CN109821891A - 一种利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，是将含有PAHs的土壤进行自然风干，过4ram筛并且充分混匀；将幼苗期的八宝景天通过扦插的方式移植在含PAHs的土壤上；当八宝景天离成熟期一个月之前，将纳米SiO₂以悬浊液的形式添加到土壤中，继续种植至八宝景天成熟；当八宝景天长到成熟期后，将其从污染土壤上移走，使土壤中的PAHs污染物得以去除。本发明通过在PAHs污染土壤上种植八宝景天，并加入纳米SiO₂增强了八宝景天吸收、降解PAHs的能力。与植物单独修复相比，具有修复后的植物长势更旺盛、降解效果更显著的优点。

Description

一种利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳 烃的方法

技术领域

本发明涉及污染土壤的生态修复技术，具体地说是一种应用纳米二氧化硅(SiO2)强化八宝景天植物修复多环芳烃(PAHs)污染土壤的方法。

背景技术

污染土壤的修复问题已成为环境科学研究日益活跃的领域，同时也是世界性的难题。石油作为维持各国经济与社会发展的主要能源，带来巨大经济利益和社会效益的同时，也产生了许多环境问题。石油烃不仅成分复杂，其毒性也很大，例如其中的多环芳烃(PAHs)类物质(如葸、菲等)具有强烈的三致(致癌、致畸、致突变)作用，可通过环境介质进行长距离迁移输送，参与全球和各圈层的循环，最终在土壤环境中累积[文献1：KottlerB D，AlexanderM.Relationship of properties of polycyclic aromatic hydrocarbons tosequestration in soil[J].Environmental Pollution，2001(113)：293-298]。因此，如何经济有效地修复石油烃污染土壤，已经成为国内外广泛关注的热点问题。经过近年来的不断探索，污染土壤的修复技术得到了较快的发展。主要包括物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术等。传统的修复技术虽然治理效果较好，历时较短，但这些方法往往有许多缺陷，如成本高，难于管理，易造成二次污染，对生态系统的扰动大等。

植物修复能克服以上缺点，它是近20年来发展起来的一项新兴的环境污染治理技术，可应用于环境污染治理的很多方面，既可以净化空气和水体，又可以清除土壤中的污染物。一般来说，植物修复技术是指依据特定植物对某种环境污染物的吸收、超量积累、降解、固定、转移、挥发及促进根际微生物共存体系等特性修复有毒重金属、有机物、放射性核素污染土壤、沉积物、地表水、地下水的一项技术[文献2：Alkorta I,GarbisuC.Phytoremediation of organic contaminants in soils[J].BioresourceTechnology,2001,79(3):273-276]。石油污染土壤植物修复技术以其经济节约性、不破坏土壤结构及理化性质、自然美观等特点，正在逐步取代传统方法，成为今后石油烃污染土壤植物修复的热点。

经过许多学者的不懈研究，目前已经筛选出了一些耐性较好、能够吸收降解土壤中石油烃的野生花卉[文献3：杨斌,侯新村,范希峰,et al.石油污染土壤的植物修复研究进展[J].环境工程,2012(S2):406-411.]。其中，八宝景天多见于陕西、山东、河南、河北和京津等地，性喜强光，耐寒、耐旱、耐贫瘠。八宝景天管理粗放，多以扦插繁殖为主，但也可进行分株繁殖或播种。有研究显示，对于40000mg·kg^-1浓度以下的石油烃污染土壤来说，长药八宝都能展现出较好的修复潜力，其降解率在22.98-44.99％之间。当土壤中石油烃浓度为11874mg·kg^-1时，其降解率为47.99％[文献4：程立娟,周启星.野生观赏植物长药八宝对石油烃污染土壤的修复研究[J].环境科学学报,2014,34(04):980-986]。但是，在石油污染土壤的植物修复过程中，由于难降解组分的残留和次生代谢产物或中间产物的存在，土壤的生态毒性很强[文献5：Volker R,Dietmar M.Analytic al characterization of thepersistent residuces after microbial degradation of mi neral oils[J].Plantand Soil,2001,230:223-230.]，植物会受到一定程度上的毒害作用，具体表现为：植物叶片发黄、生物量降低等现象，虽然对PAHs有一定的降解能力，但其效果并不是很突出。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本构成单元的粉状或团块状天然或人工材料。目前，人们对纳米材料的特性及所形成机理的认识,主要集中在尺寸效应、表面与界面效应和量子隧道效应等几个方面[文献6：Arnab M,Sanghamitra M,Servin A D,et al.Carbon Nanomaterials in Agriculture:A CriticalReview[J].Frontiers in Plant Science,2016,7]。由于其独特的尺寸效应,纳米材料会呈现出许多大尺寸材料不具备的特殊性质,如优良的物理化学性能、加工性能和生态性。依据纳米材料的基本特性,在农业等各方面获得广泛应用。研究表明，纳米SiO₂作为一种环境友好型纳米材料[文献7：韩静香,佘利娟,翟立新,et al.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[J].硅酸盐通报,2010,29(3):681-685]具有提高大豆根系活力，促进植物生长，增强植物抗逆性的能力[文献8：陆长梅,张超英,温俊强,et al.纳米材料促进大豆萌芽、生长的影响及其机理研究[J].大豆科学,2002,21(3):168-171.]。

尽管纳米SiO₂的添加可促进大豆根系活力，解决了大豆作物的抗逆性能力，但对土壤中的PAHs吸收降解没有做深入研究。如何既保证SiO₂的加入能强化对污染土壤修复的效果，又能减少对植物的毒害，减轻生态风险，并且使修复效果达到理想，是现有技术中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供利用纳米SiO₂强化八宝景天吸收土壤PAHs的方法。

首先是修复作物的选择。第一是不择土壤、植株强健、易于管理、可在陆地大面积种植的作物；第二是避免选择粮食作物，修复过程中不会造成二次污染，污染物不会进入食物链进一步危害人类健康；第三要选择能达到较佳修复效果的作物。

其次是纳米SiO₂加入时机和加入量的选择。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，步骤如下：

1)土壤的采集，将含有PAHs的土壤进行自然风干，去除其中的砾石和动植物残体，过4ram筛并且充分混匀，土壤成分包括有机质：17.48g/kg、pH:8.05、全氮：0.47g/kg、含水率：2.31％、PAHs含量为8881.142mg.kg^-1；

2)将幼苗期的八宝景天通过扦插的方式移植在步骤1)中含PAHs的土壤上；

3)当八宝景天离成熟期一个月之前，将纳米SiO₂以悬浊液的形式添加到土壤中，继续种植至八宝景天成熟；

4)当八宝景天长到成熟期后，将其从污染土壤上移走，使土壤中的PAHs污染物得以去除。

进一步，所述石油烃污染土壤的pH为8.0～8.5。所述纳米SiO₂加入量为100～500mg.kg^-1。

本发明随着纳米SiO₂投加量的增加，八宝景天对土壤中PAHs的降解率呈增加趋势。纳米SiO₂加入量为100～500mg.kg^-1时，八宝景天对土壤中PAHs的降解率为72.3～78.98％。

进一步，所述在含污染物PAHs的土壤上种植八宝景天采用盆栽实验，在温室中栽培，定期浇水，使土壤含水率保持在田间持水量的75～80％。

本发明具有的优势：本发明通过在PAHs污染土壤上种植八宝景天，并加入纳米SiO₂增强了八宝景天吸收、降解PAHs的能力。纳米SiO₂作为一种环境友好型纳米材料对土壤环境的影响很小，该方法与传统的物理、化学修复技术相比具有成本低、修复过程中不会造成二次污染，污染物不会进入食物链危害人类健康等优点，与植物单独修复相比，具有修复后的植物长势更旺盛、降解效果更显著的优点。实验证明，添加纳米确实能提高八宝景天吸收、降解土壤中PAHs的能力。此外，收获的八宝景天还可作为景观花卉出售，带来经济效益。

附图说明

图1为不同纳米SiO₂处理对土壤中PAHs降解量的影响。

图2为不同纳米SiO₂处理对地上部PAHs积累量的影响。

图3为不同纳米SiO₂处理对地下部PAHs积累量的影响。

具体实施方式

盆栽实验地点在温室内，盆栽试验土壤采自于采油厂，采集的土壤进行自然风干，去除其中的砾石和动植物残体，过4ram筛并且充分混匀。取少量土壤测定其部分理化性质，指标如下：所采集大港油田土壤有机质：17.48g/kg；pH:8.05；全氮：0.47g/kg；含水率：2.31％；土壤中的PAHs含量为8881.142mg.kg^-1。

本实验共设置了4个处理组，各处理组分别为对照(CK，不投加纳米SiO₂)，纳米SiO₂投加浓度：100mg·kg^-1(T1)，300mg·kg^-1(T2)，500mg·kg^-1(T3)。实验投加的纳米SiO₂为分析纯试剂。取一定量污染土壤，将其装入型号一致的花盆中，每盆中装土量相同，平衡两周后待用。采用根状茎扦插的方法将八宝景天移植于平衡好的花盆中，每盆各栽3株，重复3次，实验期间每日清晨定时浇水，以维持土壤最大需水量。在八宝景天成熟前一个月将各个不同浓度的纳米SiO₂悬浊液加入到花盆里，使其继续生长，直至八宝景天开花成熟(成熟期为3个月)。将盆栽实验所收获的植株样本分成地上部和地下部两个部分，先用自来水及去离子水冲洗干净，用吸水纸将表面水分吸干，称量记录株高，根长及鲜重。之后用冷冻干燥机冷干至恒重，粉碎。土壤样品风干后经研磨过100目筛，植物及土壤样品多环芳烃含量均用气相色谱质谱联用技术分析，植物组织中的纳米SiO₂采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测得。

实验结果：

直至收获时，八宝景天的生长状况良好，且处理组的株高明显较对照组高(参见表1)，说明八宝景天植株在纳米SiO₂的作用下长势更为旺盛。与对照相比，T1处理时的八宝景天植株最矮，平均株高为16.11cm，而纳米SiO₂添加量最高时的T3处理植株最高为18.58cm比对照增加了4.77cm。将实验所得数据输入到计算机上，运用GraphPad Prism处理软件进行数据方差分析，结果表明八宝景天在各浓度处理下的株高、根长与对照组相比均有明显差异(P<0.05)，随着纳米SiO₂投加量的增加八宝景天的各个处理组生物量均呈现增加的趋势。值得一提的是，在降解吸收土壤中PAHs过程中，其主要作用的八宝景天的根长也随着纳米SiO₂的投加量的增加而呈现明显的增加趋势。实验表明，在土壤中PAHs浓度为8881.142mg.kg^-1的污染环境下，八宝景天的生物量随着纳米SiO₂的投加量的增加而增多，引起这一现象的原因可能是由于纳米SiO₂具有提高植物根系活力，促进植物生长，增强植物抗逆性的能力。

表1不同纳米SiO₂处理浓度下八宝景天的株高、根长和鲜重

由图1所示为八宝景天植株在各处理中对土壤中PAHs各组分的降解率，从图1中可看出，与对照组相比，处理组中的PAHs降解率更高，并且随着纳米SiO₂投加量的增加，八宝景天对土壤中PAHs的降解率呈增加趋势，T3时降解效果最好，降解率达78.98％，远远高于对照组。

如图2所示，对于八宝景天地上部，随着处理组纳米SiO₂投加量的增加，植物组织中PAHs的吸收量也随之增加，这说明纳米SiO₂的加入促进了八宝景天对PAHs的吸收且在加入量达到500mg.kg^-1以前，加入量越多，促进效果越好。

如图3所示，对于八宝景天地下部，与地上部变化趋势相同，这同样说明纳米SiO₂的加入促进了八宝景天对PAHs的吸收且在加入量达到500mg.kg^-1以前，加入量越多，促进效果越好。

Claims (6)

1.一种利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：

1)土壤的采集，将含有PAHs的土壤进行自然风干，去除其中的砾石和动植物残体，过4ram筛并且充分混匀，土壤成分包括有机质：17.48g/kg，pH:8.05，全氮：0.47g/kg，含水率：2.31％，PAHs含量为8881.142mg.kg^-1；

2)将幼苗期的八宝景天通过扦插的方式移植在步骤1)中含PAHs的土壤上；

3)当八宝景天离成熟期一个月之前，将纳米SiO₂以悬浊液的形式添加到土壤中，继续种植至八宝景天成熟；

4)当八宝景天长到成熟期后，将其从污染土壤上移走，使土壤中的PAHs污染物得以去除。

2.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：所述石油烃污染土壤的pH为8.0～8.5。

3.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：所述的纳米SiO₂加入量为100～500mg.kg^-1。

4.根据权利要求1所述的利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：随着纳米SiO₂投加量的增加，八宝景天对土壤中PAHs的降解率呈增加趋势。

5.根据权利要求4所述的利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：纳米SiO₂加入量为100～500mg.kg^-1时，八宝景天对土壤中PAHs的降解率为72.3～78.98％。

6.根据权利要求1-5任一项所述的利用纳米二氧化硅强化八宝景天吸收、降解土壤多环芳烃的方法，其特征在于：所述在含污染物PAHs的土壤上种植八宝景天，采用盆栽实验，在温室中栽培，定期浇水，使土壤含水率保持在田间持水量的75～80％。