CN104162537A - 一种合理利用铜污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合理利用铜污染土壤的方法。一种合理利用铜污染土壤的方法，是在铜污染土壤中种植黄花月见草。黄花月见草对高Cu污染土壤有很强的抗性和一定的Cu排斥性。对成熟的月见草进行Cu含量分析表明，相对苗期，月见草向上转运的铜更少，主要积累在根系。黄花月见草的可食用部分种子中Cu含量8mg kg^-1，远低于《中华人民共和国药用植物及制剂进出口绿色行业标准》对药用植物Cu含量的限定标准。在铜污染土壤中种植黄花月见草，收获的种子可提炼月见草油，具有很高的经济价值，实现了合理利用铜污染土壤、减少污染土壤抛荒废弃的目的，也是铜污染土壤的一种很好的生态修复方式，有利于重金属植物稳定技术的商业化应用和推广。

Description

一种合理利用铜污染土壤的方法

技术领域

本发明属于污染治理再利用领域，涉及一种合理利用铜污染土壤的方法。

背景技术

Cu是动植物和人类必需的微量营养元素，缺乏或过多都将产生不良影响(Bona等，2007)，同时也是重要的环境污染物。针对日益严峻的土壤铜污染问题，物理化学修复和生物修复是目前研究和应用最多的土壤修复技术。相对而言，植物修复具有治理过程的原位性、成本低廉、环境美学等独特的技术及经济优势，不造成二次污染等特点(Jabeen等，2010；Wu等，2010)，被认为在土壤治理方面具有极大的发展潜力和良好的应用前景(Juan等，2011)。广义的植物修复包括植物提取、植物稳定等，单一的植物提取技术因修复效率较低而较难实际应用，针对目前日益严重却很难消除的重金属污染物，运用植物稳定技术来减少重金属污染的扩散，也不失为一个既现实又经济可行的对策。即可以充分利用重金属污染的废弃土壤，增加地面植被覆盖的同时，又能取得质量安全得当保障的农产品而产生良好的经济效益。

黄花月见草原产北美洲(Singh et al.,2012)，属多年生草本。近年来，月见草因其种子油中富含7～10％的γ-亚麻酸(gamma-linolenic acid，GLA)(Ghoreishi and Bataghva,2011；Christie，1999)而作为油料作物开始人工栽培。GLA是合成人体一系列前列腺素的必需前体物质，是组成人体各组织生物膜的结构材料，具有调节免疫系统、抗癌等作用(Espinoza et al.,2010)。但人体自身无法合成GLA，只能从外界摄取(Fan和Chapkin，1998)，自然界中以月见草油中的GLA含量为最高(万红贵等，2012)。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中大面积的铜污染土壤，提供一种合理利用铜污染土壤的方法。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

黄花月见草在利用铜污染土壤中的应用，优选黄花月见草在利用铜含量为200-1500mgkg^-1的污染土壤中的应用。

一种合理利用铜污染土壤的方法，在铜污染土壤中种植黄花月见草。

本发明所述的黄花月见草不局限于某一种植株，只要是生物分类学上的黄花月见草均适用于本发明。

有益效果：

本发明从铜污染土地上的多重优势物种中筛选到一种矿区理想的植物钝化修复植物——黄花月见草，其对高Cu污染土壤有很强的抗性和一定的排斥性。对成熟的月见草进行Cu含量分析表明，相对苗期，月见草向上转运的铜更少，主要积累在根系(127mg kg^-1)。黄花月见草的可食用部分种子中Cu含量8mg kg^-1，远低于《中华人民共和国药用植物及制剂进出口绿色行业标准》对药用植物Cu含量的限定标准(20mg kg^-1)。在铜污染土壤中种植黄花月见草，收获的种子可提炼月见草油，具有很高的经济价值，实现了合理利用铜污染土壤、减少污染土壤抛荒废弃的目的，也是铜污染土壤的一种很好的生态修复方式，有利于重金属植物稳定技术的商业化应用和推广。同时黄花月见草耐铜、耐瘠薄、抗旱、耐密植，极少病虫害，管理简便，对土壤要求不严且无须施肥，另外黄花月见草为多年生植物，一次播种可多年收获，生产成本极低，纯利润高。

附图说明

图1铜在不同生长时期的黄花月见草体内的分布(mg kg^-1)

a.苗期黄花月见草体内铜的分布

b.花期黄花月见草体内铜的分布

c.果期黄花月见草体内铜的分布

图2γ-亚麻酸标准样品的气相色谱图

图3黄花月见草种子油样品的气相色谱图

具体实施方式

实施例1Cu排斥型植物的筛选

1土壤和优势植物样品的采集

本次野外样品的采集地点位于安徽省铜陵市西湖镇朝山村狮子山区杨山冲尾砂库(E117°53′24″―E117°53′70″，N30°54′22″―30°54′62″)。尾矿库总面积20ha，海拔高度83m，于1966年启用，1990年闭库，三面环山，一面筑坝，坝高约100m，面积达20hm²，停止排放时间约为10年，人为干扰较少。铜陵市位于安徽省南部，长江下游南岸。地区气候属于亚热带湿润季风气候，四季分明，无霜期长，年平均气温16.9℃，年降雨量1272.5mm，平均雨水pH4.77，日照时长2000～2050h。

我们将该尾砂库按照地形特点和污染特点分成13个10×10m²小区，记录样方中所有植物种类、数量、高度、覆盖率、综合优势比并均匀采集不同点的植物样品和土壤样品。每个小区随机采取10株植物和土壤样品，分析植物不同部分的重金属含量和土壤重金属含量、有效态含量、pH、容重、有机质、电导率、有效磷、有机碳等理化性质。土壤样品的采取使用随机多点采样法，五个点土壤充分混合成一个样品，采样深度为0～20cm，实验共采集97个植物样品和39个土壤样品。

表1列出了39个土壤样品中Cu、Cd、Zn、Pb的总量和可交换态含量的平均值与变化范围以及相关的土壤理化性质等。表2主要提供了国家III类土壤的临界值(GB15618-1195)和铜陵土壤背景值。国家III类土壤临界值是保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值，适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)。

就四种重金属总量而言，所有样品的Cd、Zn、Pb的平均含量虽然超出了铜陵土壤背景值，但并没有超过国家III类土壤的临界值，属于轻度污染。样品中Cu含量均高于国家III类土壤的临界值和铜陵土壤背景值，最高含量达3354mg·kg^-1，说明由于人为的采矿活动，该尾砂库Cu已严重影响了该地区的土壤环境状况，而且虽然该矿区已关闭多年，但对周围环境的危害仍然很大。将会严重危害当地居民的身体健康并影响农林业生产和植物的正常生长。10mM CaCl₂提取的土壤Cu、Zn、Pb可交换态含量分别是总量的0.02％、0.096％、0.2％，Cd可交换态低于检测限。研究表明，土壤中有效态重金属是植物能够直接或易吸收的重金属存在形态，具有直接的生物有效性(王学锋和朱桂芬，2003)，植物从土壤中吸收金属离子的能力与土壤中重金属的生物有效性有很大关系。通过对杨山冲尾砂库土壤理化性质的调查，我们发现该地域土壤以砂性为主，非常贫瘠并呈弱碱性(pH:7.33-7.55)。1.7g kg^-1-2.6g kg^-1的有机碳含量将会影响土壤重金属的有效性，土壤电导率、有效磷、有机质以及全氮含量分布是1.17ds m^-1，8.6mg kg^-1，0.24％和189mg kg^-1。显而易见，土壤中N、P等大量元素含量较低，主要原因是由于土壤污染使植物难以在其上定居，加上污染土壤疏松、孔隙率高，从而使土壤中营养元素大量流失，植物更难在其上生长。污染土壤中有机质含量也明显偏低，严重贫瘠化也使得尾矿上生长的植物种类少、群落结构简单。

表1 采样区土壤理化性质和重金属含量

nd*,未检测到

表2 国家土壤环境质量标准值(mg kg^-1)

2黄花月见草样品的采集

前期实验确定了耐性植物黄花月见草为主要研究对象，我们在2010年4月到2010年8月期间进行了三次采样，主要采集不同生长时期的黄花月见草的根系、老叶、幼叶、茎、花、种子，测定其铜含量以分析月见草对铜的积累特性，并测定种子油含量和油中γ-亚麻酸含量以分析该黄花月见草的潜在价值。样品采集范围覆盖整个尾砂库，每次采集50个样品。

3样品分析

3.1样品的处理

将采得的植物样品带回实验室，先用自来水洗净，再用去离子水清洗一遍，用吸水纸吸干表面水分，120℃下杀青半小时，后于80℃烘箱烘干至恒重，然后用玛瑙研钵研至粉末，备用。用于测定土壤理化性质和重金属的土壤样品带回实验室后自然风干，用玛瑙研钵研磨，分别过20、60、100目筛。

3.2植物和土壤样品重金属含量测定

植物样品的重金属含量的测定参照Zhao等(1994)人的方法，精确称取干燥的植物样品0.2000g倒入洁净干燥的消煮管中，加入5ml HNO₃+HClO₄(V:V＝87:13)混合酸消煮完全。重金属含量测定使用Jena NovAA400原子吸收分光光度计。样品消煮过程中同样以消煮的混合酸为空白，以消除消煮和分析过程中带来的误差。

土壤样品中重金属总量的测定参照Zhao等人(1994)的方法。精确称取干燥的土壤样品0.2500g倒入洁净干燥的消煮管中，然后加入6～8ml HNO₃+HClO₄(V:V＝4:1)的混合酸消煮完全，消煮后的管子内加入20ml2.5％的稀硝酸，涡旋，70℃下水浴30min，取上清作为待测液。待测液中元素的含量采用Jena NovAA400原子吸收分光光度计(Analytik Jena Co.Ltd.,Germany)进行测定。样品消煮过程中以消煮的混合酸为空白，同时消煮，以消除消煮和分析过程中污染带来的误差。

土壤重金属有效态含量的测定参照Xian(1989)的方法，称取5g通过2mm筛孔的风干土样按V液：M土＝5:1的比例用0.01mol·L^-1CaCl₂振荡提取2h后，3000r·min^-1离心30min，Jena NovAA400原子吸收分光光度计(Analytik Jena Co.Ltd.,Germany)测定铜含量。

各植物种的综合优势比的测定采样Numata(1966)的方法，计算公式为

$\mathrm{SDR}=\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Hr}+\mathrm{Dr}+\mathrm{Fr}}{4}*100\%$

Cr＝C_i/C_max，Hr＝H_i/H_max，Dr＝D_i/D_max，and Fr＝F_i/F_max；

C_i，H_i，Di，F_i分别代表盖度，高度，密度，频度；

C_max，H_max，D_max，F_max代表最大盖度，最大高度，最大密度，最大频度。

表3 杨山冲尾砂库主要优势植物重金属含量的平均值和变化范围(mg kg^-1)

表4 杨山冲尾砂库植被组成特征及植物对Cu的积累

转运系数：植物地上部与根部重金属浓度的比例。

由表3可以看出，上述8种植物对Cu、Zn、Pb和Cd四种重金属元素均有不同程度的富集，在植物的根系中4种重金属元素含量的差异(同种重金属元素在8种植物中的最高值与最低值之比)是不同的，地上部含量从高至低依次为：Cu(36.1倍)、Zn(4.58倍)、Pb(3.55倍)Cd(3.17倍)，根系含量从高到低依次为：Cu(19.8倍)、Cd(4.77倍)、Zn(2.96倍)、Pb(1.95倍)、Cd(3.17倍)。说明植物对于不同重金属元素的吸收存在较大的差异，我们还发现，在杨山冲尾砂库污染的土壤中，所筛选的8种植物都能较好地生长，地上部生物量较大。由表2-4可以看出，Pb、Zn、Cu和Cd4种重金属元素在每种植物地上部和地下部的分配情况都不相同，但没有任何一种植物同时对4种重金属元素均表现出最强的吸收能力，且基本上是根系的含量高于地上部分。显而易见，对比这四种重金属，植物中Cu含量严重超出正常值100mgkg^-1(Kabata-Pendias和Pendias，1992)，因此这些优势植物对铜有着较强的耐性。

表4主要分析了杨山冲尾砂库8种优势植物的Cu积累量的平均值和变化范围，所有植物地上部的Cu含量最低14mg kg^-1，最高达到253mg kg^-1。其中白茅、五节芒、狗尾草、苍耳的地上部Cu含量较高(>100mg kg^-1)。除黄花月见草和苍耳之外，其他所有植物的根系Cu含量均大于300mg kg^-1。植物对重金属元素的迁移转化能力是指植物从土壤中吸取重金属元素并由生长周期较长的根向生长周期较短的茎叶转移能力的大小，具体可以用转运系数表示。转运系数为植物地上部分重金属元素含量与地下部分重金属元素含量的比值(Yoon等，2006)。比较8种优势植物对各Cu的迁移转运能力，苍耳对Cu的转运系数最高，狗尾草次之，黄花月见草的Cu转运系数最低，结合黄花月见草的高覆盖度和高优势比，说明该植物对高Cu污染土壤有很强的抗性和一定的排斥性，是矿区理想的植物钝化修复植物。通过对杨山冲尾砂库主要优势植物的调查筛选，确实了Cu排斥性耐性植物黄花月见草作为主要的研究对象。

为了研究黄花月见草对Cu的吸收、转运和积累情况，我们分别在苗期、花期和果期采样调查黄花月见草不同器官的Cu含量(图1a)，在黄花月见草苗期，根系Cu含量是地上部的1.78倍，正常生长两个月后的花期(图1b)，我们发现Cu在月见草植株中的分布为：根>老叶>新叶>茎>花。2010年8月，我们采集了成熟的月见草进行Cu含量分析，相对苗期，月见草向上转运的铜更少，主要积累在根系(127mg kg^-1)。黄花月见草的可食用部分种子中Cu含量8mg kg^-1，远低于《中华人民共和国药用植物及制剂进出口绿色行业标准》对药用植物Cu含量的限定标准(20mg kg^-1)。

3.3黄花月见草种子特性的测定

千粒重的测定参照Balasubramanian和Viswanathan等(2010)的方法，取100g黄花月见草种子，将种子随机分成10等份，然后随机从各份中取种子，数够1000粒，置于40℃烘箱中干燥。然后电子天平(精确到小数点后四位)称重，每次称重重复5次取平均值。

籽粒含水量和油含量的测定：称取备用试样5g，准确至0.0001g，置于105土2℃烘箱中，干燥1小时后取出，放入干燥器内冷却至室温，同时测定样品的水分含量。籽粒油含量的测定参照Zaidul等人(2006)的方法，将样品放入研钵内研细，必要时可加适量石英砂助研，将研细的样品过18-35目(1-0.5mm)筛子后移入干燥的滤纸筒内，取少量脱脂棉蘸乙醚抹净研钵、研棒和药匙上的试样和油迹，一并投入滤纸筒内，在试样面层塞以脱脂棉，然后将滤纸筒放入索氏提取器的抽提管内。抽提剂采用无水乙醚，抽提8小时后，转移到旋转蒸发器蒸至恒重。

种子油中γ-亚麻酸含量：采样气相色谱法，色谱柱：SupelcoTM弹性石英毛细管柱(30m×0.25mm，0.25μm)；检测器：FID；载气：N₂；灵敏度：20；衰减：-5；分流比：30：1；进样量：1μL；柱温：170℃；进样口温度：180℃；检测器温度：200℃。对照品溶液：γ-亚麻酸甲酯对照品购自中国药品生物制品检定所，批号：110898-200503。准确称取γ-亚麻酸甲酯对照品11.62mg，置于10ml容量瓶中，准确加入正己烷溶解并制成每1ml含1.162mg的γ-亚麻酸甲酯对照品溶液。供试品溶液：黄花月见草种子油100g经皂化反应后得总脂肪酸，准确称取总脂肪酸约8mg，置于10ml具塞试管中，加入甲醇2ml，三氟化硼乙醚液1ml，振摇，于60℃水浴5min，冷却至室温，准确加入正己烷2ml，饱和氯化钠溶液2ml，旋涡振摇，放置片刻，加入无水硫酸钠2g，上层液即为甲酯化供试品溶液。

表5 黄花月见草种子特性、油含量及γ-亚麻酸含量

*nd代表未检测到，铜的检测限为1mg kg^-1

图2为γ-亚麻酸标准品色谱图，出峰时间在8.803min，图3中8.808min对应的峰即是黄花月见草中的γ-亚麻酸。由表5可见，黄花月见草种子千粒重约0.24g，种子Cu含量约8.05mg kg^-1，符合种子可食用标准。索氏提取法测定的种子油含量约14.33％，油中未检测出Cu。Gunstone(1992)测定了黄花月见草属的γ-亚麻酸含量8％–14％，杨山冲尾砂库生态型黄花月见草种子γ-亚麻酸经气相色谱测定达8.73％，具有一定的利用价值。

在本实施例采集的植物中，黄花月见草覆盖度和相对优势比较高，然而Cu转运系数却是所有植物中最低的，地上部/根系含量比值仅为0.19。对不同生长时期的黄花月见草的不同器官进行分析发现，黄花月见草体内的Cu主要分布在根系，种子中的Cu含量最低，仅为8mgkg-1，种子油的γ-亚麻酸含量为8.73％。说明黄花月见草具有较高的经济价值且种子中的Cu含量未超过《中国人民共和国药用植物及制剂进出口绿色行业标准》对药用植物Cu含量的限定标准(20mg kg-1)。

实施例2黄花月见草在铜污染农田种植应用

在南京东郊某铜矿废弃地污染农田中选取不同铜污染程度的三块农田作物试验田，每块试验田随机设置4个小区(10m×10m)。采用春播的方式种植黄花月见草，采用穴盘进行育苗，待植物长到两叶一心期，选取大小均一的植物苗移栽到大田，合理密植，并采用常规的大田生产进行管理。在当年秋季作物成熟期，在每个小区收获3个2m×2m＝4²样方，单打单收测定黄花月见草籽粒产量，并测定株高、茎粗、有效果数/枝、粒数/果、千粒重、籽粒油含量、籽粒含水量、黄花月见草种子油中γ-亚麻酸含量，并分析黄花月见草的收益。

1、铜矿废弃地铜污染试验田的土壤背景

由于长期的采矿、冶炼等工业活动以及废弃后矿渣、尾矿的长年堆放暴露在外，使得铜矿附近的农田土壤受到了严重的铜污染。该野外种植实验选取的三块污染农田分别是伏牛山1号地(FS-1)、伏牛山2号地(FS-2)、伏牛山3号地(FS-3)(FS：Funiushan)，首先对试验田的具体的Cu污染程度进行了调查发现，以采矿区为铜污染源，污染逐步向四周农田扩散，距离中心较远的铜含量较低，地势越高的农田土壤铜含量越低，表6为土壤Cu含量的测定结果。结果显示，土壤总Cu含量和有效态Cu含量有着良好的相关性，三块农田的铜污染程度随着地势的降低逐渐升高，FS-3农田的铜污染最严重，高达1034mg kg-1。

表6 试验田土壤Cu背景(平均值±SE)

注：同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)

土壤是植物生长所需营养元素的直接供体，土壤营养水平影响植株的生长状况，进而可以影响黄花月见草的品质和产量。表7为伏牛山黄花月见草种植地土壤养分水平调查结果，根据全国土壤二次普查养分分级标准，三块试验田的土壤有机质、全氮、全磷、全钾和水解氮含量分别属于同一水平。有机质水平属于全国三级水平；全氮属于一级水平；全磷属于五级水平；全钾属于六级水平；水解氮属三级水平。三块试验田的速效磷和速效钾的含量水平不均一。FS-1试验田速效磷含量高于其他两块试验田，属于一级水平，而其他两块地属于二级水平。FS-1试验田速效钾含量低于其他两块试验田，属于三级水平，而其他两块地属于一级水平。

表7 伏牛山试验田土壤理化性质(平均值±SE)

全国第二次土壤普查养分分级标准

注：同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)

2不同铜污染农田土壤对黄花月见草种子产量与品质的影响

根据伏牛山废弃地生态治理和景观恢复的总体规划，科普教育与修复区的植物稳定钝化修复主要以铜排斥性耐性植物黄花月见草的种植为主。从表8可以看出，不同程度铜污染农田土壤对黄花月见草的有效果数、每果粒数、γ-亚麻酸含量及亩产量有着显著影响，而对株高、茎粗、种子千粒重、种子铜含量及油含量的影响不显著。高度污染的农田FS-3中，1304mg kg^-1铜含量的农田土壤并没有导致种子种的铜含量发生显著的变化，而此时γ-亚麻酸降到了15.5％，同样高污染的铜也使得每公顷产量降低到1521kg。根据2013年3月市场上收购月见草种子的价格(10元/kg)来计算，该区域产值大约在15210-19500元/hm²。同时黄花月见草耐铜、耐瘠薄、抗旱、耐密植，无病虫害，管理简便，对土壤要求不严且无须施肥，另外黄花月见草为多年生植物，一次播种可多年收获，生产成本极低，纯利润高(仲艳丽，2004)。

表8 黄花月见草在不同铜污染土壤中的生长状况、种子产量与品质

注：同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)

本实施例表明：采用黄花月见草对污染程度不同的三块农田进行了植物稳定修复试验：该植物在Cu污染高达1304mg kg^-1的农田中的产量达到1521kg hm^-2，种子中不存在Cu污染风险，且油中γ-亚麻酸达15.5％，利用该铜矿废弃地农田可以创造19500元hm^-2的产值。低廉的生产成本和较高的经济收益使得黄花月见草在合理利用Cu污染土壤中极具推广价值。

Claims (2)

1.黄花月见草在利用铜污染土壤中的应用。

2.一种合理利用铜污染土壤的方法，其特征在于在铜污染土壤中种植黄花月见草。