專利名稱：一種從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是一種從藤本植物中篩選出超富集/積累植物的方法。
背景技術(shù)：
隨著世界各國對土壤重金屬污染問題關(guān)注度的提高，污染土壤的修復(fù)技術(shù)也得到很快的發(fā)展。綜觀世界污染土壤修復(fù)技術(shù)，常用的傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)，如客土法、玻璃化法、電化學法、熱處理法和淋洗法等，主要是通過改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定從而降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性，或減少土壤表層污染物的濃度，從而減輕其危害[文獻1 夏星輝，陳靜生.1997. 土壤重金屬污染治理方法研究進展.環(huán)境科學，18 (3) 72-76.]。雖然傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)中有一些已比較成熟，但對于污染面積巨大的土壤，在經(jīng)濟上則難以承受，在技術(shù)方面也較難實施[文獻2 周啟星，宋玉芳等.2004.污染土壤修復(fù)原理與方法.北京科學出版社.]。植物修復(fù)技術(shù)普遍被認為具有物理、化學修復(fù)方法所無法比擬的費用低廉、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不易造成二次污染等優(yōu)點，是近20年來發(fā)展起來的一項新興的“綠色修復(fù)技術(shù)”，現(xiàn)已成為當前國內(nèi)外環(huán)境科學領(lǐng)域的前沿熱點研究問題[文獻3 Chaney RL, Malik M, Li YM. 1997. Phytoremediation of soil metals. Current Opinions in Biotechnology,8 :279-284.]。植物修復(fù)的概念最早由Chaney于1983年提出，植物修復(fù)(Phytoremediation)是一種利用自然生長或遺傳培育出的植物修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)，有廣義和狹義之分。 廣義的植物修復(fù)包括利用植物(包括喬、灌、草)來吸收、提取、固定、分解和清除土壤、大氣和水體中的重金屬及各種有機物等污染物質(zhì)，而狹義的植物修復(fù)主要是指利用植物及其根際圈微生物來修復(fù)污染土壤。通常我們所提到的植物修復(fù)主要是指利用超富集植物(對某些重金屬具有特殊吸收和富集能力的植物種或基因型)提取來去除污染土壤中的重金屬，從而降低土壤中的重金屬含量，以使其達到個人或公共使用標準[文獻4 魏樹和，周啟星.2004.重金屬污染土壤植物修復(fù)的基本原理及強化措施探討.生態(tài)學雜志，23(1) 65-72.]。根據(jù)其作用過程和機理，植物修復(fù)技術(shù)可分為植物提取(Phytoextraction)、植物揮發(fā)(Phytovolatilization)和植物固定(Phytostabilization)等類型，在植物修復(fù)技術(shù)中，植物提取被認為是最有發(fā)展前途的技術(shù)方式[文獻5 =Wong MH. 2003. Ecological restoration of mine degraded soils, with emphasis on metal contaminated soils. Chemosphere，23(1) :65-72.]。植物提取，即利用超富集/積累植物對重金屬的超量富集作用，通過重復(fù)種植并移去超富集植物，從而有效去除污染土壤中超標重金屬的方法。超富集/積累植物(Hyperaccumulator) —詞最初是由Brooks等提出的，當時是指植物莖中Ni含量大于1000mg/kg(干重)的植物[文獻6 =Brooks RR, Lee J，Reeves RD.1977. Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species of indicator plants. Journal of Geochemical Exploration, 7 :49-77. ]。1983 年，Chaney 首次提出將超富集植物應(yīng)用于去除污染土壤中重金屬的可能性?，F(xiàn)在超富集植物的概念已擴大到植物對所有重金屬元素的超量積累現(xiàn)象，即指能超量富集一種或幾種重金屬元素的植物。迄今為止，世界上已發(fā)現(xiàn)的超富集植物有450多種，其中Ni超富集植物占70% 左右，此外還有Zn/Cd超富集植物遏藍菜(Thlaspi caerulescens)[文獻7 =Brown SL, Chaney RL, Angle JS, Baker AJM. 1994. Zinc and cadmium uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens and metal tolerant Silene vulgaris grown on sludge-amended soils. Environmental Science and Technology，四(6) :1581-1585. ]，As 超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)[文獻 8 :Chen TB, Wei CY，Huang QF, Lu QG, FanZL. 2002. Arsenic hyperaccumulator Pteris vittata L. and its arsenic accumulation. Chinese Science Bulletin，47 :902-905.]，以及 Mn 超富集植物商陸(Phytolacca acinosa Roxb.)等[文獻9 薛生國，陳英旭，林琦，徐圣友，王遠鵬.2003.中國首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物一商陸.生態(tài)學報，23 :935-937.]。這些超富集/積累植物廣泛分布于植物界的45個科[文獻 10 :Zhao FJ, Hebmon RE，Lombi E，McLaughlin MJ, McGreth SP.2002. Characteristics of cadmium uptake in two contrasting ecotype of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. Journal of Experimental Botany, 53 :535-543.]，其中絕大多數(shù)為十字花科植物，且研究較多的植物多集中在庭芥屬(Alyssums)、蕓苔屬(Brassica)和遏藍菜屬(Thlaspi)等[文獻11 邢前國，潘偉斌，張?zhí)?2003.重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)·生態(tài)科學，22 (3) :275-279.]。雖然國內(nèi)外在重金屬污染土壤植物修復(fù)研究領(lǐng)域已取得較大進展，但總體來看， 植物修復(fù)技術(shù)并不十分成熟，其重要原因在于許多已發(fā)現(xiàn)的超富集/積累植物絕大多數(shù)生長緩慢，植株矮小，地上部生物量小，修復(fù)時間較長，很難進行機械收獲作業(yè)，難以滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。因此，尋找更多的、更有效的超富集/積累植物是植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用與推廣中必須加以解決的一個重要問題。目前，尚未見有關(guān)藤本植物在這方面的報道。藤本植物又稱攀援植物，是一類不能自由直立、通過主莖纏繞或攀援器官攀援它物升高的植物的總稱，包括木質(zhì)藤本和草質(zhì)藤本兩類。近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進程的加快，人口劇增，而人類的生存空間日益減少，這使得人們對應(yīng)用于垂直綠化的藤本植物有了更多的需求，如果藤本植物能夠在增加綠量、美化環(huán)境的同時，與環(huán)境治理和修復(fù)聯(lián)系起來，尤其是從中篩選出超富集/積累藤本植物來修復(fù)污染土壤，將具有很好的研究價值和重要的現(xiàn)實意義。選擇藤本植物作為超富集/積累植物的篩選對象是具有一定依據(jù)的，藤本植物具備一些普通植物所缺少的特性(1)從世界范圍來看，藤本植物種質(zhì)資源豐富、種類繁多， 既有木質(zhì)藤本也有草質(zhì)藤本。就我國而言，在近3萬種高等植物中，藤本植物約有3000多種，分屬于80個科300多屬之中，這為篩選工作的開展奠定了堅實的基礎(chǔ)；(2)藤本植物具有生物量大、生長速度快、生長周期短、管理粗放、抗性強、適應(yīng)性廣和對土壤要求不嚴等顯著特點，這些特點都可以很好地解決植物修復(fù)存在的難題；(3)藤本植物在大氣污染物監(jiān)測、環(huán)境治理和修復(fù)等方面均有重要的應(yīng)用價值[文獻12 卞詠梅，黃致遠，趙樹新.1996. 植物葉面氣孔擴散阻抗與凈化空氣能力的關(guān)系.植物資源與環(huán)境，5 ) :34-39;文獻13: 柴一新，祝寧，韓煥金.2002.城市綠化樹種的滯塵效應(yīng)-以哈爾濱市為例.應(yīng)用生態(tài)學報， 13(9) :1121-1126.] ； (4)在治理環(huán)境污染的同時改善地面景觀、調(diào)節(jié)人類視覺感官，既可帶來生態(tài)效益，又可收獲環(huán)境效益和社會效益。由此可見，從藤本植物中篩選超富集/積累植物是完全可行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的超富集/積累植物絕大多數(shù)生長緩慢，植株矮小，地上部生物量小，修復(fù)時間較長，很難進行機械收獲作業(yè)，難以滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要等問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，包括如下步驟(1)篩選對象的確定在礦區(qū)附近分布廣泛、生物量大和生長良好的藤本植物；(2)污染對象的確定根據(jù)當?shù)氐湫偷貐^(qū)的重金屬污染情況或根據(jù)國家危險毒物名錄確定；(3)重金屬污染篩選試驗A水培，將藤本植物以水培形式種植于較高濃度的重金屬污染營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液中重金屬離子的濃度為5mg L^1-SOmg L—1 ；B從步驟A中篩選出耐性和富集/積累性強的藤本植物；C 土培，將篩選出的藤本植物種植于人工模擬的重金屬污染土壤中，土壤中重金屬離子的濃度為5mg kg^-200mg kg—1 ；D經(jīng)試驗處理后，將收獲的植株分為根、莖和葉三部分，測定分析各部分富集/積累重金屬含量，篩選出具有植物修復(fù)潛力的超富集/積累藤本植物。所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，水培中所選用的培養(yǎng)基質(zhì)為 Hoagland營養(yǎng)液，再添加重金屬污染物。所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，土培中所選用的培養(yǎng)基質(zhì)為當?shù)匚词芪廴镜谋韺油寥溃偬砑又亟饘傥廴疚?。所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，水培和土培試驗中所投加的重金屬污染物，均是按照模擬濃度投加的一種或幾種優(yōu)級純易溶于水形成重金屬鹽離子的試齊LU所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，超富集/積累植物的主要特征包括(1)植物生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；(2)達到超富集/積累植物臨界含量標準，即植物地上部分富集/積累重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍及以上；(3)植物中某重金屬元素濃度與環(huán)境介質(zhì)中該元素濃度比大于1，即富集系數(shù)大于1。所述步驟B中，將步驟A所得數(shù)據(jù)輸入計算機中，運用SPSS11.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)方差分析，在營養(yǎng)液中重金屬離子的濃度為5mg L^-SOmg L—1范圍內(nèi)，與對照相比，藤本植物葉、根和植株總生物量均無顯著差異，顯著性P >0. 05，表明藤本植物對重金屬具有很強的耐性。所述步驟D中，將步驟C所得數(shù)據(jù)輸入計算機中，運用SPSS11.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)方差分析，在土壤中重金屬離子的濃度為5mg kg-1-200mg kg—1，與對照相比，藤本植物葉、根和植株總生物量均無顯著差異，顯著性P >0. 05，表明藤本植物對重金屬具有很強的耐性。所述步驟D中，隨著土壤中重金屬離子濃度的增加，植物體內(nèi)各器官中Cd含量均顯著增加，顯著性ρ < 0. 01，且在整個重金屬離子處理過程中，富集系數(shù)均大于1，表明在高濃度的重金屬離子污染條件下，藤本植物具有很強的Cd富集/積累能力。本發(fā)明具有的優(yōu)點采用本發(fā)明篩選超富集/積累植物的方法投資和維護成本低廉、操作簡便、不造成二次污染且易于后處理，同時也可帶來修復(fù)土壤恢復(fù)土地使用功能(如農(nóng)業(yè)用地等)，改善居民生活環(huán)境等各種生態(tài)效益、環(huán)境效益和社會效益。


圖1為營養(yǎng)液中不同濃度Cd處理對金銀花株高的影響。圖2為土壤中不同濃度Cd處理對金銀花葉片含水量的影響。
具體實施例方式實施例1 對金銀花的水培試驗鎘(Cd)是土壤中劇毒重金屬元素之一，其屬于積累性毒害元素，且對機體具有 “三致”作用，是遼寧地區(qū)具有典型代表性和急需治理的環(huán)境污染物。水培試驗地點在中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所樹木園溫室內(nèi)，溫室晝夜溫度分別為(23士2)°C和(13士2)°C， 自然光照射。水培基質(zhì)使用Hoagland營養(yǎng)液[文獻14 :D. R. Hoagland, D. I. Arnon. 1950. The water-culture for growing plants without soil.California Agricultural Experiment Station Circuit，347.]，污染物以CdCl2 · 2. 5H20形式添加到營養(yǎng)液中，共設(shè)定 5 個 Cd2+ 濃度梯度0 (對照 CK) JmgL—1 (T1)、IOmg L-1 (T2)、25mg L-1 (T3)和 50mg L-1 (T4)。 選取長度IOcm左右、粗細一致的枝條，砂培扦插培養(yǎng)6周，待到營養(yǎng)葉長出2 3片時，挑選長勢一致的藤本植物幼苗種植于上述營養(yǎng)液中。每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個重復(fù)有4株植株。處理期間觀察植物的生長狀況，每天用PH計測定營養(yǎng)液的pH值，并用0. Immol ·L^1NaOH 或0. Immol · I^1HCl調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH值至(5.8士0· 1)，保持Mi(小時)增氧泵連續(xù)通氣， 3d(天)更換1次營養(yǎng)液。將水培試驗收獲的植物樣品分為根、莖和葉3部分，反復(fù)用自來水將根沖洗干凈，再用20mmol L—1乙二胺四乙酸二鈉(Na2-EDTA)交換15min，去除根系表面吸附的Cd2+，最后用去離子水沖洗干凈，浙去水分，在105°C殺青IOmin之后，在70°C下烘干至衡量，將植物樣品粉碎備用。植物樣品采用HNO3-HClO4法消化(二者體積比為3 1)， 采用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的0ptima3000型分段式全譜直讀電感耦合等離子光譜儀 (ICP-AES)測定樣品中Cd元素的含量。試驗結(jié)果經(jīng)不同濃度Cd處理直至收獲時，金銀花生長良好，并未表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀。 試驗結(jié)果表明，當Cd處理濃度為5mg Γ1時，金銀花葉、根和植株總生物量與對照相比均有所增加，表現(xiàn)出明顯的毒物興奮效應(yīng)(表1)。將試驗所得數(shù)據(jù)輸入計算機中，運用SPSS11.0 統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)方差分析。結(jié)果表明，當Cd脅迫達到較高濃度Q5mg Γ1)時，與對照相比，金銀花葉、根和植株總生物量均無顯著差異(顯著性P>0.05)。以上結(jié)果表明金銀花對重金屬Cd具有很強的耐性。表1水培試驗條件下金銀花葉、根和植株總干重生物量
權(quán)利要求
1.一種從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于(1)篩選對象的確定在礦區(qū)附近分布廣泛、生物量大和生長良好的藤本植物；(2)污染對象的確定根據(jù)當?shù)氐湫偷貐^(qū)的重金屬污染情況或根據(jù)國家危險毒物名錄確定；(3)重金屬污染篩選試驗A水培，將藤本植物以水培形式種植于較高濃度的重金屬污染營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液中重金屬離子的濃度為5mg dOmg L—1 ；B從步驟A中篩選出耐性和富集/積累性強的藤本植物；C 土培，將篩選出的藤本植物種植于人工模擬的重金屬污染土壤中，土壤中重金屬離子的濃度為 Smgkg-1IOOmg kg—1 ；D經(jīng)試驗處理后，將收獲的植株分為根、莖和葉三部分，測定分析各部分富集/積累重金屬含量，篩選出具有植物修復(fù)潛力的超富集/積累藤本植物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于 水培中所選用的培養(yǎng)基質(zhì)為Hoagland營養(yǎng)液，再添加重金屬污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于 土培中所選用的培養(yǎng)基質(zhì)為當?shù)匚词芪廴镜谋韺油寥溃偬砑又亟饘傥廴疚铩?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于 水培和土培試驗中所投加的重金屬污染物，均是按照模擬濃度投加的一種或幾種優(yōu)級純易溶于水形成重金屬鹽離子的試劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于，超富集/積累植物的主要特征包括(1)植物生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；(2)達到超富集/積累植物臨界含量標準，即植物地上部分富集/積累重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍及以上；(3)植物中某重金屬元素濃度與環(huán)境介質(zhì)中該元素濃度比大于1，即富集系數(shù)大于1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于，所述步驟B中，將步驟A所得數(shù)據(jù)輸入計算機中，運用SPSS11.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)方差分析，在營養(yǎng)液中重金屬離子的濃度為5mg dOmg L—1范圍內(nèi)，與對照相比，藤本植物葉、 根和植株總生物量均無顯著差異，顯著性P > 0. 05，表明藤本植物對重金屬具有很強的耐性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于，所述步驟D中，將步驟C所得數(shù)據(jù)輸入計算機中，運用SPSSl 1. O統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)方差分析，在土壤中重金屬離子的濃度為5mg kgHjOOmgkg—1，與對照相比，藤本植物葉、根和植株總生物量均無顯著差異，顯著性P > 0. 05，表明藤本植物對重金屬具有很強的耐性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從藤本植物中篩選超富集/積累植物的方法，其特征在于，所述步驟D中，隨著土壤中重金屬離子濃度的增加，植物體內(nèi)各器官中Cd含量均顯著增加，顯著性ρ < 0.01，且在整個重金屬離子處理過程中，富集系數(shù)均大于1，表明在高濃度的重金屬離子污染條件下，藤本植物具有很強的Cd富集/積累能力。
全文摘要
本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是從藤本植物中篩選出超富集/積累植物的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的超富集/積累植物絕大多數(shù)生長緩慢，植株矮小，地上部生物量小，修復(fù)時間較長，很難進行機械收獲作業(yè)，難以滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要等問題。具體方法為首先通過野外調(diào)查搜集礦區(qū)附近的藤本植物，經(jīng)初步篩選試驗篩選出耐性和富集/積累性強的藤本植物，然后通過水培和土培試驗進一步確定超富集/積累藤本植物及挖掘其植物修復(fù)潛力。采用本發(fā)明的篩選方法具有很高的應(yīng)用價值，它可以在治理環(huán)境污染的同時有效增加綠量、改善地面景觀、調(diào)節(jié)人類視覺感官，既可帶來生態(tài)效益，又可收獲環(huán)境效益和社會效益。
文檔編號A01G31/00GK102379220SQ201010271449
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者何興元, 劉周莉, 陳瑋 申請人:中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所