CN104984987A - 从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法 - Google Patents

Abstract

从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，涉及重金属铅镉污染土壤的植物修复方法，所述方法包括以下过程：1）在金属冶炼区，调查当地主要种植的农作物和野生植物品种；2）根据现场调查结果，选择冶炼区周边主要耕作植物及野生植物，采集植物根、茎、叶、果实等，实验室分析植物各部分重金属的含量，筛选出耐性和积累性强的植物；3）将筛选出的植物种植于人为模拟的高浓度重金属污染土壤中；在植物生长过程中观察植物生长情况。该方法在重金属污染地带筛选修复植物，针对性强，筛选过程简单，筛选成功率高。可避免新引入植物不适应当地环境而发生生长状况不好、影响修复效果的情况，减少了植物恢复的成本。

Description

从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法

技术领域

本发明涉及一种重金属铅镉污染土壤的植物修复方法，特别是涉及一种从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法。

背景技术

土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，重金属可通过接触食物链等途径直接或间接危害人类健康。污染土壤修复方法，如淋洗法、热处理、固定化处理、化学法等，这些方法不仅成本高、效率低，破坏土壤结构及微生物种群，而且可能导致二次污染等，难以大面积应用；客土换土法虽然可以彻底清除污染地区污染土壤，但成本昂贵，使用区域有限，不能从根本上解决重金属污染问题。

植物修复是80年代末和90年代初期发展起来的，以植物积累、代谢、转化某些污染物的理论为基础，通过有目的优选种植植物，利用植物及其共存土壤环境体系去除、转移、降解或固定土壤污染物，以恢复土壤系统正常功能的污染环境治理措施。植物修复技术近几年发展非常迅速，在有机污染物和重金属等污染修复中发挥了较大作用。植物修复比物理法、化学法成本低，不易产生二次污染，绿色环保，适合大面积污染土壤的修复。其中对重金属污染土壤修复最有发展前途的作用方式是植物提取修复，即利用超积累植物对重金属的超量富集作用以去除污染土壤中超标的重金属。

到目前为止世界上已发现的重金属超富集植物有500多种，最重要的超积累植物主要集中在十字花科，世界上研究最多的植物主要在芸苔属（Brassica）、庭芥属（Alyssums）及遏蓝菜属（Thlaspi），这些超积累植物大多是国外科学家首次发现的。我国的超富集植物也取得了较大成果，如吴双桃发现Pb超富集植物土荆介（Chenopdium ambrosioides），陈同斌发现砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)，杨肖娥发现的锌超积累植物东南景天（Sedum alfredii H）、魏树和发现的Cd超积累植物龙葵（Solanum nigrum L）及沈阳大学发现的叶用红叶用红菾菜( Betavulgarisvar ciclaL.)等。但是至今为止超积累植物修复仍有许多局限性，一是已报道出效果良好的超积累植物仍然非常有限，而相应的修复植物筛选过程复杂；二是这些超积累植物大都植株矮小，真正用于重金属污染土壤修复上的能力也是非常有限的；三是在许多重金属污染极为严重的地区，许多植物异地生长环境适应性差、难以发挥正常修复作用。由于金属的开采和冶炼常伴有高浓度的重金属污染，因此金属开采区和冶炼区通常是重金属污染最为严重的地区，其周边农田土壤也受到了不同程度的污染。虽然对于严重污染的重金属常采用固定化处理或化学法处理等方法，但植物修复也在污染修复后期常常被用到。

    综上所述，鉴于普通植物修复冶炼区重金属污染存在着筛选过程复杂、植物植株矮小、环境适应性差等缺陷，在重金属污染严重地区（如冶炼区、采矿区）筛选修复植物是一种高效实用的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，该方法在重金属污染地带筛选修复植物，针对性强，筛选过程简单，筛选成功率高。可避免新引入植物不适应当地环境而发生生长状况不好、影响修复效果的情况，减少了植物恢复的成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述方法包括以下过程：   

    1）在金属冶炼区，调查当地主要种植的农作物和野生植物品种；

2）根据现场调查结果，选择冶炼区周边主要耕作植物及野生植物，采集植物根、茎、叶、果实等，实验室分析植物各部分重金属的含量，筛选出耐性和积累性强的植物；

3）将筛选出的植物种植于人为模拟的高浓度重金属污染土壤中，并填加螯合剂乙二胺四乙酸作为重金属的活化剂以促进植物对重重金属的吸收和累积，植株成熟后进行收获；在植物生长过程中观察植物生长情况，记录各植株特点、植株高度；

4）将收获的植物按地上部分和地下部分分别进行干燥、研磨、过筛处理，并用微波消解仪进行重金属提取，采用原子吸收分光光度法测定重金属含量，验证筛选植物的修复效果。

所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述金属冶炼区主要植物品种有玉米、土豆、水稻、茄子、甘薯、萝卜、西红柿等，主要野生植物有艾蒿、紫花醉鱼草、问荆、青蒿、山柳菊、牛尾蒿。

所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述金属冶炼区对重金属具有积累植物的筛选：筛选出耐性和积累性强的植物紫花醉鱼草，地上和地下部分铅含量分别为1241.52 mg/kg和879.34 mg/kg，镉含量为4.35 mg/kg和2.78 mg/kg，在三种野生动植物中均是最高的，同时紫花醉鱼草在野外一般植株高约1m以上，生物量大，适合作为修复植物。

所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述筛选植物的铅/镉耐性和积累特性的盆栽实验：对紫花醉鱼草在实验室进行/镉耐性和积累特性实验，实验土壤pH为6.5，有机质含量1.55%，Cd含量0.115mg/kg，Pb含量18.35mg/kg。

所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述实验污染物以分析纯CdCl₂﹒2.5H₂O和Pb(NO₃)₂添加。

所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，所述方法的具体步骤如下：

将采取的土壤剔除植物残枝和石块等杂物，风干并过2mm筛，按土壤与沙子5：1的配比加入河沙，混合均匀制成实验土壤；将计算后的污染物配制成溶液加入到实验土壤中，充分搅拌混合，老化一个月备用；将老化后的土壤2kg装入花盆中；同时选择成熟饱满的紫花醉鱼草种子进行育苗，将种子播种于沙土比为5：1的育苗穴移入盘中，放置于温暖潮湿的生态房中，20-25天后选择生长一致的幼苗分别移栽到各处理的花盆中，每盆移入2棵紫花醉鱼草，每个处理重复3次；在定苗一个月后，分别向各处理中加入乙二胺四乙酸以活化重金属促进植物对重金属的吸收；植物种植过程中记录生长状况、株高，即可。

本发明的优点与效果是：

1.在重金属污染地带筛选修复植物，针对性强，筛选过程简单，筛选成功率高。

2.筛选的植物具有很强的重金属耐性和一定的重金属积累性，根据现场情况筛选植株高大植物，更符合修复工程的实际应用。

3.冶炼区筛选的植物对当地环境及污染土壤具有较强的适应性，可避免新引入植物不适应当地环境而发生生长状况不好、影响修复效果的情况，减少了植物恢复的成本。

具体实施方式

1.金属冶炼区主要植物品种调查

在金属冶炼区，根据现场调查，主要农作物有玉米、土豆、水稻、茄子、甘薯、萝卜、西红柿等，主要野生植物有艾蒿、紫花醉鱼草、问荆、青蒿、山柳菊、牛尾蒿等。

2.金属冶炼区对重金属具有积累植物的筛选

选择冶炼区周边农田植物玉米、土豆、茄子、甘薯，生物量较大的野生植物艾蒿、紫花醉鱼草，分布较广的野生植物问荆。采集玉米、土豆、甘薯果实及问荆、艾蒿、紫花醉鱼草地上部分和地下部分等，实验室分析植物重金属铅、镉含量。

表1 代表性野生植物和农作物重金属含量 (mg/kg)

从表1可以看出，生长在矿渣或矿渣周边土壤上的野生植物体内重金属含量高于农作物，一方面由于两者生长土壤的重金属含量不同，矿渣或矿渣周边土壤重金属含量高，生长于上面的植物被动吸收的重金属较多。同时也说明长期生长于矿渣周边的植物对重金属具在一定的耐性。紫花醉鱼草地上和地下部分铅含量分别为1241.52 mg/kg和879.34 mg/kg，镉含量为4.35 mg/kg和2.78 mg/kg，在三种野生动植物中均是最高的，同时紫花醉鱼草在野外一般植株高约1m以上，生物量大，适合作为修复植物。因此筛选出耐性和积累性强的植物：紫花醉鱼草。

3、筛选植物的铅/镉耐性和积累特性的盆栽实验

对筛选的紫花醉鱼草在实验室进行/镉耐性和积累特性实验研究。

盆栽实验在全年温室生态大棚中进行，实验土壤取自中国科学院沈阳应用生态所生态站，属于草甸棕壤，土壤pH为6.5，有机质含量1.55%，Cd含量0.115mg/kg，Pb含量18.35mg/kg。

盆栽实验污染物以分析纯CdCl₂﹒2.5H₂O和Pb(NO₃)₂添加。根据金属开采区和冶炼区重金属污染水平及植物的耐性相关文献，本实验共设了9个处理，分别为CK（对照，不添加污染物），T1（Cd浓度10 mg/kg），T2（Cd浓度25 mg/kg），T3（Cd浓度50 mg/kg），T4（Cd浓度100 mg/kg），T5（Pb浓度500 mg/kg）T6（Pb浓度1000mg/kg），T7（Pb浓度3000 mg/kg），T8（Pb浓度5000 mg/kg）。

将采取的土壤剔除植物残枝和石块等杂物，风干并过2mm筛，按土壤与沙子5：1的配比加入河沙，混合均匀制成实验土壤。将计算后的污染物配制成溶液加入到实验土壤中，充分搅拌混合，老化一个月备用。将老化后的土壤2kg装入花盆中。同时选择成熟饱满的紫花醉鱼草种子进行育苗，将种子播种于沙土比为5：1的育苗穴移入盘中，放置于温暖潮湿的生态房中，20-25天后选择生长一致的幼苗分别移栽到各处理的花盆中，每盆移入2棵紫花醉鱼草，每个处理重复3次。在定苗一个月后，分别向各处理中加入乙二胺四乙酸以活化重金属促进植物对重金属的吸收。植物种植过程中记录生长状况、株高。

4、实验结果分析

在植物生长过程中，紫花醉鱼草生长情况良好，各处理从生长善看没有受到毒害的现象，在收获时植物株高无的变化（如表2所示），平均株高为56.2cm，而对照的株高是56.5cm，相互间差异不大，这说明在铅和镉的处理过程中，不同浓度污染物没有影响到植物的正常生长。

表2 不同污染物处理下紫花醉鱼草的干重及株高

在植物生长4个月后收获植物，分为地上部分和地下部分，清洗干净，沥去水份，于105℃下杀青20分钟后在65℃下烘干至恒重筛并粉碎，土壤样品风干后经研磨并过100目筛。所有样品采用HCl-HNO₃-H₂O₂进行微波消解，采用耶拿contrAA700连续光源火焰/石墨炉原子吸收分光光度计测定Pb、Cd含量。

经SPSS数据处理软件对紫花醉鱼草地上部分和地下部分植物干重进行方差处理，结果表明，铅处理下的紫花醉鱼草地上部分与对照相比没有明显的差异（P>0.05）。随着铅污染物的增加，植株地上部分干重没有减少的趋势，当铅处理浓度达到5000mg/kg时，植株干重达到17.0g，超过对照干重0.5g，铅处理浓度达到10000mg/kg时，植株干重达到16.4g，比对照仅低0.1g。根部干重与对照相比略有下降，但减少的趋势也未达到显著。

不同浓度镉处理下紫花醉鱼草的干重及株高与污染物铅处理相似。这说明筛选的紫花醉鱼草对与污染物具有很强的耐性，在污染物浓度很高情况下依然能够良好的生长，因此可以适应污染物浓度高的重污染地区修复情况。

紫花醉鱼草地上部分和地下部分对重金属铅、镉的吸收累积量都随着土壤污染物浓度增加而增加（见表3）。当镉污染达到10 mg/kg、25 mg/kg和50 mg/kg时，紫花醉鱼草的转运系数都超过了1，分别为1.156、1.218和1.257；而当Cd浓度为100mg/kg时，转运系数也达到了0.958。这说明紫花醉鱼草不但对污染物Cd具有非常强的适应性，并且对重金属具有一定的转运能力。

表3  不同污染物处理下紫花醉鱼草的金属积累及转运情况

经过计算，不同处理下紫花醉鱼草对镉的富集系数为0.432~0.592，平圴富集系数为0.507，当镉处理浓度为最大值100 mg/kg时，富集系数则为0.432。紫花醉鱼草对铅的富集系数随着土壤中铅浓度的增加而减小，当Pb浓度500富集系数为0.785，当铅浓度提高到5000 mg/kg时，富集系数为0.374。

虽然紫花醉鱼草对镉和铅的富集系数都小于1，没有达到超富集植物的评价标准，但紫花醉鱼草在含高浓度重金属土壤中，能够正常生长，有着较强的铅、镉转运能力，是一种适合修复高浓度重金属污染土壤的植物。

Claims (6)

1.从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：

    1）在金属冶炼区，调查当地主要种植的农作物和野生植物品种；

2）根据现场调查结果，选择冶炼区周边主要耕作植物及野生植物，采集植物根、茎、叶、果实等，实验室分析植物各部分重金属的含量，筛选出耐性和积累性强的植物；

3）将筛选出的植物种植于人为模拟的高浓度重金属污染土壤中，并填加螯合剂乙二胺四乙酸作为重金属的活化剂以促进植物对重重金属的吸收和累积，植株成熟后进行收获；在植物生长过程中观察植物生长情况，记录各植株特点、植株高度；

4）将收获的植物按地上部分和地下部分分别进行干燥、研磨、过筛处理，并用微波消解仪进行重金属提取，采用原子吸收分光光度法测定重金属含量，验证筛选植物的修复效果。

2.根据权利要求1所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述金属冶炼区主要植物品种有玉米、土豆、水稻、茄子、甘薯、萝卜、西红柿等，主要野生植物有艾蒿、紫花醉鱼草、问荆、青蒿、山柳菊、牛尾蒿。

3.根据权利要求1所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述金属冶炼区对重金属具有积累植物的筛选：筛选出耐性和积累性强的植物紫花醉鱼草，地上和地下部分铅含量分别为1241.52 mg/kg和879.34 mg/kg，镉含量为4.35 mg/kg和2.78 mg/kg，在三种野生动植物中均是最高的，同时紫花醉鱼草在野外一般植株高约1m以上，生物量大，适合作为修复植物。

4.根据权利要求1所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述筛选植物的铅/镉耐性和积累特性的盆栽实验：对紫花醉鱼草在实验室进行/镉耐性和积累特性实验，实验土壤pH为6.5，有机质含量1.55%，Cd含量0.115mg/kg，Pb含量18.35mg/kg。

5.根据权利要求1所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述实验污染物以分析纯CdCl₂﹒2.5H₂O和Pb(NO₃)₂添加。

6.根据权利要求1所述的从金属冶炼区筛选用于铅/镉修复耐性植物的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

将采取的土壤剔除植物残枝和石块等杂物，风干并过2mm筛，按土壤与沙子5：1的配比加入河沙，混合均匀制成实验土壤；将计算后的污染物配制成溶液加入到实验土壤中，充分搅拌混合，老化一个月备用；将老化后的土壤2kg装入花盆中；同时选择成熟饱满的紫花醉鱼草种子进行育苗，将种子播种于沙土比为5：1的育苗穴移入盘中，放置于温暖潮湿的生态房中，20-25天后选择生长一致的幼苗分别移栽到各处理的花盆中，每盆移入2棵紫花醉鱼草，每个处理重复3次；在定苗一个月后，分别向各处理中加入乙二胺四乙酸以活化重金属促进植物对重金属的吸收；植物种植过程中记录生长状况、株高，即可。