CN108003876B - 一种植物源重金属活化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物源重金属活化剂及其制备方法和应用。现有的土壤重金属活化剂，如EDTA，虽可与重金属形成稳定的络合物，但具有植物毒性，且不易分解，易向下渗滤对地下水产生二次污染。本发明的植物源重金属活化剂包含余甘子提取物，所述的余甘子提取物采用水提法对余甘子进行提取，所述的植物源重金属活化剂采用滴灌法对旱地修复植物进行灌溉。本发明的活化剂是一种易溶于水、环境友好、高效螯合土壤镉的物质；活化剂的制备方法简单易行；治理效率高，无生物毒性，与之配套的滴灌法可有效避免重金属下渗风险问题，对强化土壤重金属植物修复具有重要的意义。

Description

一种植物源重金属活化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤植物修复领域，具体地说是一种植物源重金属活化剂及其制备方法和应用。

背景技术

重金属污染土壤植物修复是根据植物可耐受或超积累重金属特性，利用植物及其共生微生物提取、转移、吸收、转化或固定土壤中的重金属，从而达到移除、削减或稳定重金属，或降低重金属毒性等目的。植物修复因其对环境友好，对土壤质量无显著影响，可在污染土壤上开展原位修复，而受到广泛的关注并成为环境科学领域研究的热点。然而，植物修复技术在实际应用过程中也存在诸多限制因素，其中低效率是该技术的主要不足。因此，人们考虑采取一些强化措施来提高植物的提取修复潜力：在植物方面，可利用基因工程和农艺措施提高植物富集能力以及生物量；在土壤方面，可施用活化物质提高土壤中重金属生物有效性，进而促进植物对重金属的吸收。

目前常用的土壤重金属活化剂主要为氨基多羧酸类螯合剂(如EDTA等)和小分子有机酸类(如柠檬酸、草酸等)。虽然氨基多羧酸类螯合剂可与重金属形成稳定的络合物，但其施用带来的负面影响也很突出，一方面会对植物产生毒害作用，另一方面络合物不易分解，其在土壤中的存在具有持久性，易向下渗滤对地下水产生二次污染。而小分子有机酸类活化剂虽然在土壤中周转速度快，生物毒性小、不会带来重金属渗滤等环境风险问题，但是其价格昂贵、络合效果较差，在实际应用上效果也不理想。

此外，目前活化剂应用时的施用方法也存在一定问题，目前主要以固体颗粒的撒施或者大水漫灌的方式灌施。这两种施用方式均与植物的吸收规律不匹配，增大了对植物的毒害效应以及重金属向地下渗滤的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种易溶于水、环境友好、高效螯合土壤镉的重金属活化剂，以降低治理成本、提高治理效率及强化土壤重金属植物修复，且避免对植物产生毒害作用和带来重金属渗滤等环境风险问题。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种植物源重金属活化剂，其包含余甘子提取物，所述的余甘子提取物用水配制成质量浓度为0.1-2.0％的溶液。

余甘子提取物富含可溶性多糖、多酚和可溶性蛋白，余甘子提取物对土壤Cd的解吸能力强于醋酸。可溶性多糖是糖苷键结合的糖链，富含羟基和羧基；多酚中的多个邻位酚羟基可作为一种多基配体与金属离子发生络合反应，形成稳定的五元环螯合物；可溶性蛋白由多肽链组成，其富含氨基(-R)和巯基(-S)，易与重金属形成螯合物。在医学上，重金属对人体产生毒害以及利用牛奶解毒均与重金属与蛋白相结合有关。

作为上述技术方案的补充，所述余甘子提取物的成分包含：可溶性多糖≥300g/kg，多酚≥50g/kg，可溶性蛋白≥30g/kg。采用上述含量的成分，使余甘子提取物达到活化土壤Cd的最佳效果。

作为上述技术方案的优选，活化剂的质量浓度为0.1-1.0％。

作为上述技术方案的进一步优选，活化剂的质量浓度为0.1-0.5％，最优选为0.5％。

本发明的另一目的是提供上述植物源重金属活化剂的制备方法：所述的余甘子提取物采用水提法对余甘子进行提取，提取时间为1.5-2.5小时，提取次数为2-4次，固液比为0.05-0.25：1。采用上述制备方法，能够使余甘子提取物中各活性成分含量达到上述标准。

作为上述技术方案的优选，所述的提取时间为2小时，提取次数为2次，固液比为0.10-0.15：1。

作为上述技术方案的最优选，所述的固液比为0.10：1。

本发明的再一目的是提供上述植物源重金属活化剂的应用：所述的植物源重金属活化剂采用滴灌法对旱地修复植物进行灌溉。本发明的植物源重金属活化剂不适用于淹水条件，只适用于旱地条件，采用滴灌法可显著提高植物对土壤Cd的提取效率。

作为上述技术方案的补充，所述活化剂的质量浓度0.1-0.5％，滴灌的次数为8-12次，每次灌水定额为12-18m³/hm²，灌溉的时间间隔为12-16天。

作为上述技术方案的最优选，所述活化剂的质量浓度0.5％，滴灌的次数为10次，每次灌水定额为15m³/hm²，灌溉的时间间隔为14天。

本发明具有的有益效果如下：本发明的活化剂是一种易溶于水、可生物降解、高效螯合土壤镉的物质；活化剂的制备方法简单易行；活化剂应用时，治理效率高，费用低，可避免对植物产生毒害作用和带来重金属渗滤等环境风险问题，对强化土壤重金属植物修复具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1作比较试验时不同植物源活性物质对土壤Cd解吸能力比较图。

图2为本发明实施例1不同浓度重金属活化剂溶液对土壤Cd的解吸曲线图。

图3为本发明实施例1中余甘子、乌梅、山楂溶液与醋酸溶液(均为0.66％)解吸土壤Cd能力比较图。

图4为本发明实施例1中山楂、乌梅和余甘子活性物质电镜扫描图(100μm)，图4-1为山楂活性物质电镜扫描图，图4-2为乌梅活性物质电镜扫描图，图4-3为余甘子活性物质电镜扫描图。

图5为本发明实施例1中余甘子(图5A)、乌梅(图5B)、山楂(图5C)三种提取物的红外光谱分析图。

图6为本发明实施例2中提取次数对余甘子活性物质提取率的影响图。

图7为本发明实施例2中固液比对余甘子活性物质提取率的影响图。

图8为本发明实施例2中提取时间对余甘子活性物质提取率的影响图。

图9为本发明实施例3中不同水分条件下重金属活化剂的应用效果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种植物源重金属活化剂，其包含余甘子提取物，所述的余甘子提取物用水配制成质量浓度为0.1-2.0％的溶液，其质量浓度优选为0.1-1.0％，较优选为0.1-0.5％，最优选为0.5％。所述余甘子提取物的活性成分包含：可溶性多糖≥300g/kg，多酚≥50g/kg，可溶性蛋白≥30g/kg。

下面为本发明筛选余甘子提取物作为土壤重金属镉活化剂的分析过程和依据。

一、不同植物源活性物质对土壤Cd解吸能力比较试验

1.材料与方法

1.1供试材料

(1)土壤：采自临安钨矿区尾矿下游农田，粉砂质壤土。土壤Cd含量为14.3mg/kg，土壤pH 5.8，土壤碱解氮、速效磷、速效钾分别为112mg/kg、28mg/kg和128mg/kg。样品经自然风干，木棒磨碎，过100目筛备用。

(2)植物源活性物质：共9种，分别为竹叶提取物、莲子提取物、乌梅提取物、山楂提取物、葛根提取物、余甘子提取物、桑叶提取物、陈皮提取物、黄精提取物。

1.2土壤重金属解吸试验

(1)初筛：

将9种植物源活性物质统一配置为0.5％浓度溶液。称取1.00g过供试土壤样品于100ml离心管内，按1:50固液比加入上述溶液，管口塞紧密封。然后放到往复振荡机上振荡24h。离心分离，过0.45μM滤至50mL离心管中。三次重复。

(2)山楂、乌梅和余甘子提取物对Cd解吸能力的比较

将初筛得到的山楂、乌梅和余甘子提取物配置成浓度为0.1％、0.25％、0.5％、1.0％的溶液。另将三种提取物配置为0.66％浓度的溶液，与BCR逐级提取法中的醋酸提取法(0.66％)进行比较。称取1.00g过供试土壤样品于100ml离心管内，按1:50固液比加入提取物溶液，管口塞紧密封。然后放到往复振荡机上振荡24h。离心分离，过0.45μM滤至50mL离心管中。三次重复。

2.结果与分析

2.1 0.5％浓度下不同植物源活性物质对土壤Cd解吸能力比较

由图1可以看出，9种植物源活性物质解吸土壤中重金属Cd能力大小依次为：余甘子(2.868mg/kg)>乌梅>山楂>葛根>黄精>竹叶>陈皮>桑叶>莲子(0.155mg/kg)，这说明不同的植物源活性物质对土壤Cd解吸的能力不同。其中，余甘子、乌梅和山楂的效果相对较好，下面进一步进行土壤Cd解吸能力的比较。

2.2余甘子、乌梅和山楂活性物质不同浓度下对土壤Cd的解吸能力比较

余甘子、乌梅和山楂溶液对土壤Cd的解吸曲线可分别表示为：

y＝2.5817ln(x)+10.388，R²＝0.9993(余甘子)，

y＝3.2568ln(x)+8.1366，R²＝0.8325(乌梅)，

y＝2.7636ln(x)+7.7401，R²＝0.9869(山楂)，

余甘子、乌梅和山楂提取物溶液浓度越高，对土壤中Cd的解吸能力就越强，但随着浓度的提高，活性物质的解吸能力上升趋于平缓，这与活性物质在土壤中的解吸位点趋于饱和有关。从这三种提取物的解析曲线来看，见图2，余甘子溶液解吸土壤Cd的效果优于乌梅和山楂。

2.3三种植物源活性物质与醋酸提取能力的比较

国际上普遍采用BCR逐级提取法对土壤Cd形态进行分步提取。其中交换态，即0.11M(0.66％)醋酸提取态被认为是植物有效态，说明醋酸对土壤重金属有较强的活化能力。为此，本发明比较了植物源活性物质与醋酸对土壤Cd的提取能力，提取溶液浓度均配置为0.66％。由图3可以看出，相同浓度下，余甘子活性物质对土壤Cd的解吸能力强于醋酸，是醋酸的1.18倍，而乌梅和山楂活性物质对土壤Cd的解吸能力弱于醋酸，分别为醋酸的95％和82％，表明本发明选用的植物源活性物质余甘子可以作为重金属活化剂应用。

二、植物源活性物质结构及官能团分析

1.电镜观察

通过结构观察，可推断上述活性物质对Cd解吸能力的强弱是否与其本身表面结构有关。图4为山楂、乌梅和余甘子活性物质电镜扫描分析。由图可以看出，这三种植物提取物的形态均为球形，表面较为光滑，极少有裂痕和孔洞，乌梅、山楂和余甘子提取物的颗粒大小相差不大。由此可见，余甘子对土壤Cd解吸能力最强与其结构无关。

2.植物源提取物质官能团分析

表1红外光谱各吸收峰对应有机官能团

余甘子、乌梅、山楂三种提取物的红外光谱分析结果见图5(A、B、C)。从图中可知余甘子、乌梅和山楂提取物的红外图谱有相似的红外特征，主要吸收峰都出现在3500～3400cm^-1、2950～2930cm^-1、1732～1731cm^-1、1637～1636cm^-1、1393～1392cm^-1等处。

从化合物中基团所占的比例来看，山楂提取物的O-H占基团的大多数，乌梅提取物中的O-H与羧基、醛基、酮等其他官能团的总和所占比例差不多，而余甘子的C＝O、C-O、N-H等官能团总量所占比例较大。从图3植物提取物的活化效果来看，余甘子提取物>乌梅提取物>山楂提取物。因此可以得出提取物活化土壤中重金属Cd的官能团与与C＝O、C＝C、N-H、C-O密切相关。

3.成分分析

通过提取物的成分分析可以看出，余甘子可溶性多糖、多酚和可溶性蛋白含量均远高于山楂和乌梅，这可能是余甘子提取物对土壤Cd的解吸效果高于其他两种提取物的重要原因。可溶性多糖是糖苷键结合的糖链，富含羟基和羧基；多酚中的多个邻位酚羟基可作为一种多基配体与金属离子发生络合反应，形成稳定的五元环螯合物；可溶性蛋白由多肽链组成，其富含氨基(-R)和巯基(-S)，易与重金属形成螯合物，在医学上，重金属对人体产生毒害以及利用牛奶解毒均与重金属与蛋白相结合有关。

为达到活化土壤Cd的最佳效果，余甘子提取物可溶性多糖需达到300g/kg以上，多酚含量需达到50g/kg以上，可溶性蛋白需达到30g/kg以上。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述植物源重金属活化剂的制备方法，所述的余甘子提取物采用水提法对余甘子进行提取，提取时间为1.5-2.5小时，最优选为2小时；提取次数为2-4次，最优选为2次；固液比为0.05-0.25：1，优选为0.10-0.15：1，最优选为0.10：1。

响应面优化提取余甘子活性物质工艺研究

利用响应面分析法对余甘子活性物质提取工艺进行优化。在单因素试验的基础上，根据中心组合试验设计原理，采用三因素三水平的响应面分析法。以余甘子活性物质提取率为响应值作响应面，进行回归分析。试验结果表明余甘子活性物质的最佳提取条件为：提取时间2h，提取次数2次，固液比0.1，平均提取率为18.94％，与模型预测值基本相符。具体实验结果如下：

1.单因素试验分析

(1)提取次数对余甘子活性物质提取率的影响

固定提取时间2h，固液比0.1，研究连续1次、2次和3次提取对余甘子活性物质提取率的影响，结果如图6所示，余甘子提取2次获得活性物质的提取率较提取1次显著提高，但3次提取与2次提取相比，提取率虽进一步增加，但增幅较小，考虑经济成本和时间成本等因素，选择提取2次的方法。

(2)固液比对余甘子活性物质水提率的影响

固定提取时间2h，提取次数2次。以不同固液比0.25、0.20、0.15、0.10和0.05对余甘子活性物质提取率做单因素试验，试验结果如图7所示。在相同提取条件下，随着固液比的降低，活性物质提取率逐渐增大，在固液比为0.1时，余甘子活性物质达到高点；虽然固液比为0.05时提取率仍有所增加，但增幅变缓。这是由于固液比小，活性物质总的溶出量增加，固液比降低在一定程度上提高传质推动力，但从提取效果、减少溶剂用量、降低能耗等方面综合考虑，水提用量不宜过大，因此确定固液比为0.10较适宜。

(3)提取时间对余甘子活性物质提取率的影响

固定提取次数2次，固液比0.1，研究不同提取时间0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h对的影响，结果如图8所示，提取时间在0.5～2.0h范围内，随着提取时间的延长，余甘子活性物质提取率增加，在提取2.0h时余甘子活性物质的提取达到最大。这可能是由于活性物质的溶出已达到最佳平衡，继续增加提取时间，活性物质在热水中有所分解，提取率有所下降。

2.采用响应面法优化余甘子活性物质的提取工艺

根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理，选取对余甘子活性物质提取率影响的提取次数、提取时间和固液比这3个因素(分别以A、B和C代表)，采用三因素三水平响应面分析方法确定最佳提取工艺条件，试验因素和水平设计见表2响应值，试验方案及结果见表3。

表2为响应面分析因素与水平表

表3为响应面分析结果表

表4为试验结果方差分析表

方差来源	平方和	自由度	均方	F值	Pr>F
						模型	43.79	9	4.87	15.30	0.0008
A固液比	7.03	1	7.03	22.11	0.0022
						B提取时间	3.13	1	3.13	9.83	0.0165
C提取次数	13.47	1	13.47	42.36	0.0003
						AB	7.51	1	7.51	23.61	0.0018
AC	4.12	1	4.12	12.96	0.0087
						BC	1.35	1	1.35	4.23	0.0787
A<sup>2</sup>	3.57	1	3.57	11.22	0.0123
						B<sup>2</sup>	1.44	1	1.44	4.54	0.0706
C<sup>2</sup>	1.47	1	1.47	4.62	0.0687
						残差	2.23	7	0.32
失拟项	1.82	3	0.61	5.93	0.0591
						纯误差	0.41	4	0.10
总离差	46.01	16

3.模型的建立与显著性检验

由表2-4可知，固液比、提取次数、以及固液比、提取时间、提取次数两两交互项均达极显著水平(“Pr>F”<0.01)。由F值可知，各因素对余甘子活性物质提取率的影响次序为：提取次数>固液比与提取时间交互项>固液比与提取次数交互项。

由于各因素对余甘子活性物质提取率的影响不是简单的线性关系。为了更明确各因素对响应值的影响，采用Design Expert 10软件，对表3中活性物质提取率进行二次响应面回归分析，得到如下多元二次响应面回归模型：

提取率R(％)＝-9.62+205.09×A+13.77×B+3.37×C-54.80×AB-20.30×AC+1.16×BC-368.2×A²-2.34×B²-0.590×C²。

由表4的分析结果可知，整体模型极为显著(<0.001)；失拟项不显著(“Pr>F”值>0.05)，说明方程对试验拟合较好。

4.提取工艺条件的确定

由响应面的分析可知，回归模型存在最大值，余甘子活性物质提取率的最大值为19.14％，最高点A/B/C(0.3944/0.7699/-0.2423)位于试验设计范围内，即固液比为0.119，提取时间为2.38h，提取次数为1.75次，最佳提取率为18.24％。考虑到实际操作便利，以及经济效益，提取余甘子活性物质最佳提取条件设定为固液比为0.1，提取时间为2h，提取次数为2次。采用上述最优提取条件重复进行余甘子活性物质的提取5次平行试验(表5)，余甘子活性物质平均提取率为18.94％，与预测值基本相符，相对误差均小于2％，说明该工艺稳定，重复性好。这说明该回归方程能够真实地反映筛选因素对余甘子活性物质提取率的影响，对于余甘子活性物质提取工艺的研究具有指导意义。

表5为验证试验结果表

实施例3

本实施例提供一种实施例1所述的植物源重金属活化剂的应用，其采用滴灌法对旱地修复植物进行灌溉，所述活化剂的质量浓度0.1-1.0％，优选为0.1-0.5％，最优选为0.5％；滴灌的次数为8-12次，最优选为10次；每次灌水定额为12-18m³/hm²，最优选为15m³/hm²；灌溉的时间间隔为12-16天，最优选为14天。

一、不同水分条件下重金属活化剂的应用效果

1.材料与方法

(1)供试材料：供试土壤同实施例1；0.5％余甘子溶液为依据实施例2获得的余甘子提取物水溶液。

(2)试验方案：

本试验设4个处理，分别为①旱地+蒸馏水；②淹水+蒸馏水；③旱地+余甘子溶液；④淹水+余甘子溶液。土壤水分管理方法：(1)旱地：36％土壤含水量，每3天用称重法添加蒸馏水或0.5％余甘子活性物溶液，维持其含水量不变。(2)淹水：高于土面保持1cm水层。每个处理设6个重复，共计24盆，其中分别在水分处理15天和30天进行破坏性采样，每次每个处理采集3盆，采用BCR法分析土壤可交换态Cd含量。

由图9可以看出，在淹水环境培养15天后，土壤有效态Cd含量与旱地条件相比显著下降。淹水环境会造成氧化还原电位下降，后者是影响土壤Cd活性的一个重要因素，氧化还原电位越低，越易形成的还原物质，进而与Cd发生钝化反应。以0.5％余甘子活性物溶液维持的淹水环境，其土壤Cd有效态含量显著低于蒸馏水处理的淹水环境。这可能是在厌氧条件下，微生物对有机物质的腐解加剧了土壤耗氧过程，造成氧化还原电位的进一步下降，形成更多的还原物质，反而起到了钝化的效果。而在旱地条件下，蒸馏水处理对土壤Cd有效态含量无显著影响，而添加0.5％余甘子活性物溶液显著提高了土壤有效态Cd含量，且浇灌时间越长，土壤有效态Cd含量提高幅度越大。此结果表明，利用余甘子活性物溶液活化土壤Cd的技术只适用于旱地条件，不适用于淹水条件。

二、利用滴灌法苗木种植试验

在浙江某矿区Cd污染农田上，开展活化剂田间试验。以余甘子活性物质、油茶苗为试验材料，种植行距30cm，株距25cm，每穴种植壮苗1株(20cm)。滴灌系统采用内镶式薄壁滴灌带，以“一带两行”(一条滴灌带控制两行作物)方式布设毛管。油茶种植试验共滴灌10次，灌溉时间间隔14天，余甘子提取物溶液浓度设定为0％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％共计6个处理，灌水定额统一设定为15m³/hm²。自灌水之日起140天时，采集各处理根区土壤及油茶苗。分析土壤有效态Cd含量以及油茶根、茎和叶含量，结果与分析见表6。

表6余甘子活性物溶液不同浓度对土壤有效态Cd及油茶Cd吸收的影响

由表6可以看出，滴灌下，随着余甘子活性物溶液浓度的增加，土壤有效态Cd含量逐渐提高，但浓度增至0.50％时，增幅趋缓。与之对应，随着余甘子活性物溶液浓度的增加，油茶苗吸收Cd量也逐渐增加，具体表现为根部和叶部含量增加，而茎部Cd的吸收量变化不大。当余甘子活性物溶液浓度高于0.50％时，油茶苗对土壤Cd的吸收量呈现下降的趋势，这可能与土壤中过高的活性Cd对油茶苗产生了毒害作用，致使油茶苗对Cd的吸收能力下降所致。综上所述，0.50％的余甘子活性物溶液，滴灌10次，每次灌水定额设定为15m³/hm²，灌溉时间间隔14天，可显著提高油茶对土壤重金属Cd的提取效率。

Claims (9)

1.一种用于旱地土壤修复的植物源重金属活化剂，其特征在于，包含余甘子提取物，所述的余甘子提取物用水配制成质量浓度为0.1-2.0%的溶液；

所述余甘子提取物的成分包含：可溶性多糖≥300g/kg，多酚≥50g/kg，可溶性蛋白≥30g/kg。

2.根据权利要求1所述的植物源重金属活化剂，其特征在于，其质量浓度为0.1-1.0%。

3.根据权利要求2所述的植物源重金属活化剂，其特征在于，其质量浓度为0.1-0.5%。

4.权利要求1-3任一项所述植物源重金属活化剂的制备方法，其特征在于，所述的余甘子提取物采用水提法对余甘子进行提取，提取时间为1.5-2.5小时，提取次数为2-4次，固液比为0.05-0.25：1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的提取时间为2小时，提取次数为2次，固液比为0.10-0.15：1。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的固液比为0.10：1。

7.权利要求1-3任一项所述植物源重金属活化剂的应用，其特征在于，所述的植物源重金属活化剂采用滴灌法对旱地修复植物进行灌溉。

8.根据权利要求7所述植物源重金属活化剂的应用，其特征在于，所述活化剂的质量浓度0.1-0.5%，滴灌的次数为8-12次，每次灌水定额为12-18m³/hm²，灌溉的时间间隔为12-16天。

9.根据权利要求8所述植物源重金属活化剂的应用，其特征在于，所述活化剂的质量浓度0.5%，滴灌的次数为10次，每次灌水定额为15m³/hm²，灌溉的时间间隔为14天。

Images