CN116833214A - 改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土壤修复技术领域，公开了一种改良剂‑植物‑微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，包括如下步骤：在待修复重金属污染土壤上播种苜蓿、五彩石竹或地肤种子；苜蓿种子上淋洒棘孢木霉菌液；五彩石竹种子上淋洒卷枝毛霉菌液；地肤种子上淋洒高山被孢霉菌液；待种子发芽生长后，分别用棘孢木霉、卷枝毛霉和高山被孢霉侵染苜蓿、五彩石竹和地肤的根部，继续生长，得到植物‑微生物土壤修复体系；采用所述植物‑微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中加入黄酮类改良剂；其中，苜蓿‑棘孢木霉与槲皮素配合；五彩石竹‑卷枝毛霉与异鼠李素配合；地肤‑高山被孢霉与山柰酚配合；植物的种植密度为25‑45株/m2。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
国内外对于土壤中的重金属污染控制技术方法总体上可以分为三大类：一是替换或覆盖受重金属污染的土壤层，或深层土层的污染程度小而混合表层和深层土壤以稀释重金属在土壤中的浓度；二是土壤化学改良剂选择和使用，以此改变重金在属土壤中的存在形式，进而达到去除或固定的目的；三是利用植物与微生物还有两者之间的互促作用将重金属从土壤中清除，从而完成土壤的修复与净化。
在众多修复重金属污染的土壤的方法中，植物修复技术具有成本效益，环境友好，可持续，并可在有效去除重金属污染物的同时避免造成二次污染等优势。然而，目前用于治理土壤重金属污染的植物修复技术存在生物量小、根系浅、特有的生态型和较窄的生态适应性等缺陷，严重限制了植物修复效果以及应用范围。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，包括如下步骤：
在待修复重金属污染土壤上播种苜蓿、五彩石竹或地肤种子；
苜蓿种子上淋洒棘孢木霉菌液；五彩石竹种子上淋洒卷枝毛霉菌液；地肤种子上淋洒高山被孢霉菌液；
待种子发芽生长后，分别用棘孢木霉、卷枝毛霉和高山被孢霉侵染苜蓿、五彩石竹和地肤的根部，继续生长9-18周，得到植物-微生物土壤修复体系；
采用所述植物-微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中加入黄酮类改良剂；
其中，苜蓿-棘孢木霉与槲皮素配合；五彩石竹-卷枝毛霉与异鼠李素配合；地肤-高山被孢霉与山柰酚配合；
植物的种植密度为25-45株/m2，黄酮类改良剂的施加量为5.5-8.5g/m3。
发明人之前尝试采用苜蓿、地肤或五彩石竹配合棘孢木霉，对土壤进行修复，该种方式未充分考虑微生物与植物所组建共生体系，导致微生物-植物联合修复以简单叠加方式呈现，对土壤的修复效率达不到预期目标。
本发明充分考虑微生物与植物相互作用关系，通过大量试验分析建立了“1对1”匹配模式，一方面更好的实现微生物-植物联合修复效果，另一方面兼顾促进微生物-植物有机体的生长发育过程。
本发明创造充分考虑到不同微生物与不同植物间组合所形成的“合力”，更加注重微生物与植物互作关系的同时，提高了修复效率。
在一些实施例中，所述棘孢木霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
在一些实施例中，卷枝毛霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
在一些实施例中，高山被孢霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
优选的，每株植物淋入菌液45-95mL。
在一些实施例中，所述黄酮类改良剂采用滴灌或翻耕施用于待修复土壤中。
在一些实施例中，将所述黄酮类改良剂替换为槲皮素、山柰酚和异鼠李素的混合物，槲皮素、山柰酚、异鼠李素质量比为2.5-3.5:1.0-1.5:0.5-0.8。
在一些实施例中，植物的种植密度为25-35株/m2。
在一些实施例中，种子在播种前先用10％-15％过氧化氢溶液浸泡10-12小时后再播种。
在一些实施例中，黄酮类改良剂的提取方法为将苜蓿根、茎、叶采用超临界二氧化碳萃取技术进行萃取，萃取剂为乙醇，萃取温度为35-45℃，压力为30-40MPa。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
本发明的修复方法引入根系分泌物作为改良剂，并将特殊微生物棘孢木霉、卷枝毛霉、高山被孢霉，与不同抗性修复植物有机复配，建立物化改良-微生物-植物复合修复体系，加速重金属转化和富集过程。土壤微生物可以改善土壤理化性质，促进根际生长，扩大吸收面积，增强植物对土壤环境的适应能力。同时，植株地下部表皮细胞蜕落、营养物质和酶释放，也为土壤体系中的微生物提供了更有利的生存条件。微生物-植物共生体系，增加生物量的同时增强生物抗性，扩大了微生物-植物的重金属修复效率以及应用范围。
采用植物根系分泌物黄酮醇类物质作为环境友好型土壤改良剂，本发明优选槲皮素、山柰酚、异鼠李素作为改良剂，用于有效改良土壤环境，提高植物重金属抗性，增强微生物-植物功能，显著提高重金属污染去除效率。
棘孢木霉(Trichoderma asperellum)、卷枝毛霉(Mucor circinelloides)、高山被孢霉(Mortierella alpina)作为生物修复的微生物菌剂，上述菌剂对重金属的耐受能力高保持较高的活性，面对较差的土壤环境，依旧可以发挥作用，可以应用于多种土壤环境条件。
可以同时实现对多种重金属很好的去除，能够应用于多种重金属复合污染的场地修复。本发明的植物能够在尾矿等恶劣环境条件下中生长，显著提高了技术的应用深度和广度。能够增加微生物-植物生物量，进而促进根际系统发育，保持植物生长状态，增强植物抗性，提高植物对重金属的富集作用。
本发明的方法中植物种子发芽生长后使微生物侵染植物根部，菌根化植，适用范围广，成本低，可操作性强。在不对环境造成二次破坏的基础上最大程度的实现重金属污染场地的有效修复。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中对农耕区土壤修复后效果图；
图2为实施例2中对工业区土壤修复后效果图；
图3为实施例3中对尾矿区土壤修复后效果图；
图4为本发明实施例中所涉及修复机理示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明针对重金属污染以及盐渍化土壤等恶劣环境条件，研发了一种根系分泌物改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法。通过大量无数次实验筛选出来修复重金属污染土壤的优势植物中，苜蓿、五彩石竹及地肤具有根系茂盛，耐盐碱性的特点，对重金属具有较好的富集性；利用尾矿区等重金属污染特殊生境土壤，筛选分离出优势菌群棘孢木霉、卷枝毛霉、高山被孢霉进行培养扩繁；利用上述菌群对分别对苜蓿、地肤及五彩石竹进行根部侵染，形成菌根化植物，增强植物根部活性，提高对重金属的富集、降解作用。通过对优选修复植物根系分泌物的研究分析，发现了黄酮类物质增强植物抗逆的作用，针对不同植物-微生物组合，研发了专用的改良剂，建立了基于黄酮类改良剂的植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法。本方法是一种修复效率高、环境适应性强的绿色原位修复技术，具有良好的生态效益和社会效益。
黄酮类改良剂可选用滴灌或翻耕施用于修复区域土壤中，改良剂施用量为：待修复区面积×35cm×土壤密度×改良系数(0.25％-0.65％)，一般重金属污染土壤的改良系数建议采用0.35％，若土壤质地较差可适度提高。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种槲皮素为主型-棘孢木霉-苜蓿联合原位修复农耕区土壤污染的示范案例。
本区域为污灌农耕区修复试验田，考虑到该区域历史问题复杂，对该区域进行理化性质及重金属污染评价，该区域土壤pH约为6.3，呈弱酸性，主要重金属污染物包括Ni(109mg/kg)、Cu(73mg/kg)、Zn(244mg/kg)，均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准试行GB15618-2018》规定标准。将该试验田平均划分为三个区域，包括第一区域、第二区域和第三区域。
其中，第一区域的修复具体方法为：
在待修复重金属污染土壤上播种苜蓿种子；
每个苜蓿种子上淋洒棘孢木霉菌液65mL，棘孢木霉菌液的浓度为5×107CFU/mL；
待种子发芽生长后，用棘孢木霉侵染苜蓿的根部，继续生长10周，得到植物-微生物土壤修复体系；
采用所述植物-微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中滴灌槲皮素改良剂溶液，改良剂的施加量为7g/m3。
棘孢木霉(Trichoderma asperellum，中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，菌种编号CCTCC NO:M2013113)，菌液的制备方法为：将菌种接种至液体培养基中在26～28℃恒温培养振荡器中经一级种子培养、二级种子培养和扩大培养，得到目标菌液。
对比例1
第二区域采用的修复方法与实施例1的区别为：该植物修复重金属污染土壤的方法，该方法仅种植苜蓿，不引入共生微生物棘孢木霉，不添加黄酮醇改良剂。
对比例2
第三区域与实施例1的区别为：该微生物-植物修复重金属污染土壤的方法，该方法种植苜蓿，引入共生微生物棘孢木霉，不添加黄酮醇改良剂。
采用实施例1及对比例1和2的方法目标治理区域试验田内进行为期90天的原位修复研究。测定目标区域植物的地上生物量(鲜重)和地下生物量(根长)，评估修复植物生长状况；测定目标区域土壤中重金属的含量，检测分析土壤重金属的去除率；结果如下表1所示：
表1
通过实施例1的污染治理效果可以看出，本发明的物化改良-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法对典型土壤重金属污染物具有较好的去除效果。
通过与对比例1和2比较分析，可以发现本发明的槲皮素-棘孢木霉-苜蓿污染修复体系能够适应不同的土壤环境，有较强的恶劣环境适应能力，可以有效去除重金属污染物。槲皮素-棘孢木霉可有效促进修复植物的生长发育过程，提高苜蓿对重金属污染场地的抗逆性，从而进一步提高重金属的修复效果。
实施例2
一种山柰酚为主型-高山被孢霉-地肤联合原位修复工业区土壤污染的示范案例。
本区域原为工业用地，现对该区域进行污染评价及修复工作，已达到一类用地标准。结合原工业所产生主要污染物分析以及重金属检测分析，该区域土壤主要重金属污染物包括Cd(35mg/kg)、Hg(11mg/kg)、Pb(413mg/kg)，均超过《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB36600-2018》规定标准。将该部分工业用地平均划分为四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域。
第一区域的修复具体方法为：
在待修复重金属污染土壤上播种地肤种子；
地肤种子上淋洒高山被孢霉菌液65mL，高山被孢霉菌液的浓度为5×107CFU/mL；
待种子发芽生长后，用高山被孢霉侵染地肤的根部，继续生长10周，得到植物-微生物土壤修复体系；
采用所述植物-微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中加入山柰酚改良剂；
植物的种植密度为30株/m2，山柰酚改良剂的施加量为8g/m3。
高山被孢霉(Mortierella alpina，中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，菌种编号CCTCC NO:M207067)，菌液的制备方法为：将菌种接种至液体培养基中在26～28℃恒温培养振荡器中经一级种子培养、二级种子培养和扩大培养，得到目标菌液。
对比例3
第二区域的修复方法与实施例2的区别为：该植物修复重金属污染土壤的方法，该方法仅种植地肤，不引入共生微生物高山被孢霉，不添加黄酮醇改良剂。
对比例4
第三区域的修复方法与实施例2的区别为：该微生物-植物修复重金属污染土壤的方法，该方法种植地肤，引入共生微生物高山被孢霉，不添加黄酮醇改良剂。
对比例5
第四区域的修复方法与实施例2的区别为：该微生物-植物修复重金属污染土壤的方法，该方法种植地肤，引入棘孢木霉，棘孢木霉用量与高山被孢霉相同，不添加黄酮醇改良剂。
采用实施例2及对比例3-5的方法目标治理区域试验田内进行90天原位修复研究。测定目标区域植物的地上生物量(鲜重)和地下生物量(根长)，评估修复植物生长状况；测定目标区域土壤中重金属的含量，检测分析土壤重金属的去除率；结果如下表2所示：
表2
通过实施例2的污染治理效果可以看出，本发明的物化改良-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法对典型土壤重金属污染物具有较好的去除效果。
通过与对比例3-5比较分析，可以发现本发明的山柰酚-高山被孢霉-地肤污染修复体系能够适应不同的土壤环境，有较强的恶劣环境适应能力，可以有效去除重金属污染物。山柰酚-高山被孢霉可有效促进修复植物的生长发育过程，提高地肤对重金属污染场地的抗逆性，从而进一步提高重金属的修复效果。
实施例3
一种异鼠李素为主型-卷枝毛霉-五彩石竹联合原位修复尾矿区土壤污染的示范案例。
本区域为矿山开采的尾矿堆放区，考虑到矿产资源伴生重金属污染物种类多样，存在较大环境风险，对该区域进行修复工作。尾矿土呈弱碱性且有机质含量较低。该区域土壤主要重金属污染物包括Pb(519mg/kg)、Cr(27mg/kg)、Cu(623mg/kg)，均超过当地土壤环境背景值。将该区域平均划分为四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域。
第一区域的修复具体方法为：
在待修复重金属污染土壤上播种五彩石竹种子；
五彩石竹种子上淋洒卷枝毛霉菌液65mL，卷枝毛霉菌液的浓度为5×107CFU/mL；
待种子发芽生长后，用卷枝毛霉侵染五彩石竹的根部，继续生长10周，得到植物-微生物土壤修复体系；
采用所述植物-微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中加入异鼠李素改良剂；
植物的种植密度为30株/m2，异鼠李素改良剂的施加量为6.5g/m3。
卷枝毛霉(Mucor circinelloides，荷兰微生物菌种保藏中心(CBS)，菌种编号CBS131818)，菌液的制备方法为：将菌种接种至液体培养基中在26～28℃恒温培养振荡器中经一级种子培养、二级种子培养和扩大培养，得到目标菌液。
对比例6
第二区域的修复方法与实施例3的区别在于：该方法仅种植五彩石竹，不引入共生微生物卷枝毛霉，不添加黄酮醇改良剂。
对比例7
第三区域的修复方法与实施例3的区别在于：该方法种植五彩石竹，引入共生微生物卷枝毛霉，不添加黄酮醇改良剂。
对比例8
第四区域的修复方法与实施例3的区别在于：该方法种植五彩石竹，引入棘孢木霉，棘孢木霉与卷枝毛霉的用量相同，不添加黄酮醇改良剂。
采用实施例3及对比例6-8的方法目标治理区域试验田内进行90天原位修复研究。测定目标区域植物的地上生物量(鲜重)和地下生物量(根长)，评估修复植物生长状况；测定目标区域土壤中重金属的含量，检测分析土壤重金属的去除率；结果如下表3所示：
表3
通过实施例3的污染治理效果可以看出，本发明的物化改良-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法对典型土壤重金属污染物具有较好的去除效果。
通过与对比例6-8比较分析，可以发现本发明的异鼠李素-卷枝毛霉-五彩石竹污染修复体系能够适应不同的土壤环境，有较强的恶劣环境适应能力，可以有效去除重金属污染物。异鼠李素-卷枝毛霉可有效促进修复植物的生长发育过程，提高五彩石竹对重金属污染场地的抗逆性，从而进一步提高重金属的修复效果。
实施例4
一种基于槲皮素、山柰酚、异鼠李素复合改良剂；卷枝毛霉、棘孢木霉、高山被孢霉复合微生物菌剂；苜蓿、地肤、五彩石竹植物联合修复技术，应用于工矿区河道底泥异位处置后重金属污染修复的示范案例。
本治理区域为河道内污染底泥，流域内工矿企业林立，早期矿渣及各类污染物直排入河等现象造成底泥重金属污染严重，污染物种类多样，污染特征复杂，存在较大环境风险，对该区域底泥进行修复工作。由于河道底泥来源不清且周围污染源复杂，造成底泥理化性质不均一，底泥质地及有机质含量存在较大差异，底泥酸碱度也存在较大差异，出现碱性底泥和酸性底泥并存的现象，增加了污染区域的治理工作的难度。因此采用复合改良剂-复合微生物菌剂-多种修复植物联合修复技术用于该区域治理工作。
第一区域的修复具体方法为：
在待修复重金属污染土壤上按照1:1:1混合播种苜蓿、地肤、五彩石竹种子；
种子上淋洒复合微生物菌液；高山被孢霉、棘孢木霉、卷枝毛霉按照1.0:1.5:2.5混合复配；待种子发芽生长后，用菌液侵染修复植物根部，得到植物-微生物土壤修复体系；
向土壤中加入复合改良剂；槲皮素、山柰酚、异鼠李素质量比按照2.5:1.0:0.5混合复配；
复合改良剂投加量、复合菌剂施加量、植物种植密度与实施例1-3一致。
对比例9
第二区域的修复方法与实施例4的区别在于：该方法仅种植修复植物，不引入复合微生物菌剂，不添加复合改良剂。
对比例10
第三区域的修复方法与实施例4的区别在于：该方法种植修复植物，引入复合微生物菌剂，不添加复合改良剂。
采用实施例4及对比例9-10的方法目标治理区域试验田内进行90天原位修复研究。测定目标区域植物的地上生物量(鲜重)和地下生物量(根长)，评估修复植物生长状况；测定目标区域土壤中重金属的含量，检测分析土壤重金属的去除率；结果如下表4所示。
表4
通过实施例4的污染治理效果可以看出，本发明的物化改良-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法对污染特征复杂、理化性质恶劣的场地具有较好的治理效果。
通过与对比例9-10比较分析，可以发现本发明的复合改良剂-复合微生物菌剂-多种修复植物联合修复体系能够适应复杂多变的污染环境，有较强的应用深度和广度，可以有效去除多种重金属污染物。复合改良剂-复合微生物菌剂可有效促进修复植物的生长发育过程，提高修复植物对多种环境胁迫的抗性，治理过程中维持较好的生长状态，从而保证污染场地的修复效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：包括如下步骤：
在待修复重金属污染土壤上播种苜蓿、五彩石竹或地肤种子；
苜蓿种子上淋洒棘孢木霉菌液；五彩石竹种子上淋洒卷枝毛霉菌液；地肤种子上淋洒高山被孢霉菌液；
待种子发芽生长后，分别用棘孢木霉、卷枝毛霉和高山被孢霉侵染苜蓿、五彩石竹和地肤的根部，继续生长9-18周，得到植物-微生物土壤修复体系；
采用所述植物-微生物土壤修复体系对重金属污染土壤进行修复时，向土壤中加入黄酮类改良剂；
其中，苜蓿-棘孢木霉与槲皮素配合；五彩石竹-卷枝毛霉与异鼠李素配合；地肤-高山被孢霉与山柰酚配合；
植物的种植密度为25-45株/m2，黄酮类改良剂的施加量为5.5-8.5g/m3。
2.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述棘孢木霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
3.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：卷枝毛霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
4.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：高山被孢霉菌液的浓度为3.5-6.5×107CFU/mL。
5.根据权利要求2-4任一所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：每株植物淋入菌液45-95mL。
6.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：所述黄酮类改良剂采用滴灌或翻耕施用于待修复土壤中。
7.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：将所述黄酮类改良剂替换为槲皮素、山柰酚和异鼠李素的混合物，槲皮素、山柰酚、异鼠李素质量比为2.5-3.5:1.0-1.5:0.5-0.8。
8.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：植物的种植密度为25-35株/m2。
9.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：种子在播种前先用10％-15％过氧化氢溶液浸泡10-12小时后再播种。
10.根据权利要求1所述的改良剂-植物-微生物联合原位修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：黄酮类改良剂的提取方法为将苜蓿根、茎、叶采用超临界二氧化碳萃取技术进行萃取，萃取剂为乙醇，萃取温度为35-45℃，压力为30-40MPa。
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