一種利用超積累花卉一點(diǎn)紅修復(fù)鎘、鉛單一或復(fù)合污染土壤的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用超積累花卉一點(diǎn)紅修復(fù)鎘、鉛單一或復(fù)合污染土壤的方法。將一點(diǎn)紅種子或幼苗播種或種植于Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤中，定期澆水保持土壤濕潤(rùn)，直至一點(diǎn)紅開花或完全成熟后將植株整體或地上部從污染點(diǎn)位移除并妥善處理；重復(fù)操作直至土壤Cd、Pb含量下降至環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。所用一點(diǎn)紅除適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣泛外，還被確認(rèn)為既是Cd超積累植物、又是Pb超積累植物，即同時(shí)滿足判斷是否為Cd、Pb超積累植物的臨界含量特征、污染物轉(zhuǎn)移特征、耐性特征和富集系數(shù)特征等4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。該方法對(duì)于修復(fù)Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤具有重要實(shí)踐意義，特別是作為一種綠色原位修復(fù)技術(shù)，在修復(fù)重金屬污染土壤的同時(shí)還具有美化環(huán)境的作用。
【專利說明】一種利用超積累花冉一點(diǎn)紅修復(fù)鎘、鉛單一或復(fù)合污染土壤的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及重金屬單一或復(fù)合污染土壤的花卉植物修復(fù)技術(shù)，具體地說就是一種首次利用重金屬超積累花丼植物一點(diǎn)紅sonchifolia L.)修復(fù)Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，土壤的重金屬污染問題日益突出。資料顯示，我國(guó)大多數(shù)城市土壤以及近郊農(nóng)業(yè)土壤均遭受不同程度的鎘(Cd)、鉛(Pb)等重金屬的污染[文獻(xiàn)1:周啟星.復(fù)合污染生態(tài)學(xué).北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1995;文獻(xiàn)2:孫鐵珩等.污染生態(tài)學(xué).北京:科學(xué)出版社，2001]。有關(guān)報(bào)導(dǎo)也指出，江蘇省某丘陵地區(qū)14000平方公里范圍內(nèi)Cd、Pb等重金屬的污染面積達(dá)35.9%，西江流域的I萬(wàn)平方公里土地遭受Cd、Pb等重金屬污染的面積達(dá)5500平方公里[文獻(xiàn)3:http://news.sohu.com/20050118/n223993549.shtml]。據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)部進(jìn)行的全國(guó)污灌區(qū)調(diào)查表明，在約140萬(wàn)平方公頃的污水灌區(qū)中，遭受CcUPb等重金屬污染的土地面積占污水灌區(qū)面積的64.8%，其中嚴(yán)重污染的占8.4%以上。由于日益嚴(yán)重的重金屬污染，造成我國(guó)每年不僅減產(chǎn)糧食1000多萬(wàn)噸，而且導(dǎo)致每年多達(dá)1200萬(wàn)噸的糧食被重金屬污染，兩者合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元?？梢姡寥乐亟饘傥廴疽褜?duì)我國(guó)乃至世界的食品安全、百姓身體健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[文獻(xiàn)4:周啟星.健康土壤學(xué):土壤健康質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全.北京:科學(xué)出版社，2005;文獻(xiàn)5:周啟星，羅義，孫鐵珩.污染生態(tài)化學(xué)研究進(jìn)展與展望.見:中國(guó)化學(xué)科學(xué)叢書——環(huán)境化學(xué)學(xué)科前沿與展望.北京:科學(xué)出版社，2011，P 605-615;文獻(xiàn)6:Peters R W.Chelant extraction of heavy metals from contaminated soils.Journalof Hazardous Materials, 1999，66 (1- 2): 151-210]。
[0003]為了治理、修復(fù)被重金屬污染的土壤，物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等各種污染土壤修復(fù)技術(shù)備受關(guān)注[文獻(xiàn)7:周啟星，宋玉芳.污染土壤修復(fù)原理與方法.北京:科學(xué)出版社，2004]。特別是，作為一種新興的綠色原位生物修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)由于具有費(fèi)用低、不破壞環(huán)境和易被人們接受等優(yōu)點(diǎn)，更是得到了人們廣泛的重視，有關(guān)方面還開展了許多有益的探索，這些工作還包括對(duì)重金屬超積累植物進(jìn)行了較為系統(tǒng)的篩選石開究[文獻(xiàn) 8:Su H, Cai Z, Zhou Q X.Phytoremediation of cadmium contaminatedsoils: advances and researching prospects.Materials Science Forum -Energy andEnvironment Materials, 2013，743-744: 732-744;文獻(xiàn) 9:Ali H，Khan E，Sajad MA.Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications.Chemosphere,2013，91(7): 869-881;文獻(xiàn) 10:Eapen S，D，Souza S F.Prospects of geneticengineering of plants for phytoremediation of toxic metals.BiotechnologyAdvances, 2005，23(2): 97-114]。至今，國(guó)際上已發(fā)現(xiàn)了 500余種超積累植物，但大多數(shù)(300余種)為鎳超積累植物。隨著我國(guó)在植物修復(fù)技術(shù)以及重金屬超積累植物方面廣泛而深入的研究，我國(guó)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的超積累植物有:銅超積累植物鴨跖草fortune!),鎘超積累植物寶山堇菜(KioJa bao shanen s i s')、iSo I anumn i gtrum L.)、球果揮菜[(.Rorippa globosa (Turcz.) Thell.]和紫茉莉(#iraAi7i5.jalapa L.)，砷超積累植物蜈蟲公草iPteris vittataL.)和大葉井口邊草iPteris eretica L.),鋅超積累植物東南景天XSedumalferdii /feflce),猛超積累植物商陸acinosa Roxb.)和絡(luò)超積累植物李氏禾Heersia hexandra Swartz)等,從而填補(bǔ)了我國(guó)在這方面研究的空白。然而，在這些超積累植物中，絕大多數(shù)均只能針對(duì)單種重金屬發(fā)揮其超積累效應(yīng)和修復(fù)作用。
[0004]作為天然野生花丼植物,一點(diǎn)紅sonchifolia L.)又名葉下紅、紅花草、羊蹄草和石青紅等，為菊科一、二年生肉質(zhì)草本，株高20-30cm。一些地方已進(jìn)行人工栽培。資料顯示，直至目前該植物不曾用于污染土壤修復(fù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是探索廉價(jià)、綠色的方法治理、修復(fù)重金屬污染土壤，特別是解決現(xiàn)有超積累植物大多數(shù)均只能針對(duì)單種重金屬發(fā)揮其超積累效應(yīng)和修復(fù)作用的問題，提供一種利用超積累花卉植物一點(diǎn)紅修復(fù)鎘(Cd)、鉛(Pb)單一或復(fù)合污染土壤的方法。該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅對(duì)Cd、Pb單一污染治理有效，更重要的是對(duì)這兩種重金屬?gòu)?fù)合污染治理也有效，同時(shí)具有成本低、可操作性強(qiáng)和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，避免造成二次污染，同時(shí)還可以起到美化環(huán)境的作用。
[0006]本發(fā)明提供的利用超積累花丼一點(diǎn)紅sonchifolia 1^.)修復(fù)0(1、？13單一或復(fù)合污染土壤的方法是，在Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤上種植一點(diǎn)紅，當(dāng)植物生長(zhǎng)到開花期或直至成熟以后， 將植株整體或地上部從污染點(diǎn)位移除，從而實(shí)現(xiàn)去除土壤中過量的Cd、Pb等重金屬污染的目的。
[0007]本發(fā)明所述污染土壤的具體修復(fù)方法是，將植物一點(diǎn)紅種子播于待修復(fù)的污染土壤中(一般方法是選用新鮮、飽滿的一點(diǎn)紅種子，播種前先把地整細(xì)、整實(shí)、整平，澆透水，待土略干后進(jìn)行撒播，每667m2用種500g左右，播后蓋上一層薄薄的細(xì)沙土，注意不能蓋得太厚，否則會(huì)影響出苗率，以后經(jīng)常保持苗床濕潤(rùn)，有條件的最好進(jìn)行溫室育苗)，或?qū)⒁稽c(diǎn)紅幼苗移植到Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤上(一般每667m2栽種幼苗100-200株，視是否還要栽種作物或其它修復(fù)植物以及土壤污染水平而定)。也可以采用根狀莖繁殖的方法(在秋、冬季或早春時(shí)，結(jié)合采收選取有芽的嫩莖，截成長(zhǎng)3-7cm的小段，按行株距25cm開穴，深3-6cm,每穴栽3段，成品字形排放，栽后覆土或蓋上土雜堆肥)。定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的60-80%。由于種植的一點(diǎn)紅能從土壤中吸收Cd和Pb并向地上部轉(zhuǎn)移，當(dāng)一點(diǎn)紅開花或成熟時(shí)將植株整體或地上部從污染點(diǎn)位移除，再種植第二茬一點(diǎn)紅，重復(fù)上述操作，直到土壤中的Cd和Pb含量達(dá)到環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。
[0008]當(dāng)土壤中Cd投加濃度達(dá)到10mg/kg時(shí),一點(diǎn)紅葉部含Cd達(dá)到114.5mg/kg,超過了Cd超積累植物的臨界含量；與此同時(shí)，當(dāng)土壤中Pb投加濃度達(dá)到700mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅葉部含Pb達(dá)到1315.5mg/kg，超過了 Pb超積累植物的臨界含量。
[0009]所述植物一點(diǎn)紅既是Cd超累積植物，又是Pb超積累植物。即在土壤Cd、Pb單一或復(fù)合污染暴露條件下，盡管一點(diǎn)紅對(duì)Cd的積累效果相對(duì)來說要遠(yuǎn)大于Pb，但均能同時(shí)滿足判斷是否為超積累植物的臨界含量特征、污染物轉(zhuǎn)移特征、耐性特征和富集系數(shù)特征等4個(gè)基本指標(biāo)。特別是當(dāng)土壤中CcUPb濃度高到足以使其地上部各自含量達(dá)到超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其地上部生物量沒有明顯下降，即一點(diǎn)紅對(duì)土壤Cd、Pb單一或復(fù)合污染均具有很強(qiáng)的耐性。
[0010]本發(fā)明所采用的一點(diǎn)紅，屬于菊科植物，屬一、二年生草本花卉，具有很好的觀賞價(jià)值。喜溫暖、陰涼、潮濕環(huán)境，適宜生長(zhǎng)溫度為20-32°C，較耐旱、耐瘠，抗性較強(qiáng)，甚至能于干燥的荒坡上生長(zhǎng)，不耐潰，但忌土壤板結(jié)。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明提供的一點(diǎn)紅適應(yīng)性強(qiáng)，可通過播種或扦插進(jìn)行繁殖，栽培管理容易。特別在Cd-Pb復(fù)合污染脅迫下具有較好的耐性和對(duì)Cd、Pb的吸收累積能力，可以有效、快速治理Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤；同時(shí)，作為綠色原位修復(fù)技術(shù)，工程量小、技術(shù)要求不高，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，美化當(dāng)?shù)丨h(huán)境。
[0012]
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1、一點(diǎn)紅修復(fù)Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤實(shí)例:
供試土壤采自天津市東南郊，其土壤類型為潮土。經(jīng)分析測(cè)定，土壤pH為7.8，略偏堿性；土壤機(jī)械組成:砂粒(粒徑2.0-0.02mm)占32%，粉粒(0.02-0.002mm)占44%，黏粒(在
0.002mm以下)占24%,可見其土壤質(zhì)地為黏壤土 ；土壤Cd和Pb的含量分別為0.21 mg/kg和10.3mg/kg。從已有文獻(xiàn)可知，我國(guó)土壤CM和Pb的背景值范圍分別為0.017-0.33和10.0-56.lmg/kg?？梢?本供試土壤基本屬于清潔土壤范疇。
[0014]本研究設(shè)置土壤Cd的污染暴露濃度為0.6mg/kg (T1，相當(dāng)于中性條件土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，并接近土壤Cd —般污染水平下限)、1.0mg/kg(T2，相當(dāng)于偏堿性條件土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值)、2.0 mg/kg (T3，相當(dāng)于偏堿性條件土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的2倍，落在土壤Cd —般污染水平范圍內(nèi))、5.0mg/kg (T4，土壤Cd —般污染水平中值)、10mg/kg (T5，土壤Cd —般污染水平上限)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，我國(guó)某冶煉廠土壤Cd的污染水平為11.2-197.3mg/kg，其平均濃度70.7mg/kg?？紤]到這一極端污染情況，除對(duì)照(CK，不外加重金屬污染物)外，Cd污染暴露實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了 50 mg/kg (T6)UOO mg/kg (T7)和150 mg/kg (T8)等3個(gè)極端污染濃度。
[0015]同時(shí)，設(shè)置土壤Pb的污染暴露濃度為35mg/kg (T’1;相當(dāng)于我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值)、50mg/kg (T’2，相當(dāng)于我國(guó)土壤Pb—般污染水平下限)、350mg/kg (T’3，相當(dāng)于偏堿性條件土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值)、700mg/kg (T’4，土壤Pb —般污染水平上限，偏堿性條件土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值2倍)。據(jù)上述有關(guān)報(bào)導(dǎo)，該冶煉廠土壤Pb的污染水平為1004-9385mg/kg，其平均濃度為4020 mg/kg。考慮到這一極端污染情況，除對(duì)照(CK)外，Pb污染暴露實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了 1000 mg/kg (T’ 5，某冶煉廠土壤Pb污染水平下限)。
[0016]將供試土壤風(fēng)干過4.0mm篩后，按照上述污染暴露濃度以固體形式分別拌入分析純的CdCl2.2.5H20和Pb (NO3)2，充分混勻后裝入塑料盆(0 =20 cm, H =15 cm)中，每盆裝土 2.0 kg，平衡I個(gè)月后待用。采用種子育苗，待野生花卉一點(diǎn)紅(沒有經(jīng)過人工改造)幼苗長(zhǎng)出4-6片真葉后，選擇生長(zhǎng)一致的幼苗分別移入各處理的盆中。每盆移栽3棵苗，重復(fù)3次。
[0017]露天栽培，無遮雨設(shè)施。根據(jù)盆中土壤缺水情況，不定期澆自來水(水中未檢出Cd、Pb)，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的60-80%左右。待秋天下霜之前，收獲植株。收獲的植物樣品分為根、莖、葉和籽實(shí)4部分，分別用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，浙去水分后在105° C下殺青30分鐘，然后在70° C下烘干恒重，測(cè)定其干物質(zhì)重后再用粉碎機(jī)磨碎，過60目尼龍網(wǎng)篩后，供分析測(cè)定。
[0018]上述制備的土壤(過100目)和植物樣品，均采用HNO3-HClO4法消化(二者體積比為3:1)，火焰原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定樣品中的Cd和Pb的質(zhì)量濃度。其中，Cd的測(cè)定波長(zhǎng)為228.8nm，Pb的測(cè)定波長(zhǎng)為283.3nm。所得數(shù)據(jù)采用Excel XP,SPSS 13.0和DPS進(jìn)行處理，應(yīng)用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
[0019]盆栽實(shí)驗(yàn)表明，在Cd污染暴露條件下，一點(diǎn)紅的生物量生長(zhǎng)總體上沒有受到明顯影響(表1)。特別是，當(dāng)土壤Cd污染暴露水平處于低濃度(0.5mg/kg)時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量達(dá)到4.4g/盆，反而大大高于其空白時(shí)的平均生物量(3.9g/盆)，這說明低水平的Cd污染物對(duì)該植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有刺激作用。當(dāng)土壤Cd污染暴露濃度增加到1、2和5mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量仍然大于其空白時(shí)的平均生物量，說明處于這個(gè)濃度的Cd污染物對(duì)該植物的生長(zhǎng)和發(fā)育仍然具有一定的刺激作用。甚至當(dāng)土壤Cd污染暴露濃度增加到10和50mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量才略低于其空白時(shí)的平均生物量，說明一點(diǎn)紅對(duì)土壤Cd污染具有一定的耐性。
[0020]同樣，在Pb污染暴露條件下，一點(diǎn)紅的生物量生長(zhǎng)總體上也沒有受到顯著抑制(表1)。當(dāng)土壤Pb污染暴露水平處于較低濃度(35mg/kg)時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量達(dá)到
4.3g/盆，明顯高于其空白時(shí)的平均生物量(3.9g/盆)，這說明低水平的Pb污染物也對(duì)該植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有刺激效應(yīng)。當(dāng)土壤Pb污染暴露濃度小于350mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量并沒有因?yàn)橥寥繮b的毒性作用而減少，說明該植物對(duì)Pb也有較好的耐性特征。甚至當(dāng)土壤Pb污染暴露濃度增加到700mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅的平均生物量也沒有顯著低于其空白時(shí)的平均生物量，說明較高 濃度的Pb污染對(duì)一點(diǎn)紅的生長(zhǎng)和發(fā)育也沒有構(gòu)成明顯的傷害。
[0021]表1盆栽試驗(yàn)條件下一點(diǎn)紅收獲時(shí)的生物量(g/盆)盆栽實(shí)驗(yàn)表明，一點(diǎn)紅根部對(duì)Cd、Pb的吸收能力還是比較強(qiáng)的，致使其比一般的植物有更多的積累。在本試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，一點(diǎn)紅根部Cd、Pb的積累量最高分別可達(dá)164.3和819.3mg/kg，超過了 Cd超積累植物的臨界含量。甚至當(dāng)土壤沒有添加外源Cd或Pb，一點(diǎn)紅根部Cd和Pb的積累量分別可達(dá)1.1和5.4mg/kg0當(dāng)土壤中Pb投加濃度達(dá)到700mg/kg時(shí)，其葉部含Pb可達(dá)1315.5mg/kg，超過了 Pb超積累植物的臨界含量；特別是當(dāng)土壤中Pb投加濃度達(dá)到1000mg/kg時(shí)，該植物莖、葉和籽實(shí)中Pb含量分別達(dá)1131.3、1498.7和1043.0mg/kg (表2)，其地上部Pb總體含量也達(dá)到1224.3mg/kg，超過了 Pb超積累植物的臨界含量。
[0022]本研究還表明，一點(diǎn)紅對(duì)重金屬Cd、Pb的積累均表現(xiàn)了地上部 > 根部的規(guī)律(表2和3)。對(duì)于Cd來說，其地上部與根部的比值為1.5-2.3 ;對(duì)于Pb來說，其地上部與根部的比值為1.4-2.1。這說明一點(diǎn)紅對(duì)根部吸收的重金屬CcUPb具有近似地向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的效率或能力。
[0023]表2 Cd在植物根部和地上部的積累及其平均比值
【權(quán)利要求】
1.一種利用花丼植物一點(diǎn)紅sonchifolia L.)修復(fù)鎘(Cd)、鉛(Pb)單一或復(fù)合污染土壤的方法，其特征在于:在CcUPb單一或復(fù)合污染土壤上種植一點(diǎn)紅，當(dāng)植物生長(zhǎng)到開花期或直至成熟后，將植株整體或地上部從污染點(diǎn)位移除，從而實(shí)現(xiàn)去除土壤中Cd和Pb重金屬污染物的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將一點(diǎn)紅種子播種于污染土壤中，或者將一點(diǎn)紅植物幼苗移植到Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤上，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的60-80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，待一點(diǎn)紅開花或成熟時(shí)將植株整體或地上部從污染點(diǎn)位移除，再種植第二茬一點(diǎn)紅，重復(fù)操作，直至土壤中Cd和Pb的含量下降至環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于，當(dāng)土壤中Cd投加濃度達(dá)到10mg/kg時(shí)，一點(diǎn)紅葉部含Cd達(dá)到114.5mg/kg,超過了 Cd超積累植物的臨界含量；與此同時(shí)，當(dāng)土壤中Pb投加濃度達(dá)到700mg/kg時(shí),一點(diǎn)紅葉部含Pb達(dá)到1315.5mg/kg,超過了 Pb超積累植物的臨界含量。
【文檔編號(hào)】B09C1/00GK103480643SQ201310474040
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】周睿人, 劉維濤, 周啟星 申請(qǐng)人:南開大學(xué)