CN104190699B - 一种土壤有机污染修复植物的筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，包括以下步骤，计算植物地上部分的含水率；计算索氏提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数；根据限制‑分配植物吸收模型和前两步骤的操作，推导得出植物对有机污染物的吸收潜能的模型公式；针对不同植物的地上部分进行前两步骤的操作，并代入模型公式，可计算不同植物地上部分对不同目标有机污染物的吸收潜能，从而筛选出对目标有机污染物具有最大吸收潜能的植物作为土壤有机污染修复植物。本发明一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，使用操作简单便捷，筛选修复植物高效、稳定、准确、可靠、适用范围广，具有很高的实用价值，可广泛应用于有机污染修复植物的筛选。

Description

一种土壤有机污染修复植物的筛选方法

技术领域

本发明涉及一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，属于土壤有机污染修复领域。

背景技术

经济的高速发展给生态环境造成了极大的负担，继水体污染、大气污染之后，土壤环境的污染问题亦日益凸显，国家环境保护“十二五”规划中已明确提出加强土壤环境保护，并要求推进重点地区污染场地和土壤修复，加大土壤污染修复治理的投入力度。

化工厂的生产活动、农田中农药与杀虫剂的施用等造成的土壤有机污染，具有持久性、蓄积性，并能通过农作物的食物链传递进入人体，对人类健康产生严重危害。相比于物理、化学修复方法的大工程量和高修复花费，采取生物修复技术治理土壤有机污染明显具有经济性优势，加上生物修复是环境友好型的原位修复技术，生物修复技术因此是修复受有机污染土壤的首选。由于具有修复潜能大、适用范围广、运行维护简单的优势，植物修复技术正被越来越多的应用于土壤有机污染的修复治理。而如何筛选出能够高效吸收有机污染物的植物物种，是植物修复有机污染土壤顺利有效实施的基础。

目前，有机污染修复植物的筛选方法主要有两类，一类是通过吸收实验直接测定植物对有机污染物实际吸收能力的实测法，这类方法的筛选结果可靠，但是筛选工作量大、周期长、效率极为低下，应用极其不便；另一类筛选方法则是基于一些植物参数(如植物组分、生理活动指标等)和有机污染物性质(如疏水性、分子量等)通过植物吸收模型公式来计算预测植物对有机污染物吸收潜能的模型预测法，其优点是大大减少了植物筛选的工作量和周期，但由于模型繁杂程度不一、参数检测难度各异，模型预测法很难兼顾筛选工作的效率性与筛选结果的可靠性，因此其在筛选修复植物的应用中也存在一定的限制。

由Chiou等人提出的限制-分配(Partition-limited)植物吸收模型是较为简便的一种预测模型，该模型提出植物吸收有机污染物的驱动力源自有机污染物在植物有机组分间(其中类脂占据了绝对主导作用)的分配过程，其公式为：

Q_eq＝C_w×(f_lip×K_lip+f_ch×K_ch+f_pw)≈C_w×(f_lip×K_ow+f_ch×K_ch+f_pw)＝C_w×f_lip×K_ow

Q_eq—植物对有机污染物的吸收潜能，mg/kg；

C_w—土壤溶液中有机污染物的浓度，mg/L，取决于土壤性质与污染状况；

f_lip、f_ch、f_pw—分别为植物类脂、碳水化合物、水分的质量分数，％；

K_lip、K_ch—分别为有机污染物在植物类脂、碳水化合物中的分配系数，L/kg；

K_ow—有机污染物的辛醇-水分配系数，L/kg，是有机物常用的疏水性参数；

植物对有机污染物的吸收潜能取决于植物类脂含量和有机污染物的辛醇-水分配系数K_ow。由于K_ow为有机物基本理化数据，容易查阅获得，因此，只需要通过经典的索氏提取法测定植物类脂含量，便可应用该模型公式预测植物对有机污染物的吸收潜能，筛选植物十分便捷高效。但是，由于对索氏提取法植物类脂提取效率估计不足，基于该模型的筛选方法其评判误差较大，准确可靠程度较差。为解决现有有机污染修复植物筛选方法和技术存在的不足或应用限制，需要寻找一种准确可靠、便捷高效、适用范围广的修复植物筛选方法，以保障有机污染土壤植物修复技术的推广应用，促进土壤有机污染修复工作的有效性、环境友好性、经济性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，使用操作简单便捷，筛选修复植物高效、稳定、准确、可靠、适用范围广，具有很高的实用价值，可广泛应用于有机污染修复植物的筛选。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，包括以下步骤：

a.取所筛选植物的地上部分35～45g称取鲜重后，真空冷冻干燥31～41h，得到植物干样，立即称量该植物地上部分的干重，由此计算得到植物地上部分的含水率f_pw；

b.用粉碎机将步骤a中得到的植物干样磨碎成粉末后，称取1～3g装入滤纸筒内，同时记录滤纸筒的总重量，然后将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取管内加入95～105mL的有机提取溶剂后，用可水浴控温并定时的连续索氏提取器进行植物类脂的提取，水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点15～25℃，连续索氏提取的时间设定为7～17h，完成类脂提取后，将提取瓶内已含有植物类脂的有机溶液倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机提取溶剂蒸发完全，随后称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，便可计算得到所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数f_lip(A)；

c.根据限制-分配植物吸收模型和步骤a、b所进行的操作，推导得出植物对有机污染物的吸收潜能的模型公式，

$Q_{eq}=\frac{C_w\×f_{lip\left(A\right)}\×K_{ow}\×(1-f_{pw})}{R_A}$

Q_eq—植物地上部分对有机污染物的吸收潜能，mg/kg；

C_w—土壤溶液中有机污染物的浓度，mg/L，取决于土壤性质与污染状况；

f_lip(A)—所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数，％；

R_A—所选提取有机溶剂对植物类脂的提取率，％；

f_pw—植物地上部分的含水率，％；

K_ow—有机污染物的辛醇-水分配系数，L/kg，是有机物常用的疏水性参数；

d.针对不同植物的地上部分进行步骤a、b的操作，并代入步骤c中的模型公式，便可计算预测不同植物地上部分对不同目标有机污染物的吸收潜能，从而筛选出对目标有机污染物具有最大吸收潜能的植物作为土壤有机污染修复植物。

进一步地，所述步骤a中的真空冷冻干燥时间为36h。

进一步地，所述步骤b中的水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点20℃。

进一步地，所述步骤b中的连续索氏提取的时间设定为12h。

进一步地，所述步骤b中的有机提取溶剂为体积比3:1的丙酮-三氯甲烷的混合溶液，对应的索式提取温度为80℃，对应的植物类脂提取率R_A为59.6％。

进一步地，所筛选植物为生长快速、生物量大、可多季种植的草本植物。

进一步地，所述目标有机污染物为疏水性在log K_ow≥2.8范围内的非离子型有机物。

本发明的有益效果为：模型公式参数较少并容易获得，使用简单；使用操作方法简便，并且容易实现，更重要的是筛选效率高，体现在筛选操作的批量化和短周期(可在3天内完成一批植物筛选，每批植物可达十几种)；核心试剂，即有机提取溶剂易于获得，且价格低廉；由本筛选方法得出的筛选结果准确可靠，方法准确度检验结果显示筛选方法的预测误差(模型预测的吸收潜能与直接测得的植物吸收潜能之比)在20％以内；本筛选方法的适用范围广，可被筛选的修复植物和有机污染物分别涵盖几乎所有的草本植物和疏水性在logK_ow≥2.8范围内的非离子型有机物。

本发明一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，不仅模型公式和使用操作简单便捷，核心试剂价格低廉、易于获得，并且应用于修复植物筛选时，高效、稳定、准确、可靠，同时适用范围广，是一种实用价值很高的修复植物快速筛选方法，很好的解决了现有有机污染修复植物筛选方法和技术存在的不足或应用限制，因其出色的实用性、可靠性，可广泛应用于有机污染修复植物的筛选。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种土壤有机污染修复植物的筛选方法的应用效果验证实验的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，包括以下步骤：

a.取所筛选植物的地上部分35～45g称取鲜重后，真空冷冻干燥31h，得到植物干样，立即称量该植物地上部分的干重，由此计算得到植物地上部分的含水率f_pw；

b.用粉碎机将步骤a中得到的植物干样磨碎成粉末后，称取1～3g装入滤纸筒内，同时记录滤纸筒的总重量，然后将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取管内加入95～105mL的有机提取溶剂后，用可水浴控温并定时的连续索氏提取器进行植物类脂的提取，水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点15℃，连续索氏提取的时间设定为7h，完成类脂提取后，将提取瓶内已含有植物类脂的有机溶液倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机提取溶剂蒸发完全，随后称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，便可计算得到所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数f_lip(A)；

c.根据限制-分配植物吸收模型和步骤a、b所进行的操作，推导得出植物对有机污染物的吸收潜能的模型公式，

$Q_{eq}=\frac{C_w\×f_{lip\left(A\right)}\×K_{ow}\×(1-f_{pw})}{R_A}$

Q_eq—植物地上部分对有机污染物的吸收潜能，mg/kg；

C_w—土壤溶液中有机污染物的浓度，mg/L，取决于土壤性质与污染状况；

f_lip(A)—所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数，％；

R_A—所选提取有机溶剂对植物类脂的提取率，％；

f_pw—植物地上部分的含水率，％；

K_ow—有机污染物的辛醇-水分配系数，L/kg，是有机物常用的疏水性参数；

d.针对不同植物的地上部分进行步骤a、b的操作，并代入步骤c中的模型公式，便可计算预测不同植物地上部分对不同目标有机污染物的吸收潜能，从而筛选出对目标有机污染物具有最大吸收潜能的植物作为土壤有机污染修复植物。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，这种土壤有机污染修复植物的筛选方法，前两个步骤为：

a.取所筛选植物的地上部分35～45g称取鲜重后，真空冷冻干燥41h，得到植物干样，立即称量该植物地上部分的干重，由此计算得到植物地上部分的含水率f_pw；

b.用粉碎机将步骤a中得到的植物干样磨碎成粉末后，称取1～3g装入滤纸筒内，同时记录滤纸筒的总重量，然后将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取管内加入95～105mL的有机提取溶剂后，用可水浴控温并定时的连续索氏提取器进行植物类脂的提取，水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点25℃，连续索氏提取的时间设定为17h，完成类脂提取后，将提取瓶内已含有植物类脂的有机溶液倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机提取溶剂蒸发完全，随后称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，便可计算得到所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数f_lip(A)；

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，这种土壤有机污染修复植物的筛选方法，前两个步骤为：

a.取所筛选植物的地上部分35～45g称取鲜重后，真空冷冻干燥36h，得到植物干样，立即称量该植物地上部分的干重，由此计算得到植物地上部分的含水率f_pw；

b.用粉碎机将步骤a中得到的植物干样磨碎成粉末后，称取1～3g装入滤纸筒内，同时记录滤纸筒的总重量，然后将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取管内加入95～105mL的有机提取溶剂后，用可水浴控温并定时的连续索氏提取器进行植物类脂的提取，水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点20℃，连续索氏提取的时间设定为12h，完成类脂提取后，将提取瓶内已含有植物类脂的有机溶液倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机提取溶剂蒸发完全，随后称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，便可计算得到所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数f_lip(A)；

在以上三个实施例中，所述步骤b中的有机提取溶剂为体积比3:1的丙酮-三氯甲烷的混合溶液，对应的索式提取温度为80℃，对应的植物类脂提取率R_A为59.6％；所筛选植物为生长快速、生物量大、可多季种植的草本植物；所述目标有机污染物为疏水性在log K_ow≥2.8范围内的非离子型有机物。

下面对本发明提出的土壤有机污染修复植物的筛选方法进行应用效果验证实验：

将小麦和油麦菜地上部分(约40g)称取鲜重后，真空冷冻干燥36h，立即称量干重，由此计算得到小麦和油麦菜地上部分的含水率f_pw分别为86.8％、93.0％；用粉碎机将小麦和油麦菜干样磨碎成粉末后，称取2g左右装入滤纸筒内(记录重量)，并将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取瓶内加入100mL丙酮-三氯甲烷的混合溶液(体积比3:1)后，用连续索氏提取器进行植物类脂提取，水浴温度设置为80℃，提取时间12h；完成类脂提取后，将提取瓶内的有机溶剂倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机溶剂蒸发完全，称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，计算得到小麦和油麦菜地上部分(干样)的类脂提取量f_lip(A)分别为8.67％、10.08％；由于丙酮-三氯甲烷的混合溶液(体积比3:1)的类脂提取率R_A为59.6％，所选择的目标污染物菲的log K_ow为4.88(即K_ow为28840L/kg)，因此，可以根据筛选方法的模型公式计算得出小麦地上部分对菲的吸收潜能Q_eq＝554L/kg C_w，mg/kg；油麦菜地上部分对菲的吸收Q_eq＝341L/kg C_w，mg/kg；其中，C_w为实际环境(土壤溶液)中菲的污染水平(浓度)，mg/L。至此，已经通过本发明的筛选方法得到了小麦和油麦菜地上部分对菲吸收潜能的预测值。为了验证本发明的筛选方法预测结果的准确性和可靠度以检验其实际应用效果，需要通过吸附平衡法测得小麦和油麦菜地上部分对菲的实际吸收潜能，其具体步骤如下：配制浓度分别为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mg/L的菲(水中溶解度为1.1mg/L，25℃)的水溶液(含0.01M CaCl₂)，在22mL和40mL带盖玻璃样品瓶内分别加入10±0.5mg的上述小麦和油麦菜干样粉末，共设置3个平行样；随后向玻璃样品瓶内分别加入20mL和40mL各浓度的菲的水溶液，旋紧瓶盖后，在25℃条件下，置于转盘上以40rpm的转速振荡混合24小时，使吸附达到平衡；吸附平衡后，玻璃样品瓶以3000rpm的转速离心10min，并用HPLC(高效液相色谱法)分析上清液中的菲浓度，得到菲在水相的平衡浓度；由于吸附过程中水相中菲的消散只可能是被小麦或油麦菜干样粉末吸收，因此，可以根据菲溶液的初始与平衡浓度差，以及加入的溶液体积和小麦或油麦菜干样粉末质量计算得到菲在小麦或油麦菜干样粉末中的平衡浓度，并由此求得小麦或油麦菜干样粉末对菲的吸附等温线，而这便是一定污染水平时(C_w)，小麦和油麦菜地上部分对菲的实际吸收潜能。由此，将实验测得的小麦和油麦菜地上部分对菲的实际吸收潜能与由本发明的筛选方法得到的小麦和油麦菜地上部分对菲吸收潜能的预测值进行比较，以检验本发明筛选方法的实际应用效果(准确性、可靠度)，结果如图1所示。从图中可以明显看出，无论是小麦还是油麦菜，由本发明的筛选方法得到的植物地上部分对菲吸收潜能的预测值，和通过吸附实验测得的相应植物对菲的实际吸收潜能十分吻合，本筛选方法通过模型预测得出的吸收潜能比之植物实际吸收潜能的偏差小于10％(小麦样品的偏差为-7.6％，油麦菜样品的偏差为+6.6％)；另外，对于同一污染水平，由本筛选方法得出的筛选结果与实际吸附实验得出的筛选结果是一致的，均表明小麦是对菲污染更为高效的修复植物。

通过比较本实施例中本发明的筛选方法和直接实验测定筛选法使用的操作流程和得出的筛选结果可知，本发明提供的筛选方法不仅降低了修复植物筛选的工作条件和筛选工作量(筛选的设备要求和操作内容)，而且提高了筛选的效率(可在3天内完成一批植物筛选，每批植物可达十几种；而直接实验测定筛选法至少需要5天完成一批植物筛选，每批植物不超过十种)；更重要的是，本筛选方法得出筛选结果准确性极佳，应用于不同植物筛选时，筛选结果可靠且稳定，具备直接实验测定筛选法的筛选效果，本发明筛选方法的实际应用效果(准确性、可靠度)十分理想。

本发明一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，不仅模型公式和使用操作简单便捷，核心试剂价格低廉、易于获得，并且应用于修复植物筛选时，高效、稳定、准确、可靠，同时适用范围广，是一种实用价值很高的修复植物快速筛选方法，很好的解决了现有有机污染修复植物筛选方法和技术存在的不足或应用限制，因其出色的实用性、可靠性，可广泛应用于有机污染修复植物的筛选。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于包括以下步骤：

a.取所筛选植物的地上部分35～45g称取鲜重后，真空冷冻干燥31～41h，得到植物干样，立即称量该植物地上部分的干重，由此计算得到植物地上部分的含水率f_pw；

b.用粉碎机将步骤a中得到的植物干样磨碎成粉末后，称取1～3g装入滤纸筒内，同时记录滤纸筒的总重量，然后将滤纸筒置于索氏提取瓶的提取管内，在索氏提取瓶的提取管内加入95～105mL的有机提取溶剂后，用可水浴控温并定时的连续索氏提取器进行植物类脂的提取，水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点15～25℃，连续索氏提取的时间设定为7～17h，完成类脂提取后，将提取瓶内已含有植物类脂的有机溶液倒入已称重的干净的250mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪将圆底烧瓶内的有机提取溶剂蒸发完全，随后称量圆底烧瓶的重量，两次称重的差值即为提取得到的植物类脂重量，再根据用于索氏提取的植物干样重量，便可计算得到所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数f_lip(A)；

c.根据限制-分配植物吸收模型和步骤a、b所进行的操作，推导得出植物对有机污染物的吸收潜能的模型公式，

$Q_{eq}=\frac{C_w\×f_{lip\left(A\right)}\×K_{ow}\×(1-f_{pw})}{R_A}$

Q_eq—植物地上部分对有机污染物的吸收潜能，mg/kg；

C_w—土壤溶液中有机污染物的浓度，mg/L，取决于土壤性质与污染状况；

f_lip(A)—所选提取有机溶剂提取得到的类脂占植物地上部分干重的质量分数，％；

R_A—所选提取有机溶剂对植物类脂的提取率，％；

f_pw—植物地上部分的含水率，％；

K_ow—有机污染物的辛醇-水分配系数，L/kg，是有机物常用的疏水性参数；

d.针对不同植物的地上部分进行步骤a、b的操作，并代入步骤c中的模型公式，便可计算预测不同植物地上部分对不同目标有机污染物的吸收潜能，从而筛选出对目标有机污染物具有最大吸收潜能的植物作为土壤有机污染修复植物。

2.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所述步骤a中的真空冷冻干燥时间为36h。

3.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所述步骤b中的水浴温度设置为高于所用有机提取溶剂沸点20℃。

4.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所述步骤b中的连续索氏提取的时间设定为12h。

5.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所述步骤b中的有机提取溶剂为体积比3:1的丙酮-三氯甲烷的混合溶液，对应的索式提取温度为80℃，对应的植物类脂提取率R_A为59.6％。

6.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所筛选植物为生长快速、生物量大、可多季种植的草本植物。

7.根据权利要求1所述的一种土壤有机污染修复植物的筛选方法，其特征在于：所述目标有机污染物为疏水性在log K_ow≥2.8范围内的非离子型有机物。