CN102755990A

CN102755990A - 一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN102755990A
Application number: CN201210271638XA
Authority: CN
Inventors: 曾清如; 杨洋; 彭亮; 彭星; 陈志鹏
Original assignee: Hunan Agricultural University
Current assignee: Hunan Agricultural University
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102755990B

Abstract

本发明涉及重金属污染土壤的植物修复技术，具体地说是一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，解决现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的植株矮小、生长缓慢、生物量低、吸收积累重金属总量少、只对单一重金属有耐性和富集能力、不具有较好的经济效益、实际应用综合效果不大等问题。该方法是将黄姜直接栽种在重金属复合污染的土壤中，进行常规地栽培。黄姜在污染土壤中能够正常地生长，没有出现明显的毒害症状，不影响黄姜块根皂素含量；而且其根系发达、生物量大，能够吸收积累大量的多种重金属；特别是重金属Zn、Cd在须根中的含量明显高于土壤本底值，达到了超富集的水平。采用本方法栽培较简单，管理费低，一次种植能多年受益，有很高的药用价值，又能避免重金属重新进入食物链，可以在治理污染的同时得到一定的经济收入。

Description

一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤是人类不可或缺、赖以生存的自然资源之一，也是生态环境的重要组成部分。随着工业的发展，城市污染加剧以及农业生产的不断进步，重金属伴随着外来有机化合物对土壤的污染日益严重（Pambrun V,Marquot A,Racault.Characterization of the toxic effects ofcadmium and3.5-dichlorophenol on nitrifying activity and mortality in biologically activatedsludge systems-effect of low temperature[J].Environ Science Pollution Resource.2008,15:592–599.），土壤重金属污染已经成为一个严峻的全球性环境问题。重金属污染会导致土壤的退化，降低农作物的产量和质量（骆永明，滕应.我国土壤污染退化状况及防治对策[J].土壤,2006,38(5):505-508.），并且随雨水和泥沙通过径流和淋溶作用进入地表水和地下水，造成水体污染（Mulligan C.N.,Yong R.N.,Gibbs B.F..Remediation technologies formetal-contaminated soils and ground water:an evaluation [J].Engineering Geology.2001,60:193-207.）；重金属在土壤中进行迁移转化，被植物或微生物吸收利用，进而通过食物链危及人类的生命和健康（Alloway B J.Heavy metals in soil[M].London:Blackie Academic&professional,1995:1-65.）。此外重金属在土壤系统中的污染过程具有迁移能力低、滞留时期长和不可被微生物或化学降解的特点（Kirpichtchikova T.A.,Manceau A.,Spadini L.,et al.Speciation and solubility of heavy metals in contaminated soil using X-ray microfluorescence,EXAFS spectroscopy,chemical extraction,and thermodynamic modeling[J].Geochimica etCosmochimica Acta.2006,70(9):2163–2190.）。因此，土壤重金属污染给植物、动物、微生物以及生态环境带来了巨大的损坏，对人体健康构成了潜在的威胁（McLaughlin M.J.,ZarcinasB.A.,Stevens D.P.,et al.Soil testing for heavy metals[J].Communications in Soil Science andPlantAnalysis.2000,31(11-14):1661-1700.）。

修复重金属污染土壤，恢复土壤原有功能，一直是国际上的难点和热点研究课题（Caecieatore DA,Mcneil MA.Principles of soil bioremediation[J].Biocycle.1995,36(10):61-64;Caplan JA.The worldwide biommediatlon industry:prospects forproits[J].TrendsBiotechnd.1993,11:320-323.）。比较经典的重金属污染治理方法是工程措施，通过客土、换土和翻土的机械物理原理，或热处理法、电化学法等物理化学原理，来降低土壤中重金属含量（Probstein RF,Hick RE.Removal of contaminants from soils by electric fields[J].Science.1993,260:498-503.）。根据重金属的化学性质还可采取一些改良措施，如添加改良剂、固化剂，抑制剂等降低土壤重金属的水溶性、迁移性以及有效性，使重金属固定在土壤中，以减轻其对生态环境的危害（Charles M.Wilk,Raghu Arora.Cement-based solidification/stabilization oflead-contaminated soil at a utah highway construction site[J].Remediation.1995,5(3):103-110.）。这两类方法往往投资昂贵，需用复杂的设备，难以应用于大规模污染土壤的改良，大多数只是改变的重金属的存在形态，暂时缓解重金属危害，而且常常导致土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化，很难恢复到土壤的原始状态等，并有可能造成二次污染破环环境，处理效率低（王向健,郑玉峰,赫冬青.重金属污染土壤修复技术现状与展望[J].环境保护科学.2004,30(122):48-49.）。经过多年的摸索，Brooks（Brooks RR,Lee J,Reeves RD,et al.Detection ofnickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicator plants[J].Journal of GeochemicalExploration.1977,7:49-57.）在1977年首次提出了重金属超富集植物的概念，超富集植物是植株体积累的重金属浓度比普通植物高出100倍的植物。到了二十世纪八十年代，美国科学家Chaney(Chaney RL.Plant uptake of inorganic waste.In:Parr J E,Marsh PB,Kla JM(eds)Landtreatment of hazardolls wastes[M].Noyes Data,Park Ridge,III.1983,50-76.)提出了运用植物来修复土壤重金属污染的设想。他提出用超富集植物修复重金属污染的土壤，当植物成熟收割后可带走土壤中的大量重金属，再进一步将重金属提纯作为工业原料，达到了修复土壤污染以及变废为宝的双重目的（Chaney R L,Angle J S,Broadhurst C L,et al.Improved understandingof hyperaccumulation yields commercial phytoextraction and phytomining technologies[J].Journalof Environmental Quality.2007,36:1429-1243.）。因为植物修复具有廉价和清洁的优势，又能产生良好生态效应并具有经济开发价值，植物修复成为了当今国内外学者研究的热点，且发展迅速，成为21世纪绿色环境修复技术之一。

在植物修复技术中，传统意义上的超富集植物往往植株矮小、生长缓慢、生物量低、或者吸收的重金属向茎叶运输的比例不够大（Wang KR.Tolerance of cultivated plants to Cadmiumand their utilization in polluted farmland soils[J].Acta Biotechnol.2002,22:189-198.;Brown SL,Chancy RL,Angle JS,et a1.Zinc and cadmium uptake by Thlaspi caerulescens and Silenecucubalis in relation to soil metals and soil pH[J].Environ.Qua1.1994,23:1151-1157.）；这些植物多为野生植物，对生态气候条件有着严格的要求，区域性很强（周振民,朱彦云.土壤重金属污染大生物量植物修复技术研究进展[J].灌溉排水学报.2009,28（6）:26-27.）；且大多本身不具有较好的经济效益等缺点，因而实际应用综合效果不大。近几年来人们开始趋向于寻找积累能力一般但抗性强、生物量大而修复效果好的植物，比如黑麦草和紫花苜蓿等。但这些植物积累的重金属可能会以饲料、肥料等形式进入或重新进入食物链，危害人体健康。因此，在植物修复的实际操作中，寻找抗性强、生物量大、生长周期短、吸收积累重金属总量多、而且又能避免重金属重新进入食物链的理想植物，比如用作造纸、纺织、制药等的植物，是一条更好的技术思路。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，以解决现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的植株矮小、生长缓慢、生物量低、吸收积累重金属总量少、只对单一重金属有耐性和富集能力、不具有较好的经济效益、实际应用综合效果不大等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

在重金属复合污染的土壤中种植黄姜，通过其自然生长过程中对重金属的吸收富集能力从而去除土壤中过量的重金属。

所述种植在重金属复合污染土壤中的黄姜是一种对重金属有超耐性的植物，其根部对重金属有超强的富集能力。

所述黄姜在重金属复合污染地区进行野外大田种植，选择土层深松的适应土地，进行常规的耕地，将黄姜种茎直播在污染土壤中，按常规追肥，当黄姜株高达到30cm时进行搭架，定期对农田进行除草、除虫等田间管理。

所述在重金属复合污染土壤中种植的黄姜，其根部从土壤中吸收大量的重金属，随着植物的生长，块根生物量的加大，其对重金属积累的总量也随之增加。当植物成熟后，地上部分枯萎，便可对黄姜块根进行采挖，再种植新的黄姜种茎，多次重复操作，能有效降低土壤中重金属的含量，从而修复污染土壤。

所述黄姜在重金属复合污染土壤中能正常生长，没有明显毒害症状，亩产约为8000-10000株左右，其块根成熟采挖后，测得100g含水率为70%的鲜姜块根可提取皂素0.7g左右。

本发明中的黄姜，又名盾叶薯蓣，多年生草本植物，为我国特有种，主要分布在我国的湖南、湖北、云贵高原、陕西、四川、河南等地。经试验表明，黄姜块根对多种重金属都有很强的耐性和富集能力。本发明充分利用黄姜对重金属的这一富集特性，将其种植在重金属复合污染的地区，吸收积累土壤中的重金属，黄姜成熟后通过挖采其地下部分来提取土壤中的重金属，从而达到降低污染土壤中重金属含量的目的。

本发明的有益效果是：

发明人通过试验研究发现，黄姜块根对多种重金属具有显著的富集特性，能在重金属复合污染的土壤中正常生长。本发明正是利用黄姜对重金属的这一耐性和富集特征，将其直接种植于重金属复合污染的地区，通过对成熟黄姜块根进行挖采和处理，以达到修复重金属复合污染土壤的目的。由于黄姜对土壤的适应性强，生长旺盛，根系发达，抗旱能力强，生长范围较广，栽培较简单，管理费低，一次种植能多年受益，其经济、药用价值很高，广泛应用于医药和民用工业，并且其经济利用方式又能避免重金属重新进入食物链。因此，本发明为土壤重金属复合污染的植物修复技术开发了新的植物资源品种，利用重金属污染土壤的种植产生经济效益，无论从生态学角度，还是从经济学角度都将具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明实例中初花期黄姜中重金属Cu、Zn、Pb的含量分析图一。

图2为本发明实例中初花期黄姜中重金属的含量分析图二。

图3为本发明实例中成熟期黄姜中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As的含量分析图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施列。

实施例1污染矿区土壤修复试验

试验地点为湖南郴州矿区受重金属污染的农田，该农田土壤为重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As的复合污染土壤（土壤重金属的本底值见表1）。

表1土壤中重金属的本底值单位：mg/kg

Cu	Zn	Pb	Cd	As
					122	311	1827	6.8	730

具体作法为：将黄姜的种茎直接播种于重金属复合污染土壤中，进行常规的施肥，当黄姜的株高达到30cm时进行搭架，定期对农田进行除草、除虫等田间管理。

在黄姜成长过程中，采集初花期和成熟期两个时期的黄姜植株样品。采回的黄姜植株样品，先用自来水将植株表面的泥土彻底清洗干净，把植株的各个部位（黄姜分为主根、须根、藤和叶片）分离开。然后再用去离子水将植株各部位清洗3遍，沥干水分后装入袋中，放入烘箱内：先在105℃杀青2小时，然后调至60℃下烘干48小时。烘好的植株干样用粉碎机粉碎后，分别称取0.4998---0.5000g样品粉末放入50ml干燥的消解管中，加入5.0ml浓硝酸，静置一个晚上然后将消解管放入微波加速反应系统进行消解。消解程序：15min升到55摄氏度，在此温度下保持15min，然后升温到75摄氏度并保持20min，再次升温到90摄氏度，在该温度下保持30min，待消解，系统降温到室温后，用超纯水定容到50ml，然后过滤到干净的PE塑料瓶中，用火焰原子吸收分光光度计测定样品中Cu、Zn、Pb,用原子荧光分光光度计测定样品中的As。

试验结果如下：

由图1、图2可见，初花期的黄姜对重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As的积累含量最高的部位是须根，其中Zn、Cd、As在须根中的积累含量分别为266.801mg/kg、6.58mg/kg、43.386mg/kg，与其他部位的含量相比尤为显著，是其他部位含量的几倍甚至10多倍。不同重金属在此时期黄姜中的积累情况表现为：Cu：须根>叶>藤>主根，Zn：须根>主根>叶>藤，Pb：须根>叶>主根>藤，Cd：须根>叶>主根=藤，As：须根>叶>主根>藤。初花期黄姜没有完全成熟，根部在积累重金属的同时还会向地上部分转移一部分重金属，所以表现出地上部分藤、叶和主根中的重金属含量差别不大，有的重金属含量甚至高于主根。

成熟期的黄姜仅以主根和须根部分的含量来进行说明。由图3可见，成熟期黄姜的须根和主根中各重金属的含量比初花期都出现大幅度地增加，说明黄姜在生长过程中其根部不断地吸收积累土壤中的重金属，对重金属有很强的富集能力。在这5种重金属中，Cd、Zn在须根中的浓度明显地高于土壤中的本底值，分别达到39.1mg/kg和399.87mg/kg，特别是须根中Cd的浓度为土壤中Cd本底值的5倍多，这进一步说明黄姜对土壤中的Cd和Zn有超富集的能力。综合以上结果表明，黄姜对土壤中的多种重金属有很强的吸收富集能力，具有应用于重金属复合污染土壤修复的潜力。

Claims

1.一种利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：将黄姜种植于重金属复合污染土壤中，通过其自然生长过程中对重金属的吸收富集能力从而去除土壤中过量的重金属。

2.根据权利要求1所述的利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述黄姜在重金属复合污染地区进行野外大田种植，选择土层深松的适应土地，进行常规的耕地，将黄姜种茎直播在污染土壤中，按常规追肥，当黄姜株高达到30cm时进行搭架，定期对农田进行田间管理。

3.根据权利要求1所述的利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述在重金属复合污染土壤中种植的黄姜成熟后，地上部分枯萎，对黄姜块根进行采挖，再种植新的黄姜种茎，多次重复操作，能有效降低土壤中重金属的含量，从而修复污染土壤。

4.根据权利要求1所述的利用黄姜修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述黄姜在重金属复合污染土壤中正常生长，亩产约为8000-10000株左右，其块根成熟采挖后，测得100g含水率为70%的鲜姜块根提取皂素0.7g左右。