CN102246642A - 一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物修复技术，具体地说是一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法。具体方法为：以受重金属复合污染的矿业废弃地为种植地，选择本土植物为筛选植物，在矿业废弃地上种植筛选植物，通过测定植物的金属元素含量、生长速度和生物量，对照重金属超积累植物的标准，评价植物的超积累特性，筛选出重金属超积累植物。本发明精确性和稳定性高、实验周期短、实验成本低和操作简单，采用本发明的筛选方法筛选出的重金属超积累植物具有生长速度快、生物量大、适应性好和积累性强等优势，植物修复的潜力较大。

Description

一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法

技术领域

本发明涉及一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法。属污染生态学、植物修复技术领域。

技术背景

土壤重金属污染已经成为一个世界性的环境问题，重金属污染土壤对农作物的影响，不仅表现在减少作物产量和降低农产品品质，更为严重的是这些污染物可以在土壤中存在几十年、甚至数百年都不会被降解，并且通过食物链进入动植物和人体危害人畜健康。长期以来，人们都在致力于重金属污染土壤的治理与修复，先后发明了物理修复、化学修复和生物修复等技术。植物修复技术属生物修复的范畴，是以植物忍耐和超积累某些污染物的理论为基础，利用超积累植物根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运输至植物的地上部分，通过收割植株并集中处理移除土壤中污染物的技术，其核心是筛选合适的超积累植物。由于植物修复具有物理、化学修复所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水二次污染以及能进行大规模治污等优势，被国际上列入未来非常有前途的土壤重金属污染治理技术。

目前，筛选重金属超积累植物的途径主要有三条，即野外找寻、室内盆栽筛选和植物育种。野生型超积累植物生态适应性好，重金属超富集能力强，但植株矮小，生长速度慢，生物量小，不利于机械收获和大规模的工程治理；室内盆栽试验易于控制，重复性好，结果比较精确，但筛选出的重金属超积累植物生态适应性较差，影响大田种植效果；传统的植物育种周期长，种质资源有限，实际应用很少；采用基因工程技术，可使重金属超积累植物的生物学性状得到较大的改善和提高，但受条件和技术所限，其应用受到极大的限制。迄今，全世界大约发现了500种重金属超积累植物，但主要停留在理论研究阶段，大田修复试验成功的报道还不多，筛选生物量大、生长快、适应性强的重金属超积累植物，是植物修复领域的重要课题。

矿业废弃地是指废弃矿址、尾矿堆、洗选厂址等土壤重金属含量背景值高的地区。矿业废弃地多为重金属复合污染，随着土壤特性的改善和重金属对植物毒性的降低，经过自然演替，这些原本植被严重退化或寸草不生的重金属异常污染区也会形成独特的自然植被，其中包括一些重金属超积累植物。因此，在矿业废弃地引种或种植特定植物，可以筛选到理想的对重金属超积累植物。

发明内容

本发明的目的是为重金属超积累植物提供一种结果稳定精确的筛选技术，该技术具有实验周期短、操作简便、成本低廉的特征。

实现本发明目的的技术方案：一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其特征是：以矿业废弃地为种植地，选择矿业废弃地所在区域的本土植物为筛选植物，在种植地种植筛选植物后，测定植株体内的重金属含量，同时测定株高和生物量，对照重金属超积累植物的评价标准，评价其超积累特性，由此筛选出重金属超积累植物。

所述的测定植株体内的重金属含量时，采用干灰化-原子吸收分光光度法测定。

所述的利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其筛选步骤依次为：

步骤1、选择复合重金属污染、自然条件较好的矿业废弃地为种植地，调查种植地的环境条件和自然植被，采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定土壤金属含量；

步骤2、选择适应种植地所在地区气候环境条件的本土植物为筛选植物，所选植物具有生长速度快、生物量大、耐瘠薄的特点；

步骤3、根据筛选植物的类别和种植材料的要求，整理种植地，使之土壤深度适宜，土壤颗粒细小，无杂草生长；

步骤4、选择取材和栽种易的种植材料栽种，栽种后及时中耕管理；

步骤5、用干灰化-原子吸收分光光度法测定所栽种的种植材料植株体内的重金属含量，同时测定株高和生物量，对照重金属超积累植物的标准，评价其超积累特性，筛选出重金属超积累植物；重金属超积累植物的评价标准：植株叶片或地上部分含Au达到1mg/kg，Cd达到100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb、As达到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000mg/kg以上，且同时满足S/R＞1的植物，S和R分别指植物地上部分和根部重金属的含量。

其筛选步骤1中种植地土壤金属含量测定，采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提-原子吸收分光光度法测定。

本发明筛选重金属超积累植物所用试验材料及仪器设备：

植物材料：蓖麻(Ricinus communis)种子；

化学试剂：(1)DTPA[二乙烯三胺五乙酸]；(2)HNO₃；(3)HCl；(4)HClO₄；

主要仪器：马弗炉、分光光度计、电热干燥箱、生物培养箱。

本发明筛选重金属超积累植物的操作步骤依次为：

第一步、选择种植地

种植地位于湖北大冶铜绿山铜矿露采场附近的废弃开采区，试验前调查自然概况，测定土壤的金属元素含量。

第二步、确定筛选植物

选择大冶铜绿山自然散生的野生蓖麻为筛选植物。蓖麻株型高大，根系发达，耐瘠薄，适应性强，在我国各地均有栽培，是理想的环保植物和经济价值较高的油料作物。

第三步、种植地整理

采用机械加人工的方法整理种植地。种植地用机械深翻后，进行人工平整，使之适合蓖麻播种和生长。

第四步、种植与管理

以野生蓖麻种子为种植材料。播种前进行种子发芽试验，检验种子的质量；播种时进行药剂消毒和催芽，提高播种的成苗率；播种出苗后及时间苗、定苗和中耕管理。

第五步、评价与筛选

测定蓖麻成株的株高、生物量和体内重金属含量，评价蓖麻的重金属超积累特性。重金属超积累植物的标准为：植株叶片或地上部分(DW，干重)含Au达到1mg/kg，Cd达到100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb、As达到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000mg/kg以上，且同时满足S/R＞1的植物(Brooks，1977)，其中S和R分别指植物地上部分和根部重金属的含量。

具体实施方式

利用矿业废弃地筛选超积累植物的操作步骤依次为：

1、种植地概况

①面积：种植地分为3个小区，每个小区400m²，共计1200m²。

②自然条件：种植地所在矿区地质属岩浆期后矽卡岩型接触交代含铜磁铁矿，土体较疏松，长期的强烈风化侵蚀和开采过程中遗存的矿渣，成为重要的土壤污染物。本区年均气温17℃，年均降雨量1632.5mm，雨量充沛，降水季节明显，多集中在3～8月；植被为由狗牙根(Cynodon dactylon)、白茅(Imperata cylindraca)、野胡萝卜(Daucus carota)、稗草(Echinochlon crusgalli)、酸模叶蓼(Polygonum sp.)等构成的草丛。

③土壤重金属元素含量：于种植地随机采集深0～15cm土层的混合土样，经室内风干，磨碎，过100目筛，混合酸(HNO₃+HCl+HClO₄，三种酸的摩尔比例为1∶3∶1)消化，定容，DTPA浸提(pH7.3，土样与DTPA质量比＝2∶1)-原子吸收分光光度法测定土壤金属含量，结果表明(见表1)，种植地土壤含有Cu、Fe、Zn、Mn、Pb等金属元素，其中Cu、Zn、Mn等重金属元素的平均含量依次为5829.33mg·kg^-1、214.78mg·kg^-1和1424.48mg·kg^-1，远大于土壤中植物Cu、Zn、Mn的中毒临界值，属于复合重金属污染土壤。土壤中植物中毒临界值：Cu为100mg·kg^-1、Zn为50mg·kg^-1，Mn为300mg·kg^-1。

上述情况表明，种植地的自然条件和土壤重金属含量，符合本发明筛选重金属超积累植物的要求。

表1试验区土壤的金属元素含量(mg·kg^-1)

2、采集蓖麻种子

于上一年的10月下旬选择睛天采集成熟、无病虫、饱满的野生蓖麻种子，经充分晒干后含水量低于11％，置于放有干燥剂的干燥器皿内保存备用。

3、整地

于当年3月上旬，用犁耙深耕土壤至15～20cm，深埋杂草种子，使土层疏松细软，有机质与土壤混合。按株行距80～70cm挖塘口，塘口大小为30×30cm，向塘口内填入细土，使塘口平面低于地表3～5cm。

4、播种及播后管理

①播种时间：4月上旬或气温稳定在15℃以上；

②晒种：选择晴好天气，将蓖麻种子置于干燥的水泥地上翻晒2～3d；

③发芽试验：将蓖麻种子用25～35℃温水浸泡24h后捞出，置于生物培养箱内催芽，25℃培养5d后，计算发芽率；

④种子消毒：将蓖麻种子用多菌灵粉剂的500倍质量水稀释液浸泡2h后，用清水浸泡种子4～6h；

⑤播种：将蓖麻种子放入步骤3的塘口内，覆盖细土3～5cm，使塘口平面与地表持平，每个塘口播种2～3粒；

⑥间苗定苗：播种后，待第4片真叶长出时，按照每个塘口1株定苗，去掉高脚苗和瘦苗，保留健壮苗；对未出苗的塘口及时进行补播或移栽；

⑦中耕管理：蓖麻幼苗长出第6片真叶后，及时进行中耕，铲除杂草，疏松土壤，消灭害虫，培土保墒，改善土壤环境以调节土壤的水、气、热，促进蓖麻的根系发育，为蓖麻的后期生长创造条件。

5、评价蓖麻的超积累特性

①取样：于10月下旬，按对角线法五点取样，每个小区选取蓖麻成株10株；

②测蓖麻株高和鲜重：经观察，蓖麻株形高大，根系发达，生长在矿业废弃地的蓖麻，成株株高为2.26～3.68m，平均2.53m；单株鲜重(含根)为2.55～3.82kg，平均2.84kg，表明蓖麻耐瘠薄，适应性强；

③测干重：先用自来水冲洗蓖麻植株表面染物后，用去离子水冲洗后晾干，分别采集蓖麻的根、茎、叶样品，将不同植株的相同器官样品进行混合，取混合样；将样品转入电热干燥箱中110℃杀青20min，80℃烘干到恒重称量，结果表明，成熟期蓖麻单株干物质量(含根)为0.47～1.02kg，平均0.65kg，按株行距70～100cm计算，生物量达到4500kg/hm²(DW，干重)，生物量较大；

④测重金属含量：将烘干的蓖麻样品研磨过60目筛，取0.5g样品，600℃灰化5h，灰化样品加入王水消化，用浓度2wt％HNO₃定容至50ml，过虑后用原子吸收分光光度计测定样品的重金属元素含量。结果表明(见表2)，蓖麻成株体内的金属元素含量(DW)由高到低为Fe：8654.53～18548.09mg·kg^-1，平均12809.56mg·kg^-1；Zn：2499.30～4786.12mg·kg^-1，平均4169.93mg·kg^-1；Mn：953.91～4979.4mg·kg^-1，平均2134.92mg·kg^-1；Cu：1077.5～2898.46mg·kg^-1，平均2019.04mg·kg^-1；Pb：60.73～377.18mg·kg^-1，平均207.6mg·kg^-1。其地上部分金属元素含量(DW)由高到低为Fe：2469.58～3952.52mg·kg^-1，平均3153.02mg·kg^-1；Zn：1164.74～2976.73mg·kg^-1，平均2237.95mg·kg^-1；Mn：284.71～2014.13mg·kg^-1，平均865.74mg·kg^-1；Cu：335.04～1017.77mg·kg^-1，平均761.12mg·kg^-1；Pb：26.07～215.65mg·kg^-1，平均115.18mg·kg^-1。

对照重金属超积累植物的评价标准，试验测试的5个样品中，蓖麻地上部分(DW)含Cu量4号样品达到1017.77mg·kg^-1，符合超积累植物的标准；5号样品908.42mg·kg^-1，3号样品902.04mg·kg-¹(S/R＝0.988)，接近重金属超积累植物的水平。蓖麻体内Zn、Mn、Pb等重金属元素的含量虽然未达到重金属超积累的水平，但仍有较高的含量。

表2蓖麻成株体内的金属元素含量

从上述操作步骤可以看出，与野外找寻、室内盆栽筛选和植物育种等方法相比，利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法具有如下特点：

1、精确性和稳定性高。本发明选择重金属含量较高的大冶铜绿山采矿废弃地为试验地，以当地生长的野生蓖麻为筛选植物，结果发现，蓖麻能够较好地适应采矿废弃地的土壤环境，并保持较好的长势。经测定，蓖麻成株平均株高为2.53m，平均鲜重(含根)为2.84kg/株，平均干物质量(含根)为0.65kg/株，生物量达到4500kg/hm²(干重)；植株地上部分(干重)Cu含量达到超积累水平。试验结果表明，所筛选的蓖麻耐瘠薄，适应性强，生物量大，是一种新的Cu超积累植物，之后经过连续三年的反复试验进一步得到确认。

2、实验周期短。本发明利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物，在确定试验地和筛选植物后，从4月上旬蓖麻播种开始，到10月下旬收获成株和评价筛选，只需一个生长季节即可完成，所需时间较短。

3、实验成本低。本发明所使用的试验地矿业废弃地在矿区随处可见，用于筛选的本土植物易于获得，试验中使用的仪器较少且都属于常规仪器，所需药品容易购买、量少，实验的成本较低。

4、操作简单。本发明所涉及的植物种植与管理、土壤和植物重金属含量测试分析、植物株高和干鲜重测定等操作过程，都是比较成熟的技术，操作较为简单，一般人员经过简单的培训都能掌握。

Claims (4)

1.一种利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其特征是：以矿业废弃地为种植地，选择矿业废弃地所在区域的本土植物为筛选植物，在种植地种植筛选植物后，测定植株体内的重金属含量，同时测定株高和生物量，对照重金属超积累植物的评价标准，评价其超积累特性，由此筛选出重金属超积累植物。

2.根据权利要求1所述的利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其特征是：所述的测定植株体内的重金属含量时，采用干灰化-原子吸收分光光度法测定。

3.根据权利要求1所述的利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其特征是筛选步骤依次为：

步骤1、选择复合重金属污染、自然条件较好的矿业废弃地为种植地，调查种植地的环境条件和自然植被，采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定土壤金属含量；

步骤2、选择适应种植地所在地区气候环境条件的本土植物为筛选植物，所选植物具有生长速度快、生物量大、耐瘠薄的特点；

步骤3、根据筛选植物的类别和种植材料的要求，整理种植地，使之土壤深度适宜，土壤颗粒细小，无杂草生长；

步骤4、选择取材和栽种易的种植材料栽种，栽种后及时中耕管理；

步骤5、用干灰化-原子吸收分光光度法测定所栽种的种植材料植株体内的重金属含量，同时测定株高和生物量，对照重金属超积累植物的标准，评价其超积累特性，筛选出重金属超积累植物；重金属超积累植物的评价标准：植株叶片或地上部分含Au达到1mg/kg，Cd达到100mg/kg，Co、Cu、Ni、Pb、As达到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000mg/kg以上，且同时满足S/R＞1的植物，S和R分别指植物地上部分和根部重金属的含量。

4.根据权利要求2所述的利用矿业废弃地筛选重金属超积累植物的方法，其特征是：筛选步骤1中种植地土壤金属含量测定，采用二乙烯三胺五乙酸浸提-原子吸收分光光度法测定。