專(zhuān)利名稱(chēng)：重金屬富集／積累植物的篩選方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)，具體地說(shuō)是重金屬富集/積累植物的篩選方法。
背景技術(shù)：
植物修復(fù)(Phytoremedition)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的環(huán)境污染治理技術(shù)，它廣泛利用綠色植物的新陳代謝活動(dòng)來(lái)固定、降解、提取和揮發(fā)環(huán)境中的污染物質(zhì)，就象一座“綠色清潔工廠”一樣將污染物質(zhì)加工成可直接去除的物質(zhì)形態(tài)或轉(zhuǎn)化為毒性小甚至無(wú)毒的物質(zhì)，從而對(duì)污染環(huán)境進(jìn)行徹底的治理；它具有不引起地下水二次污染，使污染土壤與水體可持續(xù)利用和美化環(huán)境等特點(diǎn)，因而也是一項(xiàng)非常理想的綠色修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涉及到污染環(huán)境治理的方方面面，既可以?xún)艋諝夂退w，又可以清除土壤中的污染物質(zhì)。
重金屬污染土壤的植物修復(fù)是指利用植物及其根際微生物體系的提取、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化固定作用去除污染土壤中的重金屬，或?qū)⒅亟饘俜€(wěn)定在污染現(xiàn)場(chǎng)防止其對(duì)地下水及周?chē)h(huán)境造成更大的污染。植物修復(fù)主要包括植物提取(Phytoextrtion)、植物揮發(fā)(Phytovoltiliztion)、根際濾除(Rhizofiltrtion)和植物穩(wěn)定(Phytostiliztion)四種作用方式，其中，植物提取方面的研究日益受到人們的關(guān)注[文獻(xiàn)1Chaney R.L.，Malik M.，Li Y.M.，et al.1997，Phytoremediation of soil metals.Current Opinions in Biotechnology.8279～284；文獻(xiàn)2Wong M.H.，2003，Ecological restoration of mine degraded soils，with emphasis on metal contaminated soils.Chemosphere.50775～780；]。植物提取，即利用重金屬富集/積累特別是超富集/超積累植物從污染土壤中超量吸收一種或幾種重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到莖、葉等地上部器官，隨后將植物整體(包括部分根)收獲并集中處理，然后再連續(xù)種植，以便使土壤中重金屬濃度降低到可以接受的水平。
超富集/超積累植物(Hyperaccmulator)一詞最初是由Brooks等[文獻(xiàn)3Brooks R.R.，Lee J.，Reeves R.D.，et al.1977.Detection of nickliferous rocks byanalysis of herbarium species of indicator plants.Journal of GeochemicalExploration.749～77]提出的，當(dāng)時(shí)用以命名莖中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物?，F(xiàn)超富集植物的概念已擴(kuò)大到植物對(duì)所有金屬/重金屬元素的超量積累現(xiàn)象，即是指能超量積累一種或同時(shí)積累幾種金屬/重金屬元素的植物?，F(xiàn)一般認(rèn)為(文獻(xiàn)1Chaney R.L.，Malik M.，Li Y.M.，et al.1997，Phytoremediation of soil metals.Current Opinions in Biotechnology.8279～284；文獻(xiàn)4Brooks，R.R.，Chambers，M.F.，Nicks，L.J.，Robinson，B.H.，1998.Phytoming.Trends in Plant Science.3，(9)359～362；文獻(xiàn)5SaltD E.Phytoextractionpresent applications and future promise.2000.InWise DL，et al.(eds.)，Bioremediation of Contaminated Soils.New York，MarcelDekker)超富集植物應(yīng)同時(shí)具備三個(gè)特征一是植物地上部(莖和葉)金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍，其臨界含量分別為Zn10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Cu 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均為1000mg/kg；二是植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；三是植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。當(dāng)然，理想的超富集植物還應(yīng)具有生長(zhǎng)期短、抗病蟲(chóng)能力強(qiáng)、地上部生物量大、能同時(shí)富集2種或2種以上重金屬的特點(diǎn)。其實(shí)，植物地上部生物量沒(méi)有明顯下降(與生長(zhǎng)在未污染土壤同種植物生物量相比)同時(shí)植物地上部富集系數(shù)大于1也是必不可少的特征。
生活在重金屬污染程度較高土壤上植物地上部生物量沒(méi)有顯著減少是超富集植物區(qū)別于普通植物的一個(gè)重要特征。超富集植物能夠超量積累重金屬而生物量又沒(méi)有明顯下降的可能機(jī)理是液泡的區(qū)室化作用和植物體內(nèi)某些有機(jī)酸對(duì)金屬/重金屬的螯合作用消除了金屬/重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制[文獻(xiàn)1Chaney R.L.，Malik M.，Li Y.M.，et al.1997，Phytoremediation ofsoil metals.Current Opinions in Biotechnology.8279～284；文獻(xiàn)6Ortiz，D.F.，Ruscitti，T，McCue，K.F.，Ow，D.W.1995.Transport of metal-bindingpeptides by HMT1，a fission yeast ABC-type vacuolar membrane protein.JBiol.Chem.，2704721～4728；文獻(xiàn)7Kramer，U.，Cotter-Howells，J.D.，Charnock，J.M.，Baker，A.J.M.，Smith，J.A.C.1996.Free histidine as a metalchelator in plants that accumulate inckel.Nature，379635～638]，這是超富集植物所具有的區(qū)別于普通植物的超強(qiáng)忍耐性的表現(xiàn)特征之一。而對(duì)于普通植物而言，雖有些植物在這種情況下也能生存下來(lái)并完成生活史，但其地上部生物量往往會(huì)明顯降低，通常表現(xiàn)為植株矮小，有的生物學(xué)特性還會(huì)改變?nèi)缛~子、花色變色等[文獻(xiàn)8孔令韶.1982.植物對(duì)重金屬元素的吸收積累及忍耐、變異.環(huán)境科學(xué)，165～69]。植物地上部富集系數(shù)大于1，意味著植物地上部某種重金屬含量大于所生長(zhǎng)土壤中該種重金屬的濃度，這是超富集植物區(qū)別于普通植物對(duì)重金屬積累的又一個(gè)重要特征。因?yàn)楫?dāng)土壤中重金屬濃度高到超過(guò)超富集植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，甚至高出幾倍的情況下，因植物對(duì)重金屬的積累有隨土壤中重金屬濃度升高而升高的特點(diǎn)[文獻(xiàn)9郭水良，黃朝表，邊媛，林國(guó)平.2002.金華市郊雜草對(duì)土壤重金屬元素的吸收與富集作用(I)-6種重金屬元素在雜草和土壤中的含量分析.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版)，20(1)22～29]，植物對(duì)重金屬的積累量雖達(dá)到了公認(rèn)的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)土壤中重金屬濃度略低于超富集植物所應(yīng)達(dá)到的含量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，植物對(duì)重金屬的積累量可能就難以達(dá)到超富集植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)而表現(xiàn)出與普通植物相同的特征，同時(shí)由于土壤pH等因素對(duì)污染土壤中重金屬可吸收態(tài)的影響，在土壤中重金屬濃度較高的情況下，普通植物也可能正常生長(zhǎng)，因此，那些植物所表現(xiàn)出的較強(qiáng)耐性的表面特征也可能是一種假象。因此，植物地上部生物量沒(méi)有明顯減少同時(shí)地上部富集系數(shù)大于1也應(yīng)是超富集植物區(qū)別于普通植物的必不可少的特征。其中，植物地上部富集系數(shù)至少應(yīng)當(dāng)在土壤中重金屬濃度與超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)時(shí)大于1。
目前，國(guó)際上已報(bào)道的超富集植物約400多種，其中Ni超富集植物約300種，Co 26種，Cu24種，Se19種，Zn 16種，Mn11種，TI 1種，Cd 1種(文獻(xiàn)4Brooks，R.R.，Chambers，M.F.，Nicks，L.J.，Robinson，B.H.，1998.Phytoming.Trends in Plant Science.3，(9)359～362)，并且對(duì)其修復(fù)潛力進(jìn)行了研究，其中研究較多的是天藍(lán)遏蘭菜Thlaspicaerulescens和印度芥菜Brassica juncea。中國(guó)境內(nèi)也已發(fā)現(xiàn)了幾種重金屬超富集植物，如As超富集植物蜈蚣草Pteris vittata[文獻(xiàn)10陳同斌，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征.科學(xué)通報(bào).2002，47(3)207～210]，Zn超富集植物東南景天Sedum alfredii[文獻(xiàn)11楊肖娥，等.2002，東南景天(Sedumalfredii H)一種新的鋅超積累植物.科學(xué)通報(bào).47(13)1003～1006]等。然而，植物提取修復(fù)技術(shù)還沒(méi)有廣泛地應(yīng)用于修復(fù)實(shí)踐，究其原因是這些已知的超富集植物存在著生物量小、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、不利于機(jī)械作業(yè)或大面積栽培等缺點(diǎn)，在利用基因工程培育理想超富集植物方面進(jìn)展也十分緩慢，因而，需要尋找更為理想、更為有效的超富集植物及其資源，以便為植物修復(fù)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供必要的物質(zhì)保證。
土壤被污染情形相當(dāng)復(fù)雜，有的是重金屬污染，有的是有機(jī)物污染，還有的是無(wú)機(jī)—有機(jī)混合污染。有時(shí)是單一元素污染，但更多的則是多種元素共同起作用的復(fù)合污染。這就需要有“豐富多彩”的修復(fù)植物來(lái)滿(mǎn)足各式各樣污染土壤的修復(fù)。目前，植物修復(fù)研究還處于初始階段，較基礎(chǔ)的工作是修復(fù)植物的篩選。然而關(guān)于修復(fù)植物的系統(tǒng)篩選世界上還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從已報(bào)道的發(fā)現(xiàn)超富集/超積累植物的方法來(lái)看，主要有野外采樣分析法、微量分析法、野外試紙初步診斷法等。
野外采樣分析法主要是在重金屬污染較重地區(qū)如金屬礦山周?chē)杉参锛巴寥罉颖荆缓鬁y(cè)定其重金屬含量，從而確定植物對(duì)重金屬的富集能力。這種方法簡(jiǎn)便，易于操作，在已發(fā)現(xiàn)的400多種重金屬超積累植物中，大多數(shù)是通過(guò)這種方法找到的。然而，金屬礦山周?chē)参锶郝涠鄶?shù)已是頂級(jí)群落，其優(yōu)勢(shì)種多是蕨類(lèi)、灌木或喬木，利用這種篩選方法往往容易忽略掉那些原本可以在此地生長(zhǎng)但此地卻又沒(méi)有的物種，以及群落演潛的先鋒植物種和中間植物種，而且所選出的超富集植物可能是其長(zhǎng)期對(duì)污染環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，其本身可能并不帶有超富集基因.在植物種識(shí)別方面也存在困難，往往是采集的植物種經(jīng)植物學(xué)家鑒定后，再次到野外采集時(shí)還可能出錯(cuò)，這是因?yàn)椴杉参飿颖臼苤参锷龝r(shí)間、采集時(shí)期、研究經(jīng)費(fèi)等因素干擾而變得異常復(fù)雜，同時(shí)，由于植物的生育時(shí)期各不相同，在植物生育的哪一個(gè)時(shí)期進(jìn)行采集也很難確定。
微量分析法是對(duì)植物標(biāo)本館樣本取微量樣品(如1片或幾片植物葉標(biāo)本)進(jìn)行化學(xué)分析，檢測(cè)植物體內(nèi)重金屬含量，從而判斷該植物是否為超積累植物。如Brooks等[文獻(xiàn)3Brooks RR，Lee J，Reeves RD，et al.1977.Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species ofindicator plants.Journal of Geochemical Exploration.749～77]，采用這種方法分析了近2000份標(biāo)本。他們先將植物標(biāo)本葉片用去離子水洗凈，烘干后稱(chēng)重再放入硼硅酸鹽試管中低溫灰化，然后放入馬福爐中，在500℃繼續(xù)灰化至灰燼變白色，之后用10ml濃度為2mol/l重蒸純化的分析純鹽酸溶液浸提，濾液用原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定。由此，他們證實(shí)了3種超積累植物的存在，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了另外5個(gè)屬的植物具有超積累特性。這種方法具有篩選面大，簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)點(diǎn)，但由于取樣量少，分析可信度低，而且，由于樣本采集地點(diǎn)不一定都被污染，因而許多修復(fù)植物資源可能被漏掉。
野外試紙初步診斷法是適合于野外尋找鎳超積累植物的研究方法，該方法先用鎳比色試劑二四乙二醛肟(dimethyglyoxime)將試紙浸漬制成特制測(cè)試紙，在野外采樣時(shí)，將新鮮樹(shù)葉緊按在潮濕的測(cè)試紙上，如果測(cè)試紙洋紅色愈深，表明葉汁與測(cè)試紙上試劑反應(yīng)愈強(qiáng)烈，葉片中鎳含量就愈高，然后再采集該種植物的其他部位及所生長(zhǎng)的土壤帶回試驗(yàn)室進(jìn)一步分析、鑒定。Baker等[文獻(xiàn)12Baker AJM，Protor J，Van Balgooy MMJ，et al.1996.Hyperaccumulation of nickel by the flora of ultramafics of Palawan，Republic of Philippines.Proceedings of the First International Conference onSerpentine Ecology.Andover，UKIntercept Ltd，291～303]，使用這種方法發(fā)現(xiàn)了4種鎳超積累植物。這種篩選方法效率較高，但對(duì)重金屬測(cè)定的種類(lèi)受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)捷、生態(tài)安全、適用性廣、費(fèi)用低廉、可操作性強(qiáng)及易于植物識(shí)別的重金屬富集/積累植物的篩選方法，尤其是超富集/超積累植物的篩選方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下1.試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇要求試驗(yàn)地點(diǎn)周?chē)胸S富的雜草資源，雜草種類(lèi)不少于20種，其分布不少于5科；可選擇自然生長(zhǎng)雜草植物種類(lèi)豐富、相對(duì)未受污染的地區(qū)如國(guó)家級(jí)生態(tài)站等地點(diǎn)；適用于這些條件的雜草種主要來(lái)自以下各科1)?？?；2)蓼科；3)藜科；4)莧科；5)馬齒莧科；6)石竹科；7)毛茛科；8)罌粟科；9)十字花科；10)景天科；11)虎耳草科；12)薔薇科；13)豆科；14)酢漿草科；15)牻牛兒苗科；16)蒺藜科；17)遠(yuǎn)志科；18)大戟科；19)葡萄科；20)錦葵科；21)藤黃科；22)溝繁縷科；23)堇菜科；24)瑞香科；25)千屈菜科；26)柳葉菜科；27)傘形科；28)報(bào)春花科；29)藍(lán)雪科；30)龍膽科；31)夾竹桃科；32)蘿藦科；33)旋花科；34)紫草科；35)馬鞭草科；36)唇形科；37)茄科；38)玄參科；39)紫葳科；40)列當(dāng)科；41)爵床科；42)車(chē)前科；43)茜草科；44)敗醬科；45)桔梗科；46)菊科；47)香蒲科；48)黑三棱科；49)眼子菜科；50)水麥冬科；51)澤瀉科；52)禾本科；53莎草科；54)水鱉科；55)天南星科；56)谷精草科；57)鴨跖草科；58)雨久花科；59)燈心草科；60)百合科等；2.篩選對(duì)象的確定以一個(gè)生長(zhǎng)季能完成生活史的雜草植物(當(dāng)年生的草本植物)，為主要篩選對(duì)象，要求這些植物在溫度為5～40℃，土壤含水量為田間持水量的80％左右，自然光下在50～170天之內(nèi)可以成熟；這類(lèi)植物從出苗到成熟生長(zhǎng)時(shí)間較短，對(duì)生態(tài)環(huán)境適應(yīng)范圍廣，易于人工栽培觀察。
3.污染對(duì)象的確定根據(jù)當(dāng)?shù)匚廴厩闆r(例如，遼寧地區(qū)主要重金屬污染為鎘、鉛、銅、鋅、砷、鎳等)或根據(jù)國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄(如鈹，鉻，銅，鋅，砷，硒，鎘，銻，碲，汞，鉈，鉛(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、外經(jīng)貿(mào)委、公安部于1998年1月4日頒布(環(huán) 89號(hào))，自1998年7月1日施行))確定；4.重金屬盆栽篩選試驗(yàn)A.投加重金屬的濃度以當(dāng)?shù)氐湫臀廴镜貐^(qū)的重金屬組合為模擬濃度(如遼寧地區(qū)可以為鎘10mg/kg；鉛1000mg/kg；銅400mg/kg；鋅1000mg/kg)或以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為參考依據(jù)；重金屬投加濃度范圍在國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值至植物受傷害時(shí)所能承受的最大濃度之間(如鎘為1.0mg/kg～植物所能承受的最大濃度；汞為1.5mg/kg～植物所能承受的最大濃度；砷為40mg/kg～植物所能承受的最大濃度；銅為400mg/kg～植物所能承受的最大濃度；鉛為500mg/kg～植物所能承受的最大濃度；鉻為400mg/kg～植物所能承受的最大濃度；鋅為500mg/kg～植物所能承受的最大濃度；鎳為200mg/kg～植物所能承受的最大濃度等(國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).GB15618-1995))；B.盆栽試驗(yàn)以當(dāng)?shù)匚词芪廴就寥罏樵耘嘟橘|(zhì)做土培試驗(yàn)，按模擬濃度投加一種或幾種優(yōu)級(jí)純重金屬易溶于水型的試劑，加入重金屬試驗(yàn)的土壤平衡兩周。以不投加重金屬的處理為對(duì)照，于雜草開(kāi)始生長(zhǎng)的季節(jié)，從試驗(yàn)地點(diǎn)周?chē)〈笮∫恢碌碾s草幼苗移栽到投加重金屬和未投加重金屬(對(duì)照)的盆中，根據(jù)植株和盆的大小確定要移栽的幼苗數(shù)，每盆幼苗數(shù)要一致，在成熟期測(cè)定供試植物生物量、植物體內(nèi)重金屬含量，由此檢驗(yàn)植物對(duì)重金屬的富集/積累能力及耐性。
超富集/超積累植物的主要特征(衡量標(biāo)準(zhǔn))為1)植物地上部(主要是指莖和葉)重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍(如Zn 10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Au 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均為1000mg/kg)；2)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；4)植物地上部生物量(莖、葉與花序干重之和)與未投加金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；
5)植物地上部(莖、葉與花序的平均值)對(duì)某種重金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的富集/積累水平相當(dāng)時(shí)，地上部富集系數(shù)大于1(如土壤中重金屬含量分別為Zn10000mg/kg、Cd 100mg/kg、Au 1mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均為1000mg/kg)；富集/積累植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)如下對(duì)于盆栽篩選試驗(yàn)中滿(mǎn)足1)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；2)植物地上部生物量(莖、葉與花序干重之和)與未投加重金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；4)植物地上部(莖、葉與花序的平均值)對(duì)某種重金屬的富集系數(shù)大于1，但沒(méi)有滿(mǎn)足植物地上部(莖和葉)重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍的植物進(jìn)行不同濃度梯度試驗(yàn)，以驗(yàn)證該種植物是否為超富集/超積累植物，如果達(dá)不到超富集/超積累植物標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為是富集/積累植物。
不同梯度濃度試驗(yàn)中重金屬的投加濃度應(yīng)在超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)左右，如Cd為25mg/kg，50mg/kg，100mg/kg，150mg/kg，200mg/kg；Zn為750mg/kg，1000mg/kg，1250mg/kg，1500mg/kg，1750mg/kg等。
典型污染地區(qū)采樣分析及小區(qū)驗(yàn)證在盆栽試驗(yàn)后進(jìn)行典型污染地區(qū)采樣分析及小區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)在典型污染地區(qū)，如礦山周?chē)昂I(yè)廢水的污灌區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重地區(qū)，采集在篩選試驗(yàn)中具有重金屬富集/積累特征的植物，以及植物根區(qū)土壤，分析其體內(nèi)及土壤中重金屬含量，以確定該種植物是否是超富集/超積累植物。同時(shí)滿(mǎn)足超富集/超積累植物的主要特征條件1)植物地上部重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍；2)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀和5)植物地上部對(duì)某種金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的富集/積累水平相當(dāng)時(shí)，地上部富集系數(shù)大于1的雜草為重金屬超富集/超積累植物。在典型污染土壤中重金屬含量大于超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只滿(mǎn)足條件2)、3)和5)的雜草為重金屬富集/積累植物；而當(dāng)?shù)湫臀廴就寥乐兄亟饘俸康陀诔患?超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于滿(mǎn)足富集/積累植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)1)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；2)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；3)植物地上部某種重金屬富集系數(shù)大于1的雜草，以及在典型污染地區(qū)沒(méi)有分布但在盆栽試驗(yàn)中表現(xiàn)為重金屬富集/積累特征的雜草，需要做小區(qū)試驗(yàn)以進(jìn)一步確定其是否是超富集/超積累植物。小區(qū)試驗(yàn)的方法與盆栽試驗(yàn)相同，只是重金屬投加土層較深，要根據(jù)試驗(yàn)植物在自然條件下根系生長(zhǎng)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般投加重金屬的土層深度約為0.2～2m。
通過(guò)野外采樣分析及小區(qū)試驗(yàn)，確定雜草在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下對(duì)重金屬的富集/積累情況。采樣時(shí)，應(yīng)在重金屬污染嚴(yán)重的地點(diǎn)進(jìn)行。因雜草分布的不規(guī)律性，在雜草分布較少的情況下，要見(jiàn)到一棵采一棵；雜草分布較多的情況下，先采集土壤樣本，然后根據(jù)土壤的污染程度采集植物樣本。其重金屬測(cè)量方法與盆栽試驗(yàn)同。
本發(fā)明原理如下以雜草為篩選對(duì)象具有篩選出富集/積累植物的必然性，這是因?yàn)殡s草特別是農(nóng)田雜草是一類(lèi)人為與自然選擇壓下產(chǎn)生的高度進(jìn)化的植物類(lèi)群，屬野生植物，它們生物量大、抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇，具有廣泛的適應(yīng)性和頑強(qiáng)的生命力，在水土保持、土壤改良等方面起著重要作用，這些特性可能使雜草對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐性和富集能力，利于作為廢棄礦區(qū)再植被工程的先鋒種；與作物相比，農(nóng)田雜草具有較強(qiáng)的抗逆境能力和較強(qiáng)的爭(zhēng)光、爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥能力，吸收能力很強(qiáng)；據(jù)報(bào)道，一株刺兒菜長(zhǎng)大和繁殖起來(lái)，大約要從一畝地農(nóng)田中攝取N9.2公斤，P 2.6公斤，K 8公斤。以上這些特性可能利于雜草對(duì)重金屬的富集/積累以及提高其對(duì)重金屬的耐性，這也說(shuō)明可能存在著從雜草中篩出重金屬富集/積累植物的必然性，這也是利用本發(fā)明可以成功篩選重金屬富集/積累植物的主要原理。然而，世界上雜草種類(lèi)約有2000多種，要想一次性的從這些植物中篩選出某些重金屬富集/積累植物，可能也存在著偶然性。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1具有首創(chuàng)性。從有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道看，專(zhuān)門(mén)以雜草或農(nóng)田雜草為篩選對(duì)象并利用重金屬污染土壤模擬試驗(yàn)進(jìn)行富集/積累植物的系統(tǒng)篩選研究在國(guó)內(nèi)外都還未曾涉及。
2針對(duì)性強(qiáng)。世界上已知的植物總數(shù)約50余萬(wàn)種，我國(guó)僅種子植物就有3萬(wàn)多種，單單從種子植物開(kāi)始篩選，也無(wú)異于大海撈針。以雜草特別是某一地區(qū)生長(zhǎng)的農(nóng)田雜草為篩選對(duì)象，針對(duì)性比較強(qiáng)。
3具有一定的系統(tǒng)性。雜草種類(lèi)畢竟有限，可以根據(jù)實(shí)際情況分科分屬進(jìn)行系統(tǒng)篩選。
4方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。重金屬污染模擬篩選方法可以人為控制污染條件，使參試植物都處于相對(duì)一致的生長(zhǎng)環(huán)境，植物之間對(duì)重金屬的耐性及富集/積累特征有一定的可比性，同時(shí)可以根據(jù)試驗(yàn)條件確定試驗(yàn)規(guī)模，增加或減少參試植物種的數(shù)量，減少很多不確定性因素，這正是本發(fā)明的關(guān)鍵之所在；先通過(guò)土培的方法研究植物對(duì)重金屬的富集/積累特點(diǎn)，然而再?gòu)奈廴緡?yán)重地區(qū)采樣加以驗(yàn)證，方法簡(jiǎn)單，可操作性較強(qiáng)。
5費(fèi)用較低。本發(fā)明先通過(guò)針對(duì)性較強(qiáng)的篩選試驗(yàn)找到具有富集/積累特征的植物，然后再到污染的實(shí)際環(huán)境中測(cè)試這種植物，針對(duì)性強(qiáng)，減少一些浪費(fèi)，相應(yīng)的費(fèi)用較低。
6利于對(duì)被采集植物種的鑒定與識(shí)別。本發(fā)明參試植物要在盆中生長(zhǎng)一個(gè)生長(zhǎng)季，可以很容易的對(duì)植物的整個(gè)生長(zhǎng)期進(jìn)行觀察和利用攝像或拍照等手段進(jìn)行記錄，始終處于人為控制之下。
7利于相應(yīng)的遺傳基因的斟別。由于參試植物均來(lái)源于未污染區(qū)，未經(jīng)過(guò)任何馴化過(guò)程就進(jìn)入污染試驗(yàn)，與長(zhǎng)期生長(zhǎng)在金屬礦區(qū)污染土壤環(huán)境經(jīng)過(guò)馴化的植物相比，被馴化的時(shí)間短，植物因?qū)ξ廴疚镞M(jìn)行響應(yīng)而表現(xiàn)出來(lái)的某種特征可能是植物本身就具有的某種特性，而具有相應(yīng)的遺傳基因，這更有利于植物修復(fù)資源的尋找與利用，這也是本發(fā)明的主要作用機(jī)理。
8具有生態(tài)安全性。篩選始終處于人為控制之下，試驗(yàn)后的污染物可以集中處理而不對(duì)周?chē)h(huán)境造成二次污染。
9適用性廣。本發(fā)明對(duì)試驗(yàn)條件要求不高，凡適于植物生長(zhǎng)的環(huán)境一般均可以進(jìn)行，且試驗(yàn)在室外進(jìn)行，盆栽植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件與自然生長(zhǎng)植物的環(huán)境條件比較相似，較容易反應(yīng)植物在污染條件下的真實(shí)情況。
10能夠?qū)](méi)有生長(zhǎng)在實(shí)際污染環(huán)境中植物對(duì)重金屬的富集/積累能力進(jìn)行篩選。


圖1為地上部Cd富集系數(shù)大于1植物的地上部生物量；其中小酸漿Physalis angulata；馬齒莧Portulaca oleracea；蒲公英Taraxacummongolicum；長(zhǎng)喙婆羅門(mén)參Tragopogon dubius；龍葵Solanum nigrum刺兒菜Cephalanoplos segetum；尖齒狗舌草Tephroseris subdentata；石防風(fēng)Peucedamum terebinthaceum；小白酒花Conyza canadensis；全葉馬蘭Kalimeris integrifolia；艾蒿Artemisia argyi；歐亞旋覆花Znula Britannica；水蒿Artemigia selengensis；大刺兒菜Cephalanoplos setosum。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1.重金屬富集/積累植物的篩選針對(duì)目前植物修復(fù)中Cd單一污染和Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染的富集/積累植物缺乏研究，采用田間盆栽模擬試驗(yàn)方法，對(duì)東北沈陽(yáng)地區(qū)20科54種田間雜草植物進(jìn)行其重金屬耐性及積累能力的初步系統(tǒng)研究。
試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，地理位置為東經(jīng)123°41′、北緯41°31′，屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，平均溫度5～9℃，大于10℃的年活動(dòng)積溫3100～3400℃，年總輻量520～544KJ·m-2，無(wú)霜期127～164天，年降水量650～700mm。該站雜草資源十分豐富，其總數(shù)約有100多種。可以滿(mǎn)足篩選取所需的條件。
根據(jù)東北地區(qū)重金屬污染狀況和水平，確定Cd單一污染(T1)和Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染(T2)2組試驗(yàn)，其中Cd單一污染處理投加濃度為10mg/kg，復(fù)合污染處理中Cd、Pb、Cu和Zn的投加濃度分別依次為10、1000、400和1000mg/kg，相當(dāng)于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618，1995)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的10、2、1、2倍。投加的重金屬形態(tài)分別為CdCl2·2.5H2O、Pb(CH3OO)2·3H2O、CuSO4·5H2O和ZnSO4·7H2O，均為優(yōu)級(jí)純?cè)噭?，分別以固態(tài)加入到土壤中，充分混勻；與此同時(shí)，以不投加重金屬的處理為對(duì)照(CK)。
2002年春天，于雜草開(kāi)始生長(zhǎng)季節(jié)，將供試土壤風(fēng)干、過(guò)2mm篩后，與一定量的重金屬混合，裝入塑料盆(￠＝20m，H＝15m)中，平衡兩周后，選擇生長(zhǎng)一致的各種雜草幼苗分別移栽入CK、T1和T2處理的盆中。根據(jù)植株大小，每盆各栽2～6棵苗；重復(fù)3次，各重復(fù)間栽入的苗數(shù)一致，露天栽培，無(wú)遮雨設(shè)施。根據(jù)盆缺水情況，不定期澆自來(lái)水(水中未檢出Cd、Pb、Cu、Zn)，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的80％左右，待植物成熟后，收獲雜草。
烘干后的植物樣，采用HNO3-HClO4法消化、原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其中的重金屬含量。分析所獲數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上用Microsoft Excel進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)的計(jì)算，并利用最低顯著性差異法(least significantdifference，LSD)進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn).
結(jié)果表明(1)所有參試植物對(duì)Pb，Cu和Zn均未表現(xiàn)出富集/積累特征(參見(jiàn)表1～2所示)。
(2)在地上部Cd富集系數(shù)大于1的14種植物中(參見(jiàn)圖1及表1所示)蒲公英(Taraxacum mongolicum)在Cd單一污染(T1)和Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染(T2)處理中地上部生物量均未顯著下降(p＜0.05，圖1)，地上部Cd濃度大于根Cd濃度，其地上部Cd富集系數(shù)分別為3.21(T1)和3.13(T2)(表1)，具有Cd富集/積累植物基本特征；龍葵(Solanum nigrum)在Cd單一污染(T1)和Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染(T2)處理中地上部生物量均未顯著下降(p＜0.05，圖1)，地上部Cd濃度大于根Cd濃度，其地上部Cd富集系數(shù)分別為3.13(T1)和3.11(T2)(表1)，具有Cd富集/積累植物基本特征；全葉馬蘭Kalimeris integrifolia在Cd單一污染(T1)處理中地上部生物量未顯著下降(p＜0.05，見(jiàn)圖1)，地上部Cd濃度大于根Cd濃度，其地上部Cd富集系數(shù)為2.46(T1)(表1)，具有Cd富集/積累植物基本特征；表1地上部Cd富集系數(shù)大于1植物對(duì)重金屬的富集情況植物 處理 總Cd(mg/kg) 總Pb(mg/kg) 總Cu(mg/kg) 總Zn(mg/kg)種/科 地上部 BC 根 地上部 根 地上部根 地上部 根石防風(fēng)CK0.15 0.26 4.05 4.87 4.417.33 26.11 33.36傘形科T110.85 1.0614.75T210.99 1.0814.3316.79135.56.3863.07178.90209.20龍葵 CK1.29 0.131.16 0.82 6.79 31.05 47.22103.20茄科 T131.80 3.1327.76T231.61 3.1127.4951.72213.70 11.44 79.8073.76 380.40小酸漿CK0.69 0.14 1.91 0.02 8.878.16 42.44 23.28茄科 T112.09 1.1914.51T227.17 2.6727.8951.7254.5516.8843.18257.80644.12馬齒莧CKnd0.23 nd nd 6.11 9.88 24.21 54.48馬齒莧T113.99 1.3792.82科T213.28 1.3191.890.03 3.17 12.8517.4475.00 107.35尖狗 CK0.73 0.21 3.10 1.60 2.62 6.81 13.85 15.11菊科 T112.45 1.2217.75T219.06 1.8723.5815.13206.30 12.6892.33275.30240.3
蒲公英CK 0.22 0.031.80 2.06 5.46 10.0471.1238.64菊科 T1 32.643.218.04T2 31.793.137.3524.2149.1822.0435.2834.3862.40刺兒菜CK 0.19 0.071.47 0.09 5.54 5.30 28.8216.99菊科 T1 16.301.612.37T2 32.533.204.8532.3276.5114.9638.5149.34107.81全葉馬CK 0.26 0.26nd 0.45 3.71 9.75 29.1614.14蘭T1 25.042.4617.71菊科 T2 20.191.9812.78 1.74 65.344.18 12.5730.5415.65小白酒CK 0.23 0.011.58 0.30 3.29 13.1222.1919.44花T1 18.821.859.04菊科 T2 22.682.2318.00 24.8784.3215.1154.52179.82 96.43長(zhǎng)喙婆CK 0.11 0.212.48 2.98 10.6114.9225.9419.32羅門(mén)參T1 11.731.1511.94菊科 T2 10.981.0811.44 17.91189.57 56.8181.42188.51 389.52歐亞旋CK 0.67 0.211.73 0.50 6.48 8.83 34.8414.32覆花 T1 24.262.3911.67菊科 T2 40.563.9924.58 34.06146.50 13.65101.22 50.40218.11水蒿 CK 0.32 0.16nd nd 2.63 5.15 13.4322.41菊科 T1 20.612.036.18T2 35.893.5310.76 12.4137.7511.4424.5946.95107.74大刺兒CK 0.18 0.078.04 0.88 12.7612.1036.2420.53菜T1 15.651.549.52菊科 T2 15.221.498.0237.16100.40 13.7554.98222.01 216.20艾蒿 CK 0.24 0.063.39 0.22 5.78 5.01 39.0919.85菊科 T1 17.921.765.75T2 35.593.5111.46 20.8736.6125.6222.42510.91 53.05注BC為植物地上部富集系數(shù)；nd為未檢出(3)對(duì)重金屬Cd，Pb，Cu和Zn均未表現(xiàn)出富集/積累特性的植物共40種，即白穎苔草Carex rigescens；蘿藦Metaplexis japonica；平車(chē)前Plantago depressa；野大豆Glycine soja；苘麻Abutilon theophrasti；獨(dú)行菜Lepidium apetalum；無(wú)芒稗Echinochloa crusgalli；荔枝草Salviaplebeia；黑麥草Lolium perenne；茴茴蒜Ranunculus chihensis；鴨跖草Commelina communis；兩色蓼Polygonum roseoviride；野大麻Cannabissativa；水芹Oenanthe javanica；串葉松香草Silphium perfoliatum；齒果酸模Rumex dentatus；車(chē)前Plantago asiatica；野薄荷Mentha laplocalyx；益母草Leonurus heterophyllus；酸模葉蓼Polygonum lapathifolium；月見(jiàn)草Oenothera biennis；菊芋Helianthus tuberosus；甘草Glyoyrrhize uralensis；紫蘇Perilla frutescens；伏萎陵菜Potentilla paradoxa；粘毛蓼Polygonumviscosum；水蓼Polygonum hydropiper；柳葉刺蓼Polygonum bungeanum；泥胡菜Hemistepta lyrata；蓄Polygonum aviculare；紅蓼Polygonum orientale；鐵莧菜Acalypha australis；香薷Elsholtzia ciliata；直立黃芪Astragalusadsurgens；反枝莧Amarcmthus retroflexus；凹頭莧Amaranthus lividus；費(fèi)那爾Premium forage；藎草Arthraxon hispidus；草木樨Melilotus suaveolens；蘇丹草Sorghum sudancense。這些植物對(duì)重金屬的富集特性見(jiàn)表2。
表2植物對(duì)重金屬積累的特性植物 處理 總Cd(mg/kg)總Pb(mg/kg) 總Cu(mg/kg) 總Zn(mg/kg)種/科地上部BC根地上部 根 地上部 根 地上部 根野大豆 CKnd0.19nd 3.37 11.6615.6631.66 32.71豆科T12.380.23 10.34T212.08 1.19 25.17 44.3191.7420.2762.22191.32195.24酸模葉蓼CK0.09 0.11nd 0.87 3.94 4.41 19.71 12.63蓼科T11.310.12 3.56T211.84 1.16 31.92 6.26 422.51 6.02 199.31 132.92209.22兩色蓼 CK0.02 0.21nd 0.22 2.02 5.53 14.84 28.31蓼科T12.470.24 7.17T211.26 1.11 24.99 19.32230.14 9.20 136.50 202.90115.72齒果酸模CK0.07 0.212.15 2.64 6.82 8.31 23.63 17.57蓼科T11.510.14 7.23T221.61 2.12 14.69 14.93190.91 18.84166.21 152.21132.80苘麻CK0.13 0.310.91 5.06 4.28 13.1259.85 105.82錦葵科 T19.480.93 10.82T211.88 1.17 18.83 14.38151.31 5.92 100.08 135.41238.02白穎苔草CK0.23 0.063.37 0.82 3.44 4.09 nd40.04莎草科 T11.430.14 3.03T21.250.12 2.3611.0638.428.22 48.8262.83 138.41野大麻 CKNdnd 1.15 1.13 1.50 1.10 19.59 14.81桑科T10.940.09 0.89T21.040.10 1.0819.7145.615.34 12.85104.2150.77水芹CK0.21 0.114.44 1.20 7.05 7.67 65.44 56.16傘形科 T14.840.47 6.49T29.890.97 32.17 57.59104.60 20.9951.12244.7357.57苘茴蒜 CK0.01 0.222.23 3.20 5.33 18.0420.93 27.86毛茛科 T12.580.28 23.08T22.350.23 24.17 6.48 87.106.14 101.72 86.34 255.21蘿藦CKndnd 0.13 0.03 3.39 4.46 27.93 22.04蘿藦科 T12.940.28 9.88T22.290.22 9.4916.7325.064.69 21.62218.30232.22月見(jiàn)草 CKndnd 2.40 0.12 3.94 2.61 16.29 15.76柳葉菜科T10.300.02 1.43T20.290.03 1.706.11 38.665.40 15.4422.01 27.44平車(chē)前 CK0.10 0.421.61 3.48 2.96 20.468.47 34.48車(chē)前科 T10.700.06 14.08T20.880.08 14.38 13.0055.598.35 25.4492.86 98.21車(chē)前CK0.05 0.265.39 2.80 6.80 19.6829.70 31.47車(chē)前科 T11.230.12 7.66T23.040.29 9.289.42 78.387.43 50.7185.30 49.77荔枝草 CK0.02 nd 1.72 7.14 5.56 12.6223.95 69.04唇形科 T14.020.39 31.27T24.260.41 31.90 29.08274.91 9.14 163.63 177.92423.71野薄荷 CK0.06 0.102.37 0.55 3.61 9.48 33.32 23.73唇形科 T11.440.14 8.59T21.720.16 9.3123.0562.856.49 35.64111.91119.12益母草 CK0.03 nd 2.58 1.13 2.74 3.86 26.46 19.21唇形科 T10.720.07 5.49T21.660.16 14.01 27.74117.42 8.74 63.56130.12250.74黑麥草 CK0.10 0.033.60 2.41 0.77 3.79 30.85 61.21禾本科 T13.730.36 20.03T21.850.18 11.80 9.21 9.91 2.38 6.59 54.81 103.01無(wú)芒稗 CK0.18 1.222.37 2.25 4.46 45.4638.04 33.01禾本科 T11.220.12 11.46T29.070.89 17.51 19.44161.51 9.94 85.8742.35 554.10串葉松香CK0.19 0.300.03 3.71 7.32 4.78 40.58 22.62草 T10.800.07 7.83
菊科 T21.470.1422.45 34.8988.679.9532.44130.40 827.51菊芋 CK0.060.061.25 0.03 3.414.28 15.4320.76菊科 T11.310.122.13T23.340.325.249.0174.77 6.8529.92144.90 62.84鴨跖草CK0.160.172.660.74 4.884.57 47.7641.38鴨跖草科 T10.640.065.41T20.550.056.7420.82 82.04 12.14 39.47214.51 216.62獨(dú)行菜CK0.150.201.382.20 1.112.01 12.0126.62十字花科 T13.360.339.70T23.910.388.2118.68 72.20 10.59 31.51217.75 296.42香薷 CK0.170.142.161.13 3.445.87 30.4119.48唇形科T12.310.226.06T28.140.8014.23 19.66 157.715.5562.76177.92 162.71紫蘇 CK0.190.29nd 0.49 4.8612.6434.6528.04唇形科T10.310.038.46T21.220.1215.74 19.75 127.6214.43 91.2726.31202.11鐵莧菜CK0.060.173.867.24 3.0816.7945.08110.70大戟科T11.230.129.29T21.230.129.2828.93 222.928.82119.43 238.20 673.01甘草 CK0.190.14nd nd7.487.35 45.5440.38豆科 T13.950.384.36T23.430.334.3518.24 42.55 8.9225.9992.13107.79費(fèi)那爾CK0.080.211.580.08 5.804.56 41.3457.31豆科 T14.650.457.79T24.160.416.1425.32 31.12 11.05 24.38138.50 156.01直立黃芪 CK0.110.18nd 1.27 2.499.15 29.3024.48豆科 T16.830.675.43T26.470.635.8052.15 40.40 19.39 40.06197.39 130.51草木樨CKnd nd 1.261.01 2.766.92 23.6633.79豆科 T12.160.213.94T25.540.546.798.8823.22 7.1417.2660.64109.79伏萎陵菜 CK0.190.367.552.78 5.636.32 37.3218.01薔薇科T18.430.8334.87T28.390.8236.44 26.11 386.0120.91 139.22 200.90 674.69反枝莧CK0.080.241.670.82 3.103.33 34.0921.98莧科 T16.560.6412.07T29.200.9115.53 4.8939.49 6.067.74 178.70 167.79凹頭莧CK0.110.131.790.26 4.084.54 46.8227.58莧科 T18.620.8420.09T222.94 2.2633.52 4.7238.09 8.0415.46160.61 168.29藎草 CK0.100.225.011.34 3.344.72 43.1730.74禾本科T15.780.5611.35T28.080.7916.03 60.34 52.39 21.01 77.67279.69 227.39蘇丹草CK0.010.040.611.46 1.493.94 19.8122.97禾本科T11.240.1216.94T21.070.1116.66 7.0331.99 1.2532.7671.9250.17泥胡菜CK0.160.171.821.36 3.045.61 19.5828.82菊科 T13.510.347.06T26.110.6013.66 9.6177.03 10.12 31.84233.09 247.21水蓼 CK0.100.511.244.25 5.0015.7647.2964.41蓼科 T10.820.0817.01T23.860.3861.09 72.44 173.5411.10 251.50 46.9045.11粘毛蓼CKnd 0.063.963.66 2.946.07 30.2133.51蓼科 T10.630.065.28T22.640.2628.05 22.11 295.8011.93 132.64 115.19 385.91紅蓼 CK0.050.275.604.82 0.462.53 44.7449.13蓼科 T11.080.1112.34T216.40 1.6154.34 21.01 724.627.86615.69 51.76864.02
柳葉刺蓼 CK0.010.08 nd 0.52 2.73 8.69 17.0827.28蓼科 T11.790.175.24T211.35 1.1127.757.18320.7812.18237.1918.28481.39蓄 CK0.460.59 0.071.83 1.41 1.25 19.849.17蓼科 T12.150.211.93T227.18 2.6721.1724.00 154.8411.8955.29 280.01 143.50注BC為植物地上部富集系數(shù)；nd為未檢出需要指出的是，從各植物在Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染條件下對(duì)Cd富集情況的趨勢(shì)來(lái)看(表1，2)，小酸漿、刺兒菜、尖齒狗舌草、小白酒花中Cd的積累量顯著(p＜0.05)高于其在Cd單一污染條件下Cd的積累量，如刺兒菜在Cd單一污染時(shí)，根部及地上部Cd含量分別為2.37和16.3mg/kg；而在復(fù)合污染條件下，其含量分別為4.85和32.53mg/kg，其積累量顯著提高了，說(shuō)明Pb，Cu，Zn的存在可能促進(jìn)了這些植物對(duì)Cd的吸收，它們之間存在著協(xié)同效應(yīng)。全葉馬蘭對(duì)Cd的富集則與此相反，Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染條件下對(duì)Cd的富集量顯著(p＜0.05)低于在Cd單一污染條件下Cd的積累量，說(shuō)明它們之間可能存在著拮抗效應(yīng)。同理，野大豆、酸模葉蓼、兩色蓼、齒果酸模、苘麻在復(fù)合污治染條件下(T2)對(duì)Cd的富集系數(shù)雖也大于1(表2)，但可能是Pb，Cu，Zn協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果，而仍將其列為地上部Cd富集系數(shù)小于1的植物。
2典型污染地區(qū)采樣驗(yàn)證試驗(yàn)遼寧典型污染地區(qū)遼寧省風(fēng)城青城子鉛鋅礦位于遼寧省鳳城滿(mǎn)族自治縣西北部，東經(jīng)123°37′，北緯40°41′，年平均溫度6.5～8.7℃，降水量年均674.4mm。礦區(qū)主要母巖為大理石和云母片巖，土壤為棕壤性土。植被覆蓋主要為次生林和稀疏的灌叢及部分人工水衫、刺槐林。礦體以鉛鋅礦為主，開(kāi)采地點(diǎn)散布于南山、大東溝、二道溝、喜鵲溝、榛子溝、甸南、新嶺溝等7個(gè)較大坑口，坑口距地面約300～390m，鉛鋅礦品位約70～80％，Cd主要在閃鋅礦晶格中，平均品位約0.034％，但不單獨(dú)成礦。
本研究在南山、二道溝、喜鵲溝、甸南四個(gè)坑口周?chē)杉s草植物。之所以選擇坑口周?chē)鳛椴蓸又攸c(diǎn)，是因?yàn)橹亟饘僭馗患牡V床是主要的自然污染源，在礦床附近地層上發(fā)育的土壤、由礦床附近流出的富含重金屬的地下水在流動(dòng)過(guò)程中形成的分散暈上發(fā)育的土壤以及以被搬運(yùn)的礦化物質(zhì)為母質(zhì)所發(fā)育的土壤，其重金屬含量往往嚴(yán)重超標(biāo)而成為重金屬污染嚴(yán)重的土壤，而且許多重金屬礦床或富含重金屬的巖石，即使埋深達(dá)到200～300m或被百余米厚的土壤覆蓋，仍可成為地表生態(tài)系統(tǒng)中某些重金屬污染的深部來(lái)源。
在采集某一種雜草的同時(shí)也在雜草采集處采集植物根區(qū)的土壤樣本，即0～35cm根區(qū)土壤。植物樣及土壤樣本處理和重金屬的測(cè)定與盆栽試驗(yàn)相同。
土壤樣本中重金屬含量測(cè)定結(jié)果表明，在20個(gè)樣點(diǎn)土壤中Cd的濃度范圍是0.66～32.10mg/kg，Pb 169.90～8958.96mg/kg，Cu 13.07～521.47mg/kg，Zn 201.20～3240.38mg/kg。我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618，1995)規(guī)定，三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產(chǎn)附近等地的農(nóng)田土壤(蔬菜地除外)，其中Cd、Pb、Cu、Zn的濃度分別不超過(guò)1、500、400、500mg/kg。由此可見(jiàn)，采集的土壤樣本中Cd，Pb，Cu和Zn的最高濃度約為我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的32.1，17.9，1.3，6.5倍，土壤受到了嚴(yán)重污染。
試驗(yàn)結(jié)果表明(參見(jiàn)表3)(1)蒲公英、龍葵、全葉馬蘭對(duì)Pb，Cu，Zn地上部富集系數(shù)均小于1，不是Pb，Cu，Zn富集/積累植物；(2)蒲公英、龍葵、全葉馬蘭對(duì)Cd地上部富集系數(shù)均大于1，且地上部含量大于根部含量，是Cd富集/積累植物，驗(yàn)證了盆栽篩選試驗(yàn)的結(jié)果，至于是否是超富集/超積累植物還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證；表3礦區(qū)坑口植物對(duì)重金屬的富集/積累情況(mg/kg)植物 部位 CdBCPb BC Cu BCZn BC 采樣點(diǎn)蒲公英 0.4 0.6 127.1 1根0.92 1.06 71.71 18.88 8 9 0.561.2 0.8地上 2.11 2.43 212.2 211.51 8 23.13 0.1蒲公英 0.0 0.1 2根2.2 1.68 51.66 77.32 35.85 0.07128.3 0.1 0.0地上 5.17 3.95 8 85.89 58.15 0.12蒲公英 282.8 0.1 0.0 3根7.15 0.6 3 89.17 9 31.16 0.2131.6679.3 0.4 0.1 131.6地上 5 2.66 2 316.84 7 3 0.9蒲公英 71.71 0.1 127.1 4根0.93 0.76 1 0.1 8.882 4 9 0.27212.1 0.1 23.13地上 2.11 1.73 9 0.3 11.51 9 9 0.05蒲公英 0.0 5根2.2 0.52 51.66 37.30.11 35.85 0.04128.3 0.0 0.0地上 5.18 1.22 8 95.81 9 58.16 0.06龍葵 0.1 0.3 6根0.66 0.57 115.9 721.4 8 176.4 0.360.0 0.1地上 1.84 1.59 38.64 69.16 6 41.37 0.08全葉馬蘭 0.0 4根1.36 1.11 67.41 0.1 5.81 9 25.68 0.05133.4 0.1 0.1地上 1.82 1.49 2 97.71 3 98.12 0.21注BC為植物地上部富集系數(shù)表4采樣點(diǎn)重金屬含量(mg/kg)采樣點(diǎn) 總Cd 總Pb 總Cu總Zn1 0.87 173.86 13.07 228.892 1.31 720.89 61.37 493.623 11.9 1594.58 99.42 146.584 1.22 697.29 61.4146.585 4.23 1469.29 67.08 899.336 1.16 676.556.8491.7相關(guān)比較例泰國(guó)學(xué)者P.Visoottiviseth等在當(dāng)?shù)谹s污染區(qū)對(duì)植物的As富集/積累能力采用野外采樣分析法進(jìn)行了研究[詳見(jiàn)文獻(xiàn)14Visoottiviseth P，et al.2002，The potential of Thai indigenous plant species for the phytoremediation ofarsenic contaminated land.Environmental Pollution，118453～461]；它們于1998年5月～1999年10月在泰國(guó)As污染嚴(yán)重的Ron Phibun和BannangSata兩個(gè)地區(qū)采集土壤樣本，共采集了73個(gè)樣本，土壤中As總量為21～15900mg/kg，并大約在植物的開(kāi)花時(shí)期采集植物樣本，采集了30科36種植物共99個(gè)樣本，其中雜草類(lèi)植物4種，禾本植物1 3種，攀緣植物2種，厥類(lèi)植物6種，灌木6種，樹(shù)5種。測(cè)定植物體內(nèi)As的含量表明，僅中國(guó)蕨科鳳尾厥Pteris vittata Linn和金星厥科沼澤蕨屬的Thelypteris.sp植物體內(nèi)As含量達(dá)到As超富集/超積累植物臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，是As超富集/超積累植物，其它植物因取樣時(shí)期不一致，以及土壤中As含量不一致，也很難說(shuō)就不是富集/積累植物；可見(jiàn)這種方法存在著很大的盲目性，并造成一定的浪費(fèi)。利用本發(fā)明方法進(jìn)行重金屬富集/積累植物的篩選，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)比較明確，可以提高篩選效率。
權(quán)利要求
1.重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于1)試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇要求試驗(yàn)地點(diǎn)周?chē)胸S富的雜草資源，雜草種類(lèi)不少于20種，其分布不少于5科；2)篩選對(duì)象的確定一個(gè)生長(zhǎng)季能完成生活史的雜草植物；要求這些植物在溫度為5～40℃，土壤含水量為田間持水量的80％左右，自然光下在50～170天之內(nèi)可以成熟；3)污染對(duì)象的確定根據(jù)當(dāng)?shù)匚廴厩闆r或根據(jù)國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄確定；4)重金屬盆栽篩選試驗(yàn)A.投加重金屬的濃度以當(dāng)?shù)氐湫臀廴镜貐^(qū)的重金屬組合為模擬濃度或以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為參考依據(jù)；重金屬投加濃度范圍在國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值至植物受傷害時(shí)所能承受的最大濃度之間；B.盆栽試驗(yàn)以當(dāng)?shù)匚词芪廴就寥罏樵耘嘟橘|(zhì)做土培試驗(yàn)，按模擬濃度投加一種或幾種優(yōu)級(jí)純重金屬易溶于水型的試劑，加入重金屬試驗(yàn)的土壤平衡兩周；以不投加重金屬的處理為對(duì)照，于雜草開(kāi)始生長(zhǎng)的季節(jié)，從試驗(yàn)地點(diǎn)周?chē)〈笮∫恢碌碾s草幼苗移栽到投加重金屬和未投加重金屬的盆中，根據(jù)植株和盆的大小確定要移栽的幼苗數(shù)，每盆幼苗數(shù)要一致，在成熟期測(cè)定供試植物生物量、植物體內(nèi)重金屬含量，由此檢驗(yàn)植物對(duì)重金屬的富集/積累能力及耐性。
2.按照權(quán)利要求1所述重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于所述篩選植物為雜草植物。
3.按照權(quán)利要求1所述重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于超富集/超積累植物的主要特征為1)植物地上部重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍；2)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；4)植物地上部生物量與未投加金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；5)植物地上部對(duì)某種金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超富集/積累植物應(yīng)達(dá)到的富集/積累水平相當(dāng)時(shí)，地上部富集系數(shù)大于1。
4.按照權(quán)利要求1所述重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于富集/積累植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)如下對(duì)于盆栽試驗(yàn)中滿(mǎn)足1)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；2)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；3)植物地上部生物量與未投加金屬的對(duì)照相比沒(méi)有顯著下降；4)植物地上部某種重金屬富集系數(shù)大于1；對(duì)于滿(mǎn)足這四個(gè)條件的雜草進(jìn)行不同濃度梯度試驗(yàn)，以檢驗(yàn)該種植物是否為超富集/超積累植物，如果達(dá)不到超富集/超積累植物標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為是富集/積累植物；不同梯度濃度試驗(yàn)中重金屬的投加濃度應(yīng)包含與超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)臐舛取?br> 5.按照權(quán)利要求1所述重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于在盆栽試驗(yàn)后進(jìn)行典型污染地區(qū)采樣分析在典型污染地區(qū)采集在篩選試驗(yàn)中具有重金屬富集/積累特征的植物，以及植物根區(qū)土壤，分析其體內(nèi)及土壤中重金屬含量，以確定該種植物是否是超富集/超積累植物；同時(shí)滿(mǎn)足超富集/超積累植物的主要特征條件1)植物地上部重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍；2)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀和5)植物地上部對(duì)某種金屬的富集系數(shù)大于1，至少當(dāng)土壤中重金屬含量與超富集/積累植物應(yīng)達(dá)到的富集/積累水平相當(dāng)時(shí)，地上部富集系數(shù)大于1的雜草為重金屬超富集/超積累植物；在典型污染土壤中重金屬含量大于超富集/超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只滿(mǎn)足條件2)、3)和5)的雜草為重金屬富集/積累植物。
6.按照權(quán)利要求5所述重金屬富集/積累植物的篩選方法，其特征在于當(dāng)?shù)湫臀廴就寥乐兄亟饘俸康陀诔患?超積累植物應(yīng)達(dá)到的濃度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于滿(mǎn)足富集/積累植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)1)植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；2)植物的生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀；3)植物地上部某種重金屬富集系數(shù)大于1的雜草，以及在典型污染地區(qū)沒(méi)有分布但在盆栽試驗(yàn)中表現(xiàn)為重金屬富集/積累特征的雜草，需要做小區(qū)試驗(yàn)以進(jìn)一步確定其是否是超富集/超積累植物；小區(qū)試驗(yàn)的方法與盆栽試驗(yàn)相同，只是重金屬投加土層較深，要根據(jù)試驗(yàn)植物在自然條件下根系生長(zhǎng)特點(diǎn)確定投加重金屬的土層深度。
全文摘要
本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)，具體地說(shuō)是重金屬富集/積累植物的篩選方法；1)試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇；2)篩選對(duì)象的確定；3)污染對(duì)象的確定4)重金屬盆栽篩選試驗(yàn)它以雜草植物作為篩選對(duì)象，以盆栽土培試驗(yàn)及野外采樣分析試驗(yàn)和小區(qū)試驗(yàn)為主要手段，篩選可用于植物修復(fù)的植物。本發(fā)明經(jīng)濟(jì)、高效、生態(tài)安全性高、適用性廣、易于植物識(shí)別，可操作性強(qiáng)。
文檔編號(hào)A01H3/00GK1568668SQ0313373
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月16日
發(fā)明者魏樹(shù)和, 周啟星 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所