CN102974605A - 基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复 - Google Patents

Abstract

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大生物量非超富集蔬菜生菜修复治理Cd污染土壤的方法。本发明利用大生物量非超富集蔬菜生菜吸收富集Cd污染土壤中有效态Cd，并向上转运到地上部，当生菜生长到成熟期将生菜整体移除并作为日常食用蔬菜使用，从而达到保证蔬菜品种的同时治理污染土壤；通过生菜的种植，重复上述过程，就可以连续提取污染土壤中的Cd，直到其含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，不破坏土壤理化性质，无二次污染，且可以在治理复合污染土壤的同时保证蔬菜的品种等优点。

Description

基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复

技术领域

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大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd污染土壤的方法。 

背景技术

土壤是人类获取食物和其他再生资源的物质基础[文献1：刘秀梅,聂俊华,王仁庆.植物修复重金属污染土壤的研究进展[J].甘肃农业大学学报,2001]，是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。随着世界经济的发展，人口的增加，环境污染物的排放量与日俱增，环境污染和生态破坏给土壤带来了严重的污染，其中重金属污染的土壤面积在不断增加，这不仅退化土壤肥力，降低农产品产量和品质，还通过食物链危及人类的生命健康[文献2：丁佳红,刘登义,储玲,等.重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景[J].生物学杂志,2004,21(4):8-9]。 

土壤Cd污染是一个全球性问题，污染具有隐蔽性、长期性和不可逆转性，一旦进入土壤，不易分解、转化。Cd可在作物的可食部位积累通过食物链传递给人或动物，对人体健康产生严重危害。据统计，过去50年中，全球排放到环境中的Cd达到2.20×10⁴t[文献3：Singh O V,Labana S,Pandey G,et al.Phytoremediation:an overview of metallic ion decontamination fromsoil[J].Appl.Microbol.biotechnol,2003,61:405-412]，目前我国受Cd污染的耕地面积近1000万hm²[文献4：韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报,2001,21(7):1196-1204]。Cd大量排放，使土壤遭致污染，生态系统受到破坏，因此，对重金属Cd污染的治理和修复成为一项十分紧迫的任务。 

研究表明，土壤中重金属对环境影响的大小不仅取决于重金属的总量，还取决于重金属的生物有效性。重金属的生物有效性（Bioavailability）是指重金属能被生物吸收或对生物产生毒性的性状，可由间接的毒性或生物体浓度数据评价，不同形态的重金属具有不同的生物有效性。重金属在土壤中以不同的方式与各组分相联系，因而形成了不同形态的重金属，从而决定了重金属的移动性和生物利用率有可能表现出不同的活性和生物毒性[文献5：Kong QX(孔庆新).The distribution of a few heavy metals’chemical forms in soil body.EnvironmentalProtection of Agriculture(in Chinese)(农业环境保护),1994,13(4):152-157]。Tessier等将重金属形态分为以下五种：水溶态、可交换的离子态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态[文献6：Tessier A,Campbell P G C,Bisson M.Sequential extraction procedure for the speciation ofparticulate trace metals[J].Anal.Chem,1979,51(7):844-851]。重金属在土壤中富集，会对植物 产生危害，但植物体内的重金属含量往往与土壤中重金属总量并不相关。不同形态的重金属被释放的难易程度不同，生物可利用性也不同，有效性大小也不一样。研究表明可交换的离子态及水溶态在中性条件下最为活跃，最易被释放也最容易发生反应转化为其他形态，最易为生物所利用，被列为重金属的有效态；碳酸盐结合态重金属在不同pH条件下能够发生移动，可能造成对环境的二次污染。铁锰氧化物态可在还原条件下释放；而残渣态的重金属与沉积物结合最牢固，用一般的提取方法不能提取出来，它的活性最小，只能通过漫长的分化过程释放，因而有效性也最小[文献7：Cao A,Crucci A,Lai T,et al.Effect ofbiodegradable chelatingagents on heavy metals phytoextraction with Mirabilis jalapa and on its associated bacteria.Eur.J.Soil Biol,2007,43:200-206]。因此，对土壤重金属的治理主要是去除土壤中水溶态、可交换的离子态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态，而对残渣态重金属由于其所占含量不多，且吸收提取较难，可不被考虑。 

对于重金属污染土壤的修复，使其恢复土壤原有功能，一直是学术界重点研究的课题。近年来，世界各国都非常重视对污染土壤的修复技术的研究。目前可用于修复治理土壤污染的技术很多，主要包括各种物理、化学、物理化学修复技术和生物修复技术。其中，生物修复技术由于其自身优势，经常被运用到土壤修复中。广义的生物修复，指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。 

在生物修复技术中，常用于修复治理重金属污染土壤的方法主要是植物修复技术。植物修复(phytoremediation)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，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门环境污染治理技术[文献7：唐世荣,B.M.Wilke.植物修复技术与农业生物环境工程.农业工程学报,1999,15(2):21-24]。研究表明，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤或水体中的污染物，达到净化环境的目的。 

植物修复的优势：(1)实用范围广，在清除土壤中重金属污染物的同时，可清除污染土壤周围的大气、水体中的污染物。 

(2)污染物在原地去除，不破坏土壤生态环境。可通过传统农业措施种植植物，且可回收重金属，减少造成二次污染的机会。 

(3)植物本身对环境的净化和美化作用。 

(4)植物修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被修复过的土壤适合多种 农作物的生长。 

发明内容

本发明的目的是提供一种利用大生物量非超富集蔬菜生菜（Lactuca sativa），修复治理Cd污染土壤的方法。 

为实现上述目的，本发明技术内容为：在Cd污染土壤中种植大生物量非超富集蔬菜生菜，从而实现去除土壤中过量Cd的目的。 

在Cd污染土壤中连续种植生菜，第一季，在Cd污染土壤中种植生菜，当生菜生长至成熟期时将植株整体移除收获。所述在Cd污染土壤中种植的生菜是指将高2-4cm或含2-3片展开真叶的生菜幼苗移栽到Cd污染土壤中。重复以上种植过程。 

根据待修复土壤肥力状况，在生长期内伴随浇水追肥2-3次，使用氮磷钾复合肥。在Cd污染土壤中种植的生菜采用室外栽培，适时浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60~80%。在Cd污染土壤中种植生菜，生菜从污染土壤中吸收Cd并向地上部转移，当生菜成熟时，将植物从污染土壤上移除，并将耕层0-10cm进行翻土，再种植第二季生菜，重复以上操作，直至土壤中的Cd含量达到《土壤环境质量安全》标准。 

本发明所采用的生菜，属菊科莴苣属。生菜主要分球形的团叶包心生菜和叶片皱褶的奶油生菜，团叶生菜叶内卷曲，按颜色可分为青叶、白叶、紫叶等，青叶纤维素多，百叶生菜叶片薄，品质细，紫叶生菜色泽鲜艳，质地鲜嫩。生菜原产欧洲地中海沿岸，随着改革开放，在我国大面积种植，很受欢迎。实验表明，生菜对Cd的吸收、累积能力均较好。 

本发明基于重金属生物有效性，种植蔬菜作物生菜，通过生菜从土壤中带走有效态Cd，使Cd污染土壤得到修复，同时，生产符合我国食品卫生标准的生菜作物。 

本发明所具有的优点： 

（1）该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点。 

（2）作为一种绿色原位修复技术，通过生菜多季种植，可大大减少Cd对土壤造成的污染，进而延长土壤的使用寿命，在合理调控的基础上，提高土壤肥力，促进蔬菜作物的增产增收，并降低肥料的投入成本。 

（3）另外，以Cd的生物有效性为基础，通过种植生菜吸收累积其有效态，将土壤中有效态Cd充分去除，本研究也发现生菜对Cd的水溶态和可交换态吸收最好，从而将土壤中有效态Cd大大去除。 

具体实施方式

实施例1：盆栽梯度Cd大生物量非超富集生菜作物的确认与模拟应用 

盆栽试验地点在常州市武进区水稻研究所的网室内，该场地在武进区农场，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区。盆栽试验土壤采自常州市武进区水稻研究所内无污染区的表层土壤（0~20cm）。 

本实验共设5个处理，每个处理重复3次。投加的Cd浓度（mg/kg）分别为：0（对照，未投加）、5、10、30和50。实验投加的Cd以的Cd(AC)₂·2H₂O固体形式溶于丙酮溶剂（分析纯），并施入一定浓度的氮、磷、钾肥作为底肥：0.16g/kg N、0.05g/kg P和0.115g/kg K。将供试土壤风干过4mm筛后，拌入Cd和底肥，充分混匀后装入塑料盆（直径20cm，深15cm）中，每盆装土2.5kg（以烘干土计），置于阴凉处让丙酮自然挥发干净，平衡一个月待用。供试作物为奶油生菜。一月后播种，出苗后定株为10株/盆，每日根据盆中土壤水分状况，浇入适当自来水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60~80%左右，50d后收获。 

收获后的生菜样品分为地上部和地下部（根部），分别用自来水充分冲洗以去除粘附于蔬菜样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在85℃杀青1小时，然后在65℃下烘干至衡重，称量干重后粉碎备用。样品采用HNO₃-HClO₄法消化（二者体积比为3:1），用原子吸收分光光度计测定其中的Cd含量。植物分析测定生菜干物重及其地上部、地下部（根部）各形态Cd含量。土壤风干后，分别制取过1mm和0.25mm尼龙筛的土样，测定每盆土壤中Cd的总量及各个形态的含量。 

实验结果如下： 

实验结果如下： 

由表1可知，在试验土壤中，各形态Cd含量均随添加量的增加而增加，且可交换的离子态、水溶态含量增幅较大，铁锰氧化物结合态、残渣态的含量变化很小。由各形态Cd占全量的百分比分析，Cd的形态分布特征为：交换态、水溶态随添加量的增加而增加，Cd添加量≤30mg/kg时，碳酸盐结合态含量随添加浓度的增加而增加，铁锰氧化物结合态、残渣态随添加量的增加其百分比呈减少趋势。当土壤中Cd的添加量为50mg/kg，各形态百分比大小为水溶态>可交换的离子态>碳酸盐结合态。可见，土壤中Cd具有生物有效性，交换态、水溶态、碳酸盐结合态占Cd总量最大，且随添加浓度增加其三者总量也增加。治理土壤中Cd，主要考虑其有效态含量，重点富集交换态、水溶态、碳酸盐结合态Cd。 

表1土壤中各形态Cd的分布 

表2为不同Cd浓度下生菜的生物量。由表2可知，土壤中Cd添加浓度较低时，生菜植株干物重有增加趋势。当Cd的添加浓度达50mg/kg时，生菜植株干物重有减少趋势。土壤Cd浓度过高，便对生菜的许多生理特征产生破坏作用，抑制土壤中N、P化合物的矿质化，导致生菜生长受阻，生物量降低。虽然土壤Cd添加浓度过高导致生物量有所下降，但随着土壤中Cd添加浓度的增加，生菜根、茎叶对Cd的富集量也逐渐增加，当Cd的添加浓度达50mg/kg时，生菜根、茎叶对Cd的富集量达到最大，且富集系数较高，达0.97。 

表2Cd处理下生菜植株干物重及其根、茎叶的重金属含量 

处理浓度(mg/kg)	干物重(g/pot)	根(mg/kg)	茎叶（mg/kg）	富集系数
					0	-	-	-	-
5	8.35	5.23	3.78	0.72
					10	9.65	21.01	17.97	0.85
30	10.32	26.13	24.10	0.92
					50	9.01	90.81	88.11	0.97

表3为梯度实验下生菜中各形态Cd的分布，由表可见，生菜对土壤中Cd具有较好的富集效果，随添加浓度的增加，生菜对Cd的富集能力也增加。在Cd的各种形态中，生菜主要吸收Cd的水溶态、可交换离子态和碳酸盐结合态，对铁锰氧化物结合态的吸收效果不是很好，尤其是残渣态Cd，生菜对其富集效果较差，这是因为生菜主要吸收土壤中的水溶态和交换态的Cd，碳酸盐结合态在土壤中占主要地位，在一定条件下可向交换态转化，因此生菜对Cd碳酸盐结合态吸收效果也较好。随着Cd添加浓度的增加，生菜对交换态、碳酸盐结合态和水溶态均显示出较好的富集效果，其富集量随Cd浓度增加而增加，可见，生菜Cd污染土 壤具有较好的修复潜力。 

表3生菜中各形态Cd的分布(mg/kg) 

添加浓度	全量	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
							0	-	-	-	-	-	-
5	9.01	4.23	3.52	0.78	0.32	0.16
							10	38.98	20.32	15.64	1.02	1.24	0.76
30	50.23	27.52	20.01	2.43	0.24	0.03
							50	178.92	84.11	68.23	15.89	9.26	1.43

注：Ⅰ可交换的离子态；Ⅱ水溶态；Ⅲ碳酸盐结合态；Ⅳ铁锰氧化物结合态；Ⅴ残渣态实施例2：田间小区确认和Cd污染土壤的修复 

实验地点设在常州市武进区水稻研究所内，该研究所地处长江中下游地区，距常州市32km，属北亚热带海洋性气候，常年气候温和。实验共设3个小区，Cd浓度（mg/kg）分别为0、10、50，各小区的Cd、都已投加了一年以上；实验小区面积为4m²（L=2m，W=2m），土壤基本理化性质与盆栽土壤相同。选取2-3片展开真叶、长势一致的生菜幼苗移入小区中，每个小区种植8列，每列10棵，共80棵。采用露天培育方式，根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水（水中未检测出Cd），使土壤含水量经常保持在田间持水量的60~80%左右。为促进生菜的生长，适当的施入尿素。生菜成熟后进行收获，同时进行第二茬生菜种植，栽培方式与第一茬相同。生菜样品处理同实施例1。 

实验结果如下： 

表4、表5给出了田间实验条件下生菜对Cd的累积特征及各形态Cd的分布。随着土壤中Cd浓度的增加，生菜地上部富集系数呈增加趋势，当Cd浓度达50mg/kg，生菜干物重有所下降。在Cd浓度为50mg/kg的小区，生菜对Cd地上部的富集量为103.24mg/kg，富集系数高达0.94，供试生菜根、茎叶均显示出对Cd较高的富集能力，符合大生物量非超富集蔬菜对污染土壤的吸附特征。 

在Cd的各种形态中，生菜整株及根部吸收Cd量贡献最大的是可交换的离子态，其次是水溶态，充分显示了生菜对Cd有效态的累积能力。当土壤Cd浓度增加时，生菜对Cd的富集量也增加，对有效态均有较好的富集效果。当Cd浓度为50mg/kg时，生菜中可交换的离子态Cd达121.17mg/kg，水溶态Cd达77.04mg/kg，碳酸盐结合态达12.12mg/kg。 

表4田间实验条件下生菜对Cd的累积特征 

处理浓度(mg/kg)	干物重(g/pot)	根(mg/kg)	茎叶（mg/kg）	富集系数
					0	-	-	-	-
10	10.45	32.23	25.10	0.78
					50	9.44	110.23	103.24	0.94

表5田间实验条件下生菜中各形态Cd的分布(mg/kg) 

添加浓度	全量	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
						0	-	-	-	-	-
10	57.33	36.13	15.83	4.25	1.04
						50	213.47	121.07	77.04	12.12	3.12

注：Ⅰ可交换的离子态；Ⅱ水溶态；Ⅲ碳酸盐结合态；Ⅳ铁锰氧化物结合态。 

Claims (5)

1.一种基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复，其特征在于：在Cd土壤中轮作种植生菜，从而实现去除土壤中有效态Cd的目的。

2.根据权利要求1所述的基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复，其特征在于：所述在Cd污染土壤中轮作种植生菜，当成熟后整体移除。

3.根据权利要求1所述的基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复，其特征在于：所述在Cd污染土壤中种植生菜是指将含2~4片展开真叶的生菜幼苗移栽到Cd、污染土壤中。

4.根据权利要求1所述的基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复，其特征在于：在Cd污染土壤中种植的生菜采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60%~80%。

5.根据权利要求1所述的基于生物有效性的土壤Cd污染的植物修复，其特征在于：在Cd污染土壤中轮作种植生菜，生菜从Cd污染土壤中吸收Cd并向地上部转移，当生菜长至成熟期时，将生菜从污染土壤上移除，再种植第二季，重复以上操作，再种植第三季，重复以上操作，直至土壤中Cd含量达到环境安全标准。