CN1302866C - 一种土壤重金属污染的植物修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤重金属污染的植物修复方法，是在含重金属的湿润土壤中种植小飞扬草，或所述小飞扬草与苎麻套种，或在此基础上接种重金属活化细菌，所述重金属活化细菌是指芽孢杆菌和假单胞菌。本发明通过植物，分离植物根际重金属的活化细菌，结合植物对重金属的吸收与根际细菌对重金属的活化，实现土壤重金属铅、镉污染的高效快速的修复。
Description
技术领域
本发明涉及环境污染治理技术领域，具体涉及利用植物提取土壤中的铅与镉重金属，从而实现土壤重金属污染的植物修复。
背景技术
土壤重金属污染不仅对农作物的收成与质量有重要影响，而且还影响到大气及水环境质量，甚至通过食物链危及人类健康。土壤重金属污染的传统修复方法通常采用物理、化学的方法，如排土填埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法、稳定化及电化学法等。传统修复方法的原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或增强土壤中的污染物的稳定性使其水溶性、扩散性和生物有效性降低，从而减轻其危害。
传统的土壤重金属污染治理方法虽然治理效果较好，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，并对环境的扰动大等。比如，在澳大利亚，主要是将受重金属污染的土壤取出运到填埋场进行填埋。而对于广大的污染比较严重的发展中国家，它们经济水平不高，这类技术的应用将受到限制。为寻求更有效、可行的解决办法，近年来，针对重金属污染的植物修复技术(phytoremediation)引起了公众及科学界的广泛兴趣。这种技术，通过金属积累(metal-accumulating)植物吸收、转运并积累从而去除土壤或水体中有害金属，被誉为一种低成本、有效的绿色技术。国内外先后利用遏蓝菜与蜈蚣草等实施对土壤镉与砷的植物修复。
真正适合于土壤重金属污染的植物修复技术主要是植物提取技术。植物提取(phytoextracton)指利用高生物量的植物和适合的土壤改良剂使金属从土壤转移并富积在植物的地上部分，再利用传统的农业作业方式进行收割。该方法主要用来处理土壤、底泥和污泥，它最适合于浅层受污染程度较低(2.5～100mg·kg-1)的土壤的修复。
当然同其他技术一样，植物提取修复技术也有不足之处，主要表现在：大多数超积累植物根较浅，生物量小，生长缓慢，通常比其他物理-化学技术耗时长；土壤结构、pH值、盐度、污染物浓度及其他毒性物质可能使超积累植物植被的形成受到限制；污染物可能通过落叶重新回到土壤中去；超积累植物可能为人或动物误食导致食物链的污染。不过，由于其比较优势更为突出，科学工作者对这种应用于重金属污染土壤的修复技术寄予厚望，并努力尝试采取各种措施来弥补其不足之处。
为了提高植物提取修复技术的应用效果，目前世界上的相关研究主要致力于以下几个方面：首先，对植物种及其变种进行筛选、得到对某一具体污染物具有超级修复潜力的植物种；第二，采用基因工程技术改造植物以获得理想的超积累植物；第三，通过农艺措施优化修复过程，如调节pH值、施用肥料及螯合剂。
大多数植物提取修复策略的最终目标是将有毒重金属在植物可收割的地上组织当中进行超积累。针对某种或某些重金属，所采用的植物比一般的植物更具有重金属耐性、并且体内重金属含量也高出很多，通常可达成百上千倍，这类植物我们称之为重金属超积累植物。超积累通常要求金属离子在植物中的含量要大于0.1～1％(干重)；从后处理的角度看，当含量达到这种标准时，植物组织中的金属的回收才有具有经济性。为了防止生物入侵及基因链的污染，采用超积累植物进行修复时，我们总是希望尽量采用本地植物种，因而筛选土著的超积累植物显得特别重要。
在植物提取的实际操作中，植物体内重金属含量高低比植株生物量的大小更有意义。植物对重金属的吸收，不仅与植物本身和土壤中重金属总量有关，还与重金属在土壤中的形态有关。许多资料表明，植物体内的重金属含量并不与土壤中的重金属总量呈现良好的相关性，而是与土壤中具有生物可利用性的重金属含量呈现良好的相关性。重金属进入土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应，形成不同的化学形态，从而影响土壤中重金属的植物可利用性。此外，重金属在土壤中的存在形态会受土壤组分及其一些因素的影响，而在各形态之间处于一个动态平衡，随着环境条件的变化而相应转化。因此，如果能提高重金属的生物可利用性，即活化土壤中重金属，就能提高植物对重金属的吸收效率，从而缩短修复时间，同时又减少后处理量，促进植物修复土壤重金属技术的应用。
重金属在根际中的形态转化研究日益引起许多学者的重视，许多学者注意到了植物与微生物共存体系对重金属超积累植物的重要性。国外Whiting等利用锌的超积累植物结合三种根际细菌的应用，结果表明，重金属得到明显的活化，提高了植物对锌的吸取。土壤微生物能够利用有效的营养和能源，在根际环境中大量繁殖，在土壤渗滤过程中通过分泌有机酸络合并溶解土壤中的重金属。微生物对重金属的溶解主要是通过各种代谢活动直接或间接地进行。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等，从而直接或间接影响着重金属的形态，起到活化重金属的作用，提高植物对重金属的吸收积累，从而提高重金属超积累植物提取土壤重金属的效率。
发明内容
本发明的目的就是提供一种土壤重金属污染的植物修复方法，通过筛选土著超积累植物，分离植物根际重金属的活化细菌，结合超积累植物对重金属的吸收与根际细菌对重金属的活化，实现土壤重金属铅、镉污染的高效快速的修复。
本发明的土壤重金属污染的植物修复方法是在含重金属的湿润土壤中种植小飞扬草。
为了增大表土覆盖，提高整体重金属的提取效率，可以在含重金属的湿润土壤中种植的小飞扬草与苎麻套种。
为了促进小飞扬草与苎麻对镉、铅的吸收提取，可以根据土壤性质在土壤中重金属有效态含量偏低的情况下接种重金属活化细菌。所述重金属活化细菌是指芽孢杆菌(Bacillus sp.)(C6)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)(B7)。
小飞扬草的最佳种植条件：在环境温度10～35℃时，在含重金属的湿润土壤中种植小飞扬草发芽的种子100-200粒/m2土壤。
套种苎麻的最佳条件：在环境温度10～35℃时，在含重金属的湿润土壤中移栽根状茎培植的苎麻幼苗，5～10棵/m2。
小飞扬草的种子先在2～3℃低温春化65-75h，然后温度控制在25-35℃，湿度控制在70-90％温室发芽萌发。
种植的小飞扬草可在镉＜200mg/kg、铅＜3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
种植的野生苎麻可在镉＜200mg/kg、铅＜3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
植物生长旺盛时期分别接种重金属活化细菌C6与B7，最佳方案是按1∶1混合，106个细菌/ml菌液接种，促进小飞扬草与苎麻对镉、铅的吸收提取。
小飞扬草与野生苎麻套种时，小飞扬草播种量可以减半，50～100颗/m2，增加土壤表面覆盖，提高植物对土壤重金属镉、铅的吸收提取。
发明人经过探索性研究发现：
A、重金属超积累植物的筛选与发现。在广东某铅锌矿区分批采集植物样品，测定样品中的重金属铅、镉的含量与植物的其他生理生态特性，获得具有重金属超积累特性与耐性的两种植物野生苎麻(Boehmeria nivea L.)与小飞扬草(Euphorbia hirta L.)，其体内的重金属的含量如下：小飞扬草对Cd的富积达到87.18mg/kg，野生苎麻对Cd、Pb的富集分别达到131.54mg/kg、1261.99mg/kg，达到或基本达到重金属超积累植物的指标要求。
B、植物小飞扬草对水溶液中的重金属镉的富积及其对环境的适应性。小飞扬草在Cd浓度为5mg/kg、10mg/kg的营养液中均可以正常生长，对Cd的污染表现出较高的耐受性，其体内的Cd富积量最低可以达到88.70mg/kg，最高可以达到466.52mg/kg；盆栽试验表明，小飞扬草能受强阳光辐射，耐高温，种子萌发能力强，生长迅速，可以在60天内完成从发芽到种子成熟的生理周期，适合在贫瘠恶劣的生态环境下生存。
C、根际重金属活化细菌的分离与应用。从生长在重金属污染土壤中的植物荠菜(Capsella bursa-pastoris L.)与野生苎麻(Boehmeria nivea L.)根际微生物菌群中分离筛选到两株重金属活化细菌，分别为一种芽孢杆菌(Bacillus sp.)(C6)和一种假单胞菌(Pseudomonas sp.)(B7)，它们对重金属镉的活化效率都达到8.7％。土壤中分别接种C6、B7，使玉米体内重金属镉在灭菌条件下的增幅为5.8％～32.3％，不灭菌条件下增幅为1.8％～18.0％；使小飞扬草体内重金属镉的增幅在灭菌条件下达到32.7％，不灭菌的条件下达到17.6％。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)利用土著植物实施土壤重金属污染的植物修复，提高其对环境的适应能力；
(2)结合根际重金属活化细菌的利用实施土壤重金属污染的植物修复，提高植物提取效率18％左右。
(3)可以回收重金属，无二次污染。
具体的实施方式
实施例1 小飞扬草提取土壤中的镉与铅
(1)小飞扬草育种
小飞扬草用种子萌发，先在2℃低温春化65h左右，然后温度控制在25℃左右，湿度控制在80％左右温室发芽。
(2)植物的种植与生长
小飞扬草播种发芽的种子，100粒左右每m2。种植于湿润土壤中覆土，华南地区环境温度10℃条件下均可种植。植物可在镉10～200mg/kg、铅400～3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
(3)植物体收割与后处理
小飞扬草完成营养生长后(约60天)整株拔除；作好植物残体的后处理(焚烧填埋或回收重金属)，防止二次污染。
(4)具体指标如下
污染深度为：D＝0.2m
土壤容重为：W＝1200kg/m3
污染的平均浓度为：10mgCd/kg，400mgPb/kg(接近广州市土壤重金属污染的情况)，环境温度：10-35℃
要达到的处理目标：0.3mgCd/kg，250mgPb/kg(土壤质量二级标准)
则单位面积需除去：2328mgCd/m2，36000mgPb/m2
小飞扬草生物量B＝200g/m2
重金属吸收能力：80mgCd/kg；500mgPb/kg
单茬提取重金属的量：16mgCd/m2；100mgPb/m2
实施例2 野生苎麻提取土壤中的镉与铅
(1)苎麻育种
苎麻用根状茎繁殖，在温度35℃左右，湿度80％左右培育幼苗。
(2)苎麻种植与生长
苎麻移栽幼苗，10棵每m2。种植于湿润土壤中覆土，华南地区环境温度35℃条件下均可种植。植物可在镉10～200mg/kg、铅400～3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
(3)苎麻收割与后处理
苎麻完成营养生长后(约90天)收割地上部分。作好植物残体的后处理(焚烧填埋或回收重金属)，防止二次污染。
(4)具体指标如下
污染深度为：D＝0.2m
土壤容重为：W＝1200kg/m3
污染的平均浓度为：10mgCd/kg，400mgPb/kg(接近广州市土壤重金属污染的情况)；环境温度：10-35℃
要达到的处理目标：0.3mgCd/kg，250mgPb/kg(土壤质量二级标准)
则单位面积需除去：2328mgCd/m2，36000mgPb/m2
苎麻株高：100-200cm
苎麻生物量：2500g/m2
重金属吸收能力：100mgCd/kg；1000mgPb/kg
单茬提取重金属的量：250mgCd/m2；2500mgPb/m2
实施例3 小飞扬草接种重金属活化细菌提取土壤中的镉与铅
(1)小飞扬草育种
小飞扬草用种子萌发，先在3℃低温春化70h左右，然后温度控制在30℃左右，湿度控制在80％左右温室发芽。
(2)植物的种植与生长
小飞扬草播种发芽的种子，100粒左右每m2。种植于湿润土壤中覆土，华南地区环境温度35℃条件下均可种植。植物可在镉10～200mg/kg、铅400～3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
(3)根际重金属活化细菌接种
接种根际重金属活化细菌，按芽孢杆菌∶假单胞菌为1∶1混合，每千克土壤接种106个细菌/ml菌液50ml，分3次接种，提高植物富积重金属的效率
(4)植物体收割与后处理
小飞扬草完成营养生长后(约60天)整株拔除；作好植物残体的后处理(焚烧填埋或回收重金属)，防止二次污染。
(5)具体指标如下
污染深度为：D＝0.2m
土壤容重为：W＝1200kg/m3
污染的平均浓度为：10mgCd/kg，400mgPb/kg(接近广州市土壤重金属污染的情况)，环境温度：10-35℃
要达到的处理目标：0.3mgCd/kg，250mgPb/kg(土壤质量二级标准)
则单位面积需除去：2328mgCd/m2，36000mgPb/m2
小飞扬草生物量B＝200g/m2
重金属吸收能力：95mgCd/kg；590mgPb/kg
单茬提取重金属的量：19mgCd/m2；118mgPb/m2
实施例4 野生苎麻接种重金属活化细菌提取土壤中的镉与铅
(1)苎麻育种
苎麻用根状茎繁殖，在温度25℃左右，湿度80％左右培育幼苗。
(2)苎麻种植与生长
苎麻移栽幼苗，10棵每m2。种植于湿润土壤中覆土，华南地区环境温度20℃条件下均可种植。植物可在镉10～200mg/kg、铅400～3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
(3)根际重金属活化细菌接种
接种根际重金属活化细菌，按芽孢杆菌∶假单胞菌为1∶1混合，每千克土壤接种106个细菌/ml菌液100ml，分1次接种，提高植物富积重金属的效率
(4)苎麻收割与后处理
苎麻完成营养生长后(约90天)收割地上部分。作好植物残体的后处理(焚烧填埋或回收重金属)，防止二次污染。
(5)具体指标如下
污染深度为：D＝0.2m
土壤容重为：W＝1200kg/m3
污染的平均浓度为：10mgCd/kg，400mgPb/kg(接近广州市土壤重金属污染的情况)；环境温度：10-35℃
要达到的处理目标：0.3mgCd/kg，250mgPb/kg(土壤质量二级标准)
则单位面积需除去：2328mgCd/m2，36000mgPb/m2
苎麻株高：100-200cm
苎麻生物量：2500g/m2
重金属吸收能力：118mgCd/kg；1180mgPb/kg
单茬提取重金属的量：290mgCd/m2；2950mgPb/m2
实施例5 小飞扬草与野生苎麻套种并接种重金属活化细菌后对土壤中镉与铅的提取
(1)小飞扬草与苎麻的育种
小飞扬草用种子萌发，先在3℃低温春化65h左右，然后温度控制在30℃左右，湿度控制在80％左右温室发芽。苎麻用根状茎繁殖，在温度25-35℃左右，湿度80％左右培育幼苗。
(2)植物的种植与生长
小飞扬草播种发芽的种子，70粒左右每m2。苎麻移栽幼苗，5棵每m2。种植于湿润土壤中覆土，华南地区环境温度10℃条件下均可种植。植物可在镉10～200mg/kg、铅400～3000mg/kg污染的土壤中生长，并富积提取重金属。
(3)根际重金属活化细菌接种
接种根际重金属活化细菌，按芽孢杆菌∶假单胞菌为1∶1混合，每千克土壤接种106个细菌/ml菌液50ml，分2次接种，提高植物富积重金属的效率
(4)植物体收割与后处理
小飞扬草完成营养生长后(约60天)整株拔除；苎麻完成营养生长后(约90天)收割地上部分。作好植物残体的后处理(焚烧填埋或回收重金属)，防止二次污染。
(5)具体指标如下：
污染深度为：D＝0.2m
土壤容重为：W＝1200kg/m3
污染的平均浓度为：10mgCd/kg，400mgPb/kg(接近广州市土壤重金属污染的情况)；环境温度：10-35℃
要达到的处理目标：0.3mgCd/kg，250mgPb/kg(土壤质量二级标准)
则单位面积需除去：2328mgCd/m2，36000mgPb/m2
小飞扬草：株高8-15cm，75株/m2；生物量100g/m2(与苎麻套种)
野生苎麻：株高100-200cm，生物量2500g/m2
每茬(小飞扬草+野生苎麻)提取土壤中重金属的量：304mgCd/m2；3068mgPb/m2
Claims (5)
1、一种土壤重金属污染的植物修复方法，其特征在于在含重金属的湿润土壤中种植小飞扬草，在环境温度10～35℃，在含重金属的湿润土壤中种植小飞扬草发芽的种子100-200粒/m2土壤。
2、根据权利要求1所述的土壤重金属污染的植物修复方法，其特征在于所述小飞扬草与苎麻套种，在所述含重金属的湿润土壤中移栽根状茎培植的苎麻幼苗5～10棵/m2。
3、根据权利要求1或2所述的土壤重金属污染的植物修复方法，其特征在于小飞扬草的种子先在2～3℃低温春化65-75h，然后温度控制在25-35℃，湿度控制在70-90％温室发芽。
4、根据权利要求3所述的土壤重金属污染的植物修复方法，其特征在于还包括接种重金属活化细菌，所述重金属活化细菌是指芽孢杆菌和假单胞菌。
5、根据权利要求4所述的土壤重金属污染的植物修复方法，其特征在于接种重金属活化细菌，按芽孢杆菌∶假单胞菌为1∶1混合，每千克土壤接种106个细菌/ml的菌液50-100ml，分1-3次接种。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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