CN103691732A - 利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污染土壤植物修复技术领域，具体涉及一种利用农艺水分管理措施及相应的湿生植物治理并修复十溴联苯醚污染土壤的方法。具体而言，本发明公开了一种利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法：在待修复的十溴联苯醚污染土壤上种植水稻，并保持土壤“淹水—排干”这一干湿交替的运转方式，从而实现去除土壤中十溴联苯醚的目的；当十溴联苯醚污染土壤为低浓度污染时，水稻为秀水134；当十溴联苯醚污染土壤为高浓度污染时，水稻为黄华占。

Description

利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法

技术领域

本发明属于污染土壤植物修复技术领域，具体涉及一种利用农艺水分管理措施及相应的湿生植物治理并修复十溴联苯醚污染土壤的方法。

背景技术

十溴联苯醚(Decabromodiphenyl ether,BDE-209)属于多溴联苯醚(Polybrominated diphenylethers,PBDEs)的一种。PBDEs具有环境持久性、远距离传输、生物可积累性和对生物和人体具有有毒效应等特征，是一类环境中广泛存在的全球性有机污染物。PBDEs是常用的溴代阻燃剂，其主要的工业品有五溴、八溴和十溴联苯醚。而五溴联苯醚和八溴联苯醚已在许多国家禁止使用，现今社会市面上流通的主要溴代阻燃剂为十溴联苯醚(BDE-209)。BDE-209的基本性质为：分子式：C₁₂Br₁₀O，分子量：959.17，熔点：304-309℃，沸点：425℃，溴含量：>82%，log K_ow：10.0。鉴于BDE-209的高疏水性和高分子含量，其生物有效性应当较低。有调查发现，BDE-209在人体血液中有相当含量的富集[文献1：

 A,HagmarL,Klasson-Wehler E,等.Flame retardant exposure:Polybrominated diphenyl ethers in blood fromSwedish workers.Environmental Health Perspectives,1999,107:643-648.]，同时在某些鱼体内[文献2：Lebeuf M,Couillard CM,Legare B,等.Effects of DeBDE and PCB-126on hepaticconcentrations of PBDEs and methoxy-PBDEs in Atlantic tomcod.Environmental Science &Techlogy,2006,40:3211-3216；文献3：Stapleton HM,Brazil B,Holbrook RD,等.In vivo and invitro debromination of decabromodiphenyl ether(BDE-209)by juvenile rainbow trout and commoncarp.Environmental Science&Technology,2006,40:4653-4658.]及贝壳类动物[文献4：Booij K,Zegers BN,Boon JP.Levels of some polybrominated diphenyl ether(PBDE)flame retardants alongthe Dutch coast as derived from their accumulation in SPMDs and blue mussels(Mytilus edulis).Chemosphere,2002,46:683-688.]体内也有所富集。BDE-209除了具有生物富集性之外，也具有生物毒性。Darnerud(2003)研究表明，鼠体内BDE-209含量高于1200mg(kg d)-1，能导致腺癌和癌变[文献5：Darnerud PO.Toxic effects of brominated flame retardants in man and in wildlife.Environment International,2003,29:841-853.]。Norris等(1975)早在1975年通过对哺乳动物的体内和体外测试，验证了十溴联苯醚的基因毒性[文献6：Norris JM,Kociba RJ,Schwetz BA,等.Toxicology of octabromodiphenyl and decabromodiphenyl oxide.Environmental HealthPerspectives,1975,11:153-161.]。由于土壤是污染物主要的接受者，因此研究BDE-209在污染土壤中的治理与修复方法是极其重要且必要的。

污染土壤的修复技术主要涉及物理修复、化学修复和生物修复（微生物修复、植物修复和植物-微生物联合修复）。其中，植物修复作为一种新兴修复技术是目前生物修复研究领域中的热点。有机污染土壤的植物修复是利用植物本身特有的吸收富集污染物、转化固定污染物以及通过氧化还原或水解反应等生物化学过程，使土壤环境中的有机污染物得以降解；与此同时，还利用植物根际圈特殊的生态条件加速土壤微生物生长，显著提高根际微生物的生物量和降解功能，从而提高对土壤有机污染物的分解能力。研究结果表明，植物修复对典型持久性有机污染物多环芳烃的降解作用主要归功于植物根际作用，即增加根际微生物量、提高微生物活性、强化微生物群体而加速多环芳烃的降解[文献7：Joner EJ,Johansen A,LoibnerAP,等.Rhizosphere effects on microbial community structure and dissipation and toxicity ofpolycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)in spiked soil.Environment Science&Technology,2001,35(13):2773-2777.]。多溴联苯醚的降解可以概括为厌氧微生物降解，好氧微生物降解和植物转化。Huanghonglin等(2011)的研究表明，BDE-209能够被植物吸收转化和被微生物降解为小分子的低溴代醚[文献8：Huang,H.L.,Zhang,S.Z.,Christie,P..Plant uptake and dissipation ofPBDEs in the soils of electronic waste recycling sites.Environmental Pollution,2011,159:238-243.]。因此，可通过水分管理措施控制氧气条件，利用植物-根际微生物联合效应对BDE-209污染的土壤进行植物修复。植物修复技术是一种绿色修复技术，其操作简单，投资相对较低，不破坏环境，不会造成二次污染等，在环境保护中具有重要的理论价值和广阔的应用前景，并引起学术界、政务和企业界的高度重视[文献9：周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京：科学出版社,2004.]。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用土壤干湿交替调控措施对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法，在待修复的十溴联苯醚污染土壤上种植水稻，并保持土壤“淹水—排干”这一干湿交替的运转方式，从而实现去除土壤中十溴联苯醚的目的；

当十溴联苯醚污染土壤为低浓度污染（即，十溴联苯醚浓度<500μg kg^-1）时，水稻为秀水134；

当十溴联苯醚污染土壤为高浓度污染（即，十溴联苯醚浓度≥500μg kg^-1直至为5000μgkg^-1）时，水稻为黄华占。

备注说明：目前十溴联苯醚在土壤环境中所检测出的最高含量约为5000μg kg^-1。

作为本发明的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法的改进：在十溴联苯醚污染土壤上种植水稻的时间为至少三个月；

待所设定的种植时间到后，将水稻整体移除或者进行收割（即，种植直至水稻成熟后进行常规的收割）。

作为本发明的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法的进一步改进：将已发芽的水稻种苗移栽到十溴联苯醚污染的土壤中。

作为本发明的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法的进一步改进：水稻种苗移栽完毕后，淹灌土壤，并在种植过程中进行不定期浇水以确保土面始终保持1-2cm水层；第76天（即移栽完毕的第76天）开始排干水分直至田间持水量为60%，而后再进行不定期浇水以维持60-70%的田间持水量直至将水稻整体移除或者进行收割。

本发明通过植物的生长过程及其根系分泌的酶以及根际圈微生物的联合作用，从而降解、除去进而降低土壤中的BDE-209。该所述植物为秀水134和黄华占。

秀水134，该品种生长整齐，株高适中，株型较紧凑，剑叶较短挺，叶色中绿，茎秆粗壮，叶鞘包节；分蘖力中等，穗直立，穗型较大，着粒较密；谷壳较黄亮，偶有褐斑，无芒，颖尖无色，谷粒椭圆形。

黄华占是经不同水稻品种对BDE-209耐性研究后筛选出的BDE-209抗性水稻品种。该品种株高适中，分蘖力较强，剑叶窄而挺，微卷，剑叶角度小，谷粒较长，谷壳黄亮，稃尖无色，千粒重较低。

本发明的利用干湿交替措施对十溴联苯醚进行植物修复的方法，用于种植秀水134的污染土壤为十溴联苯醚低污染土壤（约<500μg kg^-1以下）。用于种植黄华占的污染土壤为十溴联苯醚高污染土壤，污染浓度最高可高达5000μg kg^-1左右（与十溴联苯醚在土壤环境中所检测出的最高含量相当）。

备注说明：田间持水量是指土壤所能稳定，保持的最高土壤含水量，以占土壤体积的百分数表示；此为常识。

本发明的利用干湿交替措施对十溴联苯醚进行植物修复的方法，在十溴联苯醚污染土壤中种植两种类型的水稻品种，水稻利用自身的生长过程、根系分泌的酶以及根际圈共存的好氧和厌氧微生物体系联合降解和修复土壤中十溴联苯醚的含量。

本发明具有的优点如下：

1、本发明方法将水稻种植于十溴联苯醚污染土壤中，采用作物水稻来修复十溴联苯醚污染土壤。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；而且作为一种绿色修复技术，不会造成二次污染，同时修复不仅不会破坏生态环境，还有助于改善有机污染而引起的各种环境问题，恢复并提高生物多样性。

2、本发明利用干湿交替的措施来对十溴联苯醚污染的土壤进行修复，土壤干湿交替措施是稻田种植过程中水分管理模式中的一种，操作简单，运行成本低，它通过土壤淹水—排干这一干湿交替的运转方式。该技术的修复原理基于BDE-209的厌氧脱溴和好氧降解，干湿交替结合了两个过程的互补性，通过适当的厌氧—好氧的联合运用可进一步加快BDE-209的降解和去除。可见，通过土壤的干湿交替调控措施能加速土壤中十溴联苯醚的去除，对十溴联苯醚污染的土壤具有较好的修复作用。

3、本发明利用干湿交替措施对十溴联苯醚进行植物修复的方法，将干湿交替措施和植物修复方法相结合，即基于微生物好氧和厌氧降解十溴联苯醚的原理下，通过种植植物，提高微生物的数量和活性，从而进一步促进好氧或者厌氧微生物降解十溴联苯醚的能力。

综上所述，本发明的所述修复植物选用以干湿交替水分管理措施进行耕种的湿生植物水稻秀水134和黄华占两类品种，秀水134适合在低浓度十溴联苯醚污染土壤中进行修复，黄华占适合在高浓度十溴联苯醚污染土壤中进行修复。

备注说明：在发明过程中，发明人曾选用了江浙一带具有代表性的水稻品种--两优培九、丰优22和汕优63用于修复高浓度十溴联苯醚污染土壤，但发现修复效果均远远低于黄华占的修复效果，但均比秀水134略好。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为不同处理90天后老化污染土壤中BDE-209的残留量检测图。

图2为不同处理90天后新制备污染土壤中BDE-209的残留量检测图。

图3为老化污染土壤中种植两种水稻土壤中根际和非根际BDE-209的去除率检测图。

图4为新制备污染土壤中种植两种水稻土壤中根际和非根际BDE-209的去除率检测图。

具体实施方式

实施例1、

1.1供试土壤

试验地点设在浙江大学紫金港校区温室内，盆栽试验土壤采自于不规范电子拆解作业而引发PBDE土壤污染较严重的浙江省温岭市姆坑村，该土壤的基本理化性质为：粘粒、粉粒和沙粒含量分别为8.86%、29.18%、62.14%，pH6.3，有机碳20.2g kg^-1，速效钾、速效磷含量分别为202mg kg^-1、15.6mg L^-1，阳离子交换量为11.0cmol kg^-1。土壤样品风干后过2mm尼龙筛以供盆栽试验。

1.2试验设计

污染土壤的制备：污染土分为两组，一是老化污染土组，直接从姆坑村采集土壤，自然风干、过筛之后待用，经检测，老化污染土中BDE-209浓度为394.6μg kg^-1。二是新制备污染土组，从姆坑村采集的土壤，风干过筛过之后外源添加BDE-209。具体制备法为：老化污染土准备20kg，先取2kg污染土，加入污染物BDE-209溶液（由92.108mg的BDE-209溶于100ml甲苯和丙酮的混合液中，甲苯：丙酮=1:10的体积比）；然后将混合后的土壤放入通风橱中12h，待有机溶剂（甲苯和丙酮）挥发后，将其与剩下的18kg土壤在室温下混合2h，从而保证BDE-209的含量为5000μg kg^-1。此浓度接近已报道的BDE-209在土壤环境中的最高含量。每天将土壤混匀30min，并在室温中田间条件平衡一周后栽种植物。土壤准备完成后，测得老化污染土组和新制备污染土组BDE-209的浓度分别是394.6μg kg^-1和4413.57μg kg^-1。试验共设10个处理，即分别在老化污染土组和新制备污染土组中各设置不种植植物的干湿交替处理，旱作处理和淹水处理的三个对照处理，以及种植水稻秀水134和黄华占的两个处理，每个处理设置3个平行。总施肥量为300mg kg^-1N（尿素）、100mg kg^-1P（磷矿粉）和200mgkg^-1K（氯化钾），都以基肥形式施入。

种子的处理：将初筛出来的植物种子用10%（质量%）的H₂O₂浸泡15min，然后用去离子水多次清洗。在3mmol的Ca(NO₃)₂溶液中避光浸泡6h。于干净培养皿中垫上两层滤纸，分别播入20粒经常规催芽露白的供试种子，置于恒温控湿生化培养箱（25℃，80%相对湿度）内暗培养，待种子发芽。

装土：每盆装4kg污染土，并在顶层铺上0.5-1.0cm的无污染土壤（约65g）作为缓冲层，目的是减少BDE-209的挥发与光解。

移栽：选取植物种苗长势较好且一致的植株，将其移栽到已经装好土的盆中（移栽密度模拟大田种植密度，每盆3株，盆体的直径约为200mm）。最后将处理好后的盆放在20/25℃温室中培养90d。每天光照14h，相对湿度为70%。盆子随机排列，并每隔两天换一个位置。移栽后淹灌土壤，并在种植过程中进行不定期浇水以确保土面始终保持1-2cm水层，移栽完毕后的第76天排干水分，直至田间持水量为60%；可通过称重法，往土壤中加入一定量的水（例如可选用去离子水），保证土壤持水量为60-70%至90天。两种水稻的水分管理措施如上保持一致。另设未种水稻的干湿交替对照组，水分管理条件与种植水稻处理组的一致，即前期淹水，后期（第76天）排干水分直至田间持水量为60%并维持60-70%的田间持水量直至第90天；未种水稻的淹水对照组则在90天内一直保持水淹土壤界面1-2cm，未种水稻的旱作对照组则在90天内一直保证土壤田间持水量为60-70%。

样品的采集：在植物生长90天后，采集上述不同处理的土壤样品，在种植植物的处理中分别采集根际土和非根际土。

备注说明：

在种植植物的盆中分为根际土与非根际土；根际土为自制根袋中土壤，能满足根际土的取样要求。

1.3BDE-209的测定方法

准确称取土样2.000±0.005g于50ml玻璃离心管中，并加入一定量的无水硫酸钠，以除去水分；加入1g活性铜片，以除去土壤中的硫和色素。加入10ml丙酮：正己烷=1：1（V/V），30℃，超声30min，2500rpm下离心15min，收集上清液于旋转蒸发杯中，此过程重复操作三次。将收集液旋转蒸发浓缩至1ml左右。用异辛烷活化弗罗里硅土柱后，将浓缩液过柱，并用异辛烷冲洗旋转蒸发杯3次，冲洗液过柱。待所有溶液滴到接弗罗里硅土柱（加入一定量的无水硫酸钠）的玻璃管中后，再用5ml异辛烷洗涤柱子3次。将上述玻璃管中洗脱液氮吹至干。最后用1ml正己烷定容，涡旋2min。直接倒入进样瓶中，放在-20℃冰箱中保存，待上机测试。

上机条件：DB-5HT柱（15m*0.25mm*0.10μm），炉温110℃保持2min，以15℃min^-1上升到310℃，并保持15min；注射器和检测器的温度分别为300℃和320℃。进样体积为2μL。

1.4试验结果

参见图1可知，在不种植植物的老化污染土壤中，BDE-209含量从小到大为：干湿交替组＞淹水组＞旱作组，且与采样初期污染物的含量394.60μg kg^-1相比，各组中污染物的消减率分别为28.16%、22.62%、18.25%。参见图2可知，在不种植植物的新制备污染土壤中，BDE-209的残留量呈现出了与在老化污染土组中相同的趋势，即BDE-209含量从小到大为：干湿交替组＞淹水组＞旱作组，与采样初期污染物的含量4413.57μg kg^-相比，各组中污染物的消减率分别为13.54%、8.91%和3.97%。由以上结果得出，无论是在低浓度的老化污染土壤中还时高浓度的新制备污染土壤中，在不种植植物的情况下，都以干湿交替处理土壤中BDE-209的含量消减最快。根据BDE-209的降解机理，推测这可能是由于在干湿交替情况下，土壤处于一个氧化还原交替的状态，更利于BDE-209的消减。在种植两种水稻品种的土壤中，秀水134和黄华占在老化污染土组中的消减率分别为52.84%和41.90%，在新制备污染土组的消减率分别为21.66%和27.61%。由此可以看出，两种水稻品种在老化污染土、新制备污染土组中，显著高于未种植植物的干湿交替对照组。以上可以说明，无论是老化污染土还是新制备污染土，两种水稻品种对其污染物BDE-209都有一定的消减作用。其中，在低浓度BDE-209老化污染土壤中，秀水134表现出很强的降解能力，而在高浓度新制备污染土壤中，黄华占效果较好。以上说明可以用秀水134治理和修复低浓度BDE-209污染的土壤，用黄华占治理和修复高浓度BDE-209污染的土壤。

图3和图4给出了种植水稻后根际和非根际土壤中BDE-209的降解率。从图中可以看出，根际效应能明显促进BDE-209的降解。在老化污染土组，秀水134和黄华占BDE-209的降解率在根际显著高于非根际，分别为52.9%、7.8%和41.9%、15.0%，在新制备污染土组中则分别是21.7%、2.60%和27.6%、-2.4%。以上说明水稻（秀水134和黄华占）修复BDE-209污染的土壤有很强的潜力。

上述试验结果表明，干湿交替处理对土壤中BDE-209消减具有较好的效果，在氧化还原交替状态下，BDE-209能容易通过厌氧脱溴后好氧开环而消减。将干湿交替水分管理与植物修复相结合，通过植物的根际效应，进一步促进BDE-209的降解。在低浓度BDE-209污染的土壤中，水稻秀水134修复效果较好，而在高浓度BDE-209污染的土壤中，水稻黄华占修复效果较好。

实施例2、将实施例1所述的水稻继续进行种植，直至水稻收获期（即，在实施例1的种植90天，约还需继续种植30～50天），在上述继续种植时间内，保持田间持水量60～70%。

将上述收获的水稻籽粒打磨成粉后按照上述土壤BDE-209测定方法进行检测，结果发现：在水稻籽粒中并不含有BDE-209。

对比例1、对西葫芦、高羊茅、紫云英、紫花苜蓿和黑麦草这五种旱生型植物进行了试验，种植时间为90天，为旱作，其余内容可参照实施例1；其与实施例1的试验结果对比见下表1：

表1

从上表的试验结果可以看出，除了在新制备污染土组中两种水稻品种对BDE-209的消减能力与旱生型紫花苜蓿和黑麦草相当外，所有处理中均一致表现出湿生型水稻品种优于旱生型植物的结果。Huang等（2011）的试验中也已验证黑麦草和紫花苜蓿在BDE-209土壤污染浓度为4960.1±310.0μg kg^-1时对BDE-209的降解能力[Huang,H.L.,Zhang,S.Z.,Christie,P..Plant uptake and dissipation of PBDEs in the soils of electronic waste recycling sites.Environmental Pollution,2011,159:238-243.]。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法，其特征在于：在待修复的十溴联苯醚污染土壤上种植水稻，并保持土壤“淹水—排干”这一干湿交替的运转方式，从而实现去除土壤中十溴联苯醚的目的；

当十溴联苯醚污染土壤为低浓度污染时，水稻为秀水134；

当十溴联苯醚污染土壤为高浓度污染时，水稻为黄华占。

2.根据权利要求1所述的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法，其特征在于：所述在十溴联苯醚污染土壤上种植水稻的时间为至少三个月；

待所设定的种植时间到后，将水稻整体移除或者进行收割。

3.根据权利要求2所述的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法，其特征在于：将已发芽的水稻种苗移栽到十溴联苯醚污染的土壤中。

4.根据权利要求3所述的利用干湿交替对十溴联苯醚污染土壤进行植物修复的方法，其特征在于：

水稻种苗移栽完毕后，淹灌土壤，并在种植过程中进行不定期浇水以确保土面始终保持1-2cm水层；第76天开始排干水分直至田间持水量为60%，而后再进行不定期浇水以维持60-70%的田间持水量直至将水稻整体移除或者进行收割。

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