CN107876551A - 八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法、活化剂及应用 - Google Patents

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Abstract

一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法、活化剂及其应用，该方法将八宝景天种植于镉和/或铅污染土壤上，并施加水溶性羧乙基壳聚糖于所述污染土壤中以活化重金属镉和/或铅；使八宝景天成活并生长，定期刈割吸收了重金属镉和/或铅的八宝景天地上部分，能够有效去除土壤中的重金属镉、铅，使得八宝景天对镉、铅污染土壤的修复效率大大提高；该活化剂为水溶性羧乙基壳聚糖，具有提高八宝景天修复效率、成本较低、操作简便、生物可降解性和无二次污染等优点。

Description

八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法、活化剂及应用
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域，涉及一种土壤中重金属污染的植物修复技术，尤其涉及一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法、活化剂及其应用。
背景技术
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，土壤环境健康事关农产品质量和人体健康。近年来，土壤重金属污染已成为全球面临的严重的环境问题。目前，我国农田土壤受重金属污染严重，根据全国首次土壤污染状况调查结果显示，我国耕地土壤点位超标率为19.4％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7％、2.8％、1.8％和1.1％；而从污染物超标情况来看，重金属镉和铅点位超标率分别为7.0％和1.5％。现在我国受重金属污染的农田土壤约2500万公顷，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，造成的直接经济损失超过100亿元。
镉和/或铅污染土壤的传统治理方式主要有工程治理措施和物理化学修复方法，物理修复技术主要通过改土法、玻璃化法、电动法和热解吸法等来修复土壤；化学修复技术主要包括化学固化法、化学淋洗法等，然而其往往有成本高昂、对环境扰动大和可能造成二次污染等弊端。近年来，利用植物修复技术原位治理土壤重金属污染领域已逐渐成为主流，植物修复技术具有修复成本较低、对环境扰动小、无二次污染和可持续性等优势，同时兼有美化环境的作用，而对于中度和轻度镉和/或铅污染土壤，利用植物修复还具有修复效率高和修复时间短的优势，这些优势是工程治理措施和物理化学修复方法所不具备的。
在植物修复技术中，利用超富集植物吸收污染土壤中的重金属镉是较为常见的技术，然而目前发现的超富集植物通常有对土壤气候适应能力差、生长缓慢、生物量小等问题，限制了其修复效率和推广价值。
八宝景天是景天科、景天属的一种多年生肉质草本植物，其对土壤中重金属镉等具有较强的富集能力，同时具有耐寒、耐旱、耐瘠薄，适应能力强、生物量大、生长迅速等特点，在北方-20℃的温度下可安全越冬，具有修复重金属污染土壤的潜力，应用其修复重金属污染土壤具有修复成本低、环境扰动小、无二次污染和可持续性强等优势，同时其花色艳丽、花期较长，具有美化环境的作用，因而具有广阔的前景。
然而利用八宝景天修复重金属污染农田是一个缓慢的过程，周期较长，同时相对于超富集植物如东南景天等，八宝景天镉富集能力相对有限。因此利用安全、有效、成本低的活化剂提高植物对重金属富集能力和修复效率成为本领域的研究重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法、活化剂及其应用，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供一种采用八宝景天修复镉和/或铅污染的方法，包括：将八宝景天种植于镉和/或铅污染土壤上，并施加水溶性羧乙基壳聚糖于所述污染土壤中以活化重金属镉和/或铅；使八宝景天成活并生长，定期刈割吸收了重金属镉和/或铅的八宝景天地上部分。
作为本发明的一方面，提供一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的活化剂，其为一种水溶性羧乙基壳聚糖。
作为本发明的又一方面，提供上述活化剂在八宝景天修复镉和/或铅污染土壤中的应用。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供的水溶性羧乙基壳聚糖，作为一种多糖大分子，能够活化土壤中重金属，且易于规模化制备，并且在土壤中容易降解，不易产生二次污染，具有作为活化剂的应用前景，它具有水溶性和生物易降解的特性，同时对重金属具有很强的吸附能力和螯合作用，可以通过其表面的官能团对重金属离子有较强的吸附能力，可将土壤中重金属镉、铅有效的活化出来；
本发明提供的修复植物-八宝景天具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、适应能力强、生长快速、生物量大等特性，且对土壤中重金属镉、铅具有较强的富集能力；
本发明提供的水溶性羧乙基壳聚糖可强化八宝景天对镉和/或铅污染土壤的修复效率，具有很好的修复潜力和推广应用的前景。
附图说明
图1为本发明一实施例使用水溶性羧乙基壳聚糖提高八宝景天修复镉、铅污染土壤的方法流程图；
图2为本发明实施例1中不同含量的水溶性羧乙基壳聚糖添加到中度镉、铅污染农田的土壤30天后八宝景天地上部镉含量；
图3为本发明实施例1中不同含量的水溶性羧乙基壳聚糖添加到中度镉、铅污染农田的土壤30天后八宝景天地上部铅含量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
考虑到背景技术部分所述的技术问题，有必要筛选一种水溶性、可降解、环境友好的活化剂来强化八宝景天对镉和/或铅污染土壤的修复能力，这不仅有利于镉、铅污染农田土壤的修复治理，同时有利于提高植物修复效率，减少修复年限，使农田资源尽快回归正常使用。
发明人注意到，壳聚糖(Chitosan)来源于甲壳素(Chitin)，含有丰富的羟基和氨基，对重金属物质具有较强的吸附去除能力，可应用于活化土壤中重金属，提高植物修复效率。甲壳素(Chitin)是自然界含量仅次于纤维素的天然高分子，被誉为“第六生命要素”，由β-(1→4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡聚糖组成，如下式所述。壳聚糖(Chitosan)是甲壳素脱乙酰后得到的一种天然碱性多糖，它不仅来源丰富、价格低廉、无毒、而且可自然降解、具有良好的组织相容性等特点，因而在农业、医药、食品及环境保护等方面具有广泛应用。但由于壳聚糖水溶性较差，严重限制了其在土壤修复中的应用。
本发明提供的水溶性羧乙基壳聚糖是一种能够活化土壤中重金属活性的多糖大分子，将其作为八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的活化剂，可通过从富含β-甲壳素的原料中(如鱿鱼鞘等)经过脱蛋白、脱钙等过程制得β-甲壳素，再脱乙酰后制得壳聚糖产品，最后通过羧乙基化制得水溶性羧乙基壳聚糖。易于规模化制备，并且在土壤中容易降解，不易产生二次污染，它具有水溶性和生物易降解的特性，同时对重金属具有很强的吸附能力和螯合作用，可以通过其表面的官能团对重金属离子有较强的吸附能力，可将土壤中重金属镉、铅有效地活化出来。
本发明所用修复植物为八宝景天。八宝景天为景天科、景天属多年生肉质草本植物，地下茎肥厚，地上茎簇生，粗壮而直立，全株成灰绿色，株高30-50cm,叶轮生或对生，倒卵形，肉质，具波状齿。伞房花序密集如平头状，花序径10-13cm，花为淡粉色，也有白色、紫红色、玫红色品种，为景天科中花色最为艳丽的种类。八宝景天性喜强光、干燥、通风良好的环境，亦耐轻度蔽阴，能耐零下20℃的低温；不择土壤，要求排水良好，耐贫瘠和干旱，忌雨涝积水。植株强健，管理粗放。性耐寒，华东及华北露地均可越冬，地上部分冬季枯萎。
本发明提出采用八宝景天修复镉、铅污染土壤的方法，将八宝景天种植于镉和/或铅污染土壤上，并施加水溶性羧乙基壳聚糖于所述污染土壤中以活化重金属镉和/或铅；使八宝景天存活并生长，定期刈割吸收了重金属镉和/或铅的八宝景天地上部分。
优选地，所述水溶性羧乙基壳聚糖以水溶液形式或者直接以固体形式施加于所述污染土壤中，尤其优选为以水溶液形式施加，可以更加有效地促进八宝景天对镉、铅的吸收效果；
以固体形式施加时可采用填埋的方式将水溶性羧乙基壳聚糖尽量均匀地施加于所述污染土壤中；以水溶液形式施加时可使用农用喷雾器均匀地将水溶性羧乙基壳聚糖喷施到种植八宝景天的所述污染土壤中。
优选地，所述八宝景天通过扦插种植于所述污染土壤中，在缓苗期间适度浇水，以保证土壤湿润，但不能渍水。
优选地，扦插时，将生长至株高为10-15cm的八宝景天母株顺自然纹理分成3-5芽每份，分好的植株按20×20cm的种植密度种植于所述污染土壤中，种植深度为5cm；扦插时机优选为3月中旬至4月。
优选地，如图1所示，待八宝景天扦插后长至株高为20-25cm时，八宝景天地上部根系重新生长发育完备，此时将水溶性羧乙基壳聚糖的水溶液添加于种植八宝景天的所述污染土壤中，对八宝景天富集效率的促进作用最大，添加量为10-50g/m2，优选为50g/m2。
优选地，待八宝景天长至株高为30-50cm时，更优选为40cm时，进行刈割。
优选地，对收获的八宝景天地上部进行无害化处理，例如焚烧或压缩后作无害化填埋。
优选地，所述污染土壤为中度或轻度镉和/或铅污染土壤，所述中度或轻度镉和/或铅污染土壤的选取采用单因子污染指数法，其表达式为：
Pi＝Ci/Si；
Pi为污染物i的单因子污染指数，Ci为污染物i的实际监测浓度，Si为污染物i的土壤环境背景值。当1≤Pi＜2时，为轻微污染土壤；当2≤ Pi＜3时，为轻度污染土壤；当3≤Pi＜5时，为中度污染。
以下通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用田间试验的方法，地点设置于河南省某冶炼厂附近中度镉铅污染农田土壤，试验设5个小区，小区面积均为2.5m×4m，羧乙基壳聚糖添加浓度设K-0、K-10、K-20、K-50和K-100五个梯度，即0、10、20、50 和100g/m2。
八宝景天移栽时间为4月25日，移栽入土壤后在缓苗期间要适度浇水，保证土壤湿润，但不能渍水，保证八宝景天成活并迅速生根。待八宝景天长至株高为20-25cm时，于5月17日将不同添加量的羧乙基壳聚糖分别添加于5个小区中，添加方式为将所述羧乙基壳聚糖溶于水后添加到种植八宝景天的污染土壤中，每平米需要2L羧乙基壳聚糖溶液。
添加羧乙基壳聚糖处理后一个月，于6月17日取样测定不同处理八宝景天地上部镉、铅含量。比较其壳聚糖添加量对八宝景天富集镉、铅能力的影响。图2为不同含量的羧乙基壳聚糖添加到镉铅污染农田土壤30 天后八宝景天地上部镉含量。由图2可知，K-50处理的八宝景天地上部镉含量最高，显著高于其他处理，即当壳聚糖添加量为50g/m2时，其对八宝景天富集镉、铅的强化作用最好。
图3为不同含量的壳聚糖添加到河南中度镉、铅污染农田的土壤30 天后八宝景天地上部铅含量。由图3可知，K-20与K-50处理的八宝景天地上部铅含量最高，显著高于其他处理，即当壳聚糖添加量为20g/m2与 50g/m2时，其对八宝景天富集镉、铅的强化作用最好。
生物富集系数，又称生物富集因子(Bio-concentration Factor，BCF)，其可以反映植物对土壤中重金属的富集特征，富集系数大于1是判断超富集植物的标准之一。本实施例通过重金属富集系数来表征壳聚糖不同添加量对八宝景天镉和/或铅的富集效率的影响，重金属富集系数可以通过以下公式计算：
重金属富集系数＝植物体内重金属含量/土壤中重金属含量
污染土壤中镉含量为2.22mg/kg，铅含量为173.06mg/kg，计算得知，当壳聚糖添加量为0、10、20、50和100g/m2时，八宝景天镉富集系数分别为2.94、4.07、2.93、5.37和2.04，铅富集系数分别为0.05、0.05、0.11、 0.10和0.06，可知，当添加量为50g/m2，八宝景天镉、铅富集系数均较高，其镉富集效率较不添加壳聚糖提高了83％，其铅富集效率较不添加壳聚糖提高了116％。
因而，水溶性羧乙基壳聚糖可作为一种环境友好的重金属活化剂，添加到土壤中能显著提高八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的效率，减少修复时间，具有广阔的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的方法，其特征在于，将八宝景天种植于镉和/或铅污染土壤上，并施加水溶性羧乙基壳聚糖于所述污染土壤中以活化重金属镉和/或铅；使八宝景天成活并生长，定期刈割吸收了重金属镉和/或铅的八宝景天地上部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水溶性羧乙基壳聚糖以水溶液形式或者直接以固体形式施加于所述污染土壤中，优选为以水溶液形式施加。
3.根据权利要求1所述的方式，其特征在于，所述八宝景天通过扦插种植于所述污染土壤中，在缓苗期间适度浇水，以保证土壤湿润，但不能渍水。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，扦插时，将生长至株高为10-15cm的八宝景天母株顺自然纹理分成3-5芽每份，分好的植株按20×20cm的种植密度种植于所述污染土壤中，种植深度为5cm；扦插时机优选为3月中旬至4月。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，待八宝景天扦插后长至株高为20-25cm时，将水溶性羧乙基壳聚糖的水溶液添加于种植八宝景天的所述污染土壤中，添加量为10-50g/m2，优选为50g/m2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，待八宝景天长至株高为30-50cm时，优选为40cm时，进行刈割。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对收获的八宝景天地上部进行无害化处理，优选为焚烧或压缩后作无害化填埋。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污染土壤为中度或轻度镉和/或铅污染土壤，所述中度或轻度镉和/或铅污染土壤的选取采用单因子污染指数法，其表达式为：
Pi＝Ci/Si；
Pi为污染物i的单因子污染指数，Ci为污染物i的实际监测浓度，Si为污染物i的土壤环境背景值。当1≤Pi＜2时，为轻微污染土壤；当2≤Pi＜3时，为轻度污染土壤；当3≤Pi＜5时，为中度污染。
9.一种八宝景天修复镉和/或铅污染土壤的活化剂，其为一种水溶性羧乙基壳聚糖。
10.一种如权利要求9所述的活化剂在八宝景天修复镉和/或铅污染土壤中的应用。
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