CN111906130B - 一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法。一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，在污染土壤中种植植物，调节污染土壤pH值至1.99～6.99或7.09～9.99，通过调节污染土壤pH值破除植物根系结构对污染土壤中的污染物或有价资源吸纳的生理屏障同时加速植物自身的蒸腾作用，使土壤或水体中的污染物或有价资源进入植物体内。本发明突破了污染物或有价资源种类、吸纳容纳量受其植物生长环境和自身生理条件的限制，可以极大降低操作成本、复杂性，获得极高性价比的修复效果及资源回收能力。

Description

一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法

技术领域

本发明涉及生态恢复技术领域，尤其涉及一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治 理方法。

背景技术

资源开采和工业发展造成污染物向大气和水体中的排放加剧，有些污染物同时又是有 价资源。污染物随着这些流动媒介会部分向土壤汇聚，尤其是矿区及周边土壤；污染物的 种类主要包括有机物和金属等。有害物质在土壤中积累直接造成种植的农作物和蔬菜吸收 并迁移转化其机体内，通过食物链的传递对人类健康带来严重风险。累积在植物体内的污 染物可诱发植物多种生理、形态和生化毒性，通过食物链进入人体后累积、造成严重的人 类健康风险，如可导致心血管疾病、癌症、认知障碍、慢性贫血，对肾脏、神经系统、大 脑、皮肤和骨骼造成损害。

现在大部分的土壤污染物主要来源于人为活动，包括采矿、农业灌溉及农药的施用、 电池业、造纸业、化肥业的排放、固体废物的处理及堆积、大气沉降等。大气中的重金属来源于工业生产和汽车尾气等排放，经自然沉降和降雨淋洗进入土壤；一些生活污水、商业污水和工业污水经过农田、森林和草地灌溉后也进入土壤。人为活动造成的大气、水体和土壤污染都将归宿于土壤污染。而目前采矿加工活动是是向环境中释放稀土/重金属的重 要污染源。

治理方法分为污染物原位固定和脱除两大类，污染物原位固定是改变污染元素在污染 场所的赋存形态、强化其与污染场所媒介的作用而固定，从而降低其在环境中的迁移性和 生物有效性，该方法受土壤条件、污染物容量及环境条件变化等因素制约；脱除是指从污 染场所中移除有害污染物，如污染场所媒介的淋洗、挥发处理等，见效快、去除彻底、满 足特定法规和环保标准的方法，但成本高。实际上，在植物、动物、微生物等各种因素影响下，污染物有可能向在植物、动物、微生物中转移。该过程是在没有人为干扰前提下， 换物环境中污染物随时间延长而减少和毒性活性降低等自然地发展过程，这是一个自然修复，因此，成本最低、环境最为友好。但其最大的缺点是修复速度十分缓慢，以进入土壤 的重金属为例，在没有外来补充继续下，只通过植物吸收使其在土壤中消失的时间分别为：砷(As)、镉(Cd)为100年；铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)为1000年，铅(Pb)和 铬(Cr)为10000年。自然消减修复过程深受土壤性质的影响，凡是能改变土壤物理、化 学、生物性质的因素，如温度、水分、pH以及种植作物、施用肥料、改良剂等，均会影 响土壤污染物的自然修复。

在众多自然消减方法中，植物修复土壤及水体是一种极有应用前景的污染环境的生态 恢复技术和有价资源回收技术，已有较多植物被发现具有吸纳土壤及水体中各种污染物的 能力，相关的选种、育苗、修复工程工作已有大量开展。但也体现出突出问题，即植物吸 纳污染物或有价资源的种类、容纳量受其植物生长环境和自身生理条件极大的限制，造成 高成本和有限的修复效果，亟待提出一种新方法来解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，本发明选择植物为 自然修复的主体，以低成本的物理方法人为地调控植物的生理特性，如破除植物根系结构 对污染物吸纳的生理屏障、断开植物自身根-茎叶信号信号传导、并加速植物自身的蒸腾作 用，以此强化土壤或水体中的污染物或有价资源进入土壤体内，主要富集于植物的茎和叶 片等地上部分，便于采收以期达到污染物或有价资源脱离土壤和水体环境，采收植物由于 快生，其可观的生物量可以提供生物质能，在能量转化中释放能量，此过程中污染物或消 耗、或得以富集减量，以利于常规低成本的永久固化，本发明是一种以极低的能耗强化和 极大加速植物污染物消减的先进技术；本发明如果处理的对象是有价资源，也可起到回收 和富集有价资源的效果。

本发明的目的是提出了一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，在污染土 壤中种植植物，调节污染土壤pH值至1.99～6.99或7.09～9.99，通过调节污染土壤pH值破 除植物根系结构对污染土壤中的污染物或有价资源吸纳的生理屏障同时加速植物自身的蒸 腾作用，使土壤或水体中的污染物或有价资源进入植物体内。

有生命的植物具有利用太阳辐射热能在叶片进行水分蒸发、以驱动植物根系输运水和 生命所需矿物营养的能力，即植物的蒸腾作用。其机制是植物叶片中的水通过叶片下的气 孔蒸发，使植物顶部叶片和底部根系之间产生压差，同时水分子内部和水分子与植物组织 存氢键，共同作用下驱使水分和养分由可接触水和矿物质的植物发达根部升入其茎干，进 一步到达叶片参与光合作用产生生命体必须物质，部分水分排除植物体外以调整维持植物 正常生命活动温度。植物蒸腾作用输运水和其它物质的能力很大，仅供应一公斤植物组织 生长的蒸腾水量达到200-1000公斤之巨。视植物物种不同而变化，一般植物老年期时期比 其年轻期蒸腾作用更强，影响植物蒸腾作用还包括环境因素，如日照情况、大气湿度和温 度、土壤水分含量等。本发明即是利用植物蒸腾作用，以提高水分输送能力，抽取其所在 土壤或水体环境中的污染物或有价有价资源。通过植物迁移水分带入植物茎部和叶片部位 而积累。

但是，植物是一个复杂的生命体，通常有很强的自我保护能力和完善的信号系统传递 来自周边的危害，其周边的环境污染物或有价资源即是植物视为危害而将采取保护措施的 对象。首先，植物的根系表皮具有离子选择性，对其生理活动有利元素视生命活动所学得 以控制性通过，对生命活动有害的污染物或有价资源通常排斥其进入植物体内，因此需要 采取特殊措施来重新修改根系统，使其根系的选择性丧失。再者，植物体内的有机组成很 多物质可以与进入植物体内的外来物质形成各种结合、如鳌合、沉降剂反应等，加速植物 正常功能丧失直至死亡，植物自身保护功能测地丧失。其三，植物的信号系统可以感知判 断植物需水、营养的自身状态以及环境危害的胁迫，以三种主要输运机制组织水和其中营 养元素或其它溶解于水中物质的输运量，包括植物根系的溶液势作用、氢键机制的毛细力 作用、顶-底部气压差物理作用，通过植物不同的组织部分完成。其中溶液势作用还关联植 物的信号系统、传递信号关联植物不同组织和组成体系，且是植物控制蒸腾作用的主要因 素，是整个蒸腾作用的控速步骤，也是本发明着力解决的关键问题；另外两种作用如氢键 机制的毛细力作用和顶-底部气压差物理作用都是可资利用完成本发明目标的有力手段，需 要保留、甚至放大。

本发明通过断开植物自身根-茎叶信号信号传导，使植物根系的溶液势作用不再是植物 体内水和矿物质及其它污染物或有价资源输运的主导力量，取而代之为水自身和植物茎叶 组织的的氢键机制的毛细力作用和顶-底部气压差，并放大毛细力作用和物理差压作用，使 正常植物的蒸腾作用在新机制下极大的加强；同时，由于断开植物根系内部信号传导，植 物地上部分依然可以维持一段时间的水、矿物质和污染物或有价资源进入茎叶、完成叶片 的光合作用、合成物质向下转移等基本植物生理功能，利用这段时间形成植物所处环境的 污染物或有价资源抽取、富集、保存与植物体内。

本发明突破现有植物生态修复的瓶颈，以低成本的物理方法人为地调控植物的生理特 性，破除植物根系结构对污染物或有价资源吸纳的生理屏障、加速植物自身的蒸腾作用， 以此强化土壤或水体中的污染物或有价资源进入土壤体内。破除植物根系结构对其所处环 境离子选择性、增强耐性的方法是盐、酸、碱腐蚀植物根部，破路植物根系水分传导通道， 使其直接与土壤或水体环境接触，污染物或有价资源随水分输运进入植物根系及地上部分 (茎和叶)。植物蒸腾作用加速的方法是调节植物生长环境(热、湿度、风力等)、土壤条件(盐浓度、干湿状态、地表温度、pH等)。本发明涉及植物信号断开或调控可能影响 植物生长生理作用的正常进行，由于人为调控的目的性，可以维持植物非感知这一状态一 段时间，维持时间为8-168小时，在此时间内，发挥植物正常且惊人的蒸腾作用就可以大大 加快了离子从土壤到植物中的运输，从而使土壤可以快速或短期地清理干净，及其有效地 完成污染环境的修复或有价资源回收。

本发明尤其适应气温高、降雨频繁、土壤水分含量高的我国南部和世界其它向类似的 许多地区；我国北方地区的适应条件是夏季高气温、大气湿度低。选择合适的植物、其具 有较大的水输送通道是实施的这一发明的关键，而对其人为改造植物生理作用将是有力手 段。本发明在修复实施时的关键技术条件是植物种类、耐受污染物或元素能力、植株密度， 后者决定因素包括植物超富集能力、根系结构、与污染或资源富集环境的表面接触效率、 植物茎叶污染物或有价资源吸纳污染物的物理容量等。

本发明对修复环境中所需吸纳的污染物或有价资源种类没有要求，修复环境中的污染 物或各种有价资源基本按等比例脱离修复环境；一般土壤污染和水体淤泥均属表层停留， 与植物根系深度相匹配，水体污染物或水相资源脱除基本按水体污染物在淤泥中沉降再脱 除的方法进行。本发明实施时涉及土壤或水体环境污染物或有价资源的生物可接触性，即 污染物或有价资源是否处于液态水相、游离、为植物所输运，本发明涉及的盐、酸及碱对 植物根系细胞破壁作用的同时，还可对土壤和水体淤泥污染物或有价资源释放作用，从而 被植物接触利用。

优选地，所述的污染土壤为农田用地、化工能源厂区污染地、矿产废弃地、固废排渣 地或固废填埋场。

优选地，所述的调节污染土壤pH值通过添加酸、碱或盐调节污染土壤pH值至1.99～6.99 或7.09～9.99。

优选地，所述的酸为无机酸或有机酸，所述的碱为无机碱或有机碱，所述的盐选自强 酸基盐类中的一种以上。

优选地，所述的酸的添加质量为污染土壤量的0.01-5％，所述的碱添加质量为污染土壤 量的0.01-5％，所述的盐添加质量为污染土壤量的0.1-10％。所述的酸的添加质量为污染土 壤量的0.20-0.25％。

优选地，所述的调节污染土壤pH值至1.99～6.99或7.09～9.99，在日光照射下维持1～168 小时。进一步优选，所述的调节污染土壤pH值至2.1～3.7，在日光照射下维持48～96小时。

优选地，所述的植物选自草本植物、木本植物、藤蔓植物、水生植物和禾本植物中的 一种以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明突破了污染物或有价资源种类、吸纳容纳量受其植物生长环境和自身生理条 件的限制，可以极大降低操作成本、复杂性，获得极高性价比的修复效果。本发明的唯一 能耗来自于可持续的绿色太阳能。

2、本发明整合了生物自身功能强大的物理能力，颠覆了自然生物过程，利用植物无可 替代的发达根系，以极低的材料和能源消耗、无选择地输运植物周边环境的污染物进入植 物体内，使植物周边环境的污染状况极大改善，使可能的有价资源得以回收，同时植物本 身还可从种植开始形成景观展示的一部分。收获的植物可以成为很好的可再生能源，通过 如热解或气化等有前途的能源利用技术和材料加工处理技术，转化为有价值的能量和物质。

3、本发明提出的基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，生态环保，不影响景 观、节能、易于实施、减少二次污染、且经济成本低且可能盈利。利用植物生理过程和物 理过程调控植物作为载体或桥梁来帮助实现能源和材料的经济效益，并在这些植物的有益 利用和其它富集物价值回收期间将对生态和生活环境的影响和足迹最小化。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。除特别说明，本发明 使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。

本发明适用于所有耐受污染物或有价资源富集的土壤和环境的植物物种，只要基本的 生长可以维持即可，如果采用一些现已阐明并实践的超富集植物物种实施本发明会受到更 好效果，同时会极大降低操作成本。

本发明提出的酸可以是无机酸或有机酸，本发明优选酸为盐酸或草酸。本发明提出的 碱可以是无机碱或有机碱，添加的酸或碱通过破坏植物根系表皮离子传输屏障，暴露植物 根系水分传导通道，使其直接与土壤或水体环境接触，污染物或目标有价资源随水分输运 进入植物根系及地上部分(茎和叶)。

实施例1

选择某块污染土壤，其中含有砷、铅、汞、镉和铬等重金属元素，土壤中上述重金属的总浓度为11.3mg/g土壤，在该土壤上种植蜈蚣草植物，植株密度为1株每10cm x10cm 见方，通过添加草酸，一次添加草酸的质量为2.5g/kg土壤，调节土壤的pH值为3.7，维 持土壤的pH值为3.7，在日光照射下维持96小时，收割植物，对其进行检测，并对污染土 壤抽样检测发现土壤中重金属的脱除率达到80％以上。

对比例1

未添加草酸调节pH值，其它条件同于实施例1，植物内吸收重金属总量与实施例1相 比降低两个数量级以上，即土壤中重金属的脱除率低于5％。

实施例2

选择与实施例1相同的污染土壤，其中含有砷、铅、汞、镉和铬等重金属元素，土壤中上述重金属的总浓度为11.3mg/g土壤，同样在该土壤上种植蜈蚣草植物，植株密度为1株每10cm x10cm见方，与实施例1不同的是添加了盐酸(盐酸的质量分数为30％)，一次 添加盐酸的剂量为2g/kg土壤，调节土壤的pH值为2.1，维持土壤的pH值为2.1，在日光 照射下维持48小时，收割植物，对其进行检测，并对污染土壤抽样检测发现土壤中重金属 的脱除率达到75％以上。

实施例3

选择与实施例1相同的污染土壤，其中含有砷、铅、汞、镉和铬等重金属元素，土壤中上述重金属的总浓度为11.3mg/g土壤，同样在该土壤上种植蜈蚣草植物，植株密度为1株每10cm x10cm见方，与实施例1不同的是添加了氢氧化钠，一次添加氢氧化钠的剂量为1.75g/kg土壤，调节土壤的pH值为9.8，维持土壤的pH值为9.8，在日光照射下维持48 小时，收割植物，对其进行检测，并对污染土壤抽样检测发现土壤中重金属的脱除率达到 75％以上。

对比例2

未添加氢氧化钠调节pH值，其它条件同于实施例3，植物内吸收重金属总量与实施例 3相比降低两个数量级以上，即土壤中重金属的脱除率低于5％。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发 明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进 和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，其特征在于，在污染土壤中种植植物，通过添加酸或碱调节污染土壤pH值至2.1或9.8，在日光照射下维持1~168小时，所述的酸为盐酸，所述的碱为氢氧化钠，通过调节污染土壤pH值破除植物根系结构对污染土壤中的污染物或有价资源吸纳的生理屏障同时加速植物自身的蒸腾作用，使土壤或水体中的污染物或有价资源进入植物体内。

2.根据权利要求1所述的基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，其特征在于，所述的污染土壤为农田用地、化工能源厂区污染地、矿产废弃地、固废排渣地或固废填埋场。

3.根据权利要求1所述的基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，其特征在于，所述的酸的添加质量为污染土壤量的0.01-5%，所述的碱添加质量为污染土壤量的0.01-5%。

4.根据权利要求1所述的基于植物生理和物理调控的土壤污染治理方法，其特征在于，所述的植物选自草本植物、木本植物、藤蔓植物和禾本植物中的一种以上。