CN102441562A

CN102441562A - 一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法

Info

Publication number: CN102441562A
Application number: CN2011103357430A
Authority: CN
Inventors: 王丹; 钟钼芝; 徐长合; 唐运来; 陈晓明; 罗学刚
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明公开了一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是包括：在含污染物镉的土壤中种植蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆收割或整体从污染土壤中移走；移走后还可以再种植下一批蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆整体从污染土壤中移走，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。本发明使蚕豆更好地发挥对镉的吸收、富集能力，修复镉污染土壤具有投资少和维护成本低、工程量小，管理技术要求低、在修复镉污染土壤的同时通过蚕豆的固氮作用提高土壤肥力的特点，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。

Description

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法

技术领域

本发明属于污染的土壤的再生，涉及一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法。特别适用于镉（Cd）污染土壤的修复治理。

背景技术

当前，我国区域农业环境恶化现象逐渐加重，全国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2000万hm²，约占耕地面积的1/5，其中以镉（Cd）污染较普遍，污染面积近1000万hm²，其次是Pb、Zn、Cu、Hg等；而且有许多地方的粮食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb 等重金属含量超标和接近临界值。其中大多数都是由于工业污水灌溉造成的。如广州郊区老污灌区，土壤中Cd的含量最高达228mg/kg，平均含量为6.68mg/kg；沈阳张士灌区有2533hm²土地遭受Cd的污染,其中严重污染的占13%。

在被重金属污染的土壤环境中，通常情况下，重金属首先会危害到土壤微生物，在重金属的胁迫，不适应重金属环境的微生物数量会剧烈降低，甚至灭绝，而适应重金属环境的微生物则会存活下来，逐渐成为土壤优势菌。其次就是对农作物的毒害作用，其影响在于：一方面就是破坏植物的一些组织和功能，从而降低植物的产量和品质，例如土壤中镉含量超标会破坏植物叶片的叶绿素结构并最终导致植物衰亡；

重金属元素毒性大、难降解，进入水体环境之后可以直接通过饮用水或生活用水作用于人体，也能被水生动植物富集吸收，进入食物链而危害人畜安全。镉经食物链进入人体后，主要蓄积在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼中，可引起骨痛病此外，镉还可造成贫血、高血压、肾炎和内分泌失调等病症。镉的急性中毒主要表现为呼吸***受损，镉的慢性中毒主要是引起肾小管病变。

针对传统处理重金属和核素污染方法的特点，20世纪80年代后，植物修复技术成为了科学家研究的热点，与传统的处理方法相比较，具有投资少、操作方便、不造成二次污染、安全的特点。植物修复就是筛选和培育特种植物，特别是对目标污染物具有超常吸收和富集能力的植物，种植在污染的土壤上，利用植物根系来吸收土壤中的污染物，收获植物，以达到清除污染的目的。重金属污染植物修复技术按其修复的机理和过程可分为植物提取、植物稳定、根际过滤和植物挥发四部分。

现有技术中，在放射性污染植物修复技术中植物提取的研究相对较多，工程性的试验也已开展。植物提取是指利用某种放射性核素的超积累植物将土壤中的核素转运出来，富集并搬运到植物根系可吸收部位和地上部位，待植物收获后再进行处理，连续种植这种植物，可使土壤中放射性核素的含量降低到可接受水平。但采用植物提取，由于植物生长速度慢，导致植物提取的效率很低。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，通过种植富集植物、并施用柠檬酸，提供一种治理速度快、成本低、效果好的利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法。

本发明的内容是：一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是包括：在含污染物镉的土壤中种植蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆收割或整体从污染土壤中移走。

本发明的内容中：所述将植物蚕豆整体从污染土壤中移走后，再种植下一批蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆整体从污染土壤中移走，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准，从而彻底除去土壤中超标的镉。

本发明的内容中：所述柠檬酸水溶液的施用量可以为每666.7平方米土壤施用浓度为2.5～20mmol/L的柠檬酸水溶液350L。

所述180L的柠檬酸水溶液可以分成1～2次施入土壤中，相邻两次施用的间隔时间为0～5天；即一次性施入，或每1～5天施用一次，在2次内施用完。第一次施入柠檬酸水溶液的时间可以是植物蚕豆播种后一个月，施用至植物蚕豆根际范围。

所述土壤中污染物镉的浓度可以为每千克土壤中含镉（污染物镉的化合物，以镉计量）10～15毫克（平均值）。即：当土壤中镉含量在此范围时，施入的所述柠檬酸水溶液具有最佳的促进蚕豆修复治理镉污染土壤的效果。

本发明的内容中：将收割或整体从污染土壤中移走的蚕豆可以采用焚烧的方法进行无害化处理（焚烧后残留的含镉的固体物可进一步采用回收金属、填埋等现有技术方式进行处理）。

本发明的内容中：所述植物蚕豆的播种量和播种方法等同现有技术。

所述蚕豆（拉丁学名：Vicia faba Linn），别称：胡豆、佛豆、胡豆、川豆、倭豆、罗汉豆；为一年生或越年生草本植物，属豆科植物，茎方形，中心空，花白色有紫斑，结荚果；种子供食用；中国蚕豆种植面积广泛，以四川、云南、江苏、湖北等地为多。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

（1）本发明系发明人经过长期的研究，创造性地筛选出，在柠檬酸的处理下，可以明显提高蚕豆吸收镉的能力；将蚕豆种植在镉污染的土壤中，施用螯合剂柠檬酸，可促进蚕豆吸收土壤中的镉，永久性地解决土壤镉污染问题；

（2）本发明通过在镉污染的土壤中种植蚕豆，在施用柠檬酸后，由蚕豆根系大量吸收污染土壤中的镉，并将镉转运到蚕豆的茎、叶、荚果，当蚕豆生长到荚果期或成熟期时，将蚕豆整株或地上部分从污染土壤中收获，从而实现去除污染土壤中镉污染物的目的，在修复镉污染土壤的同时通过蚕豆的固氮作用提高土壤肥力；

（3）采用本发明，能使蚕豆更好地发挥对镉的吸收、富集能力，修复镉污染土壤具有投资少和维护成本低、工程量小，管理技术要求低、治理方法费用低廉、可操作性强、不破坏环境土壤结构、不引起二次污染，土壤治理效果好，实用性强、在修复镉污染土壤的同时通过蚕豆的固氮作用提高土壤肥力的特点，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。

附图说明

图1是柠檬酸处理下对照土壤中蚕豆单株镉含量和比较图；

图2是柠檬酸处理下轻度污染土壤中蚕豆镉含量和比较图；

图3是柠檬酸处理下重度污染土壤中蚕豆镉含量和比较图。

具体实施方式

下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：蚕豆在对照土壤中吸收镉的特性

本试验在西南科技大学生命科学与工程学院东六实验楼进行，参试蚕豆种子购于绵阳云川种子公司，对照土壤为黄壤土，将土壤放于避光通风处自然风干后，剔除杂物，捣碎并过筛后备用。不人为添加镉。蚕豆育苗开始时间为2010年9月28日，待幼苗长至1个月时，定植于装有8.5kg土壤（土壤的理化性质见表1）的塑料盆（直径33cm，高26cm）中，1天后把不同浓度柠檬酸（具体浓度见表2）以水溶液的形式均匀喷洒于盆中，按照生长需要定时浇水，生长140天后进行取样分析。

表1　　土壤物理化学性质

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表2　　柠檬酸处理浓度

试验结果表明：从说明书附图1可以看出，在未添加镉的对照土壤中，蚕豆施用柠檬酸比不施用柠檬酸的对照都能显著提高其镉的吸收量。施用5mmol/L的柠檬酸时，蚕豆单株镉含量达到最大值216μg/株（本处理蚕豆单株干重为105.57mg，即折算为单位干重的镉含量为2046.04mg/kg），按照1盆3株蚕豆苗计算，1季将提取648μg的镉，比不施用柠檬酸的对照提高其镉的吸收量10.62倍。

实施例2：蚕豆在轻度污染土壤中吸收镉的特性

本试验在西南科技大学生命科学与工程学院东六实验楼进行，参试蚕豆种子购于绵阳云川种子公司，土壤轻度污染浓度为 10 mg/kg 镉（镉以Cd(NO₃) ₂·4H₂O 为镉源），蚕豆育苗开始时间为2010年9月28日，待幼苗长至1个月时，定植于装有8.5kg镉污染土壤（土壤的理化性质见表1）的塑料盆（直径33cm，高26cm）中，1天后把不同浓度柠檬酸（具体浓度见表2）以水溶液的形式均匀喷洒于盆中，按照生长需要定时浇水，生长140天后进行取样分析。

试验结果表明：从说明书附图2可以看出，在轻度污染土壤中，蚕豆施用柠檬酸比不施用柠檬酸的对照能显著提高其镉的吸收量，且试验所设浓度范围内各浓度处理间差异不显著，但蚕豆施用5mmol/L的柠檬酸时，蚕豆镉含量达到最大值 3959.33μg/株（本处理蚕豆单株干重为93.16mg，即折算为单位干重的镉含量高达42496.78mg/kg），按照1盆3株蚕豆苗计算，1季将提取11.878mg的镉，占土壤中镉含量的13.97％，比不施用柠檬酸的对照提高其镉的吸收量11.27倍。蚕豆施用2.5mmol/L的柠檬酸时蚕豆镉含量虽然未达到最大值但与5mmol/L的柠檬酸处理差异不显著，从成本考虑2.5mmol/L的柠檬酸处理为促进蚕豆吸收镉的适宜处理。

实施例3：蚕豆在重度污染土壤中吸收镉的特性

本试验在西南科技大学生命科学与工程学院东六实验楼进行，参试蚕豆种子购于绵阳云川种子公司，土壤重度污染浓度为 15 mg/kg镉（镉以Cd(NO₃) ₂·4H₂O 为镉源），蚕豆育苗开始时间为2010年9月28日，待幼苗长至1个月时，定植于装有8.5kg镉污染土壤（土壤的理化性质见表1）的塑料盆（直径33cm，高26cm）中，1天后把不同种类不同浓度柠檬酸（具体浓度见表2）以水溶液的形式均匀喷洒于盆中，按照生长需要定时浇水，生长140天后进行取样分析。

试验结果表明：从说明书附图3可以看出，在重度污染土壤中，蚕豆施用柠檬酸比不施用柠檬酸的对照都能显著提高其镉的吸收量，且试验所设浓度范围内各浓度处理间差异不显著，蚕豆施用5mmol/L的柠檬酸时，蚕豆镉含量和都达到最大值4969.51μg/株（本处理蚕豆单株干重为96.21mg，即折算为单位干重的镉含量高达51652.74mg/kg），按照1盆3株蚕豆苗计算，1季将提取14.909mg的镉，占土壤中镉的17.54％，比不施用柠檬酸的对照提高其镉的吸收量12.24倍。蚕豆施用2.5mmol/L的柠檬酸时蚕豆镉含量虽然未达到最大值但与5mmol/L的柠檬酸处理差异不显著，从成本考虑2.5mmol/L的柠檬酸处理为促进蚕豆吸收镉的适宜处理。

实施例4：柠檬酸处理下蚕豆Cd转运系数和富集系数

本试验在西南科技大学生命科学与工程学院东六实验楼进行，参试蚕豆种子购于绵阳云川种子公司，土壤对照浓度、轻度污染浓度和重度污染浓度分别为：对照（天然土壤，不人为添加镉），10mg/kg镉和15mg/kg镉（镉以Cd(NO₃) ₂·4H₂O 为镉源），蚕豆育苗开始时间为2010年9月28日，待幼苗长至1个月时，定植于装有8.5kg镉污染土壤（土壤的理化性质见表1）的塑料盆（直径33cm，高26cm）中，1天后把不同种类不同浓度螯合剂（具体浓度见表2）以水溶液的形式均匀喷洒于盆中，按照生长需要定时浇水，生长140天后将植株分根、茎、叶和果四个部分进行采样分析。最后根据不同器官的Cd含量进行转运系数和富集系数的计算。

转运系数是地上部某元素含量与地下部某元素含量之比，用来评价植物将某元素从地下部向地上部的运输和富集能力。转运系数大的植物从根系向地上部器官转移的吸收量大。一般超富集植物的转运系数要求在1以上。其计算公式为：

转运系数=植物地上部器官中重金属含量/植物根部重金属含量。

富集系数是指植物某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比，它在一定程度上反映着土壤--植物***中元素迁移的难易程度，它反映了植物将元素吸收、转移到体内的能力。富集系数越大表明植物富集元素的能力越强。一般超富集植物的富集系数在1以上。其计算公式为：

富集系数=植物地上部器官中重金属含量/土壤中重金属含量。

表3　柠檬酸处理下蚕豆Cd转运系数

从表3可知：在柠檬酸处理下，蚕豆Cd转运系数无论在轻度污染土壤还是重度污染土壤中，随着土壤污染程度的增加，蚕豆的转运系数都随之增加，在本试验柠檬酸浓度范围内施用柠檬酸的转运系数均大于1；在柠檬酸处理下，随着柠檬酸浓度的增加，蚕豆Cd含量呈现出先增加后减少的趋势。在柠檬酸浓度为5mmol/L时，无论在轻度污染土壤还是在重度污染土壤中蚕豆Cd转运系数都达到最大值。特别是在重度污染土壤中Cd转运系数高达6.895。

表4　柠檬酸处理下蚕豆Cd富集系数

从表4可知：在柠檬酸处理下，蚕豆Cd富集系数无论在轻度污染土壤还是重度污染土壤中，随着土壤污染程度的增加，蚕豆的富集系数都随之增加；在柠檬酸处理下，随着柠檬酸浓度的增加，蚕豆Cd富集系数呈现出先增加后减少的趋势。在柠檬酸浓度为5mmol/L时，无论在轻度污染土壤还是在重度污染土壤中蚕豆Cd富集系数都达到最大值。特别是在重度污染土壤中Cd富集系数高达4.35。

从上面的结果可以看出，柠檬酸对于提高蚕豆提取土壤中的镉具有很强的促进作用。因此，柠檬酸可以促进蚕豆对镉的吸收，从而缩短镉污染土壤的修复时间，对于镉污染土壤的植物修复具有重大的意义。

实施例5：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，包括：在含污染物镉的土壤中种植蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆收割或整体从污染土壤中移走。

实施例6：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，包括：在含污染物镉的土壤中种植蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆收割或整体从污染土壤中移走；再种植下一批蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆整体从污染土壤中移走，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

实施例7：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为2.5mmol/L的柠檬酸水溶液350L；其它同实施例5或实施例6，省略。

实施例8：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为20mmol/L的柠檬酸水溶液350L；其它同实施例5或实施例6，省略。

实施例9：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为10mmol/L的柠檬酸水溶液350L；其它同实施例5或实施例6，省略。

实施例10：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为5mmol/L的柠檬酸水溶液350L；其它同实施例5或实施例6，省略。

实施例11：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为15mmol/L的柠檬酸水溶液350L。

实施例12：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为6mmol/L的柠檬酸水溶液350L。

实施例13：

一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为2.5～20mmol/L中任一浓度的柠檬酸水溶液350L。

上述实施例中：所述180L的柠檬酸水溶液分成1～2次施入土壤中，相邻两次施用的间隔时间为0～5天；即可以一次性施入，或者每1～5天施用一次，在2次内施用完；第一次施入柠檬酸水溶液的时间可以是植物蚕豆播种后一个月，施用至植物蚕豆根际范围。

上述实施例特别适用于所述土壤中污染物镉的浓度为每千克土壤中含镉（污染物镉的化合物，以镉计量）10～15毫克。即：当土壤中镉含量在此范围时，施入的柠檬酸水溶液具有最佳的促进蚕豆修复治理镉污染土壤的效果。

上述实施例中：将收割或整体从污染土壤中移走的蚕豆采用焚烧的方法进行无害化处理（焚烧后残留的含镉的固体物可进一步采用回收金属、填埋等现有技术方式进行处理）。

上述实施例中：所述植物蚕豆的播种量和播种方法等同现有技术。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品。

上述实施例中：各步骤中的工艺参数和各组分用量数值等为范围的，任一点均可适用。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims

1. 一种利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是包括：在含污染物镉的土壤中种植蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆收割或整体从污染土壤中移走。

2.按权利要求1所述利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是还包括：所述将植物蚕豆整体从污染土壤中移走后，再种植下一批蚕豆，并在土壤中施入柠檬酸水溶液，当植物蚕豆生长到结荚果或者成熟期时，将植物蚕豆整体从污染土壤中移走，重复上述过程，直至土壤中的镉含量达到环境安全标准。

3.按权利要求1或2所述利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是：所述柠檬酸水溶液的施用量为每666.7平方米土壤施用浓度为2.5～20mmol/L的柠檬酸水溶液350L。

4.按权利要求3所述利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是：所述350L的柠檬酸水溶液分成1～2次施入土壤中，相邻两次施用的间隔时间为0～5天。

5.按权利要求3所述利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是：所述土壤中污染物镉的浓度为每千克土壤中含镉10～15毫克。

6.按权利要求1或2所述利用柠檬酸促进蚕豆修复治理镉污染土壤的方法，其特征是还包括：将收割或整体从污染土壤中移走的蚕豆采用焚烧的方法进行无害化处理。