CN106077056A - 一种矿区重金属污染土壤的生物修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区重金属污染土壤的生物修复方法，包括：(1)在矿区重金属污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为1.5％的生物表面活性剂鼠李糖脂；(2)对矿区重金属污染土壤进行耕翻、平整和灌水；(3)在紫花苜蓿种子上包覆含有苜蓿根瘤菌的菌剂；(4)对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；(5)对羊草种子进行低温处理；(6)将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到矿区重金属污染土壤中；(7)出苗后进行田间管理。可有效进行矿区重金属污染土壤重金属的吸附和吸收，减少土壤中重金属残留，具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点。

Description

一种矿区重金属污染土壤的生物修复方法

本发明涉及生态环保领域，具体是一种重金属矿区污染土壤的生物修复方法。

最近几十年来，由于全球工业化，致使大量具有潜在毒性的物质排放到生物圈，其中就包括重金属，这些重金属可以通过各种途径进入土壤、河流、地下水中。重金属是很难控制的污染物，其潜伏期长、危害呈慢性积累、不易被人们察觉、而且具有不可降解性，一旦进入环境中将产生持久的、一系列的污染，不易被除去。金属矿山中的尾矿库是环境体系中重金属污染的重要来源，尾矿是矿山开采过程中产生的一种固体废弃物，这些废弃物中含有浓度较高的有毒重金属，当把它们从地下搬运至地表后，由于物理、化学条件的改变，尾矿中重金属元素的释放、迁移会对附近土壤等地表生态环境产生严重的重金属污染。此外，矿山开发过程中的尾矿、废石等需要大面积的堆置场地，从而导致对土地的大量占用和对堆置场地原有生态系统的破坏，引起生态环境恶化。矿区土壤中重金属元素种类繁多，例如Cd、Pb、Zn、Cu、As、Bi、Sn、Mo、Se、Te、Ti、Be等，这些元素如果在土壤中沉淀与固定或随其它相界面在自然界中循环都会对生态环境造成很大的危害，并通过接触、食物链等途径直接或间接地危害人类健康。轻微的重金属中毒会出现头晕、恶心、咳嗽、胸闷、食欲不振、皮肤过敏、智力下降等症状，严重的重金属中毒会危害人们的生命。

国内外已经对重金属污染土壤修复技术进行了一系列的研究，相对于客土、翻土、土壤淋洗等传统的物理化学修复技术，生物修复尤其是植物修复因其效果好、投资省、费用低、易于管理和操作、不产生二次污染等，被公认为是生态友好型原位绿色修复技术。

植物修复是利用根系的吸收作用和体内发达的酶系统对污染进行治理的一种修复方式。植物以太阳能作为驱动力，在修复土壤的同时还能净化空气和水体、美化环境、防止水土流失，无二次污染，特别适用于大面积污染区域的治理。由于植物新陈代谢的差异，所以植物修复的作用机理也不尽相同，但总体上可分为5种：(1)植物挥发：利用植物将一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后将其转化为气态物质释放到大气中；(2)植物提取：植物直接吸收一种或几种污染物并在植物体内蓄积，之后将植物收获进行处理；(3)植物降解：植物利用本身产生的各种酶的作用，将吸收到植物体内的污染物进行转化和降解的一种方式；(4)植物根际作用：利用植物根际微生物及根释放的各种酶的降解作用来转化有机污染物；(5)植物稳定：又称植物钝化，通过植物与土壤的共同作用,将污染物吸附于根系及土壤表面，从而降低污染物的有效形态。

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为豆科蝶形花亚科苜蓿属植物，因其产草量高、富含蛋白质、适口性好、适应性强等特点而被称为“牧草之王”。紫花苜蓿是多年生植物，一般生长年限可达到10年左右，根系发达，茎叶繁茂。夏季它的茂密枝叶可以阻挡雨水对土壤的物理冲刷和地面径流，秋冬季地表覆盖度高，不会使表土受到大风的侵蚀，减少空气中风沙含量。在水土流失严重的黄土高原区被誉为“水保先锋”。紫花苜蓿根系发达入土深，一般可达到3-5米，最长可以达到10米以上，因此能吸收土壤深层的水分，抗旱能力自然就很高，而且庞大的根系上着生的大量根瘤，会进行生物固氮，每亩约固氮32.9公斤，相当于2460kg的硫酸铵，这样大大提高了土壤肥力，这一特性对草田轮作非常有利，可显著提高后茬作物的产量和品质，并减少了肥料的投入，降低了因大量的肥料投入而引起的环境污染。羊草(Aneurolepidium chinensis)是一种多年生根茎型禾本科牧草，具有优良的耐寒、耐旱、耐湿、耐土壤瘠薄和一定的耐盐碱能力，适口性良好，耐践踏，枯草期迟，是我国东部和黑龙江省、吉林省作为人工草地栽培的品种。

然而，目前国内外对矿区重金属污染土壤实施生物修复的有效案例还很少，尤其在土壤处理、植物种类选择及植物修复机制研究上还缺乏深入系统的研究。

本发明的目的在于提供一种修复矿区重金属污染土壤的有效方法。

具体而言，本发明的方法是一种利用土壤处理—紫花苜蓿/羊草联合修复矿区重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在矿区重金属污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为1.5％的生物表面活性剂鼠李糖脂；

(2)对矿区重金属污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

(3)在紫花苜蓿种子上包覆含有苜蓿根瘤菌的菌剂；

(4)对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

(5)对羊草种子进行低温处理；

(6)将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到矿区重金属污染土壤中；

(7)出苗后进行田间管理。

步骤(1)中，充分腐熟的农家肥用量优选为1500公斤/亩，过磷酸钙用量优选为50公斤/亩，并优选在实施步骤(1)24h以内实施步骤(2)。

步骤(3)中，所述紫花苜蓿种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述苜蓿根瘤菌优选苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)。

步骤(3)的工艺流程优选如下：把含有苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂，种子与菌剂的质量比为1:7-10。其中，使用的粘着剂优选为选自羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶中的1种或2种以上。

步骤(4)的工艺流程优选如下：把由步骤(3)得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。其中，所述包衣材料优选为选自滑石粉、云母粉、陶土粉中的1种或2种以上。

步骤(5)中，所述羊草种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述低温处理优选-20℃下处理8-10h。

步骤(6)中，优选将包衣的紫花苜蓿种子与低温处理后的羊草种子按照1:1等量混合，优选的播种条件如下：播种方式条播，播种量为1.5-2公斤/亩，播种深度为2-3厘米。

本发明的方法能够有效进行矿区重金属污染土壤中重金属的吸附和吸收，减少土壤中重金属残留，具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点，为大面积修复矿区重金属污染土壤提供了有效方法。

图1是表示本发明实施例具体步骤的流程图。

本发明是一种修复矿区重金属污染土壤的方法，具体而言，是一种利用土壤改良措施(农家肥+过磷酸钙+生物表面活性剂)—植物修复措施(豆科牧草紫花苜蓿+禾本科牧草羊草)联合修复矿区重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在矿区重金属污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为1.5％的生物表面活性剂鼠李糖脂；

(2)对矿区重金属污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

(3)在紫花苜蓿种子上包覆含有苜蓿根瘤菌的菌剂；

(4)对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

(5)对羊草种子进行低温处理；

(6)将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到矿区重金属污染土壤中；

(7)出苗后进行田间管理。

本发明利用充分腐熟的农家肥、过磷酸钙改善矿区重金属污染土壤的物理结构、增加土壤肥力(增加土壤有机质的含量、氧含量)、调节土壤pH(降低土壤pH值)，并通过喷施生物表面活性剂鼠李糖脂促进重金属的植物吸附、吸收，大幅度提高植物除重金属的效果；同时利用紫花苜蓿多年生、根系发达、可生物固氮和羊草多年生、根茎型禾草、繁殖力强以及二者可修复重金属污染土壤等生物特性，进行矿区重金属污染土壤的植物修复。本发明在土壤改良、紫花苜蓿/羊草的植物修复的双重作用下，可有效吸附、吸收土壤表层乃至土壤深层污染的重金属，从而有效减少土壤中重金属残留。本发明的方法具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点，是一种用于大面积修复矿区重金属污染土壤的有效方法。

本发明的步骤(1)是通过土壤改良促进植物修复所采取的一项强化措施。

土壤性质如有机质含量、氧含量、物理结构、pH值及N、P储量等能改变植物对重金属的吸附、吸收速率，因此改善土壤条件可以提高重金属的植物修复效果。充分腐熟的农家肥和过磷酸钙可以改善土壤的理化性质(如疏通堵塞了的土壤孔隙、提高土壤通透性)，增加土壤肥力(增加土壤有机质含量、氧含量)并调节土壤pH(降低土壤pH值)。喷施生物表面活性剂鼠李糖脂可以促进重金属污染物的植物吸附、吸收过程，大幅度提高植物的除重金属效果。充分腐熟的农家肥用量一般为1000-2000公斤/亩，优选为1500公斤/亩；过磷酸钙用量一般为30-70公斤/亩，优选为50公斤/亩。

优选在实施步骤(1)24小时以内对土壤进行耕翻、平整和灌水。耕翻深度一般为15-30厘米，优选为20厘米。

在上述步骤(3)中，紫花苜蓿种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子。使用这样的种子，可以得到更好的土壤修复效果。另外，为了避免灰尘等对菌剂包覆的影响，优选将种子在常温的清水中进行清洗，之后自然条件下干燥。

苜蓿根瘤菌是与苜蓿共生形成根瘤并将空气中的氮还原成氨供植物营养的一类革兰氏阴性菌。通过使用苜蓿根瘤菌，可促进紫花苜蓿根系的生长和固氮，从而提高重金属污染土壤的修复效果。作为苜蓿根瘤菌，优选苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)。

对步骤(3)的具体工艺没有特别限制，但优选使用如下方法：把含有苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂。通过使用该方法，菌剂可通过粘着剂的作用牢固地粘附于种子上，菌剂在播种过程中不易从种子上脱落，播种后菌剂中的苜蓿根瘤菌可有效地沿着紫花苜蓿的根系进行分布、繁殖，从而提高了紫花苜蓿的植物修复效果。

在上述方法中，种子与菌剂的质量比优选为1:7-10，更优选为1：8。

对使用的粘着剂没有特别限制，但从防止土壤污染的角度来讲，优选来源于植物或动物的粘着剂或者对这些粘着剂进行改性得到的粘着剂。作为这样的粘着剂，可以列举羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶等。这些粘着剂可单独使用或两种以上混合使用。

对步骤(4)的具体工艺没有特别限制，但优选使用如下方法：把由步骤(3)得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。通过使用该方法，可以使包衣材料均匀地包裹在种子外粘附的菌剂上，从而更有效地改善了菌剂与种子之间的复合作用，提高紫花苜蓿的植物修复效果。

对使用的包衣材料没有特别限制，但从防止土壤污染的角度来讲，优选天然的矿物质材料。作为这样的包衣材料，可以列举滑石粉、云母粉、陶土粉等。这些包衣材料可单独使用或两种以上混合使用。从材料来源广泛、价格便宜的角度来讲，优选滑石粉。

步骤(5)中，所述羊草种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，使用这样的种子，可以得到更好的土壤修复效果。此外，所述低温处理的温度优选为-20℃，处理时间优选为8-10h，更优选为10h。通过低温处理，可以提高羊草种子的发芽率。

步骤(6)中，紫花苜蓿种子与羊草种子优选按照1:1等量混合，播种条件优选如下：播种方式为条播，播种量为1.5-2公斤/亩，播种深度为2-3厘米。

紫花苜蓿与羊草混播种植不但可以很快形成草地，而且紫花苜蓿的直根系与羊草的根茎型根系能够快速有效地进行矿区重金属污染土壤的生物修复，也有利牧草营养物质更丰富。

步骤(7)中的田间管理是指及时的灌水、杂草防除和病虫害防治等。

下面的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实验分析方法采用《草本能源植物修复重金属污染土壤的潜力》(中国草地学报，2012年34卷第1期，59-64页)。

具体步骤如下(如图1所示)：

①矿区重金属污染土壤处理：实验地选择在抚顺红透山铜矿尾矿周边土壤，实验地面积约500平方米，2011年8月26日撒施充分腐熟的农家肥1500公斤/亩，过磷酸钙50公斤/亩，喷洒质量浓度1.5％的生物表面活性剂鼠李糖脂。

②矿区重金属污染土壤耕作：20厘米耕翻、平整和灌水。随机取5个土样进行重金属含量分析。

③紫花苜蓿种子的筛选、清洗和干燥：筛选成熟、饱满、无虫蛀的中苜一号紫花苜蓿(Medicago sativa L.cv.Zhongmu NO.1)种子0.7公斤(购自甘肃酒泉大业种业有限责任公司)，在常温的清水中清洗后，自然条件下干燥。

④菌株培养和菌剂制作：取苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)(购自上海艾研生物科技有限公司)，在28℃的条件下于YMA液体培养基中摇床培养48h后，得到根瘤菌菌剂。

⑤包覆菌剂：粘着剂使用羟甲基纤维素钠，取上述菌剂(约5600克)加入到质量浓度为5％的羟甲基纤维素钠水溶液(5000ml)中，搅拌均匀后，再加入种子，反复搅拌，使每一粒种子都粘有根瘤菌菌剂。

⑥种子包衣：包衣材料为滑石粉，把上述粘附有菌剂的种子放入到装有滑石粉的包衣机中，经过包衣机反复震荡混合包衣，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。

⑦羊草种子的筛选、清洗和干燥及低温处理：筛选成熟、饱满、无虫蛀的吉生一号羊草(Aneurolepidium chinensis cv.Jisheng NO.1)种子0.7公斤(购自吉林省吉生羊草良种站)，在常温的清水中清洗后，自然条件下干燥，之后在-20℃的条件下放置10h。

⑧播种：2011年8月30日将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理的羊草种子充分混合，条形播种，播种量1.5-2公斤/亩，播种深度2-3厘米。

⑨田间管理：出苗后及时进行灌水、杂草防除和病虫害防治。

检测分析结果如下：

2012年7月20日随机取5个土样进行重金属去除率分析，土壤中铜、铬、铅、镉的含量分别降低35％、27％、48％和23％，说明本发明的方法能够有效修复矿区重金属污染土壤。

Claims (10)

1.一种矿区重金属污染土壤的生物修复方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在矿区重金属污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为1.5％的生物表面活性剂鼠李糖脂；

(2)对矿区重金属污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

(3)在紫花苜蓿种子上包覆含有苜蓿根瘤菌的菌剂；

(4)对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

(5)对羊草种子进行低温处理；

(6)将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到矿区重金属污染土壤中；

(7)出苗后进行田间管理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，充分腐熟的农家肥用量为1500公斤/亩，过磷酸钙用量为50公斤/亩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在实施步骤(1)24h以内实施步骤(2)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述紫花苜蓿种子为成熟、饱满、无虫蛀的种子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述苜蓿根瘤菌为苜蓿中华根瘤菌。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)的工艺流程如下：把含有苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂，种子与菌剂的质量比为1:7-10。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘着剂为选自羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶中的1种或2种以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)的工艺流程如下：把由步骤(3)得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述包衣材料为选自滑石粉、云母粉、陶土粉中的1种或2种以上。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述羊草种子为成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述低温处理为-20℃下处理8-10h。