CN105689376A - 利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重金属污染环境的植物修复技术领域，尤其是涉及一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法。本发明方法具有能同时去除多种污染物、费用低、效果好、可操作性强、不破坏水体或土壤基本结构与功能、不引起二次污染、保持水土、美化环境等优点，可大面积推广应用。本发明采用的技术方案为：在含镉、铜、铅及锌污染的土壤或水体中种植聚合草，当聚合草长到成熟时期，将其地上部分或整个植株收割并从污染土壤或水体中移走，再在镉、铜、铅及锌污染土壤或水体中重复上述种植及收割并移走聚合草的过程，直到土壤或水体中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准。

Description

利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法

一、技术领域：

本发明涉及重金属污染环境的植物修复技术领域，尤其是涉及一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法。

二、背景技术：

土壤和水体重金属污染是全球所面临的重大环境问题之一。我国作为全球最大的发展中国家，经过30多年的快速发展，对土壤和水体环境的污染已相当严重。环境保护部、国土资源部2014年4月17日发布《全国土壤污染公报》显示，我国耕地土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。据国家环保部的调查显示，我国水体重金属污染问题也十分突出，江河湖库底质的污染率高达80.1%。因重金属造成的水体和土壤污染已对我国的生态环境、食品安全、人体健康和农业可持续发展构成了严重的威胁。我国矿产以伴生矿居多，在采矿、选矿和冶炼工业区周围排出的含重金属“三废”形成的污染，对人体、生物及环境造成巨大危害。镉是一种分布广泛的有毒有害重金属元素，在生物体内极易蓄积，对人类健康造成了极大的威胁。上世纪50年代日本爆发的“骨痛病”事件就是由于当地人长期食用含镉大米、鱼虾等引起的。镉对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼及血液系统均可产生毒性，而且还有致癌、致畸、致突变作。铜是植物生长所必需的微量元素,但过量的铜却有着很高的植物毒性。正常土壤中的总铜含量一般为15～40mg/kg,而有效态铜(DTPA)则为0.1～10mg/kg。野外实地研究证实,土壤中总铜含量达到150～400mg/kg,或者是有效态铜(DTPA)超过15mg/kg时,就会对植物产生毒害。土壤和水体中的铜可通过食物链进入人体。人体摄入过量的铜会引起一系列病变。人体血清铜含量过高会使血液黏稠度增大,肺动脉血压升高,加重肺心病,并伴有低氧血症,铜代谢紊乱可能还与脑血管意外有关。过量铜能明显降低精子活力，影响精子运动，导致不育。调查结果表明，不育症男性精液中的铜含量显著高于正常生育男性。人体摄入过量的铜最易蓄积在肝脏，肝硬化、肝癌患者的血清铜含量显著高于正常对照。铅是环境中重要的有毒污染物，铅对人类健康的危害，尤其是儿童健康的危害已引起世界各国学者的广泛关注。铅对健康的潜在危害，也日益引起人们的关注，铅对人体的所有器官都能够造成损害。具体表现为，影响人的智力发育和骨骼发育，造成消化不良和内分泌失调，导致贫血、高血压和心律失常，破坏肾功能和免疫功能等。人体内有极少量铅的存在，也会对健康造成损害，即使脱离了污染环境或经治疗使体内血铅水平明显下降，受损的器官和组织已不能修复，将伴随终身。锌是人体和生物的必需元素，但锌过量会造成污染，锌矿开采、冶炼加工、机械制造以及镀锌、仪器仪表、有机会合成和造纸等工业的排放，使土壤和水体受到污染。

目前治理镉、铜、铅及锌等重金属污染土壤或水体的方法很多，主要有物理修复技术，化学修复技术，生物修复技术。生物修复技术主要有植物修复技术和微生物修复技术。植物修复技术的关键是找到对单一或多种（复合）重金属具有特殊吸收富集能力的超富集植物。超富集植物也叫超积累植物，这一定义最初是由Books提出的，当时是用来命名茎叶中镍的含量大于1000mg/kg的植物。现在超富集植物的概念已经扩大到植物对所有金属元素的超富集现象，即能超富集一种金属元素或同时能富集几种金属元素的植物，超富集通常指对重金属的吸收累积量超过一般植物的100倍以上。目前国际上有关衡量超富集植物的标准有三个：一是临界含量，即植物地上部分（主要指茎或叶）富集的重金属量是普通植物在同一生长条件下的100倍以上，镍、砷及铅的临界浓度均为1000mg/kg，锌的临界浓度为10000mg/kg；二是转移特征，转运系数（即植物地上部分重金属含量与其根部重金属含量的比值）大于1。三是耐性特征，是指植物对重金属具有较强的耐性，植物能正常生长。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：所述的方法为在含镉、铜、铅及锌污染的土壤或水体中种植聚合草，当聚合草长到成熟时期，将其地上部分或整个植株收割并从污染土壤或水体中移走，再在镉、铜、铅及锌污染土壤或水体中重复上述种植及收割并移走聚合草的过程，直到土壤或水体中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准。

在被污染的土壤中种植聚合草是指采用土培方式种植，即采用土壤作为植物生长发育所需的环境介质，将根茎直接播种或将植物幼苗直接栽培在土壤中，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度、水分条件及其生长发育所需营养物质，保证植物能正常生长发育；植物所需营养物质由土壤环境所含营养植物提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次；植物所需水分由自然降水方式提供，或通过人工灌溉方式提供，水分在50%-80%田间持水量范围内；植物生长发育所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

在被污染的水体中种植聚合草是指可采用水培方式种植，即采用水体作为植物生长发育所需的环境介质，将植物幼苗直接栽培在水体环境中，植物通过根部与水体接触，通过支撑介质固定在水体上，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度条件及生长发育所需营养物质，保证植物能正常生长发育；所述的支撑介质为浮床，植物根部通过浮床上钻的小孔直接与水体接触；植物所需要营养成分由水体环境所含植物养分提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾等营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次，植物所需水分由水体自身提供；植物生长所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

将聚合草种植到植株成熟时期，将其上部分刈割，留茬5~6cm，根据各地气温不同，每年可刈割3~5次，并从污染土壤或水体中移走，直至土壤中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准。

所述土壤或水体是指含有镉、铜、铅及锌单一污染或复合污染的土壤或水体。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明所采用的植物聚合草是一种超富集铅和锌植物，在我国尚属首次发现，在国际上亦未见过相关报道。该植物不仅能对铅和锌有超富集能力，而且对镉和铜的富集能力也很高，是普通植物富集镉和铜能力的几十倍以上，可同时用于治理镉、铜、铅及锌污染。该植物对环境的适应能力强，生长范围广，容易种植，为研究镉、铜、铅及锌污染植物修复技术提供了宝贵的植物资源。

2、本发明所述的超富集植物聚合草具有多年生草本植物特点，可一次播种，多年收获，同时其生物量很大，年平均生物量（鲜重）达到75~480t/hm²，北方地区每年刈割3~5次，南方地区每年刈割6~8次。

3、本发明方法具有能同时去除多种污染物、费用低、效果好、可操作性强、不破坏水体或土壤基本结构与功能、不引起二次污染、保持水土、美化环境等优点，可大面积推广应用。

四、具体实施方式：

一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，在含镉、铜、铅及锌污染的土壤或水体中种植聚合草，利用其自然生长过程中对这几种重金属的超富集能力，将土壤或水体中的镉、铜、铅及锌向植物地上部分转移，当聚合草长到成熟时期，将其地上部分或整个植株收割并从污染土壤或水体中移走，再在镉、铜、铅及锌污染土壤或水体中重复上述种植及收割并移走聚合草的操作过程，直到土壤或水体中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准，从而达到修复土壤或水体中镉、铜、铅及锌污染的目的。

所述种植聚合草是指可采用土培方式种植，即采用土壤作为植物生长发育所需的环境介质，将根茎直接播种或将植物幼苗直接栽培在土壤中，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度、水分等条件及其生长发育所需营养物质，以保证植物能正常生长发育；植物所需营养物质由土壤环境所含营养植物提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾等营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次；植物所需水分由自然降水方式提供，或通过人工灌溉方式提供，水分在50%-80%田间持水量范围内；植物生长发育所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

所述种植聚合草是指可采用水培方式种植，即采用水体作为植物生长发育所需的环境介质，将植物幼苗直接栽培在水体环境中，植物通过根部与水体接触，通过支撑介质固定在水体上，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度等条件及生长发育所需营养物质，以保证植物能正常生长发育；利用浮床作为植物固定在水体中的支撑介质，植物根部通过浮床上钻的小孔直接与水体接触；植物所需要营养成分由水体环境所含植物养分提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾等营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次，植物所需水分由水体自身提供；植物生长所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

所述聚合草来源于我国各地，可利用其根茎进行繁殖，将聚合草根茎直接播种在镉、铜、铅及锌污染土壤中，或将聚合草幼苗移栽于污染土壤或水体中。

将聚合草根茎切成2~3cm长直接播种在镉、铜、铅及锌污染土壤中，或将幼苗期的聚合草移栽在镉、铜、铅及锌污染土壤或有浮床为固定支撑介质的水体中。

将聚合草种植到植株成熟时期，将其地上部分刈割（留茬5~6cm），根据各地气温不同，每年可刈割3~5次，并从污染土壤或水体中移走，直至土壤中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准，从而达到修复镉、铜、铅及锌污染土壤或水体的目的。

所述土壤或水体是指含有镉、铜、铅及锌单一污染或复合污染的土壤或水体。

本发明所用植物为紫草科聚合草属，为多年生丛草型草本植物，植株高大，再生能力极强，叶片肥厚，青绿多汁，粗蛋白含量很高，主要作为优质高产饲料栽培。

聚合草作为超富集铅和锌植物在我国尚属首次发现，在国际上亦未见过相关报道。采集于我国某铅锌污染区的聚合草所富集铅和锌的量符合国际上有关超富集植物的衡量标准；其地上部分铅和锌的含量分别高达1388mg/kg和17795mg/kg，超过其临界浓度；根部铅和锌含量分别为391.4mg/kg和9779mg/kg，铅和锌的生物富集系数（BF）和转运系数(TF)分别为5.48和5.17及3.55和1.82，都远远大于1；对铅和锌有较强的耐性，植物能够正常生长。

聚合草不仅能对铅和锌有超富集能力，而且对镉和铜的富集能力也很高，聚合草对镉和铜的生物富集系数和转运系数分别为3.46、1.43和1.57、1.24，是普通植物富集镉和铜能力的几十倍以上，可同时用于治理镉、铜、铅及锌污染。

聚合草形态特征：聚合草（SymphytumofficinaleL.），别名爱国草、肥羊草、友益草、友谊草、紫根草、康复力、外来聚合草、西门肺草、紫草根。丛生型多年生草本，高30-90cm，全株被向下稍弧曲的硬毛和短伏毛。根发达、主根粗壮，淡紫褐色。茎数条，直立或斜升，有分枝。基生叶通常50-80片，最多可达200片，具长柄，叶片带状披针形、卵状披针形至卵形，长30-60cm，宽10-20cm，稍肉质，先端渐尖；茎中部和上部叶较小，无柄，基部下延。花序含多数花；花萼裂至近基部，裂片披针形，先端渐尖；花冠长14-15mm，淡紫色、紫红色至黄白色，裂片三角形，先端外卷，喉部附属物披针形，长约4mm，不伸出花冠檐；花药长约3.5mm，顶端有稍突出的药隔，花丝长约3mm，下部与花药近等宽；子房通常不育，偶而个别花内成熟1个小坚果。聚合草适应性广，产量高，利用期长，适口性好，是优质高产的畜禽饲料作物，其也有有较高的营养价值，可作药用，也有一定的观赏价值。

在某重金属污染区进行试验研究，该污染区土壤中镉、铜、铅及锌的平均含量分别为104.6、53.26、44.18、253.2及3440mg/kg，利用切根繁殖种植，株行距为50×40cm，每公顷保苗40000~50000株，温度在15-35℃范围内，水分在50%-80%田间持水量范围内；当聚合草植株长到成熟时期，将其地上部植株收割，并从污染土壤中移走。经分析测定，成熟的聚合草植株地上部分镉、铜、铅及锌的平均含量分别达361.5、76.23、1388及17795mg/kg，根部镉、铜、铅及锌的平均含量分别为230.2、61.34、391.4及9779mg/kg，生物富集系数和转运系数均大于1。聚合草对镉、铜、铅及锌有较强的耐性，植物生长正常，株高达40-80cm。该试验表明，聚合草对铅和锌具有超富集能力，对镉和铜具有高富集能力，可用于治理镉、铜、铅及锌污染土壤或水体。

Claims (5)

1.一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：所述的方法为在含镉、铜、铅及锌污染的土壤或水体中种植聚合草，当聚合草长到成熟时期，将其地上部分或整个植株收割并从污染土壤或水体中移走，再在镉、铜、铅及锌污染土壤或水体中重复上述种植及收割并移走聚合草的过程，直到土壤或水体中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准。

2.根据权利要求1所述的一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：在被污染的土壤中种植聚合草是指采用土培方式种植，即采用土壤作为植物生长发育所需的环境介质，将根茎直接播种或将植物幼苗直接栽培在土壤中，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度、水分条件及其生长发育所需营养物质，保证植物能正常生长发育；植物所需营养物质由土壤环境所含营养植物提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次；植物所需水分由自然降水方式提供，或通过人工灌溉方式提供，水分在50%-80%田间持水量范围内；植物生长发育所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

3.根据权利要求1所述的一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：在被污染的水体中种植聚合草是指可采用水培方式种植，即采用水体作为植物生长发育所需的环境介质，将植物幼苗直接栽培在水体环境中，植物通过根部与水体接触，通过支撑介质固定在水体上，并在种植过程中提供植物正常生长发育所需光照、温度条件及生长发育所需营养物质，保证植物能正常生长发育；所述的支撑介质为浮床，植物根部通过浮床上钻的小孔直接与水体接触；植物所需要营养成分由水体环境所含植物养分提供，或通过人工施肥添加外源营养物质的方式提供，氮、磷、钾等营养物质的添加量为施用三元复合肥200kg/hm²作为基肥，苗期追施150kg/hm²尿素3~4次，植物所需水分由水体自身提供；植物生长所需光照和温度由室外自然条件提供，温度在15-35℃范围内。

4.根据权利要求2或3所述的一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：将聚合草种植到植株成熟时期，将其上部分刈割，留茬5~6cm，根据各地气温不同，每年可刈割3~5次，并从污染土壤或水体中移走，直至土壤中镉、铜、铅及锌含量达到环境质量标准。

5.根据权利要求4所述的一种利用超富集植物聚合草修复重金属污染土壤或水体的方法，其特征在于：所述土壤或水体是指含有镉、铜、铅及锌单一污染或复合污染的土壤或水体。