CN103480625A - 一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法，将孔雀草幼苗种植到Cd-PCDFs复合污染土壤中，定期浇水保持土壤湿润，孔雀草成熟后将植株整体从土壤中移除并妥善处理，完成一个修复周期；重复上述操作，直至土壤中Cd-PCDFs的含量下降到环境安全标准。本发明具有的优点：本发明采用植物修复技术修复Cd-PCDFs复合污染土壤，可操作性强，费用低，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染；孔雀草适应性强，可通过播种或扦插进行繁殖，栽培管理容易；比较耐旱，对土壤和肥料要求不严格；比较耐寒，经得起早霜的侵袭，孔雀草在Cd-PCBs复合污染下具有较强的对Cd累积与转移能力。

Description

一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法

技术领域

 本发明涉及重金属-有机污染物复合污染土壤的植物修复技术，特别是一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法。

背景技术

由于电镀、冶炼、采矿、制革、化工和电子等工业产生的含重金属废弃物进入土壤，以及农药、化肥、污水灌溉和粉煤灰等的不合理使用，越来越多的农业土壤受到重金属Cd的污染。据统计，我国农田Cd污染土壤在1980年为0.93万公顷，1989年为1.33万公顷，而2001年农业部对全国24省320个重点污染区农田的调查结果显示Cd污染农田已达27.86万公顷，参见文献1: 王凯荣. 我国农田镉污染现状及其治理利用对策. 农业环境保护, 1997, 16(6): 274-278；文献2: 中国社会科学院环境与发展研究中心. 中国环境与发展评论(第1卷)[M]. 北京: 社会科学文献出版社, 2001。2007年的一篇报道指出，我国农田土壤Cd污染面积已超过20×10⁴ hm²，每年生产Cd含量超标的农产品达14.6×10⁸kg，参见文献3: 彭星辉, 谢晓阳. 稻田镉(Cd)污染的土壤修复技术研究进展. 湖南农业科学, 2007, 2: 67-69。Cd在环境中具有稳定、积累和不易消除的特点，通过食物链富积对人体产生慢性毒性。长期大量摄入Cd会影响钙和磷的代谢，引起肾、骨和肝的病理变化，诱发骨质疏松、骨软化和肾结石等疾病。据研究，在人体低蛋白、低钙营养时，Cd污染可能最终引发“痛痛病”，参见文献4: Friberg L .等. 汤鸿霄(译). 世界卫生组织(WHO)报告: 镉的环境卫生评价.  AM BIO, 1977。特别是，Cd对动物具有较强的致畸、致癌和致突变作用，参见文献5: 周启星, 孔繁翔, 朱琳. 生态毒理学[M]. 北京: 科学出版社, 2004。

多方面的资料显示，参见文献6: Gans J, Wolinsky M, Dunbar J. Computational improvements reveal great bacterial diversity and high metal toxicity in soil. Science, 2005, 309: 1387-1390、文献7: Spalt E W, Kissel J C, Shirai J H, et al. Dermal absorption of environmental contaminants from soil and sediment: a critical review. Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology, 2008, 19: 119-148、文献8：孙铁珩, 李培军, 周启星. 土壤污染形成机理与修复技术[M]. 北京: 科学出版社. 2005：重金属和持久性有机污染物（POPs）已经成为土壤环境污染的罪魁祸首。特别是重金属和POPs构成的复合污染，不仅影响了土壤的结构和性质，而且破坏了土壤的生态系统，更为严重的是这些污染物往往以作物或农业生态系统为中介，通过食物链把污染物传递到人类这一最高营养级，构成了对人体健康日益严重的威胁。PCDFs是一种典型的持久性有机污染物，其主要特性为高毒性、长期残留性、积聚性和较强的流动性，能在全球范围内长距离迁移，通过环境各链节逐级传递，最终富集到动物的脂肪和肝脏器官，对生物和人类的健康存在广泛性、长期性、隐蔽性和滞后性的威胁，参见文献9: World Health Organization (WHO). Polybrominated dibenzo-p-dioxins and polybrominated dibenzofurans (Environmental Health Criteria No.205), Geneva, ICPS, 1998。

持久性有机污染物（POPs）主要有三大来源，参见文献10: Jiang K, Li LJ, Chen YD, et al. Residual dioxins in Chinese schistosemiasis region and its eco-environmental risk. Chi Sci Bull, 1995, 40: 1740-1747:1）城市固体废物燃烧、电子垃圾露天焚烧、含氯有机化合物如多氯联苯、五氯酚、聚氯乙烯等焚烧以及含氯化学品废渣的热解；2)杀虫剂、防腐剂、除草剂和油漆添加剂等含氯化学品及农药的生产；3)纸浆和造纸工业的氯气漂白过程。PCDFs可以通过呼吸道、皮肤和消化道三种途径和食物链积累的形式进入人体，一旦进入人体，就会长期积蓄在体内，损害多种器官和组织，导致生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性。如果长期食用含有这种低浓度污染物的食品，会导致癌症、皮肤病、生殖障碍、畸形和婴幼儿发育不全等，参见文献11: 张杏丽, 周启星. 土壤环境多氯代二苯并二噁英/呋喃（PCDD/Fs）污染及修复研究进展. 生态学杂志, 2013, 32(4): 1054-1064。

植物修复(Phytoremediation)是指利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、转化和降解作用机理来清除环境中有毒有害污染物，使其对环境无害，使污染环境得到修复与治理，参见文献12: Zhou QX, Cai Z, Zhang ZN, Liu WT. Ecological remediation of hydrocarbon contaminated soils with weed plants. Journal of Resources and Ecology, 2011, 2(2): 97-105。植物修复作为绿色原位修复技术，以太阳能作为驱动力，能耗低、成本较低、易于操作且技术要求不高，可以在大面积污染土壤中使用；经植物修复过的土壤，其有机质含量和土壤肥力变化较小，不破坏土壤理化性质，不会造成二次污染，一般可直接用于农作物生产，符合可持续发展战略；在修复污染的同时可以美化环境，容易得到公众的认可。

采用植物修复技术治理污染土壤中的重金属关键是筛选出相应的超累积植物。研究表明，作为花卉植物的孔雀草（Tagetes patula L.）在Cd污染严重土壤中可以正常生长，对Cd具有较强的吸收和转移能力，符合超富集植物的主要特征，参见文献13: 周启星, 王林, 任丽萍等. 一种利用花卉植物孔雀草修复治理镉污染土壤的方法. 中国, 2007101590398(P). 2009-06-24。同时国外的一些研究表明，用某些植物修复土壤中的PCDFs时，植物根际分泌物及根系微生物可以将土壤颗粒中的PCDFs“活化”，增加PCDFs的植物可利用性和生物有效性，土壤中的PCDFs被吸收到植物体内或者在土壤中被降解，参见文献14: Hulster A, Jochen F, Marschner H. Soil-plant transfer of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans to vegetables of the cucumber family (Cucurbitaceae). Environ. Sci. Techno, 1994, 28: 1110-1115；文献15: Inui H, Wakai T, Gion K, et al. Differential uptake for dioxin-like compounds by zucchini subspecies. Chemosphere, 2008, 73: 1602-1607。因此，利用花卉植物孔雀草修复Cd-PCDFs复合污染土壤具有一定的理论基础。

孔雀草（Tagetes patula L.）是近年来从众多花卉植物中筛选出来的作为一种较为理想的Cd超积累植物。该植物为菊科万寿菊属，一年生草本花卉，具有很好的观赏价值；株高20-40厘米，株型紧凑，多分枝呈丛生状，茎呈紫色；叶对生，羽状分裂，裂片披针形，叶缘有明显的油腺点；头状花序顶生，单瓣或重瓣。孔雀草的适应性十分强，撒落在地上的种子在合适的温、湿度条件中可自行生长，能耐旱耐寒，经得起早霜的考验，适合在全世界各地广泛种植，这些特点均有利于其在污染土壤植物修复中广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃（Cd-PCDFs）复合污染土壤的方法，该方法操作简单、不破坏土壤理化性质，同时又美化环境。

本发明的技术方案：

一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法，步骤如下：

1）在镉-多氯代二苯并呋喃（Cd-PCDFs）复合污染土壤中通过播种孔雀草或扦插移栽幼苗期孔雀草；

2）在孔雀草生长过程中采用温室栽培，每天通风浇水，土壤含水量保持在田间持水量的60-80%；

3）当孔雀草到开花期成熟时，将孔雀草从土壤中移出，可作为观赏花卉出售，或者将孔雀草收获后集中处理；

4）重复上述1）-3）操作种植孔雀草直至土壤中Cd和PCDFs的含量均下降到环境安全标准。

本发明的工作机理：

多氯代二苯并呋喃（PCDFs）本属于持久性有机污染物（POPs），辛醇水分配系数高、脂溶性强、水溶性低，不易被植物直接由根部吸收，且通过木质部向上转移；在镉-多氯代二苯并呋喃（Cd-PCDFs）复合污染土壤中种植孔雀草后，在植物生长过程中，植物根际分泌物及根系微生物可以将土壤颗粒中的PCDFs“活化”， PCDFs有提高孔雀草吸收、积累土壤中Cd并向地上部分转移的能力，增加PCDFs的植物可利用性和生物有效性，有利于土壤中PCDFs的降解和去除；到孔雀草开花或者成熟期时，将植株整体从污染土壤中移走，从而达到去除土壤中Cd的目的。

本发明具有的优点：本发明采用植物修复技术修复Cd-PCDFs复合污染土壤，可操作性强，费用低，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染；孔雀草适应性强，可通过播种或扦插进行繁殖，栽培管理容易；比较耐旱，对土壤和肥料要求不严格；比较耐寒，经得起早霜的侵袭，孔雀草在Cd-PCBs复合污染下具有较强的对Cd累积与转移能力。

具体实施方式

实施例：

一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法，首先进行盆栽浓度梯度实验，步骤如下：

1）在镉-多氯代二苯并呋喃（Cd-PCDFs）复合污染土壤中播种孔雀草，地点在天津塘沽经济技术开发区南开大学泰达学院温室内，周围没有重金属和有机物污染源，盆栽实验土壤采自天津塘沽经济技术开发区某森林公园无污染的表层土壤，土壤类型为褐土，具体方法是：本实验共设13个处理组，每个处理组重复3次，Cd-PCDFs的添加浓度为：0-0（CK）、5-0（T1）、5-50(T2)、5-100(T3)、5-500(T4)、10-0(T5)、10-50(T6)、10-100(T7)、10-500(T8)、50-0(T9)、50-50(T10)、50-100(T11)、50-500(T12)，其中前一数字表示Cd染毒浓度、单位为mg/kg，后一数字表示PCDFs染毒浓度、单位为μg/kg，Cd以分析纯CdCl₂·2.5H₂O₂固体粉末状加入，PCDFs以标准品OCDF丙酮稀释液形式添加。土壤风干过筛后，装入型号一致的花盆中，每盆装土1.5kg，分别与要达到各处理浓度所需的污染物混合、搅拌，平衡待用。

2）采用温室栽培进行孔雀草育苗，具体方法是：将种子放于10wt%双氧水中浸泡灭菌30分钟后用蒸馏水冲洗干净，然后播种于干净土壤育苗盘中，每天浇水；3周后，选取高度为5-8cm且长势高度一致的幼苗移栽到平衡好的各处理盆中，每盆3棵苗，每个处理设置3个平行；每天通风并根据土壤的干湿状况适量浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80%。

 

3）当孔雀草到开花期成熟时，将孔雀草从土壤中移出，可作为观赏花卉出售，或者将孔雀草收获后集中处理；

孔雀草生长3个月开花成熟后收获植株，将收获的植物分为根、茎、叶和花四部分，分别用自来水冲洗干净，再用蒸馏水冲洗，沥去水分，在105℃杀青20分钟；然后在65℃下烘干至恒重，称量干重后粉碎备用，得到植物；将植物样品通过硝酸-过氧化氢法消解，0.1g植物样品所用硝酸-过氧化氢体积组合为6-2ml；微波消解后，用0.45μm膜过滤、定容，最后用原子吸收分光光度计（VarianAA240FS型）测定其中的Cd含量。

实验结果

所有结果以3次重复实验数据的平均值与标准偏差表示，差异显著性采用SPSS 20.0（Duncan法）进行检验，统计显著性设为p<0.05。实验结果表明：移植3个月后孔雀草植株各部分干重如表1所示；直至收获，孔雀草生长良好，各处理组从外观看均无受害现象。

 

表1  各处理组孔雀草植株干重（g/盆）

处理组别	孔雀草地下部（根部）干重（g）	孔雀草地上部干重（g）
			CK	0.49±0.02cd	7.80±0.17abc
T1	0.35±0.07e	7.30±0.23c
			T2	0.55±0.10abcd	8.38±0.23a
T3	0.67± 0.07a	7.54±0.35abc
			T4	0.50±0.07bcd	7.38±0.55bc
T5	0.59±0.04abc	8.26±0.20ab
			T6	0.64±0.02ab	7.96±0.29abc
T7	0.64±0.11ab	8.02±1.28abc
			T8	0.52±0.10bcd	7.70±0.37abc
T9	0.34±0.07e	5.49±0.32de
			T10	0.64±0.08ab	6.18±0.57d
T11	0.42±0.04de	5.26±0.25e
			T12	0.62±0.09abc	5.68±0.49de

由表1中可见：单Cd污染胁迫下（T1、T5、T9）与空白处理组（CK）相比，当Cd处理浓度为5mg/kg和10mg/kg时孔雀草地下及地上部生物量无显著性变化，表现出较强的耐性。当Cd处理浓度升高到50mg/kg时，孔雀草地下和地上生物量明显低于空白组，生长受到一定程度的抑制。Cd-PCBs复合污染胁迫处理与相应的单Cd处理相比，当Cd处理浓度为5mg/kg（T1-T4）和50mg/kg（T9-T12）时，孔雀草地下部干生物量显著增加（除T11外），地上部生物量无显著性变化，说明PCDFs存在促进了孔雀草的生长;当Cd处理浓度为10mg/kg时，孔雀草地下及地上部干生物量均无显著性变化；其中T2处理组，即Cd浓度为5mg/kg，PCDFs浓度为100μg/kg时，孔雀草地下及地上生物量均显著高于对应的对照组，PCDFs存在显著促进孔雀草的生长。总之，不同处理组孔雀草生物量变化不大，或者显著高于相应的对照组，这说明孔雀草对Cd-PCDFs复合污染条件表现出较强的耐性。

不同Cd-PCBs复合污染条件下，孔雀草体内根、茎、叶、花各部位对Cd累积量如表2所示。

表2  各处理组下Cd在孔雀草植株各部分的累积量(mg/kg)

组别	根部Cd含量	茎部Cd含量	叶部Cd含量	花部Cd含量
					CK	0.26±0.01g	1.11±0.01f	1.57±0.11f	0.89±0.03g
T1	3.97±0.51f	13.84±0.30e	30.56±1.53e	7.21±0.39f
					T2	4.29±0.54f	16.35±2.01e	30.83±2.90e	8.10±0.93f
T3	4.46±0.43f	15.73±1.22e	34.73±2.84e	7.36±0.75f
					T4	6.46±0.22e	18.74±0.42de	32.28±2.83e	6.83±0.98f
T5	7.11±0.78de	24.38±1.32c	46.44±0.95d	7.91±0.24f
					T6	6.36±0.32e	23.07±2.18cd	53.61±2.10c	13.18±0.47e
T7	7.98±0.64de	25.84±2.39c	58.71±3.60c	12.19±0.35e
					T8	8.44±1.02e	22.06±2.91cd	57.50±4.85c	12.63±0.91e
T9	32.45±0.46c	67.46±5.25a	150.62±5.25b	22.19±2.48d
					T10	35.46±2.00b	55.49±3.50b	145.78±1.38b	22.53±1.74c
T11	37.10±0.37a	66.46±4.78a	151.79±7.84b	30.11±0.78b
					T12	36.88±1.92ab	64.01±3.16a	180.29±4.17a	32.79±2.47a

由表2可见：当Cd浓度为5mg/kg和10mg/kg时，孔雀草植株体内不同部位Cd含量积累规律：叶>茎>花>根，Cd浓度为50mg/kg时，孔雀草植株体内不同部位Cd含量积累规律：叶>茎>根>花。Cd-PCBs复合污染胁迫下，当Cd污染浓度为5mg/kg时（T1-T4），孔雀草各部位对Cd的累积量均大于相应的单Cd污染处理组（除T4的花部Cd含量外），这说明当Cd浓度为5mg/kg时，PCDFs存在促进了孔雀草对土壤中Cd吸收、积累及向地上部分转移；当Cd污染浓度为10mg/kg时（T5-T8），孔雀草叶、花部位对Cd 的累积量均显著高于相应的单Cd处理组，这说明当Cd浓度为10mg/kg，PCDF存在促进了孔雀草向地上部分转移Cd；当Cd污染浓度上升到50mg/kg时（T9-T12），孔雀草根、花部位对Cd 的累积量均显著高于相应的单Cd处理组，这说明当Cd浓度为50mg/kg时，PCDFs存在促进Cd在孔雀草根部和花部的积累。以上实验结果说明，PCBs有促进孔雀草吸收、积累土壤中Cd并向地上部分转移的能力。因此，可以利用孔雀草修复Cd-PCBs复合污染土壤，即通过重复种植孔雀草直至土壤中Cd和PCDFs的含量均下降到环境安全标准。

不同污染处理下孔雀草对Cd的富集系数和转移系数

富集系数是指植物地上部Cd含量和处理土壤中Cd含量的比值，转移系数是指植物植物地上部Cd含量与地下部Cd含量的比值。不同污染处理下孔雀草对Cd的富集系数和转移系数如表3所示。

表3 不同污染处理下孔雀草对Cd的富集系数和转移系数

处理组	富集系数	转移系数
			CK	-	4.52
T1	3.18	4.00
			T2	3.39	3.95
T3	3.63	4.07
			T4	3.82	2.96
T5	2.45	3.45
			T6	3.13	4.92
T7	3.29	4.12
			T8	2.94	3.48
T9	1.92	2.95
			T10	1.66	2.34
T11	1.83	2.46
			T12	2.07	2.80

由表3可知，各处理组孔雀草对Cd的富集系数和转移系数都大于1，孔雀草表现出很强的从土壤提取重金属Cd并向地上部位转移重金属Cd的能力。孔雀草在Cd-PCBs复合污染胁迫下的富集系数均高于相应的单Cd污染处理组（除T10外），即说明PCDFs存在提高了孔雀草对土壤中重金属Cd的提取能力。当Cd浓度为5mg/kg，T3组转移系数大于T1组，说明当PCDFs浓度为50μg/kg时，PCDFs的存在提高了孔雀草向地上部分转移Cd的能力，当Cd浓度为10mg/kg是，T6、 T7与T8组转移系数大于T5组，说明PCDFs的存在提高了孔雀草向地上部分转移Cd的能力，当Cd浓度升高为50mg/kg时，T10，T11和T12处理组转移系数均小于T9组 ，说明，当Cd浓度为50mg/kg，PCDFs的存在抑制了孔雀草向地上部分转移Cd的能力。

总之，在Cd-PCBs复合污染胁迫下，孔雀草生长表现出一定的耐性及较强的对Cd吸收、累积和转移的能力。Cd-PCBs复合污染胁迫下孔雀草生物量总体上无显著性差异，当Cd处理浓度为5mg/kg（T1-T4）和50mg/kg（T9-T12）时，PCDFs的存在对孔雀草生长有显著的促进作用。而Cd-PCDFs复合污染胁迫下孔雀草各部位对Cd的累积量总体上高于相应单Cd处理组，即PCDFs的存在促进了孔雀草对Cd的吸收、累积及转移能力。因此，应用花卉植物孔雀草修复Cd-PCDFs复合污染土壤具有较大的潜力。

Claims (1)

1.一种利用孔雀草修复镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤的方法，其特征在于步骤如下：

1）在镉-多氯代二苯并呋喃复合污染土壤中通过播种孔雀草或扦插移栽幼苗期孔雀草；

2）在孔雀草生长过程中采用温室栽培，每天通风浇水，土壤含水量保持在田间持水量的60-80%；

3）当孔雀草到开花期成熟时，将孔雀草从土壤中移出，可作为观赏花卉出售，或者将孔雀草收获后集中处理；

4）重复上述1）-3）操作种植孔雀草直至土壤中Cd和PCDFs的含量均下降到环境安全标准。