CN106976981A - 一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，包括：筛选超累积土生植物；将筛选的植物经过水生根诱导体系转化成适应水生环境的水培植物；将水培的植物种植在城市重金属污染的水体中，生长培育时间不低于一个月；当水培植物进入到开花期或成熟期时，将植物整体从污水中移走；重新栽种经过水生根诱导体系转化的水培植物，并重复上述过程，城市水体重金属被去除。本发明提供的方法是通过水生根诱导技术将那些对重金属元素有极强吸收能力的超累积土生植物转化成可以在水中长期正常生长的水培植物，从而丰富城市水体污染中植物修复的品种，增加清除重金属的能力及种类，从而达到改善水体质量的目的。

Description

一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法
技术领域
本发明涉及一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，属于城市水体污染的植物修复技术领域。
背景技术
目前，我国城市水体污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化”。根据国家环保部门检测，大城市河段及附近直流均已不同程度受到污染，严重的已成为臭水沟，水污染形势非常严峻，60％以上的河段水质已存在饮用隐患。有关资料表明，生活污水、工业废水是水体污染的主要来源，近年来每年的排放量更是有增无减。1996年，中国科学院对我国七大江河流经的15个主要城市河段进行水样研究，结果表明我国532条主要河流中有436条有不同程度的污染，15个主要城市有13个河段水质严重污染。以长江流域为例，每年仅干流21个主要城市就放63×108吨污水，而且排放量逐年以超过3.3％的速度增长，在直接入江的394个排污口，有70％以上未达到国家标准，并形成了明显的岸边污染带，使长江城市水体遭受可很大破坏。相对于巨大的长江来说，城市内其他小型湖泊污染现状更严重，有的甚至到了终年恶臭，达到了难以治理的地步，完全沦为了城市排污的沟渠。此外，城市内的一些小型水体如公园、居住小区等静置或流动性差的封闭缓流水体，因水域面积小、水体自净能力低而污染源广等特点，更容易受到破坏和污染。
重金属元素作为城市水体主要的污染源，具有难降解、易积累、毒性大等特性，不仅破坏了湖泊、河流生态环境，还具有通过食物链危害到水生生物乃至人类健康的潜在危险。如20世纪50、60年代在日本发生的“水俣病”和“骨痛病”就是因汞污染和镉污染引起的“公害病”，在欧洲某些国家也陆续发生因重金属污染而导致的一系列严重后果，从而引起了人们对环境重金属污染的高度关注和重视。近年来，科学家们发现砷、铬、镍和镉等重金属元素的一些化合物是严重的致癌物质(如六价铬的化合物)。而且重金属污染物有较为复杂的化学性质和极强致毒性，并可长时间存在环境中，可沿食物链发生富集，最终造成严重的生态危害。因此，已被众多国家列为环境优先污染物，进行优先检测、控制。目前，我国列入环境优先污染物黑名单的重金属及其化合物包括As、Be、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni和Ti。
研究证明，植物的根、茎、叶片可以吸收许多重金属，降解、吸收大量含氮、磷等有机和无机化合物，以及许多含苯类、芳羟类和农药等多种有机污染物。植物强大的净化能力既可以作用在室内外空气的净化，又可以作用在水体和土壤污染物的清除，因此，出现了以植物修复为主体的环境污染技术治理。植物修复的主要驱动力为太阳能，具有处理成本低，不破坏场地，对周围环境的扰动小，不易引起次生污染等优点，尤其是能够利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发污染环境中的有害物，将其直接清除或转化成毒性小甚至无毒的物质，因此受到了人们极大的重视与关注。随着20年的发展，植物修复已成为环境污染治理重要技术之一，已在很多城市得到了运用并推广，尤其是城市水体的净化。
但是，并不是所有植物都具有此种能力，我们将这些能够达到修复目的的植物称为超累积植物，并制作了两大评定指标：1)能够在污染物浓度较高的土壤上正常生长，完成生命周期，无明显的受害症状；2)有能力将重金属从根系转移到茎叶并可大量富集。目前，已发现的超累积植物有400多种，包括藻类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物，既有草本植物，也有木本植物。虽然发现的超累积植物数量不少，但绝大部分都是土生植物，用于清除城市水体重金属污染的品种很少，只有有限的几种水生植物，所以无法完全清除污水中的有害重金属，因为每种超累积植物根系具有选择性，只能吸收一种或几种重金属元素。
基于上述原因，通过水生根诱导技术将那些超累积土生植物转化成可以在水中长期正常生长的水培植物，使其加入到城市水体污水重金属清除的行列中，具有非常重大的意义。所谓水生根诱导技术是在不改变植物遗传物质的基础上，通过外源激素或环境胁迫等方式激发原有生根基因的表达，促使其形成新根，后因水环境的诱导，迫使植物为适应低氧环境而改变原有的土生根系结构，分化出能适应新环境的水生根系，最终实现在水中长期正常生长。不仅可以丰富品种，增加可以清除的重金属元素的种类，还可以营造多彩的水体景观，让城市更美丽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种利用水培技术将大量土生超累积植物转化成水生状态，从而实现改善城市水体质量的方法，该方法既可以做到污染治理，又可回收利用资源，而且工艺简单、易于实施，甚至可以根据不同的污染情况，针对性的提供治理。
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，包括：
筛选超累积土生植物；
将筛选的植物经过水生根诱导体系转化成适应水生环境的水培植物；
将水培的植物种植在城市重金属污染的水体中，生长培育时间不低于一个月；
当水培植物进入到开花期或成熟期时，将植物整体从污水中移走，同时吸收的重金属元素也相应地被清除(值得指出的是，每种超累积植物通常只对某一种或几种重金属具有超累积能力，主要原因是根系的选择性吸收，因此，针对不同的重金属污染的水体，需要对超累积植物进行相应的选择。此外，当水培植物进入开花期或成熟期，植物吸收重金属能力开始下降，所以在这个时候需要将其整体从水中移除)；
重新栽种经过水生根诱导体系转化的水培植物，并重复上述过程，城市水体重金属被去除，水质得到改善。
进一步地，筛选的植物是对重金属元素有极强吸收能力的超累积土生植物，且处于苗期或快速生长期。
进一步地，筛选的超累积土生植物转化成适应水生环境的水培植物，其具体步骤如下：
(1)清除超累积植物根部土壤，剪除超累积植物大部分根系及有破损的或有病斑的组织，剪除根系主要用于刺激植物生根基因的表达，从而促进新根的形成，而剪除破损或病组织主要是为了对植物进行相关治疗；
(2)用配制好的杀菌剂对伤口进行杀菌处理；
(3)用清水清洗伤口，放在阴凉处2h以上，直到伤口处完全愈合，晾置的目的是为了让植物伤口愈合，防止病菌从伤口侵入，但亦不可久晾，否则会造成植物水分流失过多导致软弱倒伏；
(4)配制植物生根调节剂，将植物根基部浸泡在植物生根调节剂溶液中30s～2min后取出，放在阴凉处1h以上，直到生根调节剂被完全吸收，此处晾干目的是让生长调节剂充分被植物吸收，故亦不可久晾，否则也会造成植物失水过多；
(5)用定植篮固定植物，放在诱导池的泡沫板孔中，直到植物生根，变成适合水环境的水培植物。
进一步地，清除超积累植物根部土壤时清水清洗3～4次，确保土壤完全清除。
进一步地，用剪刀剪除超累积植物大部分根系及有破损的或有病斑的组织，所述用的剪刀必须经过75％酒精消毒。
进一步地，所述杀菌剂对伤口进行杀菌处理的时间15～30min。
进一步地，所述杀菌剂为多菌灵、甲基托布津、百菌清、哈茨木霉素和农用链霉素按质量比5:3:5:1:2配制的混合液，主要针对植物在潮湿环境中容易出现的细菌性软腐病、黑茎病、根腐病等。
进一步地，所述杀菌剂在水溶液中的浓度为600～1500ppm。
进一步地，所述植物生根调节剂为吲哚丁酸、萘乙酸、吲哚乙酸、赤霉素按质量比5:1:1:2配制成的混合液。
进一步地，所述植物生根调节剂在水溶液中的浓度为400～1000ppm。
本发明所达到的有益效果：本发明提供的方法是通过水生根诱导技术将那些对重金属元素有极强吸收能力的超累积土生植物转化成可以在水中长期正常生长的水培植物，从而丰富城市水体污染中植物修复的品种，增加清除重金属的能力及种类，从而达到改善水体质量的目的。本发明提供的方法不仅工艺简单、易于实施，还具有处理成本低，不破坏场地，对周围环境的扰动小，不易引起次生污染等优点，甚至可以根据不同的污染情况，针对性的提供相应的植物进行修复治理。因此，具有巨大的市场价值。另外，本发明的方法也可用于其他植物的水培操作，如草本植物，小型乔木、灌木植物，兰科植物，甚至景天科植物均可，适用品种非常广泛。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一、一种利用水培向日葵修复城市水体铅(Pb)污染的方法
牛之欣等在2010年的研究表明，土生植物向日葵对土壤重金属铅(Pb)具有极强的吸收能力，因此，本试验以向日葵小苗为研究对象，通过水生根诱导技术将其转化成水培植物，经过1周时间的诱导，成功获得水培向日葵苗30株。然后用去离子水溶解Pb(NO3)2.H2O(分析纯)，配成0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L五个梯度，将水培向日葵苗分成五组，每组6株分别放入含五个浓度的Pb2+营养液中培育2个月，观察在Pb胁迫下水培向日葵的生物量差异及对Pb吸收量和富集系数的变化，为水培向日葵在城市水体铅污染修复技术提供理论依据。
试验结果如下：
表1列出了在不同浓度的Pb胁迫下水培向日葵的生物量变化,数据采用平均差±标准差。从表中可以知道，空白组(0mg/L)的条件下，生物量最高，向日葵长势最好，随着Pb含量的增加，向日葵的生物量降低，长势减弱，说明Pb对水培向日葵的生长具有一定的抑制作用，但抑制效果不显著(p>0.1)。
表1水培向日葵在不同浓度Pb处理下的生物量干重(g)
Pb浓度(mg/L) 0 50 100 200 300
根部生物量干重(g) 2.19±0.14 2.16±0.23 2.09±0.18 1.92±0.09 1.89±0.15
地上部生物量干重(g) 15.61±0.25 15.43±0.36 15.26±0.27 15.07±0.19 14.99±0.14
由表2可以看出，水培向日葵对Pb具有极强的吸收能力，且根部吸收能力大于地上部分，数据表明根系吸收量随着Pb处理浓度的增加而增加，在用300mg/L Pb处理下依然具有极强的吸收能力，而地上部分在Pb浓度在100mg/L的时候，吸收量最大，随着Pb浓度的增加，呈下降趋势。说明，向日葵吸收Pb的能力主要在根系。
表2水培向日葵在不同浓度Pb处理下的吸收及富集
Pb浓度(mg/L) 0 50 100 200 300
根部Pb浓度(mg/Kg) 0 335.56±12.18 378.92±7.23 447.79±7.05 489.62±8.68
地上部Pb浓度(mg/Kg) 0 260.16±3.79 313.45±5.08 282.17±2.99 247.63±7.32
表3列出了水培向日葵在不同Pb处理下的富集系数(BCF)。从表中可以知道，随着Pb浓度的增加，根系及地上部分富集系数呈下降趋势。
表3水培向日葵在不同浓度Pb处理下的富集系数(BCF)
Pb浓度(mg/L) 50 100 200 300
根部富集系数 7.24±0.23 6.24±0.38 4.83±0.19 2.98±0.21
地上部分富集系数 5.12±0.12 4.53±0.16 2.96±0.27 2.01±0.09
综上所述，水培向日葵在高浓度Pb含量的水体中依然可以正常生长，并具有极强的吸收能力，因此可以作为城市水体Pb污染修复的超累积植物。
实施例二、一种利用水培吊兰修复城市水体镉(Cd)污染的方法
王友保等在2010年的研究表明，盆栽植物吊兰对土壤重金属镉(Cd)具有极强的累积能力，当土壤Cd浓度为10mg/Kg时，吊兰根部和地上部分的Cd累积浓度分别是179.6及149.3mg/Kg，达到了超富集植物的标准。因此，本试验以吊兰苗为研究对象，通过水生根诱导技术将其转化成水培植物，经过10天时间的诱导，成功获得水培吊兰苗50株。然后用去离子水溶解Cd(NO3)2.H2O(分析纯)，配成0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L五个梯度，将水培吊兰苗分成五组，每组10株分别放入含五个浓度的Cd2+营养液中培育2个月，观察在Cd胁迫下水培吊兰的生物量差异及对Cd吸收量和富集系数的变化，为水培吊兰在城市水体镉污染修复技术提供理论依据。
试验结果如下：
表4列出了在不同浓度的Cd胁迫下水培吊兰的生物量变化,数据采用平均差±标准差。从表中可以知道，空白组(0mg/L)的条件下，生物量最高，吊兰长势最好，随着Cd含量的增加，吊兰的生物量降低，长势减弱，说明Cd对水培吊兰的生长具有一定的抑制作用，但抑制效果不显著(p>0.1)。
表4水培吊兰在不同浓度Cd处理下的生物量干重(g)
Cd浓度(mg/L) 0 50 100 200 300
根部生物量干重(g) 2.09±0.12 2.06±0.04 1.99±0.11 1.92±0.09 1.89±0.05
地上部生物量干重(g) 5.51±0.15 5.47±0.23 5.36±0.17 5.27±0.19 5.19±0.09
由表5可以看出水培吊兰对Cd具有极强的吸收能力，且根部吸收能力大于地上部分，数据表明根系吸收量随着Cd处理浓度的增加而增加，在用300mg/LCd处理下依然具有极强的吸收能力，而地上部分在Pb浓度在200mg/L的时候，吸收量最大，随着Pb浓度的增加，呈下降趋势。说明，吊兰吸收Pb的能力主要在根系。
表5水培吊兰在不同浓度Cd处理下的吸收及富集
Cd浓度(mg/L) 0 50 100 200 300
根部Cd浓度(mg/Kg) 0 365.34±6.04 783.09±4.71 1478.52±9.09 1512.68±8.35
地上部Cd浓度(mg/Kg) 0 312.67±4.23 702.36±7.15 912.27±6.19 878.23±10.09
表6列出了水培吊兰在不同Cd处理下的富集系数(BCF)。从表中可以知道，随着Cd浓度的增加，根系及地上部分富集系数呈下降趋势。
表6水培吊兰在不同浓度Cd处理下的富集系数(BCF)
Cd浓度(mg/L) 50 100 200 300
根部富集系数 8.86±0.22 7.29±0.36 5.03±0.17 2.98±0.21
地上部分富集系数 7.78±0.12 6.94±0.16 3.96±0.25 1.01±0.02
综上所述，水培吊兰在高浓度Cd含量的水体中依然可以正常生长，并具有极强的吸收能力，因此可以作为城市水体Cd污染修复的超累积植物。
实施例三、一种利用水培金银花修复城市水体镉(Cd)污染的方法
刘周莉等在2013年的研究表明，不同浓度的Cd处理对木本植物金银花的生长并未造成毒害作用，无论是水培还是土培条件下，在较高浓度的Cd处理下，金银花仍能保持正常生长，表现出很好的耐性。因此，本试验以金银花为研究对象，通过水生根诱导技术将其转化成水培植物，经过15天时间的诱导，成功获得水培金银花50株。然后用去离子水溶解Cd(NO3)2.H2O(分析纯)，配成0mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L五个梯度，将水培金银花分成五组，每组10株分别放入含五个浓度的Cd2+营养液中培育2个月，观察在Cd胁迫下水培金银花的生物量差异及对Cd吸收量和富集系数的变化，为水培金银花在城市水体铅污染修复技术提供理论依据。
试验结果如下：
表7列出了在不同浓度的Cd胁迫下水培金银花的生物量变化,数据采用平均差±标准差。从表中可以知道，空白组(0mg/L)的条件下，生物量最高，金银花长势最好，随着Cd含量的增加，金银花的生物量降低，长势减弱，说明Cd对水培金银花的生长具有一定的抑制作用，但抑制效果不显著(p>0.1)。
表7水培金银花在不同浓度Cd处理下的生物量干重(g)
Pb浓度(mg/L) 0 20 50 100 200
根部生物量干重(g) 2.38±0.14 2.36±0.23 2.29±0.18 2.24±0.09 2.21±0.15
由表8可以看出，水培金银花对Cd具有极强的吸收能力，且根部吸收能力大于地上部分，数据表明根系吸收量随着Cd处理浓度的增加而增加，在用200mg/L Pb处理下依然具有极强的吸收能力，而地上部分在Cd浓度在100mg/L的时候，吸收量最大，随着Cd浓度的增加，呈下降趋势。说明，金银花吸收Cd的能力主要在根系。
表8水培金银花在不同浓度Cd处理下的吸收及富集
Cd浓度(mg/L) 0 20 50 100 200
根部Cd浓度(mg/Kg) 0 405.54±5.34 663.37±4.71 1078.29±12.49 1242.34±9.76
地上部Cd浓度(mg/Kg) 0 242.69±4.73 428.16±6.45 832.27±9.79 628.28±8.09
表9列出了水培金银花在不同Cd处理下的富集系数(BCF)。从表中可以知道，随着Cd浓度的增加，根系及地上部分富集系数呈下降趋势。
表9水培金银花在不同浓度Cd处理下的富集系数(BCF)
Cd浓度(mg/L) 20 50 100 200
根部富集系数 15.34±1.23 12.74±0.78 7.63±0.19 4.88±0.38
地上部分富集系数 13.02±0.82 10.13±0.26 5.96±0.87 2.81±0.18
综上所述，水培金银花在高浓度Cd含量的水体中依然可以正常生长，并具有极强的吸收能力，因此可以作为城市水体Cd污染修复的超累积植物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，包括：
筛选超累积土生植物；
将筛选的植物经过水生根诱导体系转化成适应水生环境的水培植物；
将水培的植物种植在城市重金属污染的水体中，生长培育时间不低于一个月；
当水培植物进入到开花期或成熟期时，将植物整体从污水中移走；
重新栽种经过水生根诱导体系转化的水培植物，并重复上述过程，城市水体重金属被去除。
2.根据权利要求1所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，筛选的植物是对重金属元素有极强吸收能力的超累积土生植物，且处于苗期或快速生长期。
3.根据权利要求1所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，筛选的超累积土生植物转化成适应水生环境的水培植物，其具体步骤如下：
（1）清除超累积植物根部土壤，剪除超累积植物大部分根系及有破损的或有病斑的组织；
（2）用配制好的杀菌剂对伤口进行杀菌处理；
（3）用清水清洗伤口，放在阴凉处2h以上，直到伤口处完全愈合；
（4）配制植物生根调节剂，将植物根基部浸泡在植物生根调节剂溶液中30s～2min后取出，放在阴凉处1h以上，直到生根调节剂被完全吸收；
（5）用定植篮固定植物，放在诱导池的泡沫板孔中，直到植物生根，变成适合水环境的水培植物。
4.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，清除超积累植物根部土壤时清水清洗3～4次，确保土壤完全清除。
5.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，用剪刀剪除超累积植物大部分根系及有破损的或有病斑的组织，所述用的剪刀必须经过75%酒精消毒。
6.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，所述杀菌剂对伤口进行杀菌处理的时间15～30min。
7.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，所述杀菌剂为多菌灵、甲基托布津、百菌清、哈茨木霉素和农用链霉素按质量比5:3:5:1:2配制的混合液。
8.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，所述杀菌剂在水溶液中的浓度为600～1500ppm。
9.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，所述植物生根调节剂为吲哚丁酸、萘乙酸、吲哚乙酸、赤霉素按质量比5:1:1:2配制成的混合液。
10.根据权利要求3所述的一种利用水培植物修复城市水体重金属元素污染的方法，其特征是，所述植物生根调节剂在水溶液中的浓度为400～1000ppm。
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