專利名稱：一種利用野古草植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重金屬毒物錫(Sn)污染土壤或水體的植物修復(fù)技術(shù)，具體是一種利用禾本科植物野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法。
背景技術(shù)：
隨著上世紀(jì)以來(lái)快速的工業(yè)化發(fā)展，各種大量的人工化學(xué)品被釋放到自然環(huán)境中。土壤既是最為重要的環(huán)境要素，又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)的基礎(chǔ)。土壤作為主要的環(huán)境介質(zhì)成為各類污染物的最大受體，各種有毒物質(zhì)進(jìn)入土壤，這不僅對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量以及品質(zhì)有不利影響，而且還能通過(guò)食物鏈對(duì)人類健康構(gòu)成重大威脅，并通過(guò)物質(zhì)遷移對(duì)大氣、水等其他環(huán)境要素產(chǎn)生不利影響，參見(jiàn)文獻(xiàn)1:周啟星，孔繁翔，朱琳.2004.生態(tài)毒理學(xué).北京科學(xué)出版社353-386。Sn是一種有毒有害的重金屬元素，Sn及其化合物、合金等被越來(lái)越多地用于生產(chǎn)和生活中，環(huán)境Sn污染也隨之而來(lái)。自然風(fēng)化、Sn冶煉加工、含Sn廢棄物等都在向環(huán)境輸送Sn。環(huán)境Sn污染的來(lái)源主要有1)燃煤、石油及固體廢物；2)工業(yè)或民用含Sn固體和液體；3) Sn工廠的廢水；4)有機(jī)Sn化合物穩(wěn)定劑的各種塑料制品和包裝材料；5)船舶含Sn防腐漆；6)含有機(jī)Sn的殺蟲(chóng)劑和海產(chǎn)品制成的磷肥；7)其它含Sn的廢棄物，參見(jiàn)文獻(xiàn)2 :李桃，詹曉黎.2003.微量元素錫與健康.廣東微量元素科學(xué)，10(11) :7-11。其中，在Sn礦開(kāi)采、冶煉過(guò)程中存在資源利用有限、廢渣中復(fù)合重金屬污染土壤和地下水、Sn塵對(duì)人體肺部和呼吸系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害等環(huán)境問(wèn)題函待解決。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于有機(jī)Sn化合物的來(lái)源、污染和毒性研究較多，參見(jiàn)文獻(xiàn)3:王家林，葛斌，劉麗麗.2009.海洋環(huán)境中的三丁基Sn污染.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，21 (6) : 15-19 ;文獻(xiàn)4 :王珊珊，馮流.2005.有機(jī)錫化合物的毒性效應(yīng)及其影響因素.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，5 (3) : 12-15，特別是對(duì)于三丁基Sn (TBT)的生物毒性及其對(duì)海洋污染的研究較多，參見(jiàn)文獻(xiàn) 5 :Jenkins S M, Ehman K, Barone S Jr2004. Structure-activitycomparison of organotin species:dibutyltin is a developmental neurotoxicantin vitro and in vivo. Brain. Res. Dev. Brain. Res.，151 (1/2) : 1-12 ；文 獻(xiàn) 6 :Ciesielski Tj WasikAj Kuklik L，et al. 2004.Organotin compounds in the livertissue of marine mammals from the polish coast of the Balticsea.Environ. Sc1.Technol. ,38(5):1415-1420 ;文獻(xiàn)7:周名江，李正炎，顏天，等.1994.海洋環(huán)境中的有機(jī)錫及其對(duì)海洋生物的影響.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，2(4) :67-74，但對(duì)于無(wú)機(jī)Sn的研究較少，只有少數(shù)文獻(xiàn)初步分析了無(wú)機(jī)Sn與疾病之間的關(guān)系，參見(jiàn)文獻(xiàn)8:曾昭華，曾雪萍.1998.癌癥與土壤環(huán)境中Sn元素的關(guān)系.土壤與環(huán)境，8 (4): 241-244，至今對(duì)于土壤中Sn元素來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化、污染修復(fù)等方面的研究很少，尤其是Sn超積累植物的篩選，至今在國(guó)際上幾乎無(wú)人做過(guò)這方面的研究。世界各國(guó)對(duì)土壤重金屬污染十分重視，采取了各種各樣的修復(fù)方法，如消除重金屬毒性的固化技術(shù)、玻璃化技術(shù)，治理?yè)]發(fā)性重金屬的電動(dòng)力修復(fù)技術(shù)等。但這些技術(shù)對(duì)污染場(chǎng)地破壞較大，治理費(fèi)用昂貴，且存在著運(yùn)輸、儲(chǔ)存、回填等新的環(huán)境問(wèn)題，在小面積或重污染土壤處理中作用很大，甚至不可替代，但對(duì)于面積巨大、污染程度較輕的污染土壤來(lái)說(shuō)則難以應(yīng)用。因此，人們寄希望于費(fèi)用較低、修復(fù)效果又好的革新技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)，參見(jiàn)文獻(xiàn)9:周啟星，魏樹(shù)和，張倩茹等編著.生態(tài)修復(fù).中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2006。植物修復(fù)(Phytoremediation)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的環(huán)境污染治理技術(shù),它利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來(lái)固定、降解、提取和揮發(fā)環(huán)境中的污染物質(zhì)，就像一座“綠色清潔工廠” 一樣將污染物質(zhì)加工成可直接去除的物質(zhì)形態(tài)或轉(zhuǎn)化為毒性小甚至無(wú)毒的物質(zhì)，從而對(duì)污染環(huán)境進(jìn)行徹底的治理；它具有不引起地下水二次污染，使污染土壤與水體可持續(xù)利用和美化環(huán)境等特點(diǎn)，因而也是一項(xiàng)非常理想的綠色修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涉及到污染環(huán)境治理的各個(gè)方面，既可以凈化空氣和水體，又可以清除土壤中的污染物質(zhì)，參見(jiàn)文獻(xiàn)10:周啟星，宋玉芳等著.污染土壤修復(fù)原理與方法.科學(xué)出版社，2004。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物修復(fù)技術(shù)方面的研究已有許多報(bào)道。從已報(bào)道的修復(fù)植物來(lái)看，大部分采取野外采樣法，即到重金屬污染較為嚴(yán)重的礦區(qū)及周圍地區(qū)采集仍能正常生長(zhǎng)的植物即耐性較強(qiáng)的植物，并分析其各器官的重金屬含量，涉及藻類植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物，既有草本植物，也有木本植物。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的超積累植物有400多種,參見(jiàn)文獻(xiàn)11 :何章莉，潘偉斌.2004.受污染土壤環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù).廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，21 (I) : 56-62，但已報(bào)道超積累植物的種類仍然非常有限，關(guān)于重金屬超積累花卉植物的相關(guān)報(bào)道更是少見(jiàn)。因此，如果能從物種繁多的花卉資源中篩選出對(duì)污染土壤修復(fù)有重要意義和作用的超積累花卉植物，則將為植物修復(fù)開(kāi)辟一條新的途徑。重金屬污染土壤的植物修復(fù)是指利用植物及其根際微生物體系的提取、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化固定作用去除污染土壤中的重金屬，或?qū)⒅亟饘俜€(wěn)定在污染現(xiàn)場(chǎng)防止其對(duì)地下水及周圍環(huán)境造成更大的污染。植物修復(fù)主要包括植物提取(Phytoextraction)、植物揮發(fā)(Phytovolati lizat ion)、根際濾除(Rhizof i ltrat ion)和植物穩(wěn)定(Phytostabilization)四種作用方式，其中，植物提取方面的研究日益受到人們的關(guān)注，參見(jiàn)文獻(xiàn)12: chaneyR.L. , MalikM. , LiY. M. , et al. 1997. Phytoremediation of soil metals. Current opinionsin Biotechnology. 8:279-284。植物提取，即利用重金屬富集植物特別是超富集植物從污染土壤中超量吸收一種或幾種重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到莖、葉等地上部器官，隨后將植物整體包括部分根部收獲并集中處理，然后再連續(xù)種植，直至土壤中重金屬濃度降低到環(huán)境安全水平。超積累植物(Hyperaccumulator)也叫超富集植物，這一定義最初是由Brooks等提出的，當(dāng)時(shí)用以命名莖中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物參見(jiàn)文獻(xiàn) 13Brooks RR, Lee J,Reeves R D. 1977. Detection of nickliferous rocks byanalysisof herbarium species of indicator plants.Journal of GeochemicalExploration, 7:49-770現(xiàn)在超積累植物的概念已擴(kuò)大到植物對(duì)所有重金屬元素的超量積累現(xiàn)象，即是指能超量積累一種或同時(shí)積累幾種重金屬元素的植物?，F(xiàn)一般認(rèn)為，參見(jiàn)文獻(xiàn) 14 :Chaney RLj Malik Mj Li YM. 1997. Phytoremediation of soil metals. CurrentOpinions in Biotechnology,8:279-284 ；文 獻(xiàn) 15 Brooks RR，Chambers MFj NicksLJ, Robinson BH. 1998. Phytoming. Trends in Plant Science, 3 (9) : 359-362。超積累植物應(yīng)同時(shí)具備以下三個(gè)特征一是植物地上部分如莖或葉的重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的 100 倍，其臨界含量分別為 Zn、Mnl0000mg/kg、Cdl00mg/kg、Aulmg/kg, Pb、Cu、N1、Co、As均為1000mg/kg ;二是植物地上部分的重金屬含量大于其根部該種重金屬含量；三是植物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性，即植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；四是植物地上部分對(duì)某種重金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界濃度水平相當(dāng)時(shí)，地上部分主要是莖或葉富集系數(shù)大于I。Sn超積累植物的臨界含量至今在國(guó)際上尚無(wú)確定；與此同時(shí)，國(guó)際上至今尚未有人發(fā)現(xiàn)Sn超積累植物。由于一般植物體Sn含量在1. 0mg/kg左右，參見(jiàn)文獻(xiàn)16 :甘鳳偉，方維萱，王訓(xùn)練，等.2008.錫礦尾礦庫(kù)土壤-食用馬鈴薯和豌豆中重金屬污染狀況.生態(tài)環(huán)境，17 (5) : 1847-1852，還有一些藥材中的Sn含量更少，約為0. 1-1. 0mg/kg之間，但一些蔬菜中的Sn平均含量較高，約為6. 0mg/kg左右，參見(jiàn)文獻(xiàn)17 :陳源高，陳開(kāi)寧，戴全裕，等.2006. 5種水培蔬菜對(duì)金屬元素富集水平研究.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，22 (I): 70-74。因此，我們初步建議，Sn超積累植物的臨界含量大致為100mg/kg。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，提供一種費(fèi)用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤基本結(jié)構(gòu)與功能或水體理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對(duì)防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好效果的利用野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種利用野古草植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法，作為國(guó)際上首個(gè)發(fā)現(xiàn)的潛在錫(Sn)超積累植物，在含有高濃度Sn的土壤或水體中，野古草表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Sn污染脅迫特征和積累特性，其生長(zhǎng)過(guò)程未受到顯著影響，地上部Sn積累量均高于100mg/kg，是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1. O ;在含污染物Sn的土壤或淺水水體中種植野古草，通過(guò)野古草的根系大量吸收污染土壤或水體中的Sn，并將其轉(zhuǎn)移至地上部器官；當(dāng)植物長(zhǎng)到開(kāi)花期或成熟期時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥阑蛩w中移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤或水體中污染物Sn的目的。所述種植野古草是指在土壤或水體中直接播種野古草種子或?qū)⒂酌缙诘囊肮挪菀浦苍诤廴疚颯n的土壤或水體中；可采用種子繁殖或者根芽繁殖的培育方式，根據(jù)土壤缺水情況不定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40-70% ;當(dāng)植物長(zhǎng)到開(kāi)花期或成熟期時(shí)，可將植物地上部從污染土壤或水體中移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤或水體中污染物Sn的目的。所述種植野古草是指在含污染物Sn的土壤或水體中采用復(fù)種的方式種植野古草，即在第一茬野古草長(zhǎng)到開(kāi)花期或者成熟期時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥阑蛩w中移走，等待野古草地下根系再次發(fā)育成下一茬植株，重復(fù)上述過(guò)程，直至土壤中的污染物Sn含量下降至環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到快速、徹底去除土壤或水體中污染物Sn的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明采用的禾本科植物野古草是通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)從多種花卉植物中篩選出來(lái)的，野古草是一種多年生草本，耐性強(qiáng)、易于生長(zhǎng)和培育，在自然環(huán)境中常生于山坡灌叢、道旁、林緣、田地邊及水溝旁，而且，水培試驗(yàn)和土壤盆栽試驗(yàn)均表明野古草具有較強(qiáng)的耐Sn污染脅迫特征和積累特性，因此用其修復(fù)Sn污染的土壤和淺水水體?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)證明野古草在生長(zhǎng)、發(fā)育和成熟的整個(gè)過(guò)程中都表現(xiàn)出良好的耐Sn污染脅迫特征，地上部Sn積累量均高于100mg/kg，是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍，轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1. 0，大體符合超積累植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，是世界上首次發(fā)現(xiàn)的一種潛在Sn超積累或超富集植物。本發(fā)明利用禾本科植物野古草對(duì)Sn的超量富集提取作用，通過(guò)在Sn污染的土壤或淺水水體中種植這種植物，使污染土壤和水體得到修復(fù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相t匕，既不破壞污染土壤或水體的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，又大大降低了修復(fù)費(fèi)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1: 土壤盆栽濃度梯度試驗(yàn) 盆栽實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在南開(kāi)大學(xué)泰達(dá)學(xué)院生態(tài)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該試驗(yàn)場(chǎng)地周圍沒(méi)有污染源，是重金屬未污染區(qū)。該試驗(yàn)點(diǎn)地處天津市濱海新區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，并具有海洋性氣候特點(diǎn)冬季寒冷少雪；春季干旱多風(fēng)；夏季氣溫高、濕度大、降水集中；秋季秋高氣爽、風(fēng)和日麗。全年平均氣溫12.3°C。年平均降水量566. O毫米，降水隨季節(jié)變化晶著，冬春季少，夏季集中。實(shí)驗(yàn)用土取自天津市寶坻區(qū)王卜莊鎮(zhèn)(村)農(nóng)田表層(0-20cm)，土壤類型為潮土。利用野古草植物修復(fù)Sn污染土壤的具體試驗(yàn)步驟如下I)取前述風(fēng)干農(nóng)田土壤過(guò)5目篩后，裝入口徑為20cm的花盆中，每盆裝1800g 土壤，并將固體態(tài)分析純SnCl2 ·2Η20加入花盆中與土壤充分混合均勻。參照我國(guó)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和某Sn礦山場(chǎng)地污染Sn濃度，設(shè)置盆栽試驗(yàn)的濃度梯度為5個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK，不投加Sn)及4個(gè)不同的Sn投加濃度，Sn投加濃度(以SnCl2 · 2Η20形式計(jì))分別為200mg/kg、500mg/kg、1000mg/kg、2000mg/kg,并分別標(biāo)記為 T1、T2、T3、T4, Sn 以固態(tài)形式加入到土壤中，充分混勻，平衡四周后待用。2)將購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)幼苗移栽到每個(gè)裝有Sn污染土壤的花盆中(包括空白對(duì)照組)，每盆栽3株，重復(fù)3次，根據(jù)盆中土壤的缺水狀況不定期澆水(水中未檢出Sn)，使土壤含水量保持在田間持水量的40%-70%，為防止污染物淋溶滲漏損失，在花盆下放置塑料托盤。3)待植物開(kāi)花成熟后可以收獲地上部分進(jìn)行集中處理植物成熟開(kāi)花后，收獲植株，測(cè)定株高，用自來(lái)水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用蒸餾水沖洗，浙去水分，在105°C下殺青半小時(shí)，70°C烘干，稱量莖、葉、花(籽實(shí))和根干重；測(cè)后再將莖、葉、花(籽實(shí))和根分別粉碎研磨成粉末狀，用微波消解法消解植物樣品；分別稱取O. 30g植物樣品放入消解罐中，加入6mL濃HNO3和2mLH202混合液預(yù)反應(yīng)2小時(shí)，再放入微波消解儀進(jìn)行三步消解；待消解完全后，冷卻靜置待消解液無(wú)黃煙，定容到IOmL容量瓶后，用O. 45um微孔濾膜過(guò)濾；用原子吸收分光光度計(jì)(AA240FS, VARIAN)測(cè)定植株體內(nèi)各部分總Sn含量，測(cè)量波長(zhǎng)284. Onm。重復(fù)步驟2)和3)，使土壤中的Sn污染物含量達(dá)到環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果如下I)不同Sn處理濃度下野古草對(duì)Sn污染土壤的耐受性
由表I可以發(fā)現(xiàn)，在Tl、T2、T3和T4處理?xiàng)l件下，野古草的株高與空白(CK)相比沒(méi)有顯著的變化(Ρ〈0. 05)，并且在Tl處理?xiàng)l件下，野谷草的株高有所增加，說(shuō)明野古草對(duì)土壤中的Sn污染表現(xiàn)了較強(qiáng)的耐性。野古草地上部生物量隨著Sn濃度的增加沒(méi)有出現(xiàn)顯著地增加或者降低(Ρ〈0. 05)，在Tl處理?xiàng)l件下，野古草的地上部生物量與空白相比反而略有增加，這可能是由于一定量Sn的存在對(duì)植物的生長(zhǎng)表現(xiàn)了誘導(dǎo)和促進(jìn)作用。表I不同濃度Sn污染土壤對(duì)野古草生長(zhǎng)的影響
權(quán)利要求
1.一種利用野古草植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法，作為國(guó)際上首個(gè)發(fā)現(xiàn)的潛在Sn超積累植物，其特征在于在含有高濃度Sn的土壤或水體中，野古草表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Sn污染脅迫特征和積累特性，其生長(zhǎng)過(guò)程未受到顯著影響，地上部Sn積累量均高于IOOmg/kg，是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1. O ;在含污染物Sn的土壤或淺水水體中種植野古草，通過(guò)野古草的根系大量吸收污染土壤或水體中的Sn，并將其轉(zhuǎn)移至地上部器官；當(dāng)植物長(zhǎng)到開(kāi)花期或成熟期時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥阑蛩w中移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤或水體中污染物Sn的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用野古草植物修復(fù)Sn污染土壤和淺水水體的方法，其特征在于所述種植野古草是指在土壤或水體中直接播種野古草種子或?qū)⒂酌缙诘囊肮挪菀浦苍诤廴疚颯n的土壤或水體中，可采用種子繁殖或者根芽繁殖的培育方式，根據(jù)土壤缺水情況不定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40-70% ;當(dāng)植物長(zhǎng)到開(kāi)花期或成熟期時(shí)，可將植物地上部從污染土壤或水體中移走，從而實(shí)現(xiàn)除去土壤或水體中污染物Sn的目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用野古草植物修復(fù)Sn污染土壤和淺水水體的方法，其特征在于所述種植野古草是指在含污染物Sn的土壤或水體中采用復(fù)種的方式種植野古草，即在第一茬野古草長(zhǎng)到開(kāi)花期或者成熟期時(shí)，將植物地上部器官?gòu)奈廴就寥阑蛩w中移走，等待野古草地下根系再次發(fā)育成下一茬植株，重復(fù)上述過(guò)程，直至土壤或水體中的污染物Sn含量下降至環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到快速、徹底去除土壤或水體中污染物Sn的目的。
全文摘要
一種利用野古草植物修復(fù)錫污染土壤和淺水水體的方法，禾本科植物野古草是研究首次發(fā)現(xiàn)的一種潛在錫(Sn)超積累植物，可利用其修復(fù)Sn污染土壤和淺水水體，具體是將野古草幼苗栽種于Sn污染土壤或水體中，利用其自身吸收積累和代謝功能對(duì)環(huán)境介質(zhì)中的Sn污染物進(jìn)行穩(wěn)定、吸收和富集，待長(zhǎng)至成熟后可將其地上部收割處理，待下一茬植株發(fā)芽并完成新的生命周期，重復(fù)實(shí)施該步驟即可實(shí)現(xiàn)逐步去除土壤或水體中Sn污染物的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)在Sn污染土壤或淺水水體中種植野古草，利用其對(duì)Sn的超量富集提取作用，使污染土壤和水體得到修復(fù)，具有費(fèi)用低廉、不破壞土壤基本結(jié)構(gòu)與功能或水體理化性質(zhì)、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B09C1/00GK102989757SQ20121056207
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者高志強(qiáng), 周啟星 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)