JP4806120B2

JP4806120B2 - Thlaspica erulecens subspecies for cadmium and zinc recovery

Info

Publication number: JP4806120B2
Application number: JP2000584115A
Authority: JP
Inventors: リョン−ミンリ，; ルーフスエル．シャニー，; ロジャーディー．リーブス，; ジェイ．スコットアングル，; アランジェイ．エム．ベーカー，
Original assignee: リ，イン−ミン; ルーフスエル．シャニー，; ロジャーディー．リーブス，; ジェイ．スコットアングル，; アランジェイ．エム．ベーカー，
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: WO2000031308A1; JP2011045875A; EP1200633A4; AU1743200A; CA2352179A1; EP1200633A1; AU765573B2; JP2002530533A

Description

【０００１】
（発明の背景）
連邦政府後援の研究および開発の下でなされた発明の権利に関する陳述
本発明の開発の間になされた研究の一部は、米国政府基金を利用した。米国政府は、本発明において特定の権利を有する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、カドミウムおよび亜鉛をハイパーアキュムレート（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）する植物、ならびに土壌からカドミウムおよび亜鉛を回収するためのその使用に関する。
【０００３】
（関連分野）
採鉱、精錬、および製造廃棄物の処理のような産業上の実施は、環境における毒性金属の濃度を増加させてきた。例えば、多くの亜鉛採鉱および精錬の用地では、土壌中の亜鉛およびカドミウムのレベルが非常に高くなったので、わずかな植物しか残存せず、局所的な生態系の深刻な崩壊を生じた。一旦、亜鉛およびカドミウムが土壌に入ると、それらは比較的不動であり、かつより毒性のない物質へ分解しないので、それらの除去は難しい。精錬および採鉱廃棄物により影響を及ぼされる面積の大きさは、通常、非常に大きいので、土壌の除去および交換のような土壌改善の工学方法は非常に高価で実践的でない（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍら，ＴｒｅｎｄｓＢｉｏｔｅｃｈｎｏl．１３：３９３−３９７（１９９５））。
【０００４】
特定の植物種の、金属を含有する土壌において生長する能力、およびその組織中に重金属を活発に蓄積する能力は、金属を回収し、そして／または土壌を除染するために、土壌から金属を抽出するためのこのような植物を用いることへの関心を引き起こした。例えば、ハイパーアキュムレーター（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）は、採鉱廃棄物から堆積する稲田におけるカドミウムのレベルを減少させるために用いられ得る。汚染された田畑で生産された米粒の長期消費は、たとえカドミウム濃度が低くてもヒトおよび動物の健康を害し得る。もし、米がカドミウムを吸収する能力をほとんど有しない土壌で生長すると、約１．０ｐｐｍの低い濃度のカドミウムが、害を及ぼし得る。さらに、例えば工業上の事故により堆積した高いレベルの土壌の金属は、ハイパーアキュムレーターを用いて除去され得る。このような除去は、経済的に可能である。
【０００５】
汚染された土壌で、汚染物質を抽出するために植物（作物を含む）を栽培することは、植物抽出（ｐｈｙｔｏｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）といわれる。この方法は、土地の肥沃と風景を保護しながら、崩壊および分散をほとんど引き起こさないので、特に、汚染された耕作に適した土壌において有効である。
【０００６】
特定の型の土壌および地質材料（蚊紋石、ラテライト蚊紋石、超苦鉄質土壌および隕石が衝突した土壌を含む）が、ニッケルおよびコバルトならびに他の金属に富むことは、長い間公知である。これらの土壌は都合良く、金属を蓄積する植物と共に採鉱または耕作され得る。このような鉱物を含む（地学的な（ｇｅｏｇｅｎｉｃ））土壌から金属を抽出するために植物を使用することは、植物採鉱（ｐｈｙｔｏｍｉｎｉｎｇ）といわれる。
【０００７】
Ｔｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ（アルプスグンバイナズナ）（アブラナ科の非収穫性の一種）は亜鉛およびカドミウム寛容性であり、非常に高レベルの両金属を苗条組織（ｓｈｏｏｔｔｉｓｓｕｅ）に蓄積する。しかしながら、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの土壌改善のための有益性は、その大きさが小さいこと（高さ約１５ｃｍ）、成長速度が遅いこと、およびロゼット型の生長傾向（これらは機械的収穫を困難にする）により制限されると考えらる。６ヶ月の栽培期での乾燥重量収穫高は、１ヘクタール当たり５ｔと見積もられた（Ｃｈａｎｅｙら，ＣｕｒｒｅｎｔＯｐｉｎｉｏｎｉｎＢｉｏｔｅｃｈ，８：２７９〜２８４（１９９７））。予備的な温室および実地研究での結果に基づき、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓを用いた亜鉛汚染土壌の植物改善のために必要な時間は、１３年から２８年の間であると見積もられた。
【０００８】
Ｂｒｏｗｎら，ＳｏｉｌＳｃｉ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｊ．５９：１２５〜１３３（１９９５）は、２年間の実地研究を行い、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ、Ｓｉｌｅｎｅｖｕｌｇａｒｉｓ（シラタマソウ、亜鉛寛容性の非ハイパーアキュムレーター）およびレタスを成熟期までまたは２．５〜４．５ヶ月の間、少なくとも１３年前に３つの異なるバイオソリッド処理を受けた土地で栽培した。より低い土壌ｐＨおよびより高い土壌ｐＨに対して最大限の土地がこの野外に存在するように、それぞれの土地のｐＨは２つのレベル（約ｐＨ５．０および約ｐＨ６．５）に調節した。研究のため、それぞれの土地の３つの複製に植え付けた。バイオソリッド処理された土壌の金属成分は、それぞれ１１９、１４４および１８１ｍｇ／ｋｇの亜鉛、ならびに１．０、３．０および５．５ｍｇ／ｋｇのカドミウムであった。苗条の亜鉛濃度はＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓにおいて最も高く、最大で４４４０ｍｇ／ｋｇであった。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓのカドミウム濃度（最大金属濃度および最小ｐＨを有する土壌で最大値２８ｍｇ／ｋｇに達した）は、レタスのカドミウム濃度と有意には異ならないが、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓのカドミウム濃度（１８ｍｇ／ｋｇのカドミウム）よりは高かった。しかしながら、著者らはＳ．ｖｕｌｇａｒｉｓがカドミウムの植物改善のためのより良い選択であり得ることを提案する。なぜなら、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓはＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓより低い濃度のカドミウムをその苗条組織に蓄積するものの、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓのより活発な生長が、定着し、そして収穫することを容易にするからである。
【０００９】
ＩｎＳｉｔｕＢｉｏｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ：ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｆｏｒＨｙｄｒｏｃａｒｂｏｎａｎｄＣｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄＳｉｔｅＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，Ｒ．Ｆ．ＨｉｎｃｈｅｅおよびＲ．Ｆ．Ｏｌｆｅｎｂｕｔｔｅｌ（編），Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ，６００〜６０５頁（１９９１）におけるＢａｋｅｒら，「ＩｎｓｉｔｕＤｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＨｅａｖｙＭｅｔａｌＰｏｌｌｕｔｅｄＳｏｉｌｓＵｓｉｎｇＣｒｏｐｓｏｆＭｅｔａｌ−ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇＰｌａｎｔｓ−ＡＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙＳｔｕｄｙ」は、温室研究を行った。その研究において、３つのハイパーアキュムレーター（Ｔｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ、ＡｌｙｓｓｕｍｌｅｓｂｉａｃｕｍおよびＡｌｙｓｓｕｍｍｕｒａｌｅ）ならびに３つの非ハイパーアキュムレーター（Ｂｒａｓｓｉｃａｏｌｅｒａｃｅａ（キャベツ）、ｒａｐｈａｎｕｓｓａｔｉｖｕｓ（ラディシュ）およびＡｒａｂｉｄｏｐｓｉｓｔｈａｌｉａｎａ）を、１９４２年から１９６１年まで高金属下水汚泥が適用され、３８０ｍｇ／ｋｇの亜鉛および１１ｍｇ／ｋｇのカドミウムという金属含有量（両者ともヨーロッパ（ＥＣＣ）規制レベル、即ち、３００ｍｇ／ｋｇの亜鉛および３．０ｍｇ／ｋｇのカドミウムを超過している）を生じた土壌で５週間栽培した。しかしながら、ハイパーアキュムレーター植物は、汚染された土壌から経済的に有益なレベルの金属を蓄積をしなかった。例えば、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ中に残った亜鉛含有量は、乾燥重量１ｋｇ当たり約２０００ｍｇであり、そして、カドミウム含有量は乾燥重量１ｋｇ当たり約２０ｍｇであった。
【００１０】
実地研究において、Ｂａｋｅｒら，Ｒｅｓｏｕｃｅｓ，ＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＲｅｃｙｃｌｉｎｇ１１：４１〜４９（１９９４）は、２つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ集団を含むハイパーアキュムレーター６種および３つの非アキュムレーター種（Ｂｒａｓｓｉｃａｎａｐｕｓ（ナタネ）およびラディッシュを含む）を、４４４ｍｇ／ｋｇの亜鉛および１３．６ｍｇ／ｋｇのカドミウム（ｐＨ６．６）を含む下水汚泥で汚染された土壌で５〜６ヶ月栽培した。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの地上のバイオマスにおける亜鉛の最大濃度は、６５００ｍｇ／ｋｇであった。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓは、土壌からの最大の亜鉛除去率を有し、１ヘクタール当たり３０ｋｇの亜鉛を抽出する。
【００１１】
亜鉛およびカドミウムをハイパーアキュムレートする公知の植物を用いて得られた結果の観点から、植物抽出について、価格について、そして土壌除染についてより効率良く、土壌からより多くの金属を除去し得る、大きくおよび／またはより活発なハイパーアキュムレーター植物を所有することが所望される（植物からの金属回収は費用有効的ではないが、そのプロセスは土壌汚染を効果的に除去する）。一般的に、植物改善のためおよび／または植物抽出のために、土壌は約１．０ｐｐｍより多く、約１０，０００ｐｐｍまでのカドミウム、および／または約３００ｐｐｍより多く、約１００，０００ｐｐｍ〜１５０，０００ｐｐｍまでの亜鉛を含む。
【００１２】
（発明の要旨）
従って、本発明は、亜鉛およびカドミウムをハイパーアキュムレートする植物、ならびに植物抽出技術を用いて亜鉛およびカドミウムのような金属を回収するシステムに関する。
【００１３】
カドミウムおよび／または亜鉛を、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌から回収する好ましい方法は、地上組織中にカドミウムおよび亜鉛を蓄積し、そして必要に応じて生成されたカドミウムおよび亜鉛を回収する、少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を栽培する工程を含む。
【００１４】
好ましい実施形態において、その少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、地上組織中に乾燥重量ベースで約０．０１％（１００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または地上組織中に乾燥重量ベースで約０．５％（５０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛を蓄積する。
【００１５】
より好ましい実施形態において、その少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１０００〜約６０００ｍｇのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１５，０００〜約３０，０００ｍｇの亜鉛を蓄積する。
【００１６】
１つの実施形態において、少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は金属の蓄積後、バイオマス材料として収穫され、そして金属はバイオマス材料から回収される。
【００１７】
別の実施形態において、金属は、存在する有機物質を酸化し、そして蒸発させるように、収穫されたバイオマス材料を乾燥し、燃焼することにより回収される。
【００１８】
別の実施形態において、金属は、収穫されたバイオマス材料から、エネルギー回収を伴って灰となる焼却および還元により回収され、カドミウムおよび／または亜鉛を含む鉱石を生じる。
【００１９】
別の実施形態において、土壌は酸性にされるか、または少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の栽培の前に、少なくとも１種類の塩化物塩が土壌に添加される。
【００２０】
本発明はさらに、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌を除染する方法に関し、その方法は、乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１００から約６０００ｍｇまでのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約５０００から約３０，０００ｍｇまでの亜鉛を蓄積する少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を、その少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物がこのような量のカドミウムおよび／または亜鉛を蓄積するのを許容するのに充分な条件下で栽培する工程を含む。
【００２１】
本発明はさらに、カドミウムおよび／または亜鉛を含有する土壌で栽培され、地上組織中に、組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約１００ｍｇから組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約６０００ｍｇまでの濃度でカドミウムを蓄積し、そして／または地上組織中に、組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約５０００ｍｇから組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約３０，０００ｍｇまでの濃度で亜鉛を蓄積する、単離されたＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物に関する。
【００２２】
本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の花粉に関する。
【００２３】
本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の全ての生理学上および形態学上の性質を有する植物に関する。
【００２４】
本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の増殖物質に関する。
【００２５】
好ましい実施形態において、単離されたＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物はＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５である。
【００２６】
本発明はさらに、栽培されたＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５（その種子は、ＡＴＣＣ受託番号第２０３４３９号に寄託されている）に関する。
【００２７】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明では、特定の金属が、金属含量の多い土壌から、金属−ハイパーアキュムレーター（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）として分類される植物を使用する植物抽出技術を使用して、選択的に回収され得るということが、開示された。金属含量の多い土壌で選択された植物を栽培することによって、その根によって吸収された高濃度の金属は、地上組織（例えば、茎、葉、花ならびに葉および茎の組織）に転流される。このことは、土壌から抽出される金属の回収を容易にし、その結果金属で汚染された土地は再生させられ得、そしてこれらの金属は随意に収集される。
【００２８】
１つの実施形態では、カドミウムおよび／または亜鉛は、カドミウムおよび／または亜鉛を地上組織に蓄積する少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を栽培し、そして生成されたカドミウムおよび／または亜鉛を回収することによって、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌から回収される。
【００２９】
土壌の改善のための好ましい実施形態では、少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織中に約０．０１％（約１００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織中に約０．５％（５０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛、を蓄積する。
【００３０】
金属回収のための好ましい実施形態では、少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織中に約０．１％（１０００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織中に約１．５％（約１５，０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛、を蓄積する。
【００３１】
より好ましい実施形態では、ハイパーアキュムレーターは、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５（Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの亜種）であり、これはその他の亜鉛−アキュムレーターまたはその他のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ亜種よりも、ずっとより多くのカドミウムを蓄積する（図２）。詳細には、この亜種は、少なくとも約１０００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条および少なくとも約１８，０００ｍｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条、を蓄積する能力を有する（図１）。
【００３２】
栽培の後、ハイパーアキュムレーター植物は、従来の様式（すなわち、この植物を土壌レベルで切ることによって）で収穫され得る。次いで、この収穫された材料は、植物の組織中に存在する大部分の水分を除去するために、アルファルファが乾燥される様式とほぼ同じ様式で乾燥するために、放置され得る。乾燥工程の後、植物組織は、乾草作製の通常の農業慣行によって、圃場から収集され得、焼却され得、そしてエネルギー回収を伴うかまたは伴わないで灰にされ得る。あるいは、乾燥された植物材料は、濃酸で加水分解され得、米国特許第５５，４０７，８１７号、同第５，５７１，７０３号および同第５，７７９，１６４号に従って回収される糖および金属を生成する。次いでこれらの糖は、発酵させられ得、エタノールを生成する。
【００３３】
あるいは、ガス状のＣｄおよびＺｎ金属が、大部分の灰成分から分離される高温ガス（より高温またはより低温で、液体の蒸留および異なる留分の異なる温度での回収と類似の様式で濃縮する）から濃縮されるように、焼却炉からの排出ガス（ｏｆｆｇａｓ）の温度は、モニターされ得る。通常の鉱石では、これは、精錬所での第一の処理工程において不可能である。しかし植物抽出の植物の焼却では、蒸留は、燃焼および電力生成の間おそらく効果的である。
【００３４】
またあるいは、生じた乾燥植物材料は、公知の焙焼、焼結または精練方法によってさらに処理され得、これらの方法は、灰または鉱石中の金属が、従来の金属精錬方法（例えば、酸溶解および電解採取）に従って回収されることを可能にする。
【００３５】
従来の約２６０℃から約１０００℃の、精練、焙焼および焼結温度は、乾燥された植物材料を燃焼し、存在する有機材料を酸化および気化させるのに十分である。これにより、金属精練を妨害することで知られる汚染物質をほとんど含まない、蓄積された金属の残渣が残る。さらに、灰中のその他の成分（例えば鉛）の濃度は、従来の採掘された鉱石の濃縮物よりも低いことが期待される。
【００３６】
好ましい実施形態では、植物の組織は収集され、焼却されそしてエネルギー回収とともに灰になる。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの灰中の要素は、灰からのＺｎおよびＣｄの回収の妨害をほとんど生じない。結果として、高品位鉱石の植物灰である。
【００３７】
亜鉛およびカドミウムの植物抽出におけるＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの有用性の評価では、最初に実験研究を行い、ここでＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの２０の遺伝子型を、異なる汚染部位から収集した。１２週間の間、収集された植物を、高濃度の亜鉛およびカドミウム（２０００ｍＭＺｎ、４０ｍＭＣｄ）ならびに低濃度の亜鉛およびカドミウム（３．１６ｍＭＺｎ、０．０６３ｍＭＣｄ）で処理された栄養液システムで評価した。この栄養液システムは、ＦｅをＺｎおよびＣｄ存在下で可溶性にしておくための選択的鉄キレート剤を含む、半強度ＨｏａｇｌａｎｄＳｏｌｕｔｉｏｎであった。苗条の亜鉛およびカドミウムの濃度、植物のＣｄ：Ｚｎ比ならびに苗条バイオマス（すなわち苗条の収量）について試験された２０の遺伝子型の間で、有意の差を見出した。試験されたいくつかの遺伝子型は、高濃度の亜鉛およびカドミウムに対して低い耐性を有していた。苗条中の亜鉛およびカドミウムの蓄積は、約２０，６００ｍｇ／ｋｇから４４，７００ｍｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条、および約６２５ｍｇ／ｋｇから約５５１０ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条の範囲にわたり、広く変化したことを見出した。苗条Ｃｄ：Ｚｎ比（質量ベースでＣｄ濃度をＺｎ濃度で割ったもの）は、遺伝子型の間で、約３．０％から約２２％まで変化した。
【００３８】
続いて、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓのいくつかの遺伝子型を、ペンシルバニア州Ｐａｌｍｅｒｔｏｎの亜鉛精練用地で、試験した。この場所では、亜鉛精練が８０年間行なわれ、精錬所に隣接する地域社会の土壌の甚大な汚染を引き起こしている。選択されたＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型群のこの研究は、異なるＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型から得られた苗条における、広範囲の亜鉛耐性および広範囲のＣｄ：Ｚｎ比を確認した。図１および図２に示されるように、カドミウム蓄積およびＣｄ：Ｚｎ比における顕著な変化を観察した。さらに、低い土壌ｐＨが、亜鉛およびカドミウムの苗条中の蓄積に有利であることを見出した。さらに、「Ｐｒａｙｏｎ」遺伝子型（Ｇ１８）は、約２０ｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条および約２００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条という成果を上げたが、高Ｃｄ：Ｚｎ比遺伝子型の一つ（Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５）は、約１８００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条および約１８ｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条を蓄積した。
【００３９】
一般的に、土壌がＣｄおよびＺｎの両方を含む場合、土壌Ｃｄは、土壌Ｚｎの約０．５％から約２．０％である。例えば、約１５０，０００ｐｐｍ（約１５％）のＺｎを含む土壌は、しばしば約３０００ｐｐｍ（約０．３％）より多くのＣｄを含まない。従って、苗条収量が約２．５％Ｚｎならば、Ｔｈｌａｓｐｉについての大抵の研究で使用される遺伝子型を用いて回収することが期待され得る最高のＣｄは、土壌が典型的なＣｄおよびＺｎレベルを有するという条件で、約０．０２５％である。しかし、遺伝子型Ｇ１５は、単位量のＺｎ当たりさらにＣｄを蓄積する能力を有するため、Ｇ１５は、植物損傷なしで０．６％ｍｇ／ｋｇのＣｄに達し得る。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５の種子は、ブダペスト条約の規定に基づいて、１９９８年１１月６日に、ＡｍｅｒｉｃａｎＴｙｐｅＣｕｌｔｕｒｅＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ、１０８０１、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＢｌｖｄ．、Ｍａｎａｓｓａｓ、ＶＡ２０１１０−２２０９に寄託され、ＡＴＣＣ受託番号第２０３４３９号を割り当てられた。
【００４０】
この研究は、０．０５（すなわち約５．０％）より大きいＣｄ：Ｚｎ比を有する金属−アキュムレーターが、０．０５より小さい比を有するアキュムレーターよりも速く、土壌からカドミウムを回収するという事実を支持する。高カドミウム−蓄積遺伝子型は、カドミウム汚染土壌の高速植物改善のために有用である。このカドミウム汚染土壌は、上記のような汚染土壌で栽培されたコメまたはタバコの生活消費者において有害な健康の影響を引き起こす。
【００４１】
Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓＧ１５が亜鉛およびカドミウムを地上植物組織にハイパーアキュムレートする能力があるが、とりわけ、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの生長能力は、雑草コントロールによって植物の競合が制限される場合に、かなり増加するので、生長のための肥料および／または雑草コントロールが、特に汚染された土壌において、ハイパーアキュムレーションを増加させるために、使用され得る。好ましい肥料は、アンモニウム含有またはアンモニウム生成肥料である。肥料の使用自体は、周知であり、条件に合った肥料およびプロトコルは、わずかな慣用的な実験で、当業者によって容易に決定され得る。農業または園芸において使用される、Ｐ（全ての植物の生長に必要）、Ｋ、Ｃａ、およびＭｇについての通常の土壌試験値によって、当業者は、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を生長させるための施肥に関する必要な情報を得ることができる。
【００４２】
肥料の使用に加え、土壌酸性化は、上記のように、亜鉛およびカドミウムの摂取を増加させ得る。土壌が規制のＺｎおよびＣｄの限度またはそれに近い量を含む場合、ｐＨは、約４．５から約６．５まで下げられ得、金属の摂取を最大にする。非常に酸性のｐＨでは、土壌中に存在するＡｌおよびＭｎは、可溶性になリ、今度はこれが植物の収量を減少させる。土壌がＺｎおよびＣｄにおいて特に高い場合、確実に植物を生存させるためにｐＨを上昇しなければならない。土壌のｐＨは、約９．０まで高く上げられ得る。従って、好ましい土壌ｐＨは、約４．５から約９．０の範囲である。
【００４３】
土壌を酸性化するために、有機酸および無機酸のような酸が使用され得る。このような有機酸および無機酸の例としては、酢酸、塩酸、水性硫酸などが挙げられる。好ましい実施形態では、無機硫黄が、土壌ｐＨを下げるために使用される。無機硫黄は、土壌微生物によって酸化され、土壌内に硫酸を生成する。土壌ｐＨが低過ぎるならば、塩基（例えば石灰石もしくは苦灰質石灰石、石灰もしくは苦灰質石灰、消石灰もしくは苦灰質消石灰、またはそれらの副生成物（炭酸カルシウム等価物もしくはその混合物を含む））が、土壌ｐＨを上げるために使用され得る。土壌に添加される酸または塩基の濃度は、最初の土壌ｐＨ、所望される最終土壌ｐＨおよび土壌の特質に依存する。当業者は、当該分野で周知の一般の土壌分析方法を使用して、必要な酸または塩基の適切な濃度を、容易に決定し得る。
【００４４】
表１は、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓおよび１９９３年産のレタスにおける、亜鉛、カドミウムおよび鉛の蓄積への、肥料および酸性化処理の効果を示す。土壌の初期条件は、２５ｍｇ／ｋｇのＣｄ、４７５ｍｇ／ｋｇのＺｎおよび１５５ｍｇ／ｋｇのＰｂを含み、非常に石灰質であった。試験圃場の土壌は、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌからの汚泥が、Ｃｄ−Ｎｉバッテリー製造業者由来のカドミウムで非常に汚染された時期の下水汚泥焼却炉由来の灰の適用によって、金属含量が多くなっていた。石灰が汚泥を脱水するために使用されたが、このことは、硫黄処理が土壌を期待される程度に酸性化することを妨げた。植物中の非常に低い濃度の鉛は、鉛のハイパーアキュムレーションが、適切なリンが提供される場合には可能ではないようであるという、大部分の研究者の経験を確かなものにした。リンは根から苗条への鉛の転流、および従って鉛の摂取を阻害する。この阻害は土壌中または根細胞中で形成する不溶性の鉛−リン酸塩によって引き起こされる。さらに、リンの操作は、ＺｎまたはＣｄ植物抽出に影響を及ぼさないようである。
【００４５】
表１．再生圃場（Ｓｔ．Ｐａｕｌ、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）でのＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓおよびレタスの苗条における金属蓄積への、硫黄（Ｓ）および窒素肥料（Ｎ）の処理の効果
【００４６】
【表１】

通常の肥料のレベルの窒素を、根の近傍のｐＨが、アンモニウム−Ｎの添加によって下げられ、そして硝酸−Ｎの添加によって上げられるため、二つの化学的形状で土壌に添加した。硫黄を、土壌が多くの遊離石灰等価物を含むため、添加した。添加された硫黄の量は、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｎまたはＡｌの毒性で植物を枯らすことなく、ｐＨを有意に下げるのに十分であった。具体的には、１４．５ｔ／ｈａの硫黄を添加した。
【００４７】
汚染された土壌のためのその他の可能な添加物は、金属キレート剤である。金属キレートは、農業において一般的に使用され、生存細胞中に天然に存在する。キレート剤（例えば、ニトリロ（ｎｉｔｏｒｏｌｏ）三酢酸（ＮＴＡ）、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、エチレングリコール−ビス−（β−アミノエチルエーテル−Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−四酢酸（ｐ−ａｍｉｎｏｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ−Ｎ，Ｎ−ｔｅｔｒａａｃｅｔｉｃａｃｉｄ））、または当業者にキレート剤として公知の任意の種々のアミノ−酢酸）の土壌への添加は、地上組織への摂取および転流のための、土壌金属の根表面への移動を改善する。好ましいキレート剤は、ＮＴＡまたはＥＤＴＡである。典型的には、キレート剤を、植物が定着した後、約５０ｋｇ／ｈａから約３０００ｋｇ／ｈａの範囲の濃度で添加する。肥料の使用については、キレート剤の最適の濃度は、ただ慣用的な実験で容易に決定され得る。例えば、ＥＤＴＡが好ましくは１ｋｇの土壌当たり１０ｍｍｏｌである場合、ＥＤＴＡ酸が２９２ｍｇ／ｍｍｏｌでありそして１ｋｇの土壌当たり１０ｍｍｏｌのＥＤＴＡに達するためには１ｋｇの土壌当たり２．９２ｇのＥＤＴＡを添加する必要があるので、添加される量は、２．９２ｋｇＥＤＴＡ／ｔまたは２．９２ｔＥＤＴＡ／ｈａである。
【００４８】
Ｃｄ摂取を改善するが、Ｚｎ摂取にはほとんど影響しない代替のものは、土壌中に遊離の塩化物イオンを遊離する塩化物塩の添加である。しかし、土壌に繰り返し添加されるＮａＣｌは、土壌を害し得る。塩化物はＣｄと錯体（植物に耐性がある塩化物レベルで、無機モノクロロ−Ｃｄおよびジクロロ−Ｃｄ−Ｃｄ）を形成し、これはＣｄの根への拡散速度を増加し、そしてＣｄを根へ流れさせる。好ましい塩化物の濃度は、１ｌにつき約１０から約２００ｍｍｏｌ（約１０から約２００ｍＭ）の塩化物を含む土壌溶液を生じる。最高限度では、塩化物はＴｈｌａｓｐｉ植物にさえ毒性であるが、Ｃｄの除去は増加する。
【００４９】
本発明は、植物抽出を介するカドミウムおよび亜鉛の摂取を増加するための植物および方法に関して、特に詳細に記載される。実施可能性のために必要な場合を除いて、これらの特定の材料へのいかなる限定も意図されず、またこのような限定は、本明細書に添付の特許請求の範囲に課されるべきではない。
【００５０】
前述の記載から、当業者は容易に本発明の本質的な特徴を確かめられ得、そしてその精神および範囲を逸脱することなく、種々の用法および条件に過度の実験なしで適合させるために、本発明の種々の変更および改変をし得る。本明細書中に引用される全ての特許、特許出願および刊行物は、その全体が参考として援用される。
【００５１】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、植物苗条中のカドミウム摂取における遺伝子型の差、を図示する。
【図２】図２は、亜鉛およびカドミウムで汚染された土壌から収集されるいくつかのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型の苗条中の、Ｃｄ：Ｚｎ比を示す、図である。[0001]
(Background of the Invention)
Statement of rights of invention made under federal-sponsored research and development
Some of the work done during the development of the present invention utilized the US Government Fund. The US government has certain rights in this invention.
[0002]
(Field of Invention)
The present invention relates to plants that hyperaccumulate cadmium and zinc, and their use to recover cadmium and zinc from soil.
[0003]
(Related fields)
Industrial practices such as mining, refining, and processing of manufacturing waste have increased the concentration of toxic metals in the environment. For example, in many zinc mining and refining sites, the levels of zinc and cadmium in the soil were so high that only a few plants remained, resulting in a severe collapse of the local ecosystem. Once zinc and cadmium enter the soil, they are difficult to remove because they are relatively immobile and do not decompose into less toxic materials. The size of the area affected by refining and mining waste is usually so large that engineering methods for soil improvement such as soil removal and replacement are very expensive and impractical (Cunningham et al., Trends Biotechnol 13: 393-397 (1995)).
[0004]
The ability of certain plant species to grow in metal-containing soils and to actively accumulate heavy metals in their tissues can be used to recover metals and / or decontaminate the soil from soil. It has generated interest in using such plants for extraction. For example, a hyperaccumulator can be used to reduce the level of cadmium in rice fields deposited from mining waste. Long-term consumption of rice grains produced in contaminated fields can harm human and animal health even at low cadmium concentrations. If rice grows in soils that have little ability to absorb cadmium, low concentrations of cadmium of about 1.0 ppm can be harmful. In addition, high levels of soil metal deposited, for example, by industrial accidents, can be removed using a hyperaccumulator. Such removal is economically possible.
[0005]
Growing plants (including crops) to extract pollutants in contaminated soil is referred to as phytoextraction. This method is particularly effective in soils suitable for contaminated cultivation because it protects the land's fertility and landscape while causing little collapse and dispersal.
[0006]
It has long been known that certain types of soils and geological materials (including mosquito, laterite mosquito, ultramafic and impregnated soils) are rich in nickel and cobalt and other metals. is there. These soils can be conveniently mined or cultivated with metal-accumulating plants. The use of plants to extract metals from soils containing such minerals (geogenic) is referred to as phytomining.
[0007]
Thlaspi caerulescens (a kind of cruciferous non-harvesting) is tolerant of zinc and cadmium and accumulates very high levels of both metals in the shoot tissue. However, T.W. The benefits of caerulescens for soil improvement are limited by its small size (height about 15 cm), slow growth rate, and the tendency to grow rosettes (which make mechanical harvesting difficult) I think. The dry weight yield at 6 months of cultivation was estimated at 5 tons per hectare (Chaney et al., Current Opinion in Biotech, 8: 279-284 (1997)). Based on the results of preliminary greenhouse and field studies, T.W. The time required for plant improvement of zinc-contaminated soil using caerulescens was estimated to be between 13 and 28 years.
[0008]
Brown et al., Soil Sci. Soc. Am. J. et al. 59: 125-133 (1995) conducted a two-year field study, and caerulescens, Silene vulgaris (Zirsium sp., zinc-tolerant non-hyperaccumulator) and lettuce until maturity or 2.5-4.5 months, at least 13 years ago on land that has undergone three different biosolids treatments Cultivated. The pH of each land was adjusted to two levels (about pH 5.0 and about pH 6.5) so that there was maximum land in this field for lower and higher soil pH. Planted on 3 replicas of each land for study. The metal components of the biosolid treated soil were 119, 144 and 181 mg / kg zinc and 1.0, 3.0 and 5.5 mg / kg cadmium, respectively. The shoot zinc concentration is The highest in caerulescens, up to 4440 mg / kg. T.A. C. cerescens cadmium concentration (maximum value reached 28 mg / kg in soil with maximum metal concentration and minimum pH) is not significantly different from cadmium concentration in lettuce, It was higher than the cadmium concentration of vulgaris (18 mg / kg cadmium). However, the authors are We propose that vulgaris may be a better choice for cadmium plant improvement. Because S. vulgaris is described in T.W. Although a lower concentration of cadmium is accumulated in the shoot tissue than S. caerulescens, This is because the more vigorous growth of vulgaris makes it easier to settle and harvest.
[0009]
In Situ Bioreclamation: Applications and Investigations for Hydrocarbon and Conjugated Site Remediation, R.A. F. Hinchee and R.H. F. “In situ Detamination of Heavy-Availed-Soil-A-Pulsed-Singing-Crossed”, Baker et al. went. In that study, three hyper-accumulators (Thlaspi caerulescens, Alyssum lesbiacum and Alyssum mural) and three non-hyper-accumulators (Brassica oleracea), Raphanus sativus (Radis) and 19 to 42 years, Arabidopsis 19 High metal sewage sludge is applied and metal content of 380 mg / kg zinc and 11 mg / kg cadmium (both exceed European (ECC) regulatory levels, ie 300 mg / kg zinc and 3.0 mg / kg cadmium Cultivated for 5 weeks in soil. However, hyperaccumulator plants did not accumulate economically beneficial levels of metal from contaminated soil. For example, T.W. The zinc content remaining in the caerulescens was about 2000 mg / kg dry weight and the cadmium content was about 20 mg / kg dry weight.
[0010]
In field work, Baker et al., Resources, Conservation and Recycling 11: 41-49 (1994) are Six hyperaccumulators including the Caerulescens population and three non-accumulator species (including Brassica napus and radish) and sewage containing 444 mg / kg zinc and 13.6 mg / kg cadmium (pH 6.6). Cultivated for 5-6 months on soil contaminated with sludge. T.A. The maximum concentration of zinc in the above-ground biomass of caerulescens was 6500 mg / kg. T.A. caerulescens has the highest zinc removal rate from the soil and extracts 30 kg of zinc per hectare.
[0011]
In view of the results obtained with known plants hyperaccumulating zinc and cadmium, it can remove more metals from the soil, more efficiently for plant extraction, for price and for soil decontamination It is desirable to own a more active hyperaccumulator plant (and metal recovery from the plant is not cost effective, but the process effectively removes soil contamination). Generally, for plant improvement and / or plant extraction, soil is greater than about 1.0 ppm, up to about 10,000 ppm cadmium, and / or greater than about 300 ppm, about 100,000 ppm to 150,000 ppm. Contains up to zinc.
[0012]
(Summary of the Invention)
Accordingly, the present invention relates to plants that hyperaccumulate zinc and cadmium and systems that recover metals such as zinc and cadmium using plant extraction techniques.
[0013]
A preferred method of recovering cadmium and / or zinc from soil containing cadmium and / or zinc accumulates cadmium and zinc in ground tissue and optionally recovers cadmium and zinc produced. Types of T. cultivating a caerulescens plant.
[0014]
In a preferred embodiment, the at least one T.P. Caerulescens plants are about 0.01% (100 mg / kg) to about 0.6% (6000 mg / kg) cadmium on a dry weight basis in ground tissue, and / or about 0.00% on a dry weight basis in ground tissue. Accumulate from 5% (5000 mg / kg) to about 3.0% (30,000 mg / kg) zinc.
[0015]
In a more preferred embodiment, the at least one Thlaspi caerulescens plant is about 1000 to about 6000 mg cadmium per kg ground tissue on a dry weight basis, and / or about 15,000 to about 30 per kg ground tissue on a dry weight basis. Accumulate 1,000 mg of zinc.
[0016]
In one embodiment, at least one T.P. Caerulescens plants are harvested as biomass material after metal accumulation, and the metal is recovered from the biomass material.
[0017]
In another embodiment, the metal is recovered by drying and burning the harvested biomass material so as to oxidize and evaporate the organic material present.
[0018]
In another embodiment, the metal is recovered from the harvested biomass material by incineration and reduction to ash with energy recovery, yielding ores containing cadmium and / or zinc.
[0019]
In another embodiment, the soil is acidified or at least one T. pylori. Prior to cultivation of caerulescens plants, at least one chloride salt is added to the soil.
[0020]
The present invention further relates to a method for decontaminating soil containing cadmium and / or zinc, the method comprising from about 100 to about 6000 mg of cadmium per kg of ground tissue on a dry weight basis, and / or ground tissue on a dry weight basis. Allow at least one Thlaspi caerulescens plant to accumulate from about 5000 to about 30,000 mg zinc per kg, allowing the at least one Thlaspi caerulescens plant to accumulate such amounts of cadmium and / or zinc A step of cultivating under sufficient conditions.
[0021]
The present invention is further cultivated in soil containing cadmium and / or zinc and accumulates cadmium in the ground tissue at a concentration from about 100 mg / kg tissue dry weight to about 6000 mg / kg tissue dry weight, and It relates to an isolated Thlaspi caerulescens plant that accumulates zinc in ground tissue at a concentration of about 5000 mg / kg tissue dry weight to about 30,000 mg / kg tissue dry weight.
[0022]
The present invention further relates to the pollen of a Thlaspi caerulescens plant.
[0023]
The invention further relates to plants having all the physiological and morphological properties of Thlaspi caerulescens plants.
[0024]
The invention further relates to a growth substance of Thlaspi caerulescens plants.
[0025]
In a preferred embodiment, the isolated Thlaspi caerulescens plant is caerulescens G15.
[0026]
The present invention further relates to cultivated Thlaspi caerulescens G15, whose seeds are deposited in ATCC Deposit No. 203439.
[0027]
Detailed Description of Preferred Embodiments
In the present invention, certain metals can be selectively recovered from high metal content soils using plant extraction techniques using plants classified as metal-hyperaccumulators. Disclosed. By cultivating selected plants in soils rich in metal content, high concentrations of metal absorbed by their roots are translocated to ground tissues (eg, stems, leaves, flowers and leaf and stem tissues). This facilitates the recovery of metals extracted from the soil so that the soil contaminated with metals can be regenerated and these metals are optionally collected.
[0028]
In one embodiment, the cadmium and / or zinc is at least one T.D. that accumulates cadmium and / or zinc in ground tissue. It is recovered from soil containing cadmium and / or zinc by cultivating caerulescens plants and recovering the produced cadmium and / or zinc.
[0029]
In a preferred embodiment for soil improvement, at least one T.P. Caerulescens plants have about 0.01% (about 100 mg / kg) to about 0.6% (6000 mg / kg) cadmium in ground tissue on a dry weight basis, and / or about 0 in ground tissue on a dry weight basis. Accumulate from 5% (5000 mg / kg) to about 3.0% (30,000 mg / kg) zinc.
[0030]
In a preferred embodiment for metal recovery, at least one T.P. Caerulescens plants are about 0.1% (1000 mg / kg) to about 0.6% (6000 mg / kg) cadmium in ground tissue on a dry weight basis, and / or about 1.% in ground tissue on a dry weight basis. Accumulate 5% (about 15,000 mg / kg) to about 3.0% (30,000 mg / kg) zinc.
[0031]
In a more preferred embodiment, the hyperaccumulator is caerulescens G15 (subspecies of T. caerulescens), which is another zinc-accumulator or other T. caerulescens. It accumulates much more cadmium than the Caerulescens subspecies (Figure 2). Specifically, this subspecies has the ability to accumulate at least about 1000 mg / kg Cd dry shoots and at least about 18,000 mg / kg Zn dry shoots (FIG. 1).
[0032]
After cultivation, the hyperaccumulator plant can be harvested in a conventional manner (ie by cutting the plant at the soil level). This harvested material can then be left to dry in approximately the same manner that the alfalfa is dried in order to remove most of the moisture present in the plant tissue. After the drying step, the plant tissue can be collected from the field, incinerated, and ashed with or without energy recovery by normal agricultural practices for haymaking. Alternatively, the dried plant material can be hydrolyzed with concentrated acid and recovered in accordance with US Pat. Nos. 55,407,817, 5,571,703, and 5,779,164 and Produce metal. These sugars can then be fermented to produce ethanol.
[0033]
Alternatively, gaseous Cd and Zn metals are concentrated in a manner similar to hot gas (higher or lower temperature, liquid distillation and recovery of different fractions at different temperatures separated from most ash components. The temperature of the exhaust gas from the incinerator can be monitored as it is concentrated from. With ordinary ore, this is not possible in the first processing step at the smelter. However, in plant incineration of plant extracts, distillation is probably effective during combustion and power generation.
[0034]
Alternatively, the resulting dried plant material can be further processed by known roasting, sintering, or scouring methods, in which the metal in the ash or ore is converted to conventional metal smelting methods (eg, acid dissolution and It can be recovered according to electrowinning.
[0035]
Conventional scouring, baking and sintering temperatures from about 260 ° C. to about 1000 ° C. are sufficient to burn the dried plant material and oxidize and vaporize the organic material present. This leaves an accumulated metal residue that is substantially free of contaminants known to interfere with metal scouring. Furthermore, the concentration of other components in the ash (eg lead) is expected to be lower than conventional mined ore concentrates.
[0036]
In a preferred embodiment, plant tissue is collected, incinerated, and becomes ash with energy recovery. T.A. The elements in the caerulescens ash produce little interference with the recovery of Zn and Cd from the ash. The result is a high-grade ore plant ash.
[0037]
T. in plant extraction of zinc and cadmium In assessing the usefulness of Caerulescens, an experimental study was first conducted, where T. Twenty genotypes of caerulescens were collected from different sites of contamination. For 12 weeks, harvested plants were treated with a nutrient solution system treated with high concentrations of zinc and cadmium (2000 mM Zn, 40 mM Cd) and low concentrations of zinc and cadmium (3.16 mM Zn, 0.063 mM Cd). evaluated. This nutrient solution system was a semi-strength Hoagland Solution containing a selective iron chelator to keep Fe soluble in the presence of Zn and Cd. Significant differences were found among the 20 genotypes tested for shoot zinc and cadmium concentrations, plant Cd: Zn ratio and shoot biomass (ie shoot yield). Some genotypes tested had low resistance to high concentrations of zinc and cadmium. Zinc and cadmium accumulation in shoots varied widely, ranging from about 20,600 mg / kg to 44,700 mg / kg Zn dry shoots and about 625 mg / kg to about 5510 mg / kg Cd dry shoots. I found it. The shoot Cd: Zn ratio (Cd concentration divided by Zn concentration on a mass basis) varied from about 3.0% to about 22% between genotypes.
[0038]
Subsequently, T.W. Several caerulescens genotypes were tested at a zinc refinery site in Palmerton, Pa. In this place, zinc scouring has been carried out for 80 years, causing massive pollution of the soil in the community adjacent to the smelter. Selected T. This study of the Caerulescens genotype group is different from A wide range of zinc tolerance and a wide range of Cd: Zn ratios were identified in shoots obtained from the caerulescens genotype. As shown in FIGS. 1 and 2, significant changes in cadmium accumulation and Cd: Zn ratio were observed. Furthermore, it has been found that low soil pH favors accumulation in zinc and cadmium shoots. In addition, the “Prayon” genotype (G18) has yielded about 20 g / kg Zn dry shoots and about 200 mg / kg Cd dry shoots, but one of the high Cd: Zn ratio genotypes (T. caerulescens). G15) accumulated about 1800 mg / kg Cd dry shoots and about 18 g / kg Zn dry shoots.
[0039]
Generally, if the soil contains both Cd and Zn, the soil Cd is about 0.5% to about 2.0% of the soil Zn. For example, soils containing about 150,000 ppm (about 15%) Zn often do not contain more Cd than about 3000 ppm (about 0.3%). Thus, if the shoot yield is about 2.5% Zn, the highest Cd that can be expected to be recovered using the genotype used in most studies on Thlaspi is the Cd and Zn levels typical of soil Is about 0.025% under the condition of having However, since genotype G15 has the ability to accumulate more Cd per unit amount of Zn, G15 can reach 0.6% mg / kg Cd without plant damage. T.A. Caesulescens G15 seeds were obtained from American Type Culture Collection, 10801, University Blvd. on November 6, 1998, based on the provisions of the Budapest Treaty. , Manassas, VA 20110-2209 and assigned ATCC Deposit No. 203439.
[0040]
This study shows that metal-accumulators with a Cd: Zn ratio greater than 0.05 (ie about 5.0%) recover cadmium from soil faster than accumulators with a ratio less than 0.05. Support the facts. High cadmium-accumulating genotypes are useful for rapid plant improvement of cadmium contaminated soil. This cadmium-contaminated soil causes harmful health effects in consumers living with rice or tobacco grown in such contaminated soil.
[0041]
T.A. Caerulescens G15 has the ability to hyperaccumulate zinc and cadmium into above-ground plant tissues, among others T. cerevisiae. The growth capacity of caerulescens increases considerably when weed control limits plant competition, so that fertilizers and / or weed controls for growth increase hyperaccumulation, especially in contaminated soil. Can be used. Preferred fertilizers are ammonium-containing or ammonium-producing fertilizers. The use of fertilizers is well known per se, and suitable fertilizers and protocols can be readily determined by those skilled in the art with few routine experiments. The usual soil test values for P (required for the growth of all plants), K, Ca and Mg used in agriculture or horticulture, allow the person skilled in the art to Necessary information on fertilization for growing caerulescens plants can be obtained.
[0042]
In addition to the use of fertilizers, soil acidification can increase zinc and cadmium intake, as described above. If the soil contains amounts at or near the limits of regulated Zn and Cd, the pH can be lowered from about 4.5 to about 6.5, maximizing metal uptake. At very acidic pH, Al and Mn present in the soil become soluble, which in turn reduces plant yield. If the soil is particularly high in Zn and Cd, the pH must be raised to ensure plant survival. The pH of the soil can be raised to about 9.0. Accordingly, a preferred soil pH is in the range of about 4.5 to about 9.0.
[0043]
Acids such as organic and inorganic acids can be used to acidify the soil. Examples of such organic and inorganic acids include acetic acid, hydrochloric acid, aqueous sulfuric acid and the like. In a preferred embodiment, inorganic sulfur is used to lower the soil pH. Inorganic sulfur is oxidized by soil microorganisms to produce sulfuric acid in the soil. If the soil pH is too low, the base (eg limestone or dolomite limestone, lime or dolomite lime, slaked lime or dolomite slaked lime, or by-products thereof (including calcium carbonate equivalents or mixtures thereof)) Can be used to raise the pH. The concentration of acid or base added to the soil depends on the initial soil pH, the desired final soil pH and the nature of the soil. One skilled in the art can readily determine the appropriate concentration of acid or base required using common soil analysis methods well known in the art.
[0044]
Table 1 shows T.W. Figure 2 shows the effect of fertilizer and acidification treatment on the accumulation of zinc, cadmium and lead in caerulescens and 1993 lettuce. The soil initial conditions were very calcareous, including 25 mg / kg Cd, 475 mg / kg Zn and 155 mg / kg Pb. The soil in the test field was St. Minnesota St. The application of ash from sewage sludge incinerators when the sludge from Paul was highly contaminated with cadmium from Cd-Ni battery manufacturers resulted in increased metal content. Lime was used to dewater the sludge, which prevented the sulfur treatment from acidifying the soil to the expected degree. The very low concentration of lead in plants confirmed the experience of most researchers that hyperaccumulation of lead does not seem to be possible when adequate phosphorus is provided. Phosphorus inhibits lead translocation from roots to shoots and thus lead uptake. This inhibition is caused by insoluble lead-phosphate that forms in the soil or root cells. Furthermore, phosphorus manipulation does not appear to affect Zn or Cd plant extraction.
[0045]
Table 1. Effect of treatment with sulfur (S) and nitrogen fertilizer (N) on metal accumulation in Thlaspi caerulescens and lettuce shoots in reclaimed fields (St. Paul, Minnesota)
[0046]
[Table 1]

Normal fertilizer levels of nitrogen were added to the soil in two chemical forms as the pH near the roots was lowered by the addition of ammonium-N and increased by the addition of nitrate-N. Sulfur was added because the soil contains many free lime equivalents. The amount of sulfur added was sufficient to significantly lower the pH without killing the plants with the toxicity of Zn, Cd, Mn or Al. Specifically, 14.5 t / ha sulfur was added.
[0047]
Another possible additive for contaminated soil is a metal chelator. Metal chelates are commonly used in agriculture and occur naturally in living cells. Chelating agents (e.g., nitrilotriacetic acid (NTA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), ethylene glycol-bis- (β-aminoethyl ether-N, N, N, N-tetraacetic acid (p-aminoethylether-N , N-tetraacetic acid)), or any of various amino-acetic acids known to those skilled in the art as chelating agents, can be added to the soil metal root surface for uptake and translocation to ground tissue. Improve the movement. Preferred chelating agents are NTA or EDTA. Typically, the chelating agent is added at a concentration ranging from about 50 kg / ha to about 3000 kg / ha after the plant has settled. For the use of fertilizers, the optimal concentration of chelating agent can be readily determined by routine experimentation. For example, if EDTA is preferably 10 mmol / kg soil, EDTA acid is 292 mg / mmol and 2.92 g EDTA / kg soil needs to be added to reach 10 mmol EDTA / kg soil. As such, the amount added is 2.92 kg EDTA / t or 2.92 tEDTA / ha.
[0048]
An alternative that improves Cd uptake but has little effect on Zn uptake is the addition of chloride salts that liberate free chloride ions into the soil. However, NaCl repeatedly added to the soil can harm the soil. Chloride forms a complex with Cd (at the level of chloride resistant to plants, inorganic monochloro-Cd and dichloro-Cd-Cd), which increases the diffusion rate of Cd into the root and Cd into the root Let it flow. A preferred chloride concentration results in a soil solution containing about 10 to about 200 mmol (about 10 to about 200 mM) of chloride per liter. At the maximum, chloride is toxic even to Thlaspi plants, but Cd removal is increased.
[0049]
The present invention is described in particular detail with respect to plants and methods for increasing cadmium and zinc intake through plant extraction. Except as required for practicability, no limitation to these particular materials is intended and such limitation should not be imposed on the claims appended hereto. Absent.
[0050]
From the foregoing description, one skilled in the art can readily ascertain the essential features of the invention and to adapt it to various usages and conditions without undue experimentation without departing from the spirit and scope thereof. Various changes and modifications of the invention may be made. All patents, patent applications and publications cited herein are incorporated by reference in their entirety.
[0051]
[Table 2]

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates genotype differences in cadmium intake in plant shoots.
FIG. 2 shows several T. coli collected from soil contaminated with zinc and cadmium. FIG. 5 is a diagram showing the Cd: Zn ratio in Caerulescens genotype shoots.

Claims

A method for recovering cadmium and / or zinc from soil containing cadmium and / or zinc, comprising the following steps:
(A) at least one Thlaspi that accumulates about 1000 mg to about 6000 mg cadmium per kg ground tissue on a dry weight basis and / or about 15,000 mg to about 30,000 mg zinc per kg ground tissue on a dry weight basis; cultivating a caerulescens plant under conditions sufficient to allow the at least one Thlaspi caerulescens plant to accumulate such amounts of cadmium and / or zinc; and (b) the accumulated Recovering cadmium and / or zinc,
Including
Wherein the at least one Thlaspi caerulescens plant is Thlaspi caerulescens G15, and the seed is deposited under ATCC Accession No. 203439.

2. The method of claim 1, wherein the accumulated cadmium and / or zinc harvests the at least one Thlaspi caerulescens plant as biomass material after cadmium and / or zinc accumulation, and A method wherein the cadmium and / or zinc is recovered by recovering from the biomass material.

3. The method of claim 2, wherein the cadmium and / or zinc is obtained by drying and burning the harvested biomass material to oxidize and vaporize organic material present. Recovered from the method.

3. The method of claim 2, wherein the cadmium and / or zinc is recovered from the biomass material by a step of incineration and ash with energy recovery to produce zinc- and / or cadmium-containing ores. ,Method.

A zinc and / or cadmium containing ore produced by the method of claim 4.

The method of claim 1, wherein the soil is acidified prior to cultivation.

The method of claim 1, wherein at least one chloride salt is added to the soil prior to cultivation.

An isolated Thlaspi caerulescens plant cultivated in a cadmium- and / or zinc-containing soil, wherein the Thlaspi caerulescens plant contains cadmium on ground tissue, from about 100 mg / kg dry weight of the tissue to Accumulates at a concentration of about 6000 mg per kg dry weight, and / or accumulates zinc in ground tissue at a concentration of about 5000 mg per kg dry weight of the tissue to about 30,000 mg per kg dry weight of the tissue;
Wherein the Thlaspi caerulescens plant is Thlaspi caerulescens G15, and the seed is deposited under ATCC Accession No. 203439.

The pollen of the plant according to claim 8.

The plant propagation material according to claim 8.

Thlaspi caerulescens G15 seed deposited with ATCC having accession number 203439.

Cultivated Thlaspi caerulescens G15, the seed of which has been deposited under ATCC Accession No. 203439.

A method of decontaminating soil containing cadmium and / or zinc, comprising about 100 mg to about 6000 mg cadmium per kg ground tissue on a dry weight basis, and / or about 5,000 mg to about 5,000 mg per kg ground tissue on a dry weight basis. At least one Thlaspi caerulescens plant that accumulates 30,000 mg of zinc, conditions sufficient to allow the at least one Thlaspi caerulescens plant to accumulate such amounts of cadmium and / or zinc Including the step of cultivating,
Wherein the at least one Thlaspi caerulescens plant is Thlaspi caerulescens G15, and the seed is deposited under ATCC Accession No. 203439.