属Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb方面的应用。

3.苔草在修复生活垃圾堆肥重金属Cd方面的应用。

4.结楼草在修复生活垃圾堆肥重金属Pb方面的应用。