CN104550207A - 一种植物修复土壤金属污染的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于土壤中金属离子去除的工艺技术方法。在含有金属的中种植农作物和农作物相近的十字花科类植物，土壤中的这些金属离子可被植物利用。这些特殊的植物可通过根茎吸收金属离子，金属离子不会在渗透入土壤中。吸附进入根茎的金属转运至植物的枝条，通过收割植物枝条和根茎，可去除金属离子。

Description

一种植物修复土壤金属污染的新方法

技术领域

本发明涉及一种去除含金属土壤中金属成分的工艺技术方法。具体地说是在污染地带，通过种植一定数量的十字花科类植物，植物与金属污染的土壤充分接触，并通过一定的方法，使土壤中的金属成分被植物充分的吸收和利用，从而达到修复土壤的目的。

背景技术

富含金属的尾矿沉积物、金属冶炼、制革业、电镀、废气排放、产能和燃料燃烧产物、电线冲洗、集中农业耕作和污泥倾倒等，使得大量的有毒金属污染土壤，但这些又都是人类的重要活动，不可避免。随着有毒金属的污染日益扩大，对人类健康及环境造成的危害也日益严重。现有的土壤修复的工艺造价昂贵，掩埋金属污染土壤和隔离污染地带又不能从根本上解决问题。

发明内容

本发明通过在金属污染地带种植十字花科类植物，从而去除土壤中金属成分。十字花科植物与含金属土壤接触，采用一些恰当方法，使土壤中的金属物质被植物充分吸收利用。另外，在金属污染地带，种植的植物，延长生长时间，可在一定程度上增加金属成分的吸收利用。

具体应用中，翻耕土壤的操作应保证翻耕深度大于15cm，这样才能使十字花科植物的根茎与含金属土壤充分接触。最好是翻耕土壤的深度约在50cm。另外，也可以将土壤的挖掘深度大于20cm，铺设苗床高架，十字花科类植物直接种植在挖掘出的土壤中,等长大后,收获根部。

往土壤中添加足够量的螯合剂，和土壤中至少一种二价金属成分结合，形成可溶或是难溶的复合物。另外，电场可应用于土壤中，以增加金属流动性。也可通过添加一个有效的数量的有机或无机酸,例如硝酸、盐酸、硫酸、醋酸、柠檬酸等，降低含金属的土壤的pH值，是PH值在5.5或是更低。此外，实施方法还有，向土壤中添加一种复合物,这种物质可被植物的根和/或相关的细菌(统称为“根际环境”)代谢，同时生产质子,导致土壤的pH值下降。

本发明还包括对十字花科植物叶施予磷肥的方法，以及施肥最佳量是10-18千克/公顷；收获十字花科植物的时间是在其种子成熟前，及收获根茎的方法。

本发明技术中，首选的种植物就是农作物或是农作物相关的十字花科植物，这些植物的的芽枝在干重条件下，可吸收金属染污土壤中金属含量的十倍之多。而根茎部，在干重条件下，吸收金属量是土壤中金属含量的20余倍。可选用的农作物有芥菜萝卜、白芥子、大爪草、土庄绣线菊等等。

具体实施方式

本发明的一个重要方面，就是种植十字花科类植物，净化金属污染土壤中的金属成分。通过一些操纵土壤环境，可促进植物吸收金属成分的能力。此处所提到的操纵土壤环境，通常是最大化植物摄取金属的能力，但一些传统的农业家可能会反对，或认为适得其反。特别是，本发明提出的操纵土壤环境并在这种环境中种植不止一种十字花科类植物以将土壤中的金属成分吸收到植物体内，与当前的农业耕种农作物或是农业相关的芸苔属（Brassica）类植物的实践相违背。

发明中的方法还包括土壤和植物的操控，可影响植物的播种和耕作、土壤酸碱度和肥沃程度等。而十字花科类植物叶可以选择转基因植物。金属在植物中“沉积”，是植物执行下属一种或多种活动的能力的表现：从土壤颗粒或土壤液体中转运金属成分物质；通过物理或/和化学的途径，根部吸收土壤中的金属成分；防止或抑制金属成分从土壤环境中浸出。“增强金属的利用”是指利用现有方法，使植物的根部吸收更多的土壤中的金属成分。

本发明技术中，首选的植物是十字花科家族植物。最合适的选择是该家族的芸苔族植物。这族植物成员包括芥茉芸苔属和相关的物种,在下面将做详细描述。

本项技术的一个关键方面就是依据选择的农作物或是农作物相关的植物家族来选定最佳的方法。“作物成员”特指商业化种植的来源芸苔属物种，主要是两种不同类型的作物: 一种是蔬菜、草料、饲料和香料等；一种是油籽。十字花科家族“种植的”作物成员可有芥菜、埃塞俄比亚芥和单组染色体二倍体植物，如甘蓝、黑芥、小萝卜、白菜型油菜等。十字花科家族中的“油籽”作物可选用油菜籽、油菜、印度芥菜、撒哈拉芥菜、白芥等。

“作物相关”成员是一些具有作物价值的植物，可将自身一些有用的基因提供给作物。因此，这些作物相关成员可与作物杂交，生物技术人员使基因在种间（即从一个物种到另一个物种）和属间（即从一个属到另一个属）转移。现有的技能已经可以基因的交换，并且种属间基因转换后的效果也可检测。“作物相关”成员包括所属物种的成员，白芥属、遏蓝菜属、庭荠属、芝麻菜属。“作物相关”成员并不确定去除金属成分的成立，但是能确定筛选的方法。如无特别指出，“农作物或作物相关”成员就是“成员”之意。

当前方法中应用的植物成员包括诱变或/和转基因植物（例如种间或是属间的杂交）。例如甲基磺酸乙酯)是一个有效的诱变剂，可增加基因组突变频率而增加遗传变异性。通过应用EMS，改变植物遗传性而改变植物的生化和生理特性，尤其是应用于十字花科类植物成员中的拟南芥。

总之，本发明中应用的植物成员具有以下特性：可成长为高生物量；在各种气候条件中均能生长；可单独栽培、可被改性、适合非传统的农业耕作；能通过诱变或/和转基因技术，改变其遗传特性；每年可繁殖多个作物；可与已知的能够沉淀金属的野生植物共同种植。一般野生或非作物和非作物相关成员分布于含金属的土壤带。这些物种与适合本技术的首选植物成员之间进行相比，它们通常不适合大规模的农业生产。而且实验室试验或农场试验中，这些野生植物发芽率低，且生物量积累低。以非作物相关成员的十字花科族中的庭荠属为例，一般种植于蛇纹岩土壤或炉甘石土壤带。

“金属”是指含有金属成分的环境中的金属离子。当然，这个词不仅仅是指金属离子，还应包括金属元素。本项技术中，植物中累积的金属包括稳定金属和放射性金属，如铅、铬、汞、镉、钴、钡、镍、钼、铜、砷、硒、锌、锑、铍、金、锰、银、铊、锡、铷、钒、锶、钇、锝、钌、钯、铟、铯、铀、钚、铈。因此，植物摄取的金属可以是多种不同的金属成飞，非仅一种，而且也没有一种植物特异性的只吸收一种金属物质。所以，“金属”可以是指金属混合物。此外，“金属”还包括含有金属的有机污染物，如铅、铬可结合硝基酚、苯、烷基苯磺酸盐(洗涤剂),多氯联苯(PCB)和/或卤代烃(如三氯乙烯)。含金属环境是指一个广泛的含有金属成分的土壤环境，其有不同程度的水、有机质、矿物质等。

摄取金属成分的植物主要是通过其根部。植物可以把土壤中摄取的金属从根部转运至芽枝，即从地下的根部转运至地面上的芽枝。积累的速度受多种因素影响，包括可溶性金属和不溶性金属在土壤中浓度的比值、土壤类型、PH值、水分、有机质含量、土壤湿度、种植密度极易肥料的使用情况。

当前发明中，为了增加金属在植物中的蓄积量，植物种植方法实践与传统种植方法会有所不同。传统农业耕种中，土壤的翻耕深度一般为5cm-15cm，并且认为深度大于15cm对植物本身的生长并无价值。但本技术，为了使十字花科家族成员能够更好地接触土壤中的金属污染物，土壤翻耕深度可为2cm-50cm，具体深度要求需根据土壤质地、水分含量及具体种植的植物而定。传统的耕作工艺即可实现这一要求。

一般认为，利用植物摄取土壤中的金属并不可取，因为被金属污染的植物具有一定的毒性，会对人类或动物造成严重的危害。然而，作物或是作物相关的十字花科家族植物，可致直接摄取并利用土壤中的金属成分。植物摄取土壤中的金属，并在根茎或是芽枝中利用。因此了利用植物或是联合使用，以修复金属污染的土壤。也可向土壤中加入有效剂量的一种或多种金属螯合剂，以增加金属成分的流动性，而且不会影响植物的生长。加入螯合剂的剂量，可通过检测螯合剂对土壤金属流动性的改善效果来确定。由于土壤中金属含量不同，而且土壤本身质地不同，螯合剂加入的量以及螯合剂作用时间也会有所区别。螯合剂加入土壤中，会与金属成分形成可溶或部分可溶的金属离子复合物，这种金属离子复合物可被植物更好的利用，被十字花科家族植物更多的摄取。这些螯合剂可直接加入到灌溉管道或是其他地面灌溉系统中。当然螯合剂也可以加入到肥料中，或是农业喷洒设施如喷雾器中。螯合剂加入的量的范围在每千克土壤中加入0.1-10mmol。常见螯合剂有紫脲酸铵、丁二酮肟、2,3二巯基丙醇、氮川三乙酸、三亚乙基四胺和乙二胺四乙酸和柠檬酸等。另外降低土壤的PH值，也可以达到增加土壤中金属流动性的作用。一般种植十字花科家族植物是，土壤的PH值要求在5.8-6.2。本发明中，金属污染的土壤的PH值应调节到4.5-5.5，可直接向土壤中加入或灌溉、喷洒有机酸或是无机酸，如硝酸、盐酸、硫酸、醋酸、柠檬酸等，调低土壤的PH值至合适的范围内。无论是添加螯合剂还是添加酸，有需要在植物收获前，最好是植物耕种前，通过常规灌溉管道或是其他地面灌溉系统、肥料、喷洒、喷雾设备等，加入到土壤中。

芸苔属植物耕作时，通常会施以氮磷钾肥料。但含磷酸盐肥料加入到土壤中，会导致一些重金属形成不溶性复合物，影响植物对金属成分的摄入。所以，在维持植物足够营养的同时，应避免磷酸盐添加到土壤中。基于此，可采取叶面施肥的方法。叶面施肥（也叫叶面喷肥）是指将无毒无害、含有各种营养成分的有机或无机营养液,按一定的剂量和浓度,喷施在植物的叶面上，起到直接或间接供给养分的作用。所以可对能够摄取土壤中金属成分的十字花科家族植物，采用叶面肥料方法，施以高磷含量的叶面肥料，施肥可使用传统农药喷雾设施。

作物或作物相关植物的收获，如芸苔属植物油菜籽种植、培育至成熟，只收获种子。但当前技术中，种植植物的作用的为了去除土壤中的金属污染物，因此，需要收获种子成熟前的植物体。确切的收获时间通过植物的生长年限来确定，尤其植物摄取的金属成分不会再浸出到土壤中，因此这个时间也就是植物最大摄取金属成分的时期。由于作物或是作物相关植物摄取土壤中的金属成分，主要沉积在根部和芽枝，因此，本发明也包含了根部的收获手段。主要是应用甜菜、胡萝卜或马铃薯等收割工具或是农业机械，一般挖掘深度是20cm左右。但有些十字花科家族成员的生长方式与甜菜、胡萝卜等并不相同。可应用镰刀或是其他耕种工具直接切植物的根茎。

利用筛选系统可用于确定十字花科家族成员的吸收金属的能力（例如干燥植物残渣中的金属含量）。作物种子和作物相关的十字花科家族植物的种子种植在混合花盆中，置于温室环境24℃条件下，周期性灯照。每两天施肥一次，十天后种子转移到酸性土壤的花盆中，土壤中粗砂和粗糙珍珠岩比例为1:1。用含有硝酸钾肥料施肥，浇水，培养七天。之后，将含有可溶性Pb（NO₃）₂的水溶液喷洒在土壤表面，使每gm干燥土壤中铅含量为0.6mg。经过12天和20天，收获植物，检测干燥后每克植物根和芽枝中铅的蓄积量（mg）。检测结果见表1

表1

从上表中可以看出，芥菜的芽枝是这些植物品种中，积累铅的能力最强，20天可蓄积的铅是土壤中铅含量的30倍；埃塞俄比亚芥的根部吸收铅的能力较强，经过20天的培养后，可积累的铅是土壤含量的185倍多。实验中还发现干燥后的叶子中，铅的含量非常少。

Claims (5)

1.一种净化金属污染土壤环境中的金属成分的技术，包括：

识别土壤环境包含的金属，如锑、砷、钡、铍、镉、铬、钴、铜、金、铅、锰、钼、镍、钯、银、锶、硒、钒、锌锡；

种植一种植物至少在土壤环境；

添加有效剂量的合适的螯合剂，在土壤环境中，螯合剂和金属成分形成一种可溶性复合物；

用于净化金属污染土壤而种植的作物或作物相关植物，应在植物长成而种子成熟前收获，而且收获时应同时收获植物的根茎。

2.根据权利要求1所述的种植植物为作物或作物相关的十字花科家族成员植物。

3.根据权利要求1所述的土壤环境应为弱酸性，PH值在4-6之间。

4.根据权利要求1所述的金属螯合剂，可在下列物质中选择一种或多种：紫脲酸铵、丁二酮肟、硫脲、α-苯偶姻肟、CDTA、二乙三胺五醋酸、2,3二巯基丙醇、氮川三乙酸、三亚乙基四胺、乙二胺四乙酸和柠檬酸等。

5.根据权利要求3所述的调节土壤PH值的有机酸包括醋酸和柠檬酸，可选择其中一种或联合应用。