CN103769411A

CN103769411A - 一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法

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Publication number: CN103769411A
Application number: CN201210405609.8A
Authority: CN
Inventors: 刘睿; 周启星; 魏树和
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: CN103769411B

Abstract

本发明涉及多环芳烃（PAHs）污染土壤植物修复技术领域，具有地说是一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法。在PAHs污染土壤中种植禾本科植物火凤凰，促使该植物在发芽、生长至成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌物质的联合作用，从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs。本发明方法将火凤凰种植于多环芳烃污染土壤中，采用观赏性植物火凤凰来修复多环芳烃污染土壤。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。同时，作为一种观赏性和经济植物，种植火凤凰不仅能有效降解环境土壤中多环芳烃污染，而且还可以避免污染植物进入食物链，最大限度减少其治理带来生态风险。

Description

一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及多环芳烃（PAHs）污染土壤植物修复技术领域，具有地说是一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法。

背景技术

多环芳烃（PAHs）是一类具有生物蓄积性、毒性、致癌和致突变特性的典型持久性有机污染物。早在上世纪70年代，美国环保署就已列出了16种优先控制的PAHs，其中7种被国际癌症研究中心认定为动物致癌物。PAHs主要产生于化石燃料和有机物质的不完全燃烧过程。研究表明，进入环境中的PAHs有94％都积累在土壤环境中，使土壤成为PAHs最主要的储存库。土壤富含的有机物质可以有效吸附这类脂溶性较强的化合物，并且难以降解。更令人担忧的是，PAHs对环境的污染和对生态系统的危害是无法短期获知的，一旦发生毒害作用必将导致无法挽回的后果。因此，对PAHs污染土壤进行必要的修复是降低其生态风险，解决土壤环境问题及消减农产品致癌风险的重大需要。

长期以来，国内外均把PAHs在水体、大气、土壤中的环境效应研究作为环境科学研究的前沿，把这类污染物的化学行为、环境毒理及降解等方面作为研究的重点。其中，关于PAHs污染土壤的修复已成为当下研究的热点。目前，治理PAHs污染土壤的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复。物理、化学修复技术成本昂贵，易造成地下水源的次生污染，不适合大规模应用。生物修复主要指微生物修复，微生物修复是研究得最早、最深入、应用也最为广泛的一种生物修复方法。由此产生了一系列生物修复技术如现场处理、就地处理、堆肥、生物反应器等。这些修复技术的主体均是微生物，应用这些技术处理PAHs污染土壤已有广泛研究。近年来，国外对苯并[a]芘污染土壤的生物处理及其微生物降解有较多报道，大多认为一些白腐真菌对苯并[a]芘有较强的降解能力。许多研究表明，这是因为它们能产生多种酶类，如：木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等。近几年，我国科研工作者在分离筛选PAHs高效降解菌方面开展了很多研究，已取得了诸多成果。微生物修复有其独特的优点：其成本低，其处理费用约为热处理的1/3-1/4、理化处理的1/2-1/3；对环境影响小。但微生物修复中所引入的外源微生物（专性降解菌、基因工程菌）的降解效果易受到土著微生物竞争的影响，同时也存在潜在的生态风险。相比之下，植物修复操作简便，投资成本低、效果好，无二次污染，环境友好，是目前最具潜力的修复技术。

植物对PAHs污染土壤的修复主要表现为3种机制：根部直接吸收PAHs，随后被代谢成无害物质；根部释放分泌物和酶分解PAHs；根际强化微生物群体对PAHs的降解。已有较多研究表明，通过上述途径植物可以有效地刺激PAHs的降解。目前世界范围内植物修复已被广泛应用到PAHs污染土壤治理中，直到现在，已报道能促进PAHs去除的植物有40多种，如杨树、柳树、鹦鹉毛等，但在植物修复中利用观赏性植物修复土壤的报道还较少，因为观赏性植物修复有其独特的优点：如进行土壤修复的同时，能美化环境；观赏性植物，不会进入食物链，可减少人体的危害；同时人类在长期的生产实践中积累了丰富了品种选育、观赏性植物栽培以及病虫害防治等，所以目前观赏性植物修复污染土壤正方兴未艾。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用观赏性植物火凤凰（Festucaarundinacea）修复多环芳烃污染土壤的方法。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：

一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法：在PAHs污染土壤中种植禾本科植物火凤凰，促使该植物在发芽、生长至成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌物质的联合作用，从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs。

所述污染土壤中多环芳烃浓度为50-100mg/kg。将火凤凰种植于无污染土壤中，种植有火凤凰的无污染土壤置于污染土壤中间，即种植方式从上至下，上层污染土壤-种植有火凤凰的无污染土壤-下层污染土壤。每200g自然无污染土壤中植物5g火凤凰。所述上层污染土壤与种植有火凤凰的无污染土壤重量比为1:1。

具体为：将植物种子5g种于200g自然无污染土壤中，其种植有火凤凰的200g自然无污染土壤上方为200g多环芳烃污染土壤，下方为1800g多环芳烃污染土壤。

火凤凰的种植采用在网室中栽培，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的25-35％（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）。

在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植火凤凰，火凤凰利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸、糖类、氨基酸、吲哚乙酸以及根际促生菌体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。

本发明所采用的观赏性植物火凤凰，禾本科。火凤凰是专门为炎热和干旱地区成功建植草坪而设计组配的草坪型高羊茅组合，由多个最新型的耐热、抗病的高羊茅品种组合而成。它对其它禾草和杂草有较强的竞争能力，叶色深绿，抗病、耐热，夏季病虫害少，冬季绿色期长。它能耐受严酷的生态环境，即在北方干旱气候和南方湿热气候条件下均能良好生长。

本发明所具有的优点如下：

1.本发明方法将火凤凰种植于多环芳烃污染土壤中，采用观赏性植物火凤凰来修复多环芳烃污染土壤。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；而且作为一种绿色原位修复技术，不会造成二次污染，同时观赏性植物修复不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善有机污染而引起的土壤退化和生产力下降，恢复并提高生物多样性。同时，作为一种观赏性和经济植物，种植火凤凰不仅能有效降解环境土壤中多环芳烃污染，而且还可以避免污染植物进入食物链，最大限度减少其治理带来生态风险。

2.本发明方法是将火凤凰种植于多环芳烃污染土壤中，当土壤中多环芳烃浓度为50-100mg/kg，植物的生长量基本没有受到抑制，同时火凤凰利用其发达的根系及根系微生物联合作用有效的降解了污染土壤中多环芳烃的含量。在种植150d后，其根际土壤中四环PAHs包括（荧蒽、芘、苯并（a）蒽、屈）降解率分别为：86.56％，93.27％，100％，100％；五环PAHs包括（苯并（b）荧蒽，苯并（k）荧蒽，苯并（a）芘，二苯并（a，h））也都有较高的降解率，分别为100％，100％，99.53％，100％。实验证明，火凤凰利用其发达的根系及根系微生物联合作用有效的降解了污染土壤中多环芳烃的含量。种植火凤凰150天后其污染土壤中多环芳烃（四环和五环）总量降解率可达99.40％，远远高于其对照组降解率（54.06％），说明了火凤凰对多环芳烃污染具有较强的耐性和有较高的降解能力。

3.本发明利用观赏性植物修复降解多环芳烃污染土壤，其不仅可以有效改善污染土壤的土质，降低多环芳烃污染浓度，而且还能起到实现美化环境的作用，更重要的是用于修复土壤的观赏性植物有效避免了污染物再次进入食物链，最大限度的减少了修复土壤中可引起的二次污染。与其他修复技术相比，具有成本低、对环境影响小、能使地表长期稳定，并且在消除土壤污染的同时，消除污染土壤周围的大气和水体中的污染物，有利于改善生态环境等优点。因此，从观赏性植物中筛选能降解多环芳烃植物并将其推广应用是切实可行的。

总之，本发明将火凤凰种植在多环芳烃污染土壤中，通过植物的生长过程及其根系分泌的酶、小分子有机酸、糖类、氨基酸、吲哚乙酸以及根际促生菌的联合作用，可达到有效除去土壤中多环芳烃的目的。通过连续种植该种植物，重复上述步骤，就可连续降解污染土壤中多环芳烃，直到其含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，有效改善土壤的理化性质，无二次污染，且可以在治理污染土壤的同时美化环境等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的将火凤凰种植60d后其根际土壤中四环多环芳烃和五环多环芳烃分别的降解率图。图中，FL表示荧蒽，Pyr表示芘，BaA表示苯并（a）蒽，CHR表示屈，BbF表示苯并（b）荧蒽，BkF表示苯并（k）荧蒽，Bap表示苯并（a）芘，DBA表示二苯并（a，h）。

图2为本发明实施例提供的将火凤凰种植120d后其根际土壤中四环多环芳烃和五环多环芳烃分别的降解率情况。图中，FL表示荧蒽，Pyr表示芘，BaA表示苯并（a）蒽，CHR表示屈，BbF表示苯并（b）荧蒽，BkF表示苯并（k）荧蒽，Bap表示苯并（a）芘，DBA表示二苯并（a，h）。

图3为本发明实施例提供的将火凤凰种植150d后其根际土壤中四环多环芳烃和五环多环芳烃分别的降解率情况。图中，FL表示荧蒽，Pyr表示芘，BaA表示苯并（a）蒽，CHR表示屈，BbF表示苯并（b）荧蒽，BkF表示苯并（k）荧蒽，Bap表示苯并（a）芘，DBA表示二苯并（a，h）。

图4为本发明实施例提供的不同种植时间火凤凰对根际土壤中PAHs总量（四环和五环PAHs）的降解率变化情况图。

具体实施方式

一种利用观赏性植物火凤凰（Fire Phoenix）修复多环芳烃污染土壤的方法，主要包括：

在多环芳烃（PAHs）污染土壤中种植植物，促使该植物在发芽、生长至成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌的酶、小分子有机酸、糖类、氨基酸、吲哚乙酸以及根际促生菌的联合作用，从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs，该所述植物为：火凤凰，属禾本科植物。

将火凤凰种植于无污染土壤中，种植有火凤凰的无污染土壤置于污染土壤中间。

所述的利用观赏性植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，在多环芳烃污染土壤中种植的火凤凰采用在网室中栽培，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的25-35％（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）。

所述的利用观赏性植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植火凤凰，火凤凰利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸、糖类、氨基酸、吲哚乙酸以及根际促生菌体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。

实施例

实验地点设在中国科学院沈阳应用生态研究所网室内，盆栽实验土壤采用配制后多环芳烃污染土壤，即为山东省东营市胜利油田采集的原多环芳烃污染土壤（0-20cm）与沈阳市万柳塘公园内采集的自然无污染土壤（0-20cm），通过重量配比（1：1）成PAHs浓度为50-100mg/kg的配制后多环芳烃污染土壤，土壤理化指标见表1。种植火凤凰是将植物种子种于200g自然无污染土壤中，其200g自然无污染土壤下方是1800g多环芳烃污染土壤，上方是200g多环芳烃污染土壤中间（多环芳烃浓度为80mg/kg）。实验同时设有对照组（即没有种植植物的配制后多环芳烃污染土壤样品）。实验用盆是高16cm、直径为25cm的圆形塑料盆，每盆土的质量为2.2kg，实验每盆种植土壤表面积分为9个等份，每等份播种10颗种子，待其生长稳定后间苗为5株/等份，生长期间用自来水浇灌，每个处理水平做4个重复。在实验过程中控制浇灌频率和浇灌水量，以防止土壤中PAHs污染物流失。同时，设置3盆未种植物对照盆，平时施予同样浇灌操作。植物种植后60d、120d、150d后，分别采集植物根际土壤测定其多环芳烃（包括四环和五环）含量及其降解情况。

采用超声提取，高效液相色谱仪(HPLC)荧光检测器进行测定土壤中PAHs的含量。取5g经研磨过1mm筛土壤样品于25m1玻璃离心管中，加入20ml有机提取剂(按体积比，丙酮/二氯甲烷=1:1)并盖紧，分2次于超声水浴中提取，每次30min，超声水浴中的温度控制在40℃以下。提取后，将离心管放在离心机内，以4000转/min离心10min。记下提取液体积，将上清液转移到蒸发瓶中，于旋转浓缩蒸发仪上在30℃、135m bar真空条件下将样品浓缩至干。用环己烷定容至1m1，将定溶液转移至装有1.0g硅胶的预处理柱中，再用正己烷/二氯甲烷(体积比1:1)混合液洗脱，弃去第1组份5ml洗脱液，收集到的洗脱液再以氮气吹脱，乙腈定容至1m1，待液相色谱（HPLC）分析测定（参见图1-4）。

表1.山东采集原多环芳烃污染土壤及配制后多环芳烃污染土壤理化指标

图1所示，观赏性植物火凤凰在多环芳烃（PAHs）污染土壤中种植60d前后，其根际土壤中四环和五环PAHs的降解率情况。在80mg/kgPAHs污染胁迫下，火凤凰种植60d后，其植物生长状况良好，没有明显表现出毒害效应。火凤凰根际土壤中PAHs降解率能达到71.37％，远高于对照组39.32％。PAHs（四环和五环）总量可从70.8mg/kg降至20.27mg/kg。从图1还可以看出，种植观赏性植物火凤凰，对污染土壤中五环PAHs都有较高的降解率，其中苯并（b）荧蒽，苯并（k）荧蒽，苯并（a）芘，二苯并（a，h）蒽降解率分别可达到64.97％，100％，71.98％，76.64％。对于四环PAHs，种植植物60d后，PAHs降解率并不太理想，尤其是荧蒽，其降解率仅为11.56％。其原因可能是由于植物和微生物的联合作用，在根际土壤对PAHs降解中，使高分子大环的PAHs分解成低分子小环的PAHs，故造成荧蒽降解率表面上并不高的现象。

如图2所示，观赏性植物火凤凰（Fire Phoenix）在种植120d后，植物对PAHs污染土壤的修复及降解效能都有很好的提高，比种植60d后的降解率有显著增加，PAHs（四环和五环）的降解率由71.37％提高到96.18％，远远高于空白样品（50.51％）。比较图1数据，其中对于观赏性植物火凤凰经120d种植，不仅对PAHs中四环和五环污染物有很好的降解效能，同时对低环PAHs也表现了很完整的降解效果，120d后，荧蒽、芘、苯并（a）蒽、苯并（b）荧蒽，苯并（k）荧蒽，苯并（a）芘，二苯并（a，h）蒽降解率分别可高达83.08％、87.87％、90.62％、100％、100％、100％、100％、94.17％，实验表明，火凤凰修复PAHs污染土壤的潜能非常好，值得进一步深入研究和推广应用。

图3为观赏性植物火凤凰种植150d后，其根际土壤中PAHs的降解率。从图3实验结果显示，火凤凰在150d后，其土壤中Fire Phoenix（四环和五环）的降解率可达99.40％，Fire Phoenix（四环和五环）总量可以从78.62降至0.47mg/kg。其中对五环Fire Phoenix的降解率也都可以达到99.53％以上，远高于空白样品（54.06％）。实验表明，火凤凰对多环芳烃污染具有较强的耐性和有较高的降解能力，在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植火凤凰，火凤凰利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈共存微生物体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。

由图4中，更可以直观观察到观赏性植物火凤凰，随着种植时间的增加，植物对根际土壤中PAHs（四环和五环）的降解率一直呈上升趋势。从图1、2、3实验数据综合分析，观赏性植物火凤凰在种植150d后，其对土壤中PAHs的降解率达到最好综合分析，且修复后能达到加拿大农业区域PAHs污染土壤治理标准值(≤0.9mg/kg）。故说明火凤凰是对PAHs污染土壤有较好修复效能的植物，有望未来可大面积推广应用。

Claims

1.一种利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于：在PAHs污染土壤中种植禾本科植物火凤凰，促使该植物在发芽、生长至成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌物质的联合作用，从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs。

2.按权利要求1所述的利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于：所述污染土壤中多环芳烃浓度为50-100mg/kg。

3.按权利要求1所述的利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于：将火凤凰种植于无污染土壤中，种植有火凤凰的无污染土壤置于污染土壤中间，即种植方式从上至下，上层污染土壤-种植有火凤凰的无污染土壤-下层污染土壤。

4.按权利要求3所述的利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于：每200g自然无污染土壤中植物5g火凤凰;所述上层污染土壤与种植有火凤凰的无污染土壤重量比为1:1。

5.按权利要求1所述的利用禾本科植物火凤凰修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于：火凤凰的种植采用在网室中栽培，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的25-35％。