CN105478459A - 一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，属于土壤治理技术领域，该方法使用黑麦草作为植物修复材料，利用黑麦草与土著微生物形成的植物-微生物互作体系对石油-铅-镉复合污染土壤进行修复。方法简单方便，易于实施，能够对被污染土壤中的铅镉重金属进行有效富集去除，并对土壤中的石油成分进行高效分解，从而起到净化土壤的作用，实现被污染土壤的再生利用。

Description

一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法

技术领域

本发明涉及土壤治理技术领域，尤其涉及一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法。

背景技术

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，其管理使用的好坏直接决定着农业生产的成败和人类文明的兴衰。随着工业、城市污染的加剧和农业生产中化肥、农药使用的增加，土壤污染状况日趋严重。我国土壤污染目前呈现如下特点：①污染面积增加，一些地区土壤污染由局部开始呈连续分布；②污染物种类增加，复合污染日益突出；③污染物含量呈增加趋势，在一些传统农业区，土壤中重金属镉含量超过国家二类土壤标准的面积达35.9%，超过国家一类土壤标准的面积达89.4%，且部分污染物来源尚未查清；④城市土壤污染严重，在东北某城市工厂废弃地，土壤镉、铅含量超标数百倍。由于土壤对环境污染具有汇聚作用，土壤中有毒有害化学物质通过大气和水体传递，导致农产品品质下降，危及人类和动物的生存繁衍与生命安全，土壤污染已经成为全球性的主要环境问题之一。土壤污染一旦大面积爆发，将会对国家可持续发展造成难以估量的影响，因此必须对土壤污染的预防和污染土壤修复予以高度重视。

近年来，顺应土壤环境保护的现实需求和土壤环境科学技术的发展需求，科学技术部、国家自然科学基金委、中国科学院、环境保护部等有关部门有计划地部署了一些土壤修复研究项目和专题，有力地促进和带动了全国范围的土壤污染控制与土壤修复科学技术的研究与发展。在此期间，以土壤修复为主题的国内一系列学术性活动也为我国污染土壤修复技术的研究和发展起到了很好的引领性和推动性作用。因此，开展污染土壤修复活动，完善土壤修复技术体系，对于阻断污染物进入食物链，防止对人体健康造成伤害，促进土壤的保护和可持续发展，建立生态与食品安全保障体系，构建和谐社会，实现社会经济可持续发展具有重要作用和意义。

随着工农业生产的不断发展，重金属污染已经成为一个危害全球环境质量的主要问题。已经出台的《重金属污染综合防治“十二五”规划》显示，中国将对汞、铬、镉、铅等重金属进行重点防控。粗略统计，在过去的50年中，排放到全球环境中的Cr约2.2×10⁴吨、Cu约9.39×10⁵吨、Pb约7.83×10⁵吨、Zn约1.35×10⁶吨，其中大部分进入土壤，致使世界各国土壤出现不同程度的重金属污染，其中中国土壤的重金属污染十分严重。研究表明，重金属元素进入土壤后，会产生明显的生物效应，土壤被重金属污染后，通过土壤-农作物-人或土壤-植物-动物-人或土壤-水-人等食物链形式影响到人体的健康，引起人类的许多疾病甚至导致死亡。因此，有必要对土壤重金属污染进行修复。

从20世纪80年代初期开始，土壤重金属污染的植物修复、植物-微生物联合修复开始兴起。

植物修复(phytoremediation)是指利用植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的功能，或利用植物将污染物降解转化为无毒物质的特性，利用植物在生长过程中对环境中的金属元素等的吸收、降解、过滤和固定等功能来净化环境的一项修复技术。从20世纪80年代问世以来，利用植物资源净化功能的植物修复技术迅速发展，如利用植物超积累或积累性功能的植物吸取修复、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复、利用植物代谢功能的植物降解修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复等技术。可被植物修复的污染物有重金属、农药、石油和持久性有机污染物等。其中，重金属污染土壤的植物吸取修复技术在国内外都得到了广泛研究，已经应用于砷、镉、铜、锌、镍、铅等重金属及其复合污染土壤的修复，并发展出包括络合诱导强化修复、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套集成技术。

研究还表明，微生物分泌的质子、酶、铁载体等能将重金属活化，同时微生物也能吸收利用土壤有机质和植物根系分泌物(如有机酸)，并活化土壤中的重金属。一些实验证实菌根真菌能借助有机酸的分泌来活化某些重金属离子，菌根真菌还能以其它形式，如离子交换、分泌有机配体和激素等间接作用，来影响植物对重金属的吸收。重金属能在一些植物和某些真菌存在的土壤里诱导植物体内螯合肽的合成，进而促进重金属离子的螯合。此外，土壤中促进植物生长的细菌可以通过调节植物生长来修复重金属污染；此外，细菌产生的分泌物，如多聚体(主要是多糖、蛋白质和核酸，含有多种具有金属络合、配位能力的基团，如巯基、羧基等)，可以通过离子交换或络合作用与金属结合形成金属-有机复合物，使有毒金属元素毒性降低或变成无毒化合物，提高植物对重金属的修复能力。

除了重金属污染，石油污染也日益成为一种重要的污染形式。石油是一种含多种烃类(正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂环烃等)和少量其它有机物(硫化物、氮化物、环烷酸类等)的复杂混合物。石油污染的生物修复研究始于20世纪70年代，90年代显著增加，尤其是2000年以后，其研究方向更为多元化。

总结近年石油污染生物修复的研究，主要集中在以下几方面：

①高效石油降解菌的筛选和基因工程菌的开发：研究表明环境中存在能降解石油组分的多种微生物，但生长速度较慢，代谢活性不高，或者由于石油污染物的存在造成微生物的数量下降，致使降解石油污染物的能力降低，因此有时需要将具有降解功能的微生物分离筛选后大量培养，直接投加到石油污染环境中，以求人为维持降解微生物的高数量和活性、获得高效降解石油污染物的效果，缩短修复时间。但往往是菌种投加后降解能力不能持久，仅在短时间内具有一定的修复效果。因此，采用生物遗传工程的手段研究和构建高效的基因工程菌，将多种降解基因转入同一微生物中，使其获得广谱的降解能力引起了人们的关注，这是提高土壤微生物修复效果的研究热点之一。

②土著石油降解微生物的激活：尽管土壤中存在能够降解石油的微生物，但在通常情况下，其种群大小和活性一般较低。因此，可向石油污染土壤中投加营养物质、电子受体、固体介质和表面活性剂，以及温度、湿度等关键因子的调控等，目的在于提高土壤中土著微生物的活性、功能和寿命，从而强化对石油污染土壤的修复。例如，投加营养物质可以促进微生物的生长，从而加快石油类物质的降解；投加电子受体可以增加土壤中氧气及硝酸盐和碳酸盐等电子受体，促进氧化还原反应的进行以及石油类物质的降解和转化；投加表面活性剂可以增加石油类污染物质的表观溶解度，促进微生物对石油类物质的获取和降解；研究表明利用生物活性炭使石油的降解率在32天内提高了40.3%，主要是生物活性炭有更大的表面积和较强的吸附性，有利于土著微生物的富集，从而促进土壤石油的微生物降解。创造条件激活或者维持土壤中功能微生物的高活性，使之发挥降解石油污染的作用，达到修复土壤的目的，也是目前石油污染修复的重要研究方向。

③植物/植物-微生物联合修复：植物/植物-微生物联合修复是土壤石油污染生物修复技术研究的新内容。例如，种植紫花苜蓿可以大幅度降低土壤中多氯联苯浓度；根瘤菌和菌根真菌双接种能强化紫花苜蓿对多氯联苯的修复作用。利用能促进植物生长的根际细菌或真菌，发展植物-降解菌群协同修复及其根际强化技术，促进有机污染物的吸收、代谢和降解是生物修复技术新的研究方向。

但是，针对重金属和石油的复合污染，尤其是石油-铅-镉复合物污染，目前还没有较好的治理方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，该方法简单方便，易于实施，能够对被污染土壤中的铅镉重金属进行有效富集，并对土壤中的石油成分进行高效分解，从而起到净化土壤的作用，实现被污染土壤的重生再利用，在当今耕地面积日益减少、土地污染日益严峻的情况下具有非常突出的社会、经济效益。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，该方法使用黑麦草作为植物修复材料，利用黑麦草与土著微生物形成的植物-微生物互作体系对石油-铅-镉复合污染土壤进行修复，土著微生物为石油-铅-镉复合污染土壤中的自有微生物。

进一步地，在进行修复的同时向石油-铅-镉复合污染土壤中添加氮肥，以促进黑麦草的生长。

进一步地，在进行修复的同时向石油-铅-镉复合污染土壤中添加氮肥和磷肥，以促进黑麦草的生长。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本方法简单方便，易于实施，能够对被污染土壤中的铅镉重金属进行有效富集，并对土壤中的石油成分进行高效分解，从而起到净化土壤的作用，实现被污染土壤的重生再利用，在当今耕地面积日益减少、土地污染日益严峻的情况下具有非常突出的社会、经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例的土壤污染物去除率检测数据图；

图2是本发明实施例的黑麦草生长量检测数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

通过模拟石油-铅-镉复合污染的方式验证黑麦草和土著微生物对土壤的修复能力，试验步骤如下：

一、土壤处理：将供试土壤风干后过2mm筛，调配土壤中的石油浓度为1000mg/kg^-1，铅浓度为500mg/kg^-1，镉浓度为50mg/kg^-1；所有铅污染物为CdCl₂·4H₂O，镉污染物为PbCl₂，污染土壤的制备过程如下：

(1)用200ml丙酮溶解试验所需石油，用去离子水溶解实验所需的铅、镉污染物，然后将上述溶液分别加入到1000g土壤中，充分搅拌均匀，制成第一次污染土壤；

(2)待第一次污染土壤中的丙酮挥发干净后，再向其中加入1000g土壤，充分搅拌，放置1天，制成第二次污染土壤；

(3)将第二次污染土壤再加入到另外预先称好的土壤中，使石油、铅、镉的浓度达到上述试验处理要求，成为最终污染土壤，将最终污染土壤在干净的塑料袋内放置7天，期间每天搅拌1次，最后将最终污染土壤分装到带有底盘的塑料盆(上缘直径为10cm，底面直径8cm，高12cm)中，每盆装200g土壤(烘干计)，放置1周后使用。

二、盆栽试验：在培养室中进行为期120天的盆栽试验，温度维持在20～22℃，光照量为每天14小时，光照强度为4500～7300lx。试验样本分为五组：1）对照1：土壤+黑麦草（缩写为SG）；2）对照2：土壤+石油+铅镉（缩写为SPH）；3）不施肥组：土壤+石油+铅镉+黑麦草（缩写为SPHG）；4）施氮肥组：土壤+石油+铅镉+黑麦草+N肥（缩写为SPHGF1）；5）施氮肥和磷肥组：土壤+石油+铅镉+黑麦草+N肥+P肥（缩写为SPHGF2）。

对于施肥组，N肥（NH₄NO₃）施加量为280mg/kg、P肥（K₂HPO₄）施加量为40mg/kg，一次性均匀施入土壤。栽培过程中，加入蒸馏水使含水量为田间持水量的60%，保持2天后，将黑麦草种子播种，每盆播种80粒，播种前将黑麦草种子在10％H₂O₂中浸泡20min进行表面消毒。待种子萌发后，每盆间苗为50株。植物生长期间通过每天称重将盆栽土壤水分维持在田间持水量的60%。在盆栽期间，于播种后的第0、10、20、40、80、120天取土样和植物样备用。收获时沿土面剪取植株地上部，测量株高、鲜重，然后在105℃下杀青0.5小时，并在70℃温度下烘干48小时，称干重。

最后，检测数据如图1和图2所示，其中每张图中的每组柱状图，从左到右依次对应于SG、SPHG、SPHGF1和SPHGF2，图2中的横坐标表示植株的不同部位，即地上部和地下部。

通过附图可以看出，黑麦草-土著微生物联合处理具有良好的土壤净化能力，尤其是在添加氮肥和磷肥后，进一步加强了该方法的处理效果，120天内和未施肥处理相比，铅镉去除率分别提高了17%-26%与20%-25%，石油去除率提高了5%-10%；铅镉及石油复合污染抑制了黑麦草的生长，但施加氮肥、磷肥后削弱了污染物多植物生长的抑制作用。

总之，本方法简便易行，能够对被污染土壤中的铅镉重金属进行有效富集，并对土壤中的石油成分进行高效分解，从而起到净化土壤的作用，实现被污染土壤的重生再利用，在当今耕地面积日益减少、土地污染日益严峻的情况下具有非常突出的社会、经济效益。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，其特征在于：使用黑麦草作为植物修复材料，利用黑麦草与土著微生物形成的植物-微生物互作体系对石油-铅-镉复合污染土壤进行修复，所述土著微生物为石油-铅-镉复合污染土壤中的自有微生物。

2.根据权利要求1所述的石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，其特征在于：进行修复的同时向所述石油-铅-镉复合污染土壤中添加氮肥，以促进黑麦草的生长。

3.根据权利要求1所述的石油-铅-镉复合污染土壤的治理方法，其特征在于：进行修复的同时向所述石油-铅-镉复合污染土壤中添加氮肥和磷肥，以促进黑麦草的生长。