CN114101320B - 一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法 - Google Patents

一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机磷酸酯阻燃剂/增塑剂污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1‑氯‑2‑丙基)酯污染土壤的方法。在磷酸三(1‑氯‑2‑丙基)酯污染土壤中种植禾本科植物黑麦草，该植物在生长过程中通过吸收以及根系分泌物质的协同作用，从而降解、去除或显著降低土壤中的磷酸三(1‑氯‑2‑丙基)酯。本发明采用一种具有较高乙醇转化率的可作为能源植物的黑麦草来修复磷酸三(1‑氯‑2‑丙基)酯污染土壤，具有投资少、技术要求不高、可用于原位修复等优点，而且还可以避免土壤中的磷酸三(1‑氯‑2‑丙基)酯通过植物进入食物链进而危害人体健康，同时也能够为生物能源的生产提供原料。

Description

一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法
技术领域
本发明涉及有机磷酸酯阻燃剂/增塑剂污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用禾本科植物黑麦草修复氯代有机磷酸酯阻燃剂/增塑剂磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法。
背景技术
有机磷酸酯阻燃剂/增塑剂(OPEs)是一类人工合成的磷酸衍生物，作为多溴联苯醚的最佳替代品，在21世纪初多溴联苯醚受到禁用以后，其生产量和使用量得到显著增加。在2015年，OPEs的全球使用量达到了68万吨；而在我国，OPEs的使用量在2012年为17.9万吨，同时以15％的年平均增长率增长。根据取代基的不同，OPEs可分为烷基、氯代烷基和芳香基OPEs。其中氯代OPEs，包括三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯(TCIPP)和磷酸三(1,3-二氯异丙基)酯(TDCPP)，主要作为阻燃剂用于油漆、建材、家具和塑料等产品中，占OPEs总使用量的55％。而由于致癌性、神经毒性和不良生殖影响，TCEP的生产和使用也受到了限制和禁用。作为TCEP的替代品，TCIPP的使用量迅速提升。但TCIPP也不安全，有研究表明TCIPP能够减少细胞数量、改变神经分化，还能对老鼠的皮肤和眼睛有刺激、并可积累在肝脏和肾脏中，是一种潜在的致癌物。而且TCIPP主要以添加而非化学键合的方式加入到最终产品中，这使得它非常容易释放到周围环境中。现有的监测数据表明，TCIPP是水、土壤、大气和沉积物等环境介质中最主要的OPEs。例如，TCIPP在我国北京的城市地表水的检出率高达99.4％，平均浓度为291ng/L，占OPEs总浓度的30.5％；在我国农田土壤中的浓度也高达401μg/kg，占OPEs总浓度的39.6％。因此，亟需开展以TCIPP为主的OPEs的污染阻控与修复技术研究。
目前，关于OPEs的消减技术已有相关报道，但这些研究主要集中于利用化学氧化或微生物降解的方法来实现OPEs的消减。例如，卢桂宁等人利用黄铁矿活化过硫酸盐降解TCEP，林海等人利用热催化过硫酸钾和UV辐射过氧化氢氧化降解TCEP和磷酸三丁酯(TBP)；尹华等人从电子垃圾拆解地区土壤中筛选出了一株可高效降解磷酸三苯酯(TPP)的短短芽孢杆菌，林海等人从尾矿砂中筛选出了一株具有降解TBP能力的鞘氨醇单胞菌。但是，这些研究都未涉及到TCIPP，而TCIPP结构与性质与TCEP、TBP等具有较大差异，不能简单的将上述方法应用于TCIPP。此外，目前这些研究都是在纯体系下开展的，其在实际环境特别是土壤中对OPEs的消减效果如何还有待考察。而且热催化、UV辐射等氧化降解技术只能用于污染土壤的异位修复，对于TCIPP含量较高的量大面广的农田土壤来说其实用性较差。因此，亟需开展TCIPP污染土壤的生物修复特别是植物修复技术研究，以确保TCIPP污染农田土壤的安全生产。
植物修复的关键是能够筛选到对土壤中TCIPP具有较高修复效率的植物。植物对土壤中有机污染物的修复机制主要有3种：通过根系直接吸收有机物；根系释放分泌物和酶分解有机物；强化根际微生物群落对有机物的降解。目前，对于多环芳烃、有机氯农药等传统有机污染物的植物修复研究已有较多报道，但对于土壤中新型污染物TCIPP的植物修复还未见报道，而且TCIPP还是一种性质与结构与多环芳烃、有机氯农药等传统有机污染物差异较大的新型有机污染物。此外，为了避免修复过程中土壤中污染物通过植物进入食物链进而危害人体健康，选择可作为能源植物的植物作为修复植物是一种较好的选择。能源植物不仅能修复土壤污染，减少对人体健康的危害，还能够为生物能源的生产提供原料。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用可作为能源植物的黑麦草(Lolium perenne L.)修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法：在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植禾本科植物黑麦草，该植物在生长过程中通过吸收以及根系分泌物质的协同作用，从而降解、去除或显著降低土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，用于种植黑麦草的污染土壤为磷酸三(1-氯-2-丙基)酯浓度为1-5mg/kg的污染土壤。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，播种前黑麦草种子需用体积百分比浓度为2-3％的H2O2水溶液消毒15-25min，然后用蒸馏水冲洗3-5次，并在20-30℃的温水中浸泡吸胀20-24h。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，种植方法是将催芽后的黑麦草种子直接播种在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，然后覆土1-1.5cm。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，在黑麦草生长过程中需不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的40-60％(田间持水量是指土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，以占土壤体积的百分数表示)。
在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植或连续种植黑麦草，黑麦草利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际微生物体系联合降解、修复或去除土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯，直至土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量达到环境安全标准。
本发明所采用的黑麦草(Lolium perenne L.)，禾本科，多年生草本植物。有细弱根状茎；秆丛生，高30-90厘米，质软，基部节上生根；叶舌长约2毫米；叶片线形，长5-20厘米，宽3-6毫米，柔软，有微毛。黑麦草不仅可作为牧草，还可以作为能源草。黑麦草的木质纤维85％可以转化为乙醇，是一种较理想的可用于生产生物能源乙醇燃料的能源植物。
本发明所具有的优点如下：
1.本发明将黑麦草种植于磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，采用可作为能源植物的黑麦草来修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤。该方法具有投资少、技术要求不高、可用于原位修复等优点；而且，作为一种具有较高乙醇转化率的能源草，种植黑麦草不仅能有效降低土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量，而且还可以避免土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯通过植物进入食物链进而危害人体健康，同时也能够为生物能源的生产提供原料；
2.本发明是将黑麦草种植于磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，当土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯浓度为1-5mg/kg时，黑麦草的生长虽然受到抑制，但还是能够正常生长，同时黑麦草利用其发达的根系和根际微生物协同作用有效的消减了污染土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量。在种植45d后，其根际土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率最高可达91.6％，非根际土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率也达到了83.4％，而无植物对照土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率仅为13.5％。实验证明，黑麦草利用其发达的根系和根际微生物协同作用有效的消减了污染土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量，说明了黑麦草对磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染具有较强的耐性和较高的降解能力；
3.本发明利用可用于生产生物能源乙醇的能源植物修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤，其不仅能够降低土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯浓度、有效改善土壤环境质量，还可以为生物能源乙醇的生产提供原料，更重要的是用于修复土壤的能源植物有效避免了污染物通过植物进入食物链进而危害人体健康，最大限度的减少了土壤修复过程中可能引起的次生污染问题。因此，从能源植物中筛选能够降解磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的植物并将其推广应用是切实可行的。
总之，本发明将黑麦草种植在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，利用植物自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际微生物体系的联合作用，可达到有效去除土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的目的。通过连续种植该种植物，重复上述步骤，就可连续消减污染土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯，直到其含量达到环境安全标准。该方法具有投资少，技术要求不高，可用于污染土壤的原位修复，无二次污染，以及能在修复污染土壤的同时为生物能源的生产提供原料等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的将黑麦草种植于磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤和空白对照土壤45d后根、茎、叶的生物量图；
图2为本发明实施例提供的将黑麦草种植于磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤和空白对照土壤45d后根、茎、叶中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量图；
图3为本发明实施例提供的将黑麦草种植于磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤45d后其根际和非根际土壤以及无植物对照土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率图。
具体实施方式
一种利用禾本科植物黑麦草(Lolium perenne L.)修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，主要包括：
在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植禾本科植物黑麦草，该植物在生长过程中通过吸收以及根系分泌物质的协同作用，从而降解、去除或显著降低土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，播种前黑麦草种子需用体积百分比浓度为2-3％的H2O2水溶液消毒15-25min，然后用蒸馏水冲洗3-5次，并在20-30℃的温水中浸泡吸胀20-24h。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，种植方法是将催芽后的黑麦草种子直接播种在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，然后覆土1-1.5cm。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，在黑麦草生长过程中需不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的40-60％(田间持水量是指土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，以占土壤体积的百分数表示)。
所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植或连续种植黑麦草，黑麦草利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际微生物体系联合降解、修复或去除土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯，直至土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量达到环境安全标准。
实施例
实验地点设在沈阳大学温室大棚内，盆栽实验土壤采用空白对照土壤和磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤。空白对照土壤采集自沈阳市沈北新区某农田土壤，其基本理化性质为：pH为7、土壤有机质含量为14.7g/kg、全氮含量为0.65g/kg、碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为46.8、33.6和69.3mg/kg，土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的背景值为0.029mg/kg；磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤由空白对照土壤通过添加磷酸三(1-氯-2-丙基)酯标准品配制，配制后的污染土壤静置老化6个月，其磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量为4.3mg/kg。种植黑麦草是将黑麦草种子用体积百分比浓度为2-3％的H2O2水溶液消毒15-25min，然后用蒸馏水冲洗3-5次，并在20-30℃的温水中浸泡吸胀20-24h，接着将催芽后的黑麦草种子直接播种在实验土壤中，然后覆土1-1.5cm。实验同时设置空白对照组(即在空白对照土壤中种植黑麦草)和无植物对照组(即没有种植植物的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤)。实验用盆是高12cm、直径为15cm的圆形PE材质塑料盆，每盆土的质量为0.7kg，每盆均匀播撒20颗种子，待其生长稳定后间苗为10株/盆，生长期间用纯水浇灌，每个处理水平做6个重复。在实验过程中控制浇灌频率和浇灌水量，以防止土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯流失。同时，设置3盆无植物对照组，平时施予同样浇灌操作。植物种植45d后，分别收获植物的根、茎、叶，并采集根际和非根际土壤以及无植物对照土壤，测定植物和土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量。
采用超声萃取、气相色谱-三重四级杆串联质谱法(GC-MS/MS)测定土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量。准确称取5g经冷冻干燥的土壤样品，放置于聚四氟乙烯离心管中，加入10ng内标物氘代磷酸三正丁酯(TnBP-d27)，搅拌均匀；然后加入20mL体积比为1：1的正己烷-丙酮混合溶剂，涡旋3min，超声20min，5000r/min离心10min，收集上清液；重复上述过程一次，然后将两次收集的上清液转移至鸡心瓶中，旋转蒸发至近干，用色谱纯正己烷定容至1mL，待GC-MS/MS分析测定。
采用基质固相分散萃取、气相色谱-三重四级杆串联质谱法(GC-MS/MS)测定植物中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量。准确称取0.5g经高速组织捣碎机打碎的植物样品，放入玻璃研钵中；加入20ng内标物氘代磷酸三正丁酯(TnBP-d27)、2g弗罗里硅土、2g无水硫酸钠和0.1g石墨化碳黑，研磨均匀；将研磨均匀的混合物转移至已放入筛板的空的固相萃取柱中，加盖筛板并用注射器活塞压实；用15mL体积比为1：1的正己烷-丙酮混合溶剂分三次洗涤研钵和杵，然后转移至固相萃取柱内洗脱目标化合物；收集洗脱液并在室温下氮吹浓缩至近干，然后用色谱纯正己烷定容至1mL，待GC-MS/MS分析测定。
图1为在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤和空白对照土壤中种植黑麦草45d后，黑麦草根、茎、叶的生物量情况。在4.3mg/kg磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染胁迫下，黑麦草种植45d后，与对照相比，黑麦草根、茎、叶和单株植物总的生物量分别从0.16、0.17、0.40和0.72g下降为0.12、0.13、0.33和0.58g。表明磷酸三(1-氯-2-丙基)酯对黑麦草的生长有一定的抑制作用，但黑麦草还是能够正常生长。
图2为在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤和空白对照土壤中种植黑麦草45d后，黑麦草根、茎、叶中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量情况。在4.3mg/kg磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染胁迫下，黑麦草种植45d后，黑麦草根、茎和叶中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的浓度分别高达1772、1140和4470μg/kg，显著高于种植于空白对照土壤中黑麦草根、茎和叶中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的浓度。表明黑麦草能够通过根系吸收土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯，并通过茎转运至叶，最终在叶中积累。黑麦草对土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的富集系数为0.74，从地下部(根)向地上部(茎+叶)转运的转运系数为2.01。
图3为在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植黑麦草45d后其根际和非根际土壤以及无植物对照土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减情况。在4.3mg/kg磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染胁迫下，黑麦草种植45d后，黑麦草根际土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率为91.6％，非根际土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率也达到了83.4％，而无植物对照土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的消减率仅为13.5％。表明黑麦草利用其发达的根系和根际微生物协同作用有效的消减了污染土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的含量。
实验表明，黑麦草对磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染具有较强的耐性和有较高的降解能力，在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植或连续种植黑麦草，黑麦草利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际微生物体系联合降解、修复或去除土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯，直至土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯含量达到环境安全标准。

Claims (3)

1.一种利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，其特征在于：在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中种植禾本科植物黑麦草，该植物在生长过程中通过吸收以及根系分泌物质的协同作用，从而降解、去除或显著降低土壤中的磷酸三(1-氯-2-丙基)酯；
种植黑麦草时，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的40-60％；
所述污染土壤中磷酸三(1-氯-2-丙基)酯的浓度为1-5mg/kg。
2.按权利要求1所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，其特征在于：黑麦草种子用体积百分比浓度为2-3％的H2O2水溶液消毒15-25min，然后用蒸馏水冲洗3-5次，并在20-30℃的温水中浸泡吸胀20-24h。
3.按权利要求1所述的利用禾本科植物黑麦草修复磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤的方法，其特征在于：将催芽后的黑麦草种子直接播种在磷酸三(1-氯-2-丙基)酯污染土壤中，然后覆土1-1.5cm。
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