CN104871850A - 促进重金属污染植物修复效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种促进重金属污染植物修复效率的方法，通过在重金属污染土壤或水体上种植对重金属具有富集或超富集能力的植物，当植物主茎出叶后，对叶片喷洒重金属污染修复促进剂，并在植物生长季节中通过收割植物的枯老叶实现重金属污染的移除。本发明不仅能够提高植物对重金属污染的修复效率，而且能够降低或去除重金属对植物的毒害，扩大植物对重金属污染修复的适用范围。

Description

促进重金属污染植物修复效率的方法

技术领域

本发明属于重金属环境污染的修复技术领域，具体涉及一种促进重金属污染土壤和水体的植物修复效率的方法。

背景技术

土壤和水体的重金属污染已成为非常严重的环境问题，据不完全统计，2009年以来，中国已发生了30多起重大的重金属污染事件，并造成了无法计量的巨大损失。重金属污染修复的主要方法有：客土法、化学淋洗法、化学氧化法、植物修复法等。与其他修复方法相比，植物修复法具有更经济、更安全、更环保、且不会对土壤和水体产生任何负面影响的明显优势，已成为重金属污染修复技术中最具潜力和前景的方法之一。

重金属污染的植物修复技术主要依靠对各种重金属具有富集或超富集能力的植物，利用植物根系来吸收土壤或水体中的重金属污染物，并转运到地上部分的茎叶中，通过植物的收割来达到移除土壤或水体中重金属污染物的目的，因此，植物修复的效率基本上取决于植物对各种重金属污染物的吸收和体内转运能力。

经过对现有技术的检索发现，丁凌云等，在"不同改良剂对重金属污染农田水稻产量和重金属吸收的影响"(生态环境,2006年06期)中探讨了石灰、过磷酸钙和有机物等改良剂的应用对水稻(Oryzasativa)产量和重金属吸收的影响。通过土壤中施入石灰、过磷酸钙、有机物和叶面喷施KH₂PO₄等方法来降低水稻体内的重金属含量，结果显示石灰+过磷酸钙对降低水稻体内的重金属含量效果最好，与对照相比，米中的Pb、Zn和Cd分别下降了61.8％、14.1％和45.1％，水稻茎叶中的Pb和Zn分别比对照下降8.1％和4.3％；叶面喷施KH₂PO₄溶液将水稻的产量从0.61kg/m²提高到0.68kg/m²，并且这种喷施措施也能有效地降低水稻中的重金属含量。

中国专利文献号CN104003815A，公开(公告)日2014.08.27，公开了一种蔬菜重金属Cd污染的叶面控制剂，包括2.5mmol/L正硅酸乙酯、2.5mmol/L硅酸钠、0.1～0.3wt％磷酸二氢钾、100～400μmol/L硫酸锌和100～200μmol/L硫酸铁中的一种或多种，以及0.1～0.2wt％的甘氨酸、0.1～0.2wt％丙氨酸和0.5％wtEM菌剂，来阻遏Cd的吸收和转运入蔬菜可食部位，降低重金属Cd对蔬菜生长的毒害的功效，提高蔬菜的产量和品质。上述技术都是通过抑制作物对重金属的吸收或转运，来降低作物中的重金属含量，达到粮食安全的目的。无法解决土壤重金属污染修复的本质问题。

目前大多数植物修复技术都集中在对各种重金属具有富集或超富集能力的植物筛选与利用方面，但由于植物对各种重金属污染的耐受能力、吸收和体内转运能力均存在明显的局限性，重金属污染的植物修复技术存在效率低、修复年限过长的明显缺陷。提高植物对重金属污染修复的效率是该技术能够大面积生产应用的关键。现有用于提高植物修复效率的技术基本上都是通过在土壤中添加重金属螯合剂、土壤微生物等来活化土壤中的重金属离子，提高植物对重金属的吸收效率，增加植物对重金属的富集量来实现的。

然而，对土壤重金属的活化也会带来较严重的负面效应：1)土壤重金属活化后更容易通过淋溶等途径扩散，污染周边水体或农田，增加二次污染的风险；2)活化后的重金属对植物的毒性更大，会导致植物的中毒死亡，缩小可用于植物修复的理金属污染适用范围。另外，这些活化土壤重金属的技术主要是依赖于增加植物根系对重金属的吸收效率，并不是直接增加植物地上茎叶对重金属的富集量，还要受到植物体内对吸收的重金属向地上茎叶转运效率、重金属毒害增加后植物生长受到抑制等方面的限制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种促进重金属污染植物修复效率的方法，不仅消除了污染土壤中重金属的活化所带来的环境风险，而且能够降低或去除重金属对植物的毒害，扩大植物对重金属污染修复的适用范围，提高植物修复的效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过在重金属污染土壤或水体上种植对重金属具有富集或超富集能力的植物，当植物主茎出叶后，对叶片喷洒重金属污染修复促进剂，促使植物将重金属污染大量富集在枯老叶中，通过收获植物的枯老叶实现重金属污染的移除，多年生植物种植一次后可连续收获多年直至修复完成。

由于叶面喷洒植物修复促进剂后，磷酸根离子能够快速渗透进入植物叶片组织中，并与植物从污染土壤中吸收的重金属离子或重金属螯合物发生化学反应，产生不溶性的重金属磷酸盐，不断地沉积在植物叶片的细胞壁、细胞质、液泡中或者叶片的角质层中，降低叶片中活性重金属的浓度，并通过茎叶与根系中活性重金属的浓度差拉力来促进根系对重金属污染的吸收和向茎叶中的转运效率，从而较大幅度地提高植物对重金属污染土壤或水体的修复效率。

所述的植物包括但不限于：草地早熟禾、高羊茅、遏蓝菜、水葫芦等。

所述的污染土壤是指，满足重金属镉含量范围在0.25～200mg/kg、铅含量范围在50～4000mg/kg、铜含量范围在50～4000mg/kg、铬含量范围在90～4000mg/kg、锌含量范围在200～4000mg/kg中的至少一个条件。

所述的主茎出叶是指：植物的主茎上长出第六片叶片。

所述的收割是指：针对多年生植物，定时收获植物的枯老叶；针对一年生植物，在植物接近成熟时，收获全株植物；随着叶片的生长，叶片的累积的重金属越来越多，枯叶、老叶中积累了大量的重金属，而新生叶、功能叶中的重金属则相对较少，叶片正常的光合、蒸腾功能和生长并不受到明显的影响。

所述的重金属污染植物修复促进剂中含有：0.1～2.0wt％的磷酸根离子(PO₄ ^3‐、HPO₄ ^2‐、H₂PO₄ ^‐)以及0.02～0.05wt％的渗透剂JFC(8碳辛醇聚氧乙烯醚)。

所述的磷酸根离子(PO₄ ^3‐、HPO₄ ^2‐、H₂PO_4‐)的来源包括但不限于：磷酸二氢钾、磷酸铵、过磷酸钙等。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用的植物修复促进剂能够促进内含的磷酸根离子通过植物叶面吸收快速进入叶片体内，与植物体内的毒性重金属离子或重金属螯合物发生化学反应，形成重金属磷酸盐，如：磷酸镉、磷酸铅、磷酸铜、磷酸铬、磷酸锌等。这些重金属磷酸盐的化学形态不活跃，不溶或难溶于水，对植物细胞不再具有毒或者毒性极低，并不断地沉积在植物茎叶的细胞壁、细胞质、液泡中或者叶片的角质层中，从而去除或降低了重金属对植物的毒性作用。同时还能够有效提高植物对重金属污染的耐受能力，提高可用于植物修复的重金属污染的浓度阈值。

由于地上叶片中的重金属与外源喷洒促进剂中的磷酸根不断发生化学反应形成磷酸盐的沉淀，降低了茎叶中活性重金属浓度，而叶片中活性重金属浓度的降低能够进一步促进根系对土壤或水体中重金属的吸收及其向地上部分茎叶的转运效率，从而显著提高植物对重金属的修复效率。

本发明技术效果进一步包括：

1)使用方法简单、安全，茎叶中反应产生的重金属磷酸盐不溶或难溶于水，沉积在植物体内，通过植物收获移除土壤或水体中的重金属，产生二次污染的风险极小。

2)植物修复的效率显著提高，磷酸化反应把茎叶中的重金属从可溶态转化为不溶态，不仅直接增加地上茎叶中重金属的富集量，而且还能可显著促进植物根系对重金属污染的吸收和向地上部分的转运效率。列1列出了高羊茅在叶面喷洒促进剂后，叶片中不溶的磷酸态镉沉积增加了53.4％，镉的富集总量增加了61.7％。

表1喷洒促进剂对高羊茅叶片中重金属镉沉积的影响

*表中同一列的不同英文字母表示差异达显著水平

3)随着叶片的生长，沉积的磷酸态重金属越来越多，直至叶片枯萎死亡。不同叶片中富集的重金属含量的高低顺序依次为：枯叶＞老叶＞功能叶＞新出叶。表2列出了草地早熟禾在喷洒促进剂后不同叶位叶片中重金属镉的富集量。

表2草地早熟禾不同叶位叶片中镉的富集量

*表中不同英文字母表示差异达显著水平

4)磷酸化反应去除或降低了重金属对茎叶细胞的毒性，提高了植物对重金属的耐受阈值，使植物修复技术可适用于更高浓度的重金属污染土壤或水体。

5)本发明技术可适用于所有用于重金属修复的植物。

附图说明

图1为本发明促进重金属污染植物修复效果的示意图。

图中：1植物叶片中沉积的不溶性重金属磷酸盐、2重金属离子或螯合物从根系向地上茎叶转运、3土壤或水体中的重金属污染。

图2为实施例叶片中重金属磷酸盐沉积的显微照片(荧光发光处即为重金属沉积的部位)。

图中：4叶片角质层中沉积的重金属、5叶肉中沉积的重金属、6维管束中沉积的重金属。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

重金属镉污染土壤的修复：

需修复的土壤处于矿区，长期受尾矿和含镉废水的污染，土壤重金属镉的含量平均高达102mg/kg，大多数植物在这样的土壤上无法正常生长，会因镉中毒而死亡，土壤长期裸露，非常容易扩散并造成对周围农田和水体的严重污染事件。

通过种植草地早熟禾对土壤中的镉污染来进行修复，一方面通过利用草地早熟禾根系吸收和向地上部分的转运，收获植物地上部分的茎叶来逐渐移除土壤中的镉污染，另一方面草地早熟禾还能够形成地表的草坪覆盖层，避免污染土壤的扩散风险。

草地早熟禾是多年生草坪植物，对镉具有非常强的耐受能力和富集能力。于9月上旬播种，播种前的土壤耕翻平整和播种后的栽培管理措施均同常规，在播种至成坪(植被盖度达95％以上)期间的灌水采用少量多次的方法，避免过多灌水引起地表径流而造成污染的扩散。

在草地早熟禾主茎长出第6张叶片、植被覆盖度达到90％以上时，每隔7天对草地早熟禾叶片喷洒修复促进剂，其中磷酸根来源于磷酸二氢钾，其浓度为0.5wt％，渗透剂JFC的浓度为0.05wt％。叶片吸收的磷酸根不断地与叶片中可溶态的镉发生化学反应，形成磷酸镉的沉淀，并沉积在叶片组织中。

随着叶片的生长，沉积的磷酸态镉越来越多，直至叶片枯萎死亡。枯老叶中的镉富集量高达500mg/kg FW以上。

在草地早熟禾生长季，每隔30天左右用疏草机收获草地早熟禾的枯叶和老叶，通过枯叶和老叶的收获来达到逐渐去除土壤中镉污染的修复目的。

草地早熟禾是多年生植物，一次种植后就可以达到全年覆盖土壤的目标，不再需要每年重新种植。一般草地早熟禾每年可收获枯老叶8次左右，每年每亩可收获枯老叶1200kg左右，通过这种收获草地早熟禾枯老叶的方法，每年能够去除土壤中20～30％的镉污染。

收获的含镉量极高的枯老叶经过晾晒干燥后，进行焚烧和回收等无害化处理。

实施例2

重金属(铅、镉、铜)复合污染土壤的修复：

通过种植遏蓝菜对土壤中的重金属污染来进行植物修复，遏蓝菜是十字花科草本植物，3月份播种，10月份收割。播种前的土壤耕翻平整和播种后的栽培管理措施均同常规，在幼苗生长期间的灌水采用少量多次的方法，避免过多灌水引起地表径流而造成污染土壤的扩散。

在幼苗生长至6张叶片后，每隔15天对植物叶片喷洒修复促进剂，其中磷酸根来源于过磷酸钙，其浓度为0.3wt％，渗透剂JFC的浓度为0.03wt％。喷洒后磷酸根离子快速渗透进入叶片组织，并不断地与叶片中可溶态的重金属发生化学反应，形成重金属磷酸盐的沉淀，并沉积在叶片组织中。

10月份植株成熟后，收获遏蓝菜地上部分的茎叶和地下根系，通过植株收割去除污染土壤中的重金属污染，达到修复的目的。

收获的遏蓝菜植株经晾晒干燥后，再集中进行无害化处理。

第二年3月份，再播种遏蓝菜重复进行污染土壤的修复。

实施例3

重金属污染水体的修复：

修复对象为尾矿区内的小河，长期受矿区重金属废水的污染，重金属含量严重超标，主要超标重金属有：铅、镉、铜、锌等。

通过水面种植水葫芦对水体中的重金属污染来进行植物修复，水葫芦是雨久花科浮水植物，春季气温达到12℃以上时，在水体中放植水葫芦小苗，让水葫芦在污染水体中生长，直至完全覆盖水面。当水葫芦苗主茎生长出第8张叶片、水体植物覆盖度达到85％以上时开始每隔30天左右对水葫芦叶面喷洒修复促进剂，其中磷酸根来源于磷酸二铵，其浓度为0.3wt％，渗透剂JFC的浓度为0.02wt％。注意只对水葫芦植株喷洒，避免直接喷洒到水体中。喷洒后磷酸根离子快速渗透进入叶片组织，并不断地与叶片中可溶态的重金属发生化学反应，形成重金属磷酸盐的沉淀，并沉积在叶片组织中。

11月份当气温下降到15℃以下时，把漂浮在水面的水葫芦全株捞起收获，收获后的水葫芦经过晾晒干燥后，再集中进行无害化处理。

通过每年收获水葫芦植株来去除水体中的重金属污染，达到水体修复的目的。

Claims (6)

1.一种促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征在于，通过在重金属污染土壤或水体上种植对重金属具有富集或超富集能力的植物，当植物主茎出叶后，对叶片喷洒重金属污染修复促进剂，并在植物生长季节中通过收割植物的枯老叶实现重金属污染的移除。

2.根据权利要求1所述的促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征是，所述的植物包括：草地早熟禾、高羊茅、遏蓝菜、水葫芦。

3.根据权利要求1所述的促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征是，所述的污染土壤是指，满足重金属镉含量范围在0.25～200mg/kg、铅含量范围在50～4000mg/kg、铜含量范围在50～4000mg/kg、铬含量范围在90～4000mg/kg、锌含量范围在200～4000mg/kg中的至少一个条件。

4.根据权利要求1所述的促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征是，所述的收割是指：针对多年生植物，定时收获植物的枯老叶。

5.根据权利要求1所述的促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征是，所述的重金属污染植物修复促进剂中含有：0.1～2.0wt％的磷酸根离子以及0.02～0.05wt％的8碳辛醇聚氧乙烯醚。

6.根据权利要求5所述的促进重金属污染植物修复效率的方法，其特征是，所述的磷酸根离子的来源包括：磷酸二氢钾、磷酸铵、过磷酸钙。