CN101745521A - 一种螯合强化植物修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污染土壤的植物修复强化技术领域，具体地说是一种螯合强化植物修复镉污染土壤的方法。在镉污染土壤中种植球果蔊菜，而后在每千克受镉污染土壤中施加0.5-1.0 gEDTA，从而实现将土壤中过量镉积累到球果蔊菜的目的。本发明中投加适量的EDTA不仅没有抑制球果蔊菜[Rorippa globosa(Turcz.)Thell.]的生长发育，而且对植物生长还有一定促进作用，生物量有所提高；同时，EDTA促进植物对镉的吸收和积累。从而使得植物对镉污染土壤的修复效率达到最大。通过上述处理能够有效地实现除去土壤中污染物镉的目的。本发明具有修复效率高、可操作性强和环境风险小等特点。

Description

一种螯合强化植物修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染土壤的植物修复强化技术领域，具体地说是一种螯合强化植物修复镉污染土壤的方法。

背景技术

由于工业废物的排放和不合理的农业管理措施，导致农田土壤中的重金属污染日趋严重。土壤污染中的重金属来源广泛，除自然因素外，主要来自于杀虫剂、农药、城市生活污泥和采矿、冶炼、化工、制革等行业排放的废水、废气、废渣(文献1：McGrath S P，Zhao FJ，Lombi E.Plant and rhizosphere processes involved inphytoremediation of metal-contaminated soils.Plant and Soil，2001，232(1-2)：207-214；文献2：Reeves R D，Baker J M.Metal-accumulating plants[A].In Phytoremediation of ToxicMetals：Using Plants to Clean Up the Environment[C].Eds.，Raskin H and Ensley B D.London：John Wiley & Sons，Inc.，2000，pp.193-230；文献3：周启星，黄国宏.环境生物地球化学及全球环境变化[M].北京：科学出版社，2000)。在我国，重金属已引起大面积土壤污染，辽宁、山东、河北、湖南、江苏、安徽等省均受不同程度土壤重金属污染危害。从世界范围看，土壤受重金属污染面积呈扩大的趋势。我国江西大余矿区，株州冶炼厂和沈阳冶炼厂附近，北京东南郊灌区和东北沈抚灌区都是十分严重的重金属污染区，主要污染物有镉、铅、铜、锌、汞、铬、砷等。据报道，目前我国污灌区有11处生产的大米中Cd含量严重超标，例如，成都东郊污灌区生产的大米中Cd含量高达1.65mg/kg，超过WHO/FAO规定的含量标准7倍之多(文献4：陈怀满.土壤-植物***中的重金属污染.北京：科学出版社，1996.)。各种污染物可不同程度地导致人和动物体急性、亚急性和慢性中毒，还可诱发引起致癌、致畸、致突变。由于重金属在土壤生态***中具有隐蔽性、长期性和不可逆转性的特点，污染土壤的治理和修复成为亟需解决的问题(文献5：孙铁珩，李培军，周启星.土壤污染形成机理与修复技术.北京：科学出版社，2005；文献6：Salt D E，Smith R D，Raskin I.Phytoremediation.Annu.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol.，1998，49(5)：643-668)。

在20世纪90年代以前，重金属污染土壤修复大多采用挖掘填埋法，但这并不是一个永久措施，只是把环境问题从高危区转移到低危区，填埋法还存在占用土地、渗漏和污染周边环境等负面影响。目前，可用于土壤重金属修复的较成熟的技术很多，主要采用物理化学修复技术和植物修复技术。物理化学控制法是一种基于机械物理和物理化学原理的工程技术，它包括固化技术、玻璃化技术、治理挥发性重金属的电动力修复技术、客土法、热处理法、吸附固定法、淋滤法等。但这些技术对污染场地破坏较大，治理费用昂贵，且存在着运输、储存、回填等新的环境问题，在小面积或重金属污染土壤处理中作用很大，甚至不可替代，但对于面积巨大、污染程度较轻的污染土壤来说则难以应用。

植物修复是指通过自然生长植物或遗传工程培育植物***及其生物群落来吸收、挥发或稳定土壤环境中的污染物。与其他技术相比，植物修复技术具有经济高效、绿色净化、易于后续处理等优点，显示出良好的生态、经济和社会效益，具有广阔的应用前景(文献7：周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法.北京：科学出版社，2004)。而实施植物修复的关键是选育出对污染重金属有较强吸收能力的超富集植物(hyperaccumulator)。利用超富集植物修复重金属污染土壤具有其它修复方法无法比拟的优点，主要体现在以下几个方面：①应用范围广泛.不但可以清除净化土壤中的重金属污染物，而且还可以同时清除污染土壤周围的大气或水体中的污染物；②植物修复的成本较低.研究表明，植物修复的费用为每公顷200-10000美元。此外，人们还可以从富含重金属的植物残体中回收贵重金属，获得直接的经济效益；③原位处理污染土壤，对环境扰动少，避免了对土壤结构的破坏；④植物修复过程还能增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，提高土壤肥力，适合于多种农作物的生长；⑤植物固化技术使地表长期稳定，控制风蚀，减少水土流失，有利于生态环境的改善；⑥植物本身对环境具有净化和美化作用，易被社会所接受。

植物修复效率取决于两个方面的因素：一是修复植物具有较大的生物量；二是植物具有很强的积累重金属能力，尤其是地上部。螯合诱导修复技术(Chelate-induced phytoextraction)基于螯合剂能显著提高植物吸收和积累重金属而备受关注青睐。螯合剂能够打破重金属-螯合剂复合体的吸持强度，使平衡关系向着利于重金属解吸的方向发展，从而在达到平衡之前，大量重金属进入土壤溶液，合成螯合物和有机酸都能够促进植物对重金属的吸收，增加了植物修复效率(文献8：孙约兵，周启星，郭观林.植物修复重金属污染土壤的强化措施[J].环境工程学报，2007，1：103-110)。EDTA是目前发现的能够显著提高植物修复污染土壤螯合剂之一。Balylock等研究发现投加5mmol/kg EDTA后，植物体内Pb含量有28mg/kg增加到785mg/kg(文献9：Blaylock MJ，Salt DE，Dushenkov S，Zakharova O，Gussman C，Kapulnik Y，Ensley BD，Raskin I.Enhancedaccumulation of Pb in Indian mustard by soil-applied chelatingagents.Environ.Sci.Technol.，1997，31：860-865)。Gr□man研究发现投加EDTA一周后，Brassica rapa体内Pb、Zn和Cd含量分布增加了104.6、3.2和2.3倍(文献10：Gr□man，H.，Velikonja-Bolta，.，Vodnik，D.，Kos，B.，Lestan，D.，2001EDTA enhanced heavy metal phytoextration：metal accumulationleaching and toxicity.Plant and Soil，235，105-114)。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用螯合剂强化植物修复镉污染土壤的方法，

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

螯合强化植物修复镉污染土壤的方法：在镉污染土壤中种植球果蔊菜，而后在每千克受镉污染土壤中施加0.5-1.0g乙二胺四乙酸钠盐(EDTA)，从而实现将土壤中过量镉积累到金盏菊的目的。

所述EDTA投加时期为球果蔊菜开花期或成熟期。所述EDTA投加时期为球果蔊菜成熟期，投加量为1.0g/kg。所述种植球果蔊菜是将幼苗期的球果蔊菜幼苗移载到在镉污染土壤中。所述在镉污染土壤中种植的球果蔊菜采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％。在镉污染土壤上种植球果蔊菜后，球果蔊菜从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当球果蔊菜生长至成熟期，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬球果蔊菜，重复上述操作，使土壤中过量镉积累到球果蔊菜，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

本发明所具有的优点：本发明采用植物修复技术治理镉污染土壤，其操作性强、费用低、不破坏土壤理化性质、不引起二次污染，同时具有美化环境的作用。其能够明显提高植物对镉的修复效率，投加螯合剂后，不仅促进修复植物球果蔊菜[Rorippa globosa(Turcz.)Thell.]的生长发育，而且提高植物对镉的吸收和积累，从而提高植物对镉修复效率。本发明利用球果蔊菜对镉污染有很强的耐性能力，将植物种植在镉污染土壤中，利用植物的提取作用，从而修复土壤中镉污染，其能够在稳定污染土壤及不引起地下水污染的同时，还能够美化环境。同时本发明投加适量的EDTA对球果蔊菜生长不仅没有副作用，而且还能够促进生长；并且在球果蔊菜成熟期投加EDTA从而有利于植物生长和重金属吸收。

附图说明

图1为本发明不同生长期投加EDTA对球果蔊菜地上部生物量的影响示意图。

具体实施方式

试验地点设在中国科学院沈阳生态实验站内，地理位置为东经123°41′、北纬41°31′，海拔约50m，属温带半湿润大陆性气候，年平均温度5℃-9℃，无霜期为127-164d，年降水量650-700mm。盆栽试验土壤采自该站表土(0-20cm)，土壤类型为草甸棕壤，其理化性质为pH值6.56，有机质12.26g/kg，全N 0.91g/kg，全P 0.4g/kg，全K 183g/kg，总Cd 0.17mg/kg，总Cu 32.9mg/kg，总Zn28.1mg/kg，总Pb 11.1mg/kg。

供试土壤风干后过4mm筛后，每盆2.5kg，所有处理都投加25mg/kg Cd(以CdCl₂·2.5H₂O)，充分混匀后装入塑料盆(H＝15cm)。平衡3周后，选择生长一致的球果蔊菜，分别移栽入各盆中，每盆3棵苗，为了使其在自然状况下生长，不施底肥且露天栽培，根据盆中土壤缺水情况，不定期浇水(水中未检出Cd)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的80％左右。为防止污染物淋溶渗漏损失，在盆下放置塑料托盘并将渗漏液倒回盆中，植物生长时间为131d。而后将植物从污染土壤上移走，再种植三叶鬼针草，重复操作3次。

将割下的植物样品分为根、茎、叶和籽实4部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在105℃杀青10min。之后，在70℃下烘干至衡重，将植物样品粉碎备用。植物样品采用HNO₃-HClO₄法消化(二者体积为3∶1)，Cd的测定方法利用原子吸收分光光度计。

所有检测的数据都重复3次，在计算机上用Microsoft Excel2003进行平均值和标准差的运算，以Mean±SD形式表示。并利用最小显著性差异测验(LSD测验)进行植物样品差异显著性测验。

实验结果：

在预实验中投加3和5g/kgEDTA，两天后叶片出现发黄、枯萎和脱落现象，直至死亡。说明投加较高浓度EDTA并不适用球果蔊菜强化修复Cd污染土壤，故本实验将EDTA浓度调整为0.5和1.0g/kg。

图1表示是不同生长时期投加EDTA对球果蔊菜地上部生物量的影响。由图可知，在苗期投加EDTA抑制植物的生长和发育，地上部生物量随着EDTA投加浓度的提高而减少，与对照相比，EDTA达到1.0g/kg时显著抑制植物生长。与之相反，当在植物生长的开花期和成熟期投加EDTA则促进植物生长，其地上部干重随着EDTA投加浓度增加而增加，当在开花期和成熟期投加EDTA浓度达到1.0g/kg时，地上部干重明显高于对照。同时，当EDTA投加浓度相同时，投加螯合剂时间越晚越有利于植物生长。综上所述，在植物生长的成熟期投加适量的EDTA能够促进植物生长，从而有利于利用球果蔊菜提取修复Cd污染土壤。

表1不同生长期投加EDTA对球果蔊菜体内Cd含量的影响

表1给出的是不同处理对球果体内Cd含量的影响。在对照处理中(仅投加浓度为25mg/kg Cd)，茎和叶中Cd浓度分别为108.6和154.1mg/kg，都达到了Cd超富集植物临界含量标准。同时，由表2中富集系数和转移系数分别为3.7和1.4，都大于1。以上进一步说明球果蔊菜为Cd超富集植物。与对照相比，在苗期投加EDTA(0.5和1.0mg/kg)，尽管能够促进植物根和茎对Cd的吸收，但抑制植物叶和籽对Cd的吸收，最终表现为地上部Cd含量低于对照。然而，在开花期和成熟期投加EDTA(0.5和1.0mg/kg)促进植物对Cd的吸收，且随着EDTA投加浓度的提高而增加。与开花期相比，成熟期投加EDTA(0.5和1.0mg/kg)更由于植物对Cd的吸收。与对照相比，分别增加了87.2％和126.4％。

表2不同处理对球果蔊菜体内Cd的富集系数、转移系数和提取率影响

表2表示是不同处理对植物体内Cd富集系数、转移系数和提取率的影响。富集系数为地上部Cd含量与土壤中Cd含量的比值；转移系数为地上部Cd含量与根部Cd含量的比值；提取率为地上部Cd含量和生物量的积与土壤Cd含量和重量的积的比值。由表可以看出，在苗期投加EDTA(0.5和1.0mg/kg)植物体内的富集系数、转移系数和提取率都小于对照处理。而在开花期和成熟期投加EDTA则富集系数、转移系数和提取率都有所提高，且随着Cd投加浓度的升高而增加。当在成熟期投加EDTA为1.0g/kg时，富集系数、转移系数和提取率达到最大，分别为8.4，2.2和1.6。

由以上可知，苗期投加EDTA不仅抑制植物生长和发育，而且抑制植物对Cd的吸收和积累。而在开花期和成熟期投加EDTA促进植物生长和对Cd的吸收，其中，在成熟期投加1.0mg/kgEDTA最有利于植物生长和对Cd累积。总之，在一定植物生长时期投加适宜的EDTA有利于植物对重金属的提取修复。

Claims (6)

1.一种螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤中种植球果蔊菜，而后在每千克受镉污染土壤中施加0.5-1.0gEDTA，从而实现将土壤中过量镉积累到球果蔊菜的目的。

2.按权利要求1所述的螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述EDTA投加时期为球果蔊菜开花期或成熟期。

3.按权利要求2所述的螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述EDTA投加时期为球果蔊菜成熟期，投加量为1.0g/kg。

4.按权利要求1所述的螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述种植球果蔊菜是将幼苗期的球果蔊菜幼苗移载到在镉污染土壤中。

5.按权利要求1所述的螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：所述在镉污染土壤中种植的球果蔊菜采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80％。

6.按权利要求1所述的螯合强化植物修复镉污染土壤的方法，其特征在于：在镉污染土壤上种植球果蔊菜后，球果蔊菜从污染土壤中吸收镉并向地上部转移，当球果蔊菜生长至成熟期，将植物从污染土壤上移除，再种植第二茬球果蔊菜，重复上述操作，使土壤中大量的镉积累到球果蔊菜，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

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