CN107552550A

CN107552550A - 一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法

Info

Publication number: CN107552550A
Application number: CN201710903879.4A
Authority: CN
Inventors: 牛之欣; 孙丽娜
Original assignee: Shenyang University
Current assignee: Shenyang University
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-01-09

Abstract

一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，涉及一种修复污染土壤的方法，该方法采用向植物根系区域添加根系分泌物浓缩溶液（向日葵根系分泌物），不仅可以改变植物根系部分土壤中重金属的赋存形态，弱化重金属对植物的毒性，并提高其对植物的生物可利用性，进而强化植物对土壤中重金属的生物提取作用。同时，根系分泌物可以为植物根系区域的微生物提供大量碳源，有利于提高微生物的活性，从而有效促进植物根系与微生物的协同作用，提高植物生物量。另外，重复本方法可以连续减少土壤中重金属污染物，直至其污染物含量达到环境安全标准。本方法不会破坏当地微生物群落与土壤理化性质等优点，是一种安全有效的原位修复方法。

Description

一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种修复污染土壤的方法，特别是涉及一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法。

背景技术

随着世界工农业的迅速发展，地球上许多地区的土壤都不同程度地受到重金属污染，而且污染面积有不断扩大的趋势，全世界每年排放Cd约1.5万吨，Cu 40万吨，Pb 500万吨，Mn 1500万吨，Ni 100万吨。据我国农业部的调查，我国遭受重金属污染的土地面积占污水灌区总面积的64.8%，一些地方生产的粮食、蔬菜、水果等食物中重金属含量超标或接近临界值。重金属污染已经成为土壤环境质量下降的重要因素之一。与其他污染物不同，污染土壤中的重金属不易被水淋滤，也不能被生物所降解，但却能为植物吸收，并通过食物链危害人类的生命和健康，特别是Hg、Cd、Pb、Cr等。目前农业重金属污染土壤的治理工作已经成为国内外研究的重点。

因此，开展农业土壤重金属复合污染多维阻控，研究与开发植物修复强化新技术研究，对于改善城市及近郊农业土壤环境质量，降低人群健康风险，具有极大的社会效益和环境效益。但迄今为止经济有效的重金属污染农田土壤原位修复的实用技术一直比较缺乏，特别是缺乏高效及相对彻底的绿色修复技术。

目前，重金属污染土壤修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复等方法。物理修复主要釆用物理的方法如客土法、填埋等去除或固定污染物。但该技术实施的工程量较大，实施成本较高，在一定程度上限制其推广应用。化学修复一般采用在土壤中施加增溶试剂或固定试剂的方法将重金属污染物淋洗出或钝化于土壤中，进而提高重金属污染物的流动性或滞留性。但淋洗液在淋洗土壤污染物的同时也将植物必需的Ca和Mg等营养元素淋洗出根际，造成植物营养元素的缺失。重金属污染土壤的植物修复较传统物理、化学方法存在许多优点，但是其修复效率比较低是不容质疑的。为了发挥植物修复技术的优点，弥补不足，相继出现了许多强化植物修复技术，其中包括：化学强化法（添加有机螯合剂，表面活性剂等）、农艺强化法等，但是这些方法增加了许多新的问题，例如，化学表面活性剂也对植物生长发育表现出一定的毒害作用，并且自身也容易造成了土壤环境中污染物的增加；而采用施肥、轮作、耕作、土壤质地调节等农艺措施，工程量比较大，土壤的物理和化学组成也会受到不同程度的影响。研究发现，根系分泌的有机酸在金属污染的土壤中可以改变金属的化学行为与生态行为，从而改变金属的有效性和对植物的毒性。一方面，有机酸可以与根际中某些游离的金属离子螯合形成稳定的金属螯合物复合体，以降低其活度，从而降低土壤中金属的移动性，达到体外解毒的目的。另一方面，有机酸可以通过多种途径活化根际中有毒的金属，使之成为植物可吸收的状态，有利于植物吸收利用。此外，根分泌物质为根际微生物提供了大量的营养和能量物质，可以大大促进根际微生物的活性，进而通过多种方式改变土壤中重金属的物理、化学属性。因此，采用根系分泌物刺激植物提取技术来修复重金属污染土壤，不但可以提高植物生长效率，而且，在一定程度上可以影响土壤中重金属的毒性和生物可利用性，提高重金属污染土壤的植物修复效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，该方法采用向植物根系区域添加根系分泌物浓缩溶液（向日葵根系分泌物），不仅可以改变植物根系部分土壤中重金属的赋存形态，弱化重金属对植物的毒性，并提高其对植物的生物可利用性，进而强化植物对土壤中重金属的生物提取作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述方法是在重金属镉、铅污染土壤中种植向日葵，并在根系区域补充根系分泌物，通过根系分泌物对土壤中重金属生物可利用性的改变，从而实现提高植物去除土壤中重金属；修复植物为向日葵，根系分泌物源于向日葵根系提取液；

该向日葵根系提取液制备步骤如下：

（1）将向日葵种子均匀散布在不锈钢托盘上并覆上无菌纱布，将托盘放入培养箱中培养，温度控制在28 ℃，湿度60%；当幼苗达到4 cm的时候，将幼芽移栽到Hoagland-Arnon培养液中；

（2）待向日葵苗达到20cm左右的时候取出，并用无菌水冲洗5次后，将其放入1L烧瓶备有600ml无菌水中12h；并重复本步骤5次，得向日葵根系分泌物浓缩液，冷藏备用；

（3）供试污染土壤经过初步翻耕（翻耕深度为20～40 cm）、平整，自然条件下晾晒1-2周；选取饱满的向日葵种子进行播种；

（4）待栽植的向日葵生长高度在20 cm、40 cm左右时，分别在植物根系区域添加根系分泌物溶液，根系分泌物浓缩液：水为1:200（v/v）。

所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述步骤（1）中Hoagland-Arnon培养液成分为Ca(NO₃)₂•4H₂O 5 mmol•L^-1、KNO₃ 5 mmol•L^-1、MgCl₂•5H₂O1mmol•L^-1、KH₂PO₄ 1 mmol•L^-1、EDTA-Fe 10 µmol•L^-1、H₃BO₄ 50 µmol•L^-1、MnCl₂•4H₂O 4.5 µmol•L^-1、CuSO₄•5H₂O 0.3 µmol•L^-1、ZnSO₄.7H₂O 3.8 µmol•L^-1、H₂MoO₄•H₂O 0.1 µmol•L^-1。

所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述步骤（1）与步骤（3）中所需向日葵种子表面用75%酒精浸泡20 min，然后用自来水冲洗5次，并放入无菌蒸馏水中用摇床振荡清洗6 h。

所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述步骤（3）中向日葵播种方式为条播，播种量为0.4～0.6公斤/亩，播种深度为2.0～3.0cm。

所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述步骤（4）中利用100 ml或200ml无菌注射器吸取100ml、200 ml 根系分泌物溶液分别于向日葵高度20cm、40 cm左右时注入植物根部区域。

所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，所述种植植物后，按照设施农业常规管理方法，定期浇水、除草，并保持田间持水量60%～75%。

本发明的优点与效果是：

本发明利用根系分泌物对植物与重金属污染物的特殊作用，通过添加根系分泌物提高植物对重金属农田污染的生物提取效率。该方法采用的根系分泌物溶液具有无毒性，且能够与土壤中植物、微生物协同作用，不会造成土壤二次污染。而且，通过植物根部区域的根系分泌物添加可协同增溶洗脱吸附在土壤上的重金属镉、铅，进而显著提高重金属污染物的植物可利用性与吸收性。本发明中通过根际区域的根系分泌物添加，与单纯利用植物提取方法相比，能够获得更高的修复效果。另外，实验室对根系分泌物的制备流程相对简单易行，而且，具备收集的持续性，便于保存等特点。因此，利用植物自身产生的根系分泌物刺激并强化植物对土壤中重金属的提取与修复可以作为中、低农业污染土壤修复的新方法。

附图说明

图1是（60天时）农业土壤原位修复不同处理组向日葵地上部与地下部重金属镉、铅含量，从左至右：（1）什么也不种植的对照处理；（2）种植向日葵不添加根系分泌物；（3）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加100ml根系分泌物；（4）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加200ml根系分泌物。

图2是（60天时）实验室模拟污染土壤修复不同处理组向日葵地上部与地下部重金属镉、铅含量，从左至右：（1）什么也不种植的对照处理；（2）种植向日葵不添加根系分泌物；（3）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加100ml根系分泌物；（4）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加200ml根系分泌物。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：设施农业土壤原位修复试验

本实验采用现场修复实验，实验地选择在沈阳城郊设施农业基地内。首先将设施大棚内土壤进行翻耕（翻耕深度为20～40 cm）、平整，自然条件下晾晒1～2周。然后将土壤分成0.5m×0.5m正方形土格，每两个土格中间留有15-20cm宽间隔带。共做四种处理：

（1）什么也不种植的对照处理（CK）；（2）种植向日葵不添加根系分泌物；（3）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加100ml根系分泌物；（4）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加200ml根系分泌物。

具体步骤如下：

1. 将50粒向日葵种子均匀散布在不锈钢托盘上并覆上无菌纱布，放入培养箱中培养，温度控制在28 ℃，湿度60%。当幼苗达到4 cm的时候，将幼芽移栽到Hoagland-Arnon培养液中。待向日葵苗达到20cm左右的时候取出，将其放入1L烧杯备有600ml无菌水中12h。并重复本步骤5次，得向日葵根系分泌物浓缩液，冷藏备用。

2. 以条播方式播种向日葵。每个土壤格中设置4-5条种植垄，土壤上层播撒饱满、无虫蛀的向日葵种子，播种量为0.5～0.8公斤/亩，播种深度为2.0～3.0cm；

3. 待栽植的向日葵生长高度在20 cm、40 cm左右时，取向日葵根系分泌物浓缩液与水，按1:200（v/v）配置溶液，用100 ml或200ml无菌注射器分别吸取100 ml 、200 ml 根系分泌物溶液注入植物根部区域。

4. 按照设施农业常规管理方法，定期浇水、除草，并保持田间持水量60%～75%。向日葵生长1-2个月时进行采收，并测定植物地上部分与根部重金属镉、铅含量。

实施例2：实验室模拟污染土壤修复试验

本实验采用实验室内模拟污染土壤修复实验，取沈阳中科院生态试验站土壤，人工添加镉、铅，设置浓度为镉15mg/kg；铅200mg/kg。平衡一段时间后进行实验室盆栽试验。将处理后的土壤装入盆中，每盆1.5 kg，共做四种处理：（1）什么也不种植的对照处理（CK）；（2）种植向日葵不添加根系分泌物；（3）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加100ml根系分泌物；（4）种植向日葵20cm、40cm左右时分别添加200ml根系分泌物。

具体步骤如下：

将50粒向日葵种子均匀散布在不锈钢托盘上并覆上无菌纱布，放入培养箱中培养，温度控制在28 ℃，湿度60%。当幼苗达到4 cm的时候，将幼芽移栽到Hoagland-Arnon培养液中。待向日葵苗达到20cm左右的时候取出，将其放入1L烧杯备有600ml无菌水中12h。重复本步骤得向日葵根系分泌物浓缩液，冷藏备用。配置好的不同重金属浓度处理平衡一周。然后植入向日葵，每盆4株，播种深度为2.0～3.0cm。放入温室大棚，温度控制在20℃-30℃。待栽植的向日葵生长高度在20 cm、40 cm左右时，取向日葵根系分泌物浓缩液与水，按1: 200（v/v）配置溶液，用100 ml或200ml无菌注射器分别吸取100 ml 、200 ml 根系分泌物溶液注入植物根部区域。定期浇水、除草，并保持盆栽土壤湿度40%～60%。向日葵生长1-2个月时进行采收，并测定植物地上部分与根部重金属镉、铅含量。

本实施例可以使本领域研究及技术人员更直观全面的了解该发明，但不以任何方式限制本发明。

Claims

1.一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述方法是在重金属镉、铅污染土壤中种植向日葵，并在根系区域补充根系分泌物，通过根系分泌物对土壤中重金属生物可利用性的改变，从而实现提高植物去除土壤中重金属；修复植物为向日葵，根系分泌物源于向日葵根系提取液；

该向日葵根系提取液制备步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（1）中Hoagland-Arnon培养液成分为Ca(NO₃)₂•4H₂O 5 mmol•L^-1、KNO₃ 5mmol•L^-1、MgCl₂•5H₂O 1mmol•L^-1、KH₂PO₄ 1 mmol•L^-1、EDTA-Fe 10 µmol•L^-1、H₃BO₄ 50 µmol•L^-1、MnCl₂•4H₂O 4.5 µmol•L^-1、CuSO₄•5H₂O 0.3 µmol•L^-1、ZnSO₄.7H₂O 3.8 µmol•L^-1、H₂MoO₄•H₂O 0.1 µmol•L^-1。

3.根据权利要求1所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（1）与步骤（3）中所需向日葵种子表面用75%酒精浸泡20 min，然后用自来水冲洗5次，并放入无菌蒸馏水中用摇床振荡清洗6 h。

4.根据权利要求1所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（3）中向日葵播种方式为条播，播种量为0.4～0.6公斤/亩，播种深度为2.0～3.0cm。

5.根据权利要求1所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（4）中利用100 ml或200ml无菌注射器吸取100ml、200 ml 根系分泌物溶液分别于向日葵高度20 cm、40 cm左右时注入植物根部区域。

6.根据权利要求1所述的一种利用根系分泌物强化植物修复镉、铅污染土壤的方法，其特征在于，所述种植植物后，按照设施农业常规管理方法，定期浇水、除草，并保持田间持水量60%～75%。