CN102989749A

CN102989749A - 一种利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法

Info

Publication number: CN102989749A
Application number: CN2012105123494A
Authority: CN
Inventors: 杨彦; 赵洁; 李定龙; 陆晓松
Original assignee: CHANGZHOU SHUIMU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Changzhou University
Current assignee: CHANGZHOU SHUIMU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Changzhou University
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明涉及一种污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、萝卜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法。本发明利用大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、萝卜吸收富集复合污染土壤中的Cd、DNP，并向上转运到地上部，当蔬菜生长到成熟期将蔬菜整体移除并作为日常食用蔬菜使用，从而达到保证蔬菜品种的同时治理污染土壤；通过轮作韭菜-空心菜-萝卜，重复上述过程，就可以连续提取污染土壤中的Cd、DNP，直到其含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，不破坏土壤理化性质，无二次污染，且可以在治理复合污染土壤的同时保证蔬菜的品种等优点。

Description

一种利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染环境的植物修复技术，具体地说是一种利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法。

背景技术

土壤是人类获取食物和其他再生资源的物质基础[文献1：刘秀梅,聂俊华,王仁庆.植物修复重金属污染土壤的研究进展[J].甘肃农业大学学报,2001]，是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。随着世界经济的发展，人口的增加，环境污染物的排放量与日俱增，环境污染和生态破坏给土壤带来了严重的污染，其中重金属、有机物污染的土壤面积在不断增加，这不仅退化土壤肥力，降低农产品产量和品质，还通过食物链危及人类的生命健康[文献2：丁佳红,刘登义,储玲,等.重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景[J].生物学杂志,2004,21(4):8-9]。

土壤Cd污染是一个全球性问题，污染具有隐蔽性、长期性和不可逆转性，一旦进入土壤，不易分解、转化、富集。Cd可在作物的可食部位积累通过食物链传递给人或动物，对人体健康产生严重危害。如世界闻名的骨痛病(Cd中毒)就是典型的例证。据统计，过去50年中，全球排放到环境中的Cd达到2.20×10⁴t[文献3：Singh O V,Labana S,Pandey G,et al.Phytoremediation:an overview of metallic ion decontamination from soil[J].Appl.Microbol.biotechnol,2003,61:405-412]，目前我国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积已近2000万hm²，约占全国耕地总面积的近1/5，其中Cd污染面积近1000万hm²[文献4：韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报,2001,21(7):1196-1204]。邻苯二甲酸二辛酯[Bis(2-ethylhexyl)phthalate,DNP]作为一种重要的邻苯二甲酸酯类化合物（phthalate acid esters，PAEs），是最常用的塑料增塑剂之一。近十几年来，我国塑料大棚和农膜使用量急剧增加。据报道，1991年我国农膜使用面积已达460万hm²,1995年我国农膜总产量已近60万t[文献5：安琼,李勇,等.酞酸酯类塑料增塑剂对土壤-作物***的影响[J].土壤学报,1999,36(1):118-125]。随着塑料薄膜的大量使用，越来越多的DNP被释放进入土壤，已成为在土壤中最常被检出的有机污染物[文献6：Tao S,Deng BS,Hemosin B,et al.Identification of organic pollutants in agricultural soils from Tianjin[J].China Frestenius Environmental Bulletin,1993,2(11):677-682]。与邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸正二丁酯（DnBP）、邻苯二甲酸丁基苄酯（BBP）和邻苯二甲酸双（2-乙基己基）酯（DEHP）5种PAEs化合物共同被美国国家环保署(USEPA)列为“优先控制污染物”[文献7：Tao S,Deng B S,Hermosin B,et al.Identificationof organic pollutants in agricultural soils from Tianjin[J].China FreseiusEnvironmental Bulletin,1993,2(11):677-682；文献8：孟平蕊,王西奎,徐广通,等.济南市土壤中酞酸酯的分析与分布[J].环境化学,1996,15(5):427-432]。Cd、DNP大量排放，使土壤遭致污染，生态***受到破坏，因此，对重金属-有机物复合污染的治理和修复成为一项十分紧迫的任务。

在自然界中，污染物很少单独存在于某一环境中，多具伴随性和综合性，往往是多种污染物进入环境并共存，即多种污染物形成的复合污染[文献9：Dahmani-Muller H,Oort F V,Gelie B,et al.Strategies of heavy metal uptake by three plant species growing near a metalamelter[J].Environmental Pollution,2000,109:231-238.]。所谓复合污染是指多元素或多种化学品，即多种污染物对同一介质（土壤、水、大气、生物）的同时污染[文献10：陈怀满,郑春荣.复合污染与交互作用研究——农业环境保护中研究的热点与难点.农业环境保护,2002,(4):192]。目前，在土壤重金属、有机物污染化学及重金属、有机物污染的植物修复研究中，对于植物在单一元素污染情况下对重金属、有机物元素的吸收已有较多报道，但对重金属、有机物共存于同一环境形成的复合污染环境效应的研究还较少[文献11：彭莉,黄亮,李承碑,等.模拟酸雨作用下紫色土锌镉复合污染对莴笋的影响[J].水土保持学报,2006,20(3):28-31]。在复合污染情况下，重金属-有机污染物将对植物有机体的生物量及其它生物指标产生重要影响，从而改变植物对各元素的吸收能力[文献12：Teutsch N,Erel Y,Halicz,et al.Distribution of natural and anthropogenic lead in Mediterranaen soil[J].Geohimicaet Cosmochimica Acta,2001,65(17):2853-2864]。因此，研究复合污染物在不同浓度水平情况下植物对土壤元素的吸收，以及不同植物在复合污染情况下吸收能力的变化，对污染土壤的安全利用、土壤环境质量标准的修订以及复合污染土壤的植物修复具有理论和实践意义。

修复重金属、有机物污染土壤，恢复土壤原有功能，一直是国际上的难点和热点研究课题。近年来，世界各国都非常重视污染土壤的修复技术研究[文献13：Caccicatore D A,Mcneil M A.Principles of soil biore mediation[J].Biocyde,1995,36(10):61-64；文献14：CaplanJ A.The worldwide bioremediation industry:prospects for proits[J].TrendsBiotechnol,1993,11:320-323]。目前可用于修复治理土壤污染的技术很多，主要包括各种物理、化学、物理化学治理技术和生物修复技术。其中，生物修复技术由于其自身优势，经常被运用到土壤修复中。生物修复就是利用生物(微生物、植物、动物)作用，削减、去除环境中污染物或降低污染物毒性，从而恢复土壤功能的生物工程技术。生物修复技术主要通过两种途径来达到对环境中污染物的净化作用：(1)通过生物作用改变重金属、有机物在土壤中的化学形态，使重金属、有机物固定或降解，降低其在环境中的移动性和生物可利用性；(2)通过生物吸收、代谢达到对重金属、有机物的削减、净化与固定作用。与物理化学修复技术相比，生物修复是一种高效廉价的环境友好技术，治理后不仅能够有效阻止对周围环境的污染，而且能够美化环境，改变小气候、水文等条件，还可以产生一定的经济效益。

在生物修复技术中，常用于修复治理重金属、有机物污染土壤的方法主要是植物修复技术。植物修复(phytoremediation)是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门环境污染治理技术[文献15：唐世荣,B.M.Wilke.植物修复技术与农业生物环境工程.农业工程学报,1999,15(2):21-24]。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。研究表明，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤或水体中的污染物，达到净化环境的目的。

植物修复的优势：(1)实用范围广，在清除土壤中重金属、有机污染物的同时，可清除污染土壤周围的大气、水体中的污染物。

(2)污染物在原地去除，不破坏土壤生态环境。可通过传统农业措施种植植物，且可回收重金属、有机物，减少造成二次污染的机会。

(3)植物本身对环境的净化和美化作用。

(4)植物修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被修复过的土壤适合多种农作物的生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用大生物量非超富集蔬菜韭菜（Garlic chives）、空心菜（Swamp Morningglory）、萝卜（Raphanus sativus L）轮作，修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法。富集系数小于1的植物，均为非超富集植物，本专利所选择的蔬菜作物富集系数<1，均为非超富集植物。所选择的蔬菜作物再实验中可大面积种植，且产量较好，在专利中有描述，因此为大生物量非超富集植物。

为实现上述目的，本发明技术内容为：在Cd、DNP复合污染土壤中种植大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、萝卜，从而实现去除土壤中过量Cd、DNP的目的。

在Cd、DNP复合污染土壤中按季节进行韭菜—空心菜—萝卜轮作，第一茬，在复合污染土壤中种植韭菜，当韭菜生长至成熟期时将植株整体移除收获。所述在Cd、DNP复合污染土壤中种植的韭菜是指将高3~5cm的韭菜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中。第二茬，在复合污染土壤中种植空心菜，当空心菜生长至成熟期时将植株整体移除。所述在Cd、DNP复合污染土壤中种植的空心菜是指含2-3片展开真叶高5~8cm的空心菜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中。第三茬，在Cd、DNP复合污染土壤中种植萝卜，当萝卜生长至成熟期时将植株整体移除。所述Cd、DNP复合污染土壤中的萝卜是指将含2~3片以上展开真叶的萝卜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中。

根据待修复土壤肥力状况，施用促进韭菜、空心菜、萝卜生长的氮、磷、钾肥。在Cd、DNP复合污染土壤中种植的韭菜、空心菜、萝卜均采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60~80%。在Cd、DNP复合污染土壤中种植韭菜，韭菜从污染土壤中吸收Cd、DNP并向地上部转移，当韭菜成熟时，将植物从污染土壤上移除，并将耕层0-10cm进行翻土，再种植第二茬蔬菜作物空心菜，重复以上操作，种植第三茬蔬菜作物萝卜，重复以上操作，直至土壤中的Cd、DNP含量达到环境安全标准。

本发明所采用的韭菜，属百合科多年生草本植物，根茎横卧，簇生，叶基生，条形，扁平。植株耐移栽，生长迅速，且栽培容易，在我国南北各地均有分布。所用的空心菜，为旋花科，蔓性草本，全株光滑，茎中空，叶互生，椭圆状卵形或长三角。由于空心菜易种植，不受高温、暴雨限制，在各地广泛栽培，尤其在南方被大量种植。所用的萝卜，属植物界、十字花科、萝卜属，根肉质，长圆形，茎直立，粗壮，圆柱形，具有菜用和药用价值。萝卜种植产量较好，品质较优，在我国各地均有种植历史。本发明实验表明，韭菜、空心菜、萝卜对Cd、DNP的吸收、累积能力均较好。

本发明利用蔬菜对Cd、DNP复合污染土壤的富集作用，从土壤中带走大量的污染物，并在修复污染土壤的同时，生产符合我国卫生标准的韭菜、空心菜、萝卜作物，使土壤得以安全利用。

本发明所具有的优点：

该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点。作为一种绿色原位修复技术，通过韭菜-空心菜萝卜轮作，可大大减少土壤Cd、DNP造成的复合污染，进而延长土壤的使用寿命，在合理调控的基础上，提高土壤肥力，促进蔬菜作物的增产增收，并降低肥料的投入成本。另外，选取适当的大生物量非超富集蔬菜作物，在修复过程中不仅不会造成二次污染，还可在保证蔬菜作物品种安全的情况下，利用其生物产量大的优势，最大限度的吸收、利用、富集、降解土壤中Cd、DNP造成的复合污染。作为大生物量非超富集蔬菜，韭菜、空心菜、萝卜较其他蔬菜能在治理Cd、DNP复合污染土壤的同时，保证蔬菜的品种，对Cd、DNP的最大富集量并未超过限值（GB2762-2005《食品中污染物限量》），能在治理土壤污染的同时作为蔬菜供日常食用。

附图说明

图1、图2为在不同浓度的Cd、DNP处理下韭菜、空心菜、萝卜的地上部和根部生物量检测图。

具体实施方式

实施例1：盆栽梯度Cd、DNP大生物量非超富集蔬菜作物的确认与模拟应用

盆栽试验地点在常州市武进区水稻研究所的网室内，该场地在武进区农场，实验场地周围没有污染源，是重金属、有机物未污染区。盆栽试验土壤采自常州市武进区水稻研究所内无污染区的表层土壤（0~20cm）。

本实验共设8个处理，每个处理重复3次。投加的Cd浓度（mg/kg）分别为：0（对照，未投加）、12、24、36、48、72、96和150，投加的DNP浓度（mg/kg）分别为：0（对照，未投加）、15、30、45、60、90、120和180。实验投加的Cd为分析纯的CdCl₂·25H₂O，DNP为分析纯，溶于丙酮溶剂（分析纯），并施入一定浓度的氮、磷、钾肥作为底肥：0.16g/kgN(CO(NH₂)₂)、0.05g/kg P和0.115g/kg K（K₂HPO₄）。将供试土壤风干过4mm筛后，拌入Cd、DNP和底肥，充分混匀后装入塑料盆（直径20cm，深15cm）中，每盆装土2.5kg（以烘干土计），置于阴凉处让丙酮自然挥发干净，平衡一个月待用。同时进行韭菜育苗，将土壤、沙砾、碎石按照7:2:1的重量份数比例混匀装入穴盘中，点播韭菜种子，保持土壤湿润。20~30天后，将高3~5cm的韭菜幼苗选取长势一致的移入上述处理盆中，每盆3棵。每日根据盆中土壤水分状况，浇入适当自来水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60~80%左右。空心菜、萝卜作物的盆栽梯度实验步骤与韭菜盆栽梯度实验类似，分别重复以上步骤。

按季节进行韭菜-空心菜-萝卜轮作，蔬菜生长至成熟后进行收获，将收获样品分为根、茎、叶3部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于蔬菜样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，在85℃杀青1小时，然后在65℃下烘干至衡重，称量干重后粉碎备用。蔬菜样品采用HNO₃-HClO₄法消化（二者体积比为3:1），用原子吸收分光光度计测定其中的Cd含量，采用高效液相色谱法（HPLC）测定DNP含量。

实验结果如下：

图1、图2分别给出了在上述不同浓度的Cd、DNP处理下韭菜、空心菜、萝卜地上部和根部生物量。方差分析表明，与对照（Cd0）相比，在Cd投加浓度为12、24、36、48mg/kg的处理中，韭菜、空心菜、萝卜地上部和根部生物量均未显著下降，表现出很强的耐性，Cd浓度为12mg/kg，DNP浓度为15mg/kg的处理对韭菜、空心菜、萝卜生长具有一定的促进作用，但当Cd、DNP复合污染浓度较高情况下，即Cd处理浓度72mg/kg时，DNP处理浓度≥60mg/kg时，蔬菜作物地上部和根部生物量显著下降（P<0.05），这表明所选取的蔬菜作物对Cd、DNP复合污染的耐性较强，但还是有一定限度，当Cd、DNP复合污染非常严重时，蔬菜作物的生长将受到抑制。

参见表1、表2可知，在所有Cd、DNP处理中，韭菜、空心菜、萝卜地上部Cd、DNP富集系数（地上部和土壤中镉含量的比值）和转移系数（地上部与根部镉含量的比值）均较大，显示了所选大生物量非超富集蔬菜对复合污染土壤具有很好的修复能力。当Cd处理浓度为96mg/kg时，韭菜、萝卜对Cd地上部富集量达到最大，为0.43mg/kg、0.36mg/kg，Cd处理浓度为150mg/kg时，空心菜对Cd地上部富集量达到最大，为0.036mg/kg。当DNP处理浓度为120mg/kg时，韭菜、空心菜、萝卜对DNP地上部富集量达到最大，为7.35mg/kg、10.28mg/kg、10.54mg/kg。可见，随着土壤中Cd、DNP投加浓度的增加，韭菜、空心菜、萝卜对Cd、DNP富集量也增大，当Cd处理浓度≥150mg/kg，DNP处理浓度≥120mg/kg，蔬菜对Cd、DNP复合污染土壤的富集量降低。

表1盆栽实验条件下韭菜、空心菜、萝卜对Cd的累积特征（mg/kg）

表2盆栽实验条件下韭菜、空心菜、萝卜对DNP的累积特征（mg/kg）

上述实验结果表明，在土壤中韭菜、空心菜、萝卜对Cd、DNP复合污染土壤具有较强的耐性，能够在保证蔬菜品质的同时吸收、积累和富集土壤中的污染物，对修复复合污染土壤具有很大的应用潜力。

实施例2：田间小区确认与Cd、DNP复合污染土壤的修复

实验地点设在常州市武进区水稻研究所内，该研究所地处长江中下游地区，距常州市32km，属北亚热带海洋性气候，常年气候温和。实验共设3个小区，Cd浓度（mg/kg）分别为0、10、50，DNP浓度（mg/kg）分别为0、20、60，各小区的Cd、DNP都已投加了一年以上；实验小区面积为4m²（L=2m，W=2m），土壤基本理化性质与盆栽土壤相同。选取2-3片展开真叶、长势一致的韭菜幼苗移入小区中，每个小区种植8列，每列10棵，共80棵。采用露天培育方式，根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水（水中未检测出Cd、DNP），使土壤含水量经常保持在田间持水量的60~80%左右。为促进韭菜的生长，适当的施入尿素。韭菜成熟后进行收获，同时在污染土壤种植辣椒，空心菜栽培方式与韭菜类似。空心菜成熟后进行收获，同时在污染土壤种植萝卜，萝卜栽培方式与韭菜类似。韭菜、空心菜、萝卜样品处理同实施例1。

实验结果如下：

表3、表4给出了不同Cd、DNP浓度小区韭菜、空心菜、萝卜的Cd、DNP累积特征和生长情况。在Cd浓度为50mg/kg的小区，韭菜、空心菜、萝卜对Cd地上部的富集量分别为0.35mg/kg、0.027mg/kg、1.52mg/kg。在DNP浓度为60mg/kg的小区，韭菜、空心菜、萝卜对DNP地上部的富集量分别为5.37mg/kg、8.12mg/kg、8.87mg/kg，符合大生物量非超富集蔬菜对污染土壤的吸附特征。按地上部干重折算，在Cd10mg/kg的污染水平下，韭菜地上部干物质产量可达3000kg/公顷，从土壤中带走Cd570mg/公顷，在Cd50mg/kg的污染水平下，空心菜地上部干物质产量可达3500kg/公顷，从土壤中带走Cd95mg/公顷，在Cd50mg/kg的污染水平下，萝卜地上部干物质产量可达1000kg/公顷，从土壤中带走Cd290mg/公顷。在DNP20mg/kg的污染水平下，韭菜、空心菜、萝卜地上部干物质产量分别可达3500kg/公顷、3000kg/公顷、1500kg/公顷，分别从土壤中带走DNP14315mg/公顷、19650mg/公顷、10335mg/公顷。由此可见，韭菜、空心菜、萝卜对于Cd、DNP复合污染土壤具有较大的修复潜力。

表3田间实验条件下韭菜、空心菜、萝卜对Cd的累积特征（mg/kg）

表4田间实验条件下韭菜、空心菜、萝卜对DNP的累积特征（mg/kg）

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法，其特征在于：在Cd、DNP复合污染土壤中轮作种植韭菜、空心菜、萝卜。

2.根据权利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法，其特征在于：所述在Cd、DNP复合污染土壤中轮作种植韭菜、空心菜、萝卜，当成熟后整体移除。

3.根据权利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法，其特征在于：所述种植韭菜是指将高3~5cm的韭菜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中；种植空心菜是指含2-3片展开真叶高5~8cm的空心菜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中；种植萝卜是指将含2~3片以上展开真叶的萝卜幼苗移栽到Cd、DNP复合污染土壤中。

4.根据权利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法，其特征在于：在Cd、DNP复合他污染土壤中种植的韭菜、空心菜、萝卜采用室外栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60%~80%。

5.根据权利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修复治理Cd、DNP复合污染土壤的方法，其特征在于：在Cd、DNP复合污染土壤中轮作种植韭菜、空心菜、萝卜，韭菜从复合污染土壤中吸收Cd、DNP并向地上部转移，当韭菜长至成熟期时，将韭菜从污染土壤上移除，再种植第二茬空心菜，重复以上操作，再种植第三茬萝卜，重复以上操作，直至土壤中Cd、DNP含量达到环境安全标准。