CN102379220A

CN102379220A - 一种从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法

Info

Publication number: CN102379220A
Application number: CN2010102714493A
Authority: CN
Inventors: 刘周莉; 何兴元; 陈玮
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是从藤本植物中筛选出超富集/积累植物的方法，解决现有技术中存在的超富集/积累植物绝大多数生长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，修复时间较长，很难进行机械收获作业，难以满足大规模商业应用的需要等问题。具体方法为：首先通过野外调查搜集矿区附近的藤本植物，经初步筛选试验筛选出耐性和富集/积累性强的藤本植物，然后通过水培和土培试验进一步确定超富集/积累藤本植物及挖掘其植物修复潜力。采用本发明的筛选方法具有很高的应用价值，它可以在治理环境污染的同时有效增加绿量、改善地面景观、调节人类视觉感官，既可带来生态效益，又可收获环境效益和社会效益。

Description

一种从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种从藤本植物中筛选出超富集/积累植物的方法。

背景技术

随着世界各国对土壤重金属污染问题关注度的提高，污染土壤的修复技术也得到很快的发展。综观世界污染土壤修复技术，常用的传统修复技术，如客土法、玻璃化法、电化学法、热处理法和淋洗法等，主要是通过改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定从而降低其在环境中的迁移性和生物可利用性，或减少土壤表层污染物的浓度，从而减轻其危害[文献1：夏星辉，陈静生.1997.土壤重金属污染治理方法研究进展.环境科学，18(3)：72-76.]。虽然传统修复技术中有一些已比较成熟，但对于污染面积巨大的土壤，在经济上则难以承受，在技术方面也较难实施[文献2：周启星，宋玉芳等.2004.污染土壤修复原理与方法.北京：科学出版社.]。植物修复技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不易造成二次污染等优点，是近20年来发展起来的一项新兴的“绿色修复技术”，现已成为当前国内外环境科学领域的前沿热点研究问题[文献3：Chaney RL，Malik M，Li YM.1997.Phytoremediation of soil metals.CurrentOpinions in Biotechnology，8：279-284.]。

植物修复的概念最早由Chaney于1983年提出，植物修复(Phytoremediation)是一种利用自然生长或遗传培育出的植物修复重金属污染土壤的技术，有广义和狭义之分。广义的植物修复包括利用植物(包括乔、灌、草)来吸收、提取、固定、分解和清除土壤、大气和水体中的重金属及各种有机物等污染物质，而狭义的植物修复主要是指利用植物及其根际圈微生物来修复污染土壤。通常我们所提到的植物修复主要是指利用超富集植物(对某些重金属具有特殊吸收和富集能力的植物种或基因型)提取来去除污染土壤中的重金属，从而降低土壤中的重金属含量，以使其达到个人或公共使用标准[文献4：魏树和，周启星.2004.重金属污染土壤植物修复的基本原理及强化措施探讨.生态学杂志，23(1)：65-72.]。根据其作用过程和机理，植物修复技术可分为植物提取(Phytoextraction)、植物挥发(Phytovolatilization)和植物固定(Phytostabilization)等类型，在植物修复技术中，植物提取被认为是最有发展前途的技术方式[文献5：Wong MH.2003.Ecological restoration of mine degraded soils，with emphasis on metal contaminatedsoils.Chemosphere，23(1)：65-72.]。植物提取，即利用超富集/积累植物对重金属的超量富集作用，通过重复种植并移去超富集植物，从而有效去除污染土壤中超标重金属的方法。

超富集/积累植物(Hyperaccumulator)一词最初是由Brooks等提出的，当时是指植物茎中Ni含量大于1000mg/kg(干重)的植物[文献6：Brooks RR，Lee J，Reeves RD.1977.Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species ofindicator plants.Journal of Geochemical Exploration，7：49-77.]。1983年，Chaney首次提出将超富集植物应用于去除污染土壤中重金属的可能性。现在超富集植物的概念已扩大到植物对所有重金属元素的超量积累现象，即指能超量富集一种或几种重金属元素的植物。迄今为止，世界上已发现的超富集植物有450多种，其中Ni超富集植物占70％左右，此外还有Zn/Cd超富集植物遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)[文献7：Brown SL，Chaney RL，Angle JS，Baker AJM.1994.Zinc and cadmium uptakeby hyperaccumulator Thlaspi caerulescens and metal tolerant Silene vulgaris grown onsludge-amended soils.Environmental Science and Technology，29(6)：1581-1585.]，As超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)[文献8：Chen TB，Wei CY，Huang QF，Lu QG，FanZL.2002.Arsenic hyperaccumulator Pteris vittata L.and its arsenic accumulation.Chinese Science Bulletin，47：902-905.]，以及Mn超富集植物商陆(Phytolaccaacinosa Roxb.)等[文献9：薛生国，陈英旭，林琦，徐圣友，王远鹏.2003.中国首次发现的锰超积累植物---商陆.生态学报，23(5)：935-937.]。这些超富集/积累植物广泛分布于植物界的45个科[文献10：Zhao FJ，Hebmon RE，Lombi E，McLaughlin MJ，McGreth SP.2002.Characteristics of cadmium uptake in twocontrasting ecotype of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens.Journal ofExperimental Botany，53：535-543.]，其中绝大多数为十字花科植物，且研究较多的植物多集中在庭芥属(Alyssums)、芸苔属(Brassica)和遏蓝菜属(Thlaspi)等[文献11：邢前国，潘伟斌，张太平.2003.重金属污染土壤的植物修复技术.生态科学，22(3)：275-279.]。

虽然国内外在重金属污染土壤植物修复研究领域已取得较大进展，但总体来看，植物修复技术并不十分成熟，其重要原因在于许多已发现的超富集/积累植物绝大多数生长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，修复时间较长，很难进行机械收获作业，难以满足大规模商业应用的需要。因此，寻找更多的、更有效的超富集/积累植物是植物修复技术应用与推广中必须加以解决的一个重要问题。目前，尚未见有关藤本植物在这方面的报道。

藤本植物又称攀援植物，是一类不能自由直立、通过主茎缠绕或攀援器官攀援它物升高的植物的总称，包括木质藤本和草质藤本两类。近年来，随着工业的发展和城市化进程的加快，人口剧增，而人类的生存空间日益减少，这使得人们对应用于垂直绿化的藤本植物有了更多的需求，如果藤本植物能够在增加绿量、美化环境的同时，与环境治理和修复联系起来，尤其是从中筛选出超富集/积累藤本植物来修复污染土壤，将具有很好的研究价值和重要的现实意义。

选择藤本植物作为超富集/积累植物的筛选对象是具有一定依据的，藤本植物具备一些普通植物所缺少的特性：(1)从世界范围来看，藤本植物种质资源丰富、种类繁多，既有木质藤本也有草质藤本。就我国而言，在近3万种高等植物中，藤本植物约有3000多种，分属于80个科300多属之中，这为筛选工作的开展奠定了坚实的基础；(2)藤本植物具有生物量大、生长速度快、生长周期短、管理粗放、抗性强、适应性广和对土壤要求不严等显著特点，这些特点都可以很好地解决植物修复存在的难题；(3)藤本植物在大气污染物监测、环境治理和修复等方面均有重要的应用价值[文献12：卞咏梅，黄致远，赵树新.1996.植物叶面气孔扩散阻抗与净化空气能力的关系.植物资源与环境，5(2)：34-39；文献13：柴一新，祝宁，韩焕金.2002.城市绿化树种的滞尘效应-以哈尔滨市为例.应用生态学报，13(9)：1121-1126.]；(4)在治理环境污染的同时改善地面景观、调节人类视觉感官，既可带来生态效益，又可收获环境效益和社会效益。由此可见，从藤本植物中筛选超富集/积累植物是完全可行的。

发明内容

本发明的目的在于一种从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，解决现有技术中存在的超富集/积累植物绝大多数生长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，修复时间较长，很难进行机械收获作业，难以满足大规模商业应用的需要等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，包括如下步骤：

(1)筛选对象的确定：在矿区附近分布广泛、生物量大和生长良好的藤本植物；

(2)污染对象的确定：根据当地典型地区的重金属污染情况或根据国家危险毒物名录确定；

(3)重金属污染筛选试验：

A水培，将藤本植物以水培形式种植于较高浓度的重金属污染营养液中，营养液中重金属离子的浓度为5mg L^-1-50mg L^-1；

B从步骤A中筛选出耐性和富集/积累性强的藤本植物；

C土培，将筛选出的藤本植物种植于人工模拟的重金属污染土壤中，土壤中重金属离子的浓度为5mg kg^-1-200mg kg^-1；

D经试验处理后，将收获的植株分为根、茎和叶三部分，测定分析各部分富集/积累重金属含量，筛选出具有植物修复潜力的超富集/积累藤本植物。

所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，水培中所选用的培养基质为Hoagland营养液，再添加重金属污染物。

所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，土培中所选用的培养基质为当地未受污染的表层土壤，再添加重金属污染物。

所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，水培和土培试验中所投加的重金属污染物，均是按照模拟浓度投加的一种或几种优级纯易溶于水形成重金属盐离子的试剂。

所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，超富集/积累植物的主要特征包括：

(1)植物生长没有出现明显的毒害症状；

(2)达到超富集/积累植物临界含量标准，即植物地上部分富集/积累重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍及以上；

(3)植物中某重金属元素浓度与环境介质中该元素浓度比大于1，即富集系数大于1。

所述步骤B中，将步骤A所得数据输入计算机中，运用SPSS11.0统计分析软件进行数据方差分析，在营养液中重金属离子的浓度为5mg L^-1-50mg L^-1范围内，与对照相比，藤本植物叶、根和植株总生物量均无显著差异，显著性p＞0.05，表明藤本植物对重金属具有很强的耐性。

所述步骤D中，将步骤C所得数据输入计算机中，运用SPSS11.0统计分析软件进行数据方差分析，在土壤中重金属离子的浓度为5mg kg^-1-200mg kg^-1，与对照相比，藤本植物叶、根和植株总生物量均无显著差异，显著性p＞0.05，表明藤本植物对重金属具有很强的耐性。

所述步骤D中，随着土壤中重金属离子浓度的增加，植物体内各器官中Cd含量均显著增加，显著性p＜0.01，且在整个重金属离子处理过程中，富集系数均大于1，表明在高浓度的重金属离子污染条件下，藤本植物具有很强的Cd富集/积累能力。

本发明具有的优点：

采用本发明筛选超富集/积累植物的方法投资和维护成本低廉、操作简便、不造成二次污染且易于后处理，同时也可带来修复土壤恢复土地使用功能(如农业用地等)，改善居民生活环境等各种生态效益、环境效益和社会效益。

附图说明

图1为营养液中不同浓度Cd处理对金银花株高的影响。

图2为土壤中不同浓度Cd处理对金银花叶片含水量的影响。

具体实施方式

实施例1：对金银花的水培试验

镉(Cd)是土壤中剧毒重金属元素之一，其属于积累性毒害元素，且对机体具有“三致”作用，是辽宁地区具有典型代表性和急需治理的环境污染物。水培试验地点在中国科学院沈阳应用生态研究所树木园温室内，温室昼夜温度分别为(23±2)℃和(13±2)℃，自然光照射。水培基质使用Hoagland营养液[文献14：D.R.Hoagland，D.I.Arnon.1950.The water-culture for growing plants withoutsoil.California Agricultural Experiment Station Circuit，347.]，污染物以CdCl₂·2.5H₂O形式添加到营养液中，共设定5个Cd²⁺浓度梯度：0(对照CK)、5mgL^-1(T₁)、10mg L^-1(T₂)、25mg L^-1(T₃)和50mg L^-1(T₄)。选取长度10cm左右、粗细一致的枝条，砂培扦插培养6周，待到营养叶长出2～3片时，挑选长势一致的藤本植物幼苗种植于上述营养液中。每个处理设3次重复，每个重复有4株植株。处理期间观察植物的生长状况，每天用pH计测定营养液的pH值，并用0.1mmol·L^-1NaOH或0.1mmol·L^-1HCl调节营养液pH值至(5.8±0.1)，保持24h(小时)增氧泵连续通气，3d(天)更换1次营养液。将水培试验收获的植物样品分为根、茎和叶3部分，反复用自来水将根冲洗干净，再用20mmol L^-1乙二胺四乙酸二钠(Na₂-EDTA)交换15min，去除根系表面吸附的Cd²⁺，最后用去离子水冲洗干净，沥去水分，在105℃杀青10min之后，在70℃下烘干至衡量，将植物样品粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积比为3∶1)，采用美国Perkin Elmer公司生产的Optima3000型分段式全谱直读电感耦合等离子光谱仪(ICP-AES)测定样品中Cd元素的含量。

试验结果：

经不同浓度Cd处理直至收获时，金银花生长良好，并未表现出明显的毒害症状。试验结果表明，当Cd处理浓度为5mg L^-1时，金银花叶、根和植株总生物量与对照相比均有所增加，表现出明显的毒物兴奋效应(表1)。将试验所得数据输入计算机中，运用SPSS11.0统计分析软件进行数据方差分析。结果表明，当Cd胁迫达到较高浓度(25mg L^-1)时，与对照相比，金银花叶、根和植株总生物量均无显著差异(显著性p＞0.05)。以上结果表明金银花对重金属Cd具有很强的耐性。

表1水培试验条件下金银花叶、根和植株总干重生物量

由表2可见，金银花根部和地上部中Cd积累量均随着Cd处理浓度的增加而增加，且当Cd处理浓度为25mg L^-1时，金银花地上部中Cd含量达到286.12mg kg^-1，远远高于Cd超富集植物的临界含量标准，即茎或地上部分富集Cd超过100mgkg^-1；而当Cd处理浓度达到最大浓度(50mg L^-1)时，植物体内各器官富集Cd含量达到最大值，尤其根中Cd含量达到了1555.71mg kg^-1。在整个Cd处理过程中，金银花的富集系数均远远大于1，尤其在较高的浓度(25和50mg L^-1)Cd处理下，说明金银花对Cd具有很强的富集/积累能力，由此可初步推断金银花对Cd的积累特性已基本符合了超富集/积累植物的评价标准。

表2水培试验条件下金银花对Cd的积累特征

表中，DW代表干重生物量。

由图1可见，营养液中不同浓度Cd处理对金银花株高的影响。结果表明，在5～25mg L^-1Cd处理下，植株的株高有所增加，分别比对照增加0.23％、7.35％和5.83％，这表明低浓度Cd胁迫对金银花植株的生长具有一定的刺激作用。随着Cd处理浓度的增加，金银花株高有所降低，但变化幅度并不大，即使当Cd浓度达到最大处理浓度(50mg L^-1)时，植株的株高与对照相比仍无显著差异(p＞0.05)。

实施例2：对金银花的土培试验

土培试验地点在中国科学院沈阳应用生态研究所树木园，该场地位于沈阳市南运河的带状公园中段，地处41°46′N，123°26′E，树木园地势平坦，土层深厚肥沃，具有地带性棕壤草甸土特征，pH 7.0。该场地周围没有污染源，地处重金属未污染区，属暖温带半湿润季风型大陆性气候，四季分明，雨热同季。年平均气温7.8℃，极端平均低温(1月)为-12.7℃，极端平均高温(7月)24.6℃，年平均降水量734.5mm。土培试验土壤采自中国科学院沈阳应用生态研究所树木园0～20cm的表层土，土壤类型为棕壤草甸土。

参照我国国家土壤环境质量标准，本试验共设定7个处理，每个处理3次重复(每盆3株植物作为一次重复)，所设定的添加Cd²⁺浓度梯度为：0(对照CK)、5mg kg^-1(T₁)、10mg kg^-1(T₂)、25mg kg^-1(T₃)、50mg kg^-1(T₄)、100mgkg^-1(T₅)和200mg kg^-1(T₆)。供试土样经自然风干后，过3mm筛，污染物以CdCl₂·2.5H₂O形式添加到土壤中并充分混匀，待土样平衡四周后装入型号一致的花盆中。选取生长健壮、长势一致的金银花幼苗(高10-15cm的植株)移栽至盆中，每盆3株。在遮雨透光且通风良好的育苗架上培养，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-85％，根据污染土壤的肥力状况，适当施用促进金银花生长的氮、磷和钾肥。将土培试验收获的植物样品分为根、茎和叶3部分，反复用自来水将根冲洗干净，再用20mmol L^-1乙二胺四乙酸二钠(Na₂-EDTA)交换15min，去除根系表面吸附的Cd²⁺，最后用去离子水冲洗干净，沥去水分，在105℃杀青10min之后，在70℃下烘干至衡量，将植物样品粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积比为3∶1)，采用美国Perkin Elmer公司生产的Optima3000型分段式全谱直读电感耦合等离子光谱仪(ICP-AES)测定样品中Cd元素的含量。

试验结果：

经不同浓度Cd处理直至收获时，金银花生长并未表现出明显的毒害症状。试验结果表明，在较低Cd处理浓度处理时，金银花叶、根和植株总生物量与对照相比均有所增加，仍表现出明显的毒物兴奋效应(表3)。经方差分析结果表明，当Cd胁迫达到较高浓度(100和200mgkg^-1)时，与对照相比，金银花叶、根和植株总生物量均无显著差异(p＞0.05)。以上结果进一步验证金银花对重金属Cd具有很强的耐性，因而其具有应用于Cd污染土壤修复的潜力。

表3土培试验条件下金银花叶、根和植株总干重生物量

由表4可见，随着土壤中Cd处理浓度的增加，植物体内各器官中Cd含量均显著增加(p＜0.01)，且吸收的Cd主要累积在根部。当Cd处理浓度为50mg kg^-1时，金银花地上部中Cd含量达到182.49mg kg^-1，超过Cd超富集植物的临界含量标准；而当Cd处理浓度达到最大(200mg kg^-1)时，植物体内各器官富集Cd含量达到最大值，尤其根中Cd含量达到了1180.83mg kg^-1，且在整个Cd处理过程中，金银花的富集系数均大于1，由此可见，土培试验结果很好地验证了水培试验结果，在高浓度的Cd污染条件下，金银花具有很强的Cd富集/积累能力。

表4土培试验条件下金银花对Cd的积累特征

由图2可见，随着土壤中Cd处理浓度的增加，一些叶片出现失绿症状，并从叶基沿叶脉向上蔓延，植株叶片中含水量呈先上升后下降的变化趋势，说明高浓度的Cd胁迫对金银花体内水分平衡有一定影响，与对照相比，叶片含水量虽有所降低，但并未表现出显著差异(p＞0.05)。

结果表明，在镉污染土壤中种植金银花，金银花根系从污染土壤中吸收富集镉，并向地上部转移，当金银花进入成熟期后，将植物从污染土壤中移除，再种植新的金银花幼苗，多次重复操作，直至土壤中重金属镉达到国家环境安全标准或被彻底清除。

Claims

1.一种从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于：

(3)重金属污染筛选试验：

B从步骤A中筛选出耐性和富集/积累性强的藤本植物；

C土培，将筛选出的藤本植物种植于人工模拟的重金属污染土壤中，土壤中重金属离子的浓度为5mgkg^-1-200mg kg^-1；

2.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于：水培中所选用的培养基质为Hoagland营养液，再添加重金属污染物。

3.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于：土培中所选用的培养基质为当地未受污染的表层土壤，再添加重金属污染物。

4.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于：水培和土培试验中所投加的重金属污染物，均是按照模拟浓度投加的一种或几种优级纯易溶于水形成重金属盐离子的试剂。

5.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于，超富集/积累植物的主要特征包括：

(1)植物生长没有出现明显的毒害症状；

6.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于，所述步骤B中，将步骤A所得数据输入计算机中，运用SPSS11.0统计分析软件进行数据方差分析，在营养液中重金属离子的浓度为5mg L^-1-50mg L^-1范围内，与对照相比，藤本植物叶、根和植株总生物量均无显著差异，显著性p＞0.05，表明藤本植物对重金属具有很强的耐性。

7.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于，所述步骤D中，将步骤C所得数据输入计算机中，运用SPSS11.0统计分析软件进行数据方差分析，在土壤中重金属离子的浓度为5mg kg^-1-200mgkg^-1，与对照相比，藤本植物叶、根和植株总生物量均无显著差异，显著性p＞0.05，表明藤本植物对重金属具有很强的耐性。

8.根据权利要求1所述的从藤本植物中筛选超富集/积累植物的方法，其特征在于，所述步骤D中，随着土壤中重金属离子浓度的增加，植物体内各器官中Cd含量均显著增加，显著性p＜0.01，且在整个重金属离子处理过程中，富集系数均大于1，表明在高浓度的重金属离子污染条件下，藤本植物具有很强的Cd富集/积累能力。