專利名稱：：一種利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是一種利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法。技術(shù)背景重金屬污染土壤的途徑通常有以下兩種一是金屬礦開釆活動造成的環(huán)境污染，污染類型主要有坑口周圍土壤中礦床礦物在水、氣、熱等環(huán)境因素長期作用下而形成的重金屬污染較嚴(yán)重的土壤；釆礦廢石堆放過程中因淋濾等原因造成的重金屬污染土壤；含有較高濃度重金屬的礦山廢水對土壤造成的污染等。二是工業(yè)污水灌溉農(nóng)田引發(fā)的重金屬污染土壤，具有代表性的是我國發(fā)現(xiàn)最早，面積較大，而且污染又十分嚴(yán)重的沈陽張士灌區(qū)污染土壤，其主要重金屬污染物是Cd[文獻(xiàn)h吳燕玉，陳濤，張學(xué)詢.1986.沈陽張士灌區(qū)鎘的污染生態(tài)研究.見高拯民主編，土壤-植物系統(tǒng)污染生態(tài)研究.295-301]。Cd是環(huán)境中的有毒物質(zhì)，是生物體的非必需元素，其化合物的毒性很大，蓄積性很強(qiáng)，高濃度的鎘對大多數(shù)動物有致畸、致突變和致癌作用，因此，鎘污染土壤急需修復(fù)。世界各國對土壤重金屬污染十分重視，采取了各種各樣的修復(fù)方法，如消除重金屬毒性的固化技術(shù)、玻璃化技術(shù)，修復(fù)揮發(fā)性重金屬的電動力修復(fù)技術(shù)等。但這些技術(shù)對污染場地破壞較大，修復(fù)費用昂貴，且存在著運(yùn)輸、儲存、回填等新的環(huán)境問題，在小面積或重污染土壤處理中作用很大，甚至不可替代，但對于面積巨大、污染程度較輕的污染土壤來說則難以應(yīng)用。因此，人們尋求費用較低、修復(fù)效果又好的革新技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)利用重金屬超積累植物/超富集植物的提取作用在穩(wěn)定污染土壤減少風(fēng)蝕、水蝕及不引起地下水二次污染的同時，使污染土壤得到修復(fù)，既不破壞污染現(xiàn)場土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力，又減少修復(fù)費用，已成為世界各國竟相研究的熱點。超積累植物(Hyperaccmulator)也叫超富集植物，這一定義最初是由Brooks等提出的，當(dāng)時用以命名莖中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物[文獻(xiàn)2:BrooksR.R.,LeeJ.，ReevesR.D.，etal.1977.Detectionofnickliferousrocksbyanalysisofherbariumspeciesofindicatorplants.JournalofGeochemicalExploration.7:49~77]?，F(xiàn)超積累植物的概念已擴(kuò)大到植物對所有金屬元素的超量富集現(xiàn)象，即是指能超量富集一種或同時富集幾種金屬元素的植物?，F(xiàn)一般認(rèn)為[文獻(xiàn)3:ChaneyR.L.,MalikM.,LiY.M.,etal.1997,Phytoremediationofsoilmetals.CurrentOpinionsinBiotechnology.8:279~284;文獻(xiàn)4:Brooks,R.R.，Chambers,M.F.,Nicks,L.J.，Robinson,B.H.，1998.Phytoming.TrendsinPlantScience.3，(9):359-362;文獻(xiàn)5:SaltDE.Phytoextraction:presentapplicationsandfuturepromise.2000.In:WiseDL,etal.(eds.)，BioremediationofContaminatedSoils.NewYork,MarcelDekker]超積累植物應(yīng)同時具備三個特征一是植物地上部(莖或葉)金屬含量是普通植物在同一生長條件下的IOO倍，其臨界含量分別為Zn10000mg/kg、Cd100mg/kg、Culmg/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金屬含量；三是植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。其實，植物地上部生物量沒有明顯下降(與生長在未污染土壤同種植物生物量相比)同時植物地上部富集系數(shù)大于i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有顯著減少是超積累植物區(qū)別于普通植物的一個重要特征。超積累植物能夠超量富集重金屬而生物量又沒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)酸對金屬的螯合作用消除了金屬植物生長的抑制[文獻(xiàn)3:ChaneyR.L.，MalikM.，LiY.M.，etal.1997,Phytoremediationofsoilmetals.CurrentOpinionsinBiotechnology.8:279284;文獻(xiàn)6:Ortiz,D.F.，Ruscitti,T,McCue，K.F.,0w,D.W.1995.Transportofmetal—bindingpeptidesbyHMTl，afissionyeastABC-typevacuolarmembraneprotein.JBiol.Chem.，270:4721-4728;文獻(xiàn)7:Kramer,U.,Cotter-Howells,J.D.,Char露k，J.M.,Baker,A.J.M.,Smith,J丄C.1996.Freehistidineasametalchelatorinplantsthataccumulateinckel.Nature,379:635-638],這是超積累植物所具有的區(qū)別于普通植物的超強(qiáng)忍耐性的表現(xiàn)特征之一。而對于普通植物而言，雖有些植物在這種情況下也能生存下來并完成生活史，但其地上部生物量往往會明顯降低，通常表現(xiàn)為植株矮小，有的生物學(xué)特性還會改變?nèi)缛~子、花色變色等[文獻(xiàn)8:孔令韶.1982.植物對重金屬元素的吸收積累及忍耐、變異.環(huán)境科學(xué)，1:65~69]。植物地上部富集系數(shù)大于l，意味著植物地上部某種重金屬含量大于所生長土壤中該種重金屬的濃度，這是超積累植物區(qū)別于普通植物對重金屬積累的又一個重要特征。因為當(dāng)土壤中重金屬濃度高到超過超富集植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)時，甚至高出幾倍的情況下，因植物對重金屬的積累有隨土壤中重金屬濃度升高而升高的特點[文獻(xiàn)9:郭水良，黃朝表，邊媛，林國平.2002.金華巿郊雜草對土壤重金屬元素的吸收與富集作用U)—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(農(nóng)業(yè)科學(xué)版)，20(1):22~29]，植物對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積累植物所應(yīng)達(dá)到的含量標(biāo)準(zhǔn)時，植物對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，同時由于土壤PH等因素對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，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有明顯減少同時地上部富集系數(shù)大于1也應(yīng)是超積累植物區(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)時大于l[文獻(xiàn)10:WeiS,ZhouQ，KovalPV.FloweringstagecharacteristicsofcadmiumhyperaccumulatorSolanumnigrumL.andtheirsignificancetophytoremediation.SWe/7ceo/*tAeA/7Wro咖ei7L2006，369:441-446;文獻(xiàn)11:WeiShuhe,ZhouQixing，WangXin,ZhangKaisong,GuoGuanlin，MaLena.Anewly-discoveredCd-hyperaccumulatoriWa/鵬//《環(huán)L.CA//7ese5We鮮^//"http://z.2005,50(1):33-38]。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種費用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好效果的利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下在含污染物鎘的土壤上種植三葉鬼針草(AVe/wL.)，通過三葉鬼針草根系大量吸收污染土壤中的鎘，并將其轉(zhuǎn)移至莖和葉等地上部器官，當(dāng)植物長到成熟期時，將植物整體從污染土壤上移走，從而實現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。所述在含污染物鎘的土壤上種植三葉鬼針草，可釆用露天栽培，根據(jù)土壤缺水情況，澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40~95%。所述在含污染物鎘的土壤上種植三葉鬼針草，可采用復(fù)種的方式，即在第一茬三葉鬼針草長到成熟時，將植物整體從污染土壤上移走，再種植第二茬三葉鬼針草，重復(fù)上述過程，直至徹底除去土壤中超標(biāo)的鎘。本發(fā)明所具有的優(yōu)點本發(fā)明利用具有超富集的菊科植物修復(fù)鎘污染土壤，其具有費用低廉、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤理化性質(zhì)、不引起二次污染、且對防止污染土壤風(fēng)蝕、水蝕均有良好的效果等優(yōu)點。實驗證明菊科植物三葉鬼針草是一種超富集植物，本發(fā)明利用三葉鬼針草對鎘金屬的超富集提取作用，通過在鎘污染土壤上種植這種超積累植物，能夠在穩(wěn)定污染土壤，減少土壤風(fēng)蝕、水蝕及不引起地下水二次污染的同時，使污染土壤得到修復(fù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，既不破壞污染現(xiàn)場土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力，又大大降低了修復(fù)費用。圖1為本發(fā)明在Cd單一污染及Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染條件下三葉鬼針草地上部生物量對比圖。圖2本發(fā)明菊科植物三葉鬼針草在不同Cd濃度處理條件下地上部生物量對比圖。具體實施例方式實施例1針對目前植物修復(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方法，對東北沈陽地區(qū)22科65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。試驗地點設(shè)在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實驗站內(nèi)，地理位置為東經(jīng)123。41'、北緯41°31'，海拔約50m，該試驗站周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。該站地處松遼平原南部的中心地帶，距沈陽巿區(qū)約35km，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均溫度5~9°C,大于l(TC的年活動積溫3100-3400°C,年總輻射量520-544KJ/cm2，無霜期127~164d,年降水量650~700mm。盆栽試驗采自該站表土(0~20cm)，土壤類型為草甸棕壤。參照我國國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618,1995(夏家淇，1996)設(shè)計Tl為Cd單一污染和T2為Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染的2個處理，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)于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級標(biāo)準(zhǔn)值的10、2、1、2倍，這一污染水平與遼寧地區(qū)重金屬污染狀況和水平大體相符。投加的重金屬形態(tài)分別為CdCl2'2.5H20、Pb(CH3COO)2-31120、CuS045H20和ZnSO,7H20，均為分析純試劑，分別以固態(tài)加入到土壤中，充分混勻，平衡兩周后待用。與此同時，以不投加重金屬的處理為對照CK(參見表1)。于雜草開始生長季節(jié)，將供試土壤風(fēng)干、過2mm篩后，與一定量的重金屬混合，裝入塑料盆((^20m，^15m)中，平衡兩周后，選擇生長一致的各種雜草幼苗分別移栽入CK、L和L處理的盆中。根據(jù)植株大小，每盆各栽26棵苗，其中三葉鬼針草每盆2棵；重復(fù)3次，各重復(fù)間栽入的苗數(shù)一致，露天栽培，無遮雨設(shè)施。根據(jù)盆缺水情況，不定期澆自來水(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，釆用HNO廣HC104法消化、原子吸收分光光度計測定其中的重金屬含量。分析所獲數(shù)據(jù)(參見圖1)，在計算機(jī)上用MicrosoftExcel進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)的計算，并利用最低顯著性差異法(leastsignificantdifference,LSD)進(jìn)行差異顯著性測驗.試驗結(jié)果如下表明三葉鬼針草在Cd單一污染及Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染條件下，其地上部生物量與對照相比，均未下降(P〈0.05),說明三葉鬼針草對Cd具有較強(qiáng)的耐性。因此，從植物對重金屬的耐性來看，三葉鬼針草具有超積累植物所應(yīng)具有的耐性較強(qiáng)的基本特征。表1給出了三葉鬼針草對重金屬Cd的富集情況。在Cd單一污染處理T,中，其地上部Cd積累量達(dá)到28.3mg/kg,大于根部含量(13.2mg/kg),且其地上部Cd富集系數(shù)為2.83，明顯大于1。在Cd-Pb-Cu-Zn復(fù)合污染處理L中，三葉鬼針草對Cd的富集特性與其在Cd單一污染條件下對Cd的富集特性大體一致。由此可見，三葉鬼針草對Cd的富集特性符合超積累植物所具有的地上部重金屬含量大于其根部重金屬含量的基本特征，而且其地上部Cd富集系數(shù)也大于l。可見，從三葉鬼針草對Cd污染的耐性及對Cd的富集特性來看,無疑是Cd超積累特征植物。表1三葉鬼針草對重金屬的富集特性及富集系數(shù)處理部位總CdAC*總PbAC總CuAC總ZnACfAC為富集系數(shù)本實施例實驗室小規(guī)模試驗，將三葉鬼針草種植在上述設(shè)計的含污染物鎘的土壤上，待三葉鬼針草成熟時，將植物整體從污染土壤上移走，再種植第二茬三葉鬼針草，去除第二茬后再種植第三茬，直到可得到修復(fù)好的鎘污染土壤。當(dāng)大規(guī)模實施時可重復(fù)上述的操作步驟，直至使污染土地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為止。實施例2試驗地點設(shè)在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實驗站內(nèi)，地理位置為東經(jīng)123。41'、北緯41°31'，海拔約50m，該試驗站周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。該站地處松遼平原南部的中心地帶，距沈陽巿區(qū)約35km，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均溫度5~9°C,大于l(TC的年活動積溫3100~3400°C,年總輻射量520~544KJ/cm2,無霜期127~164d，年降水量650~700mm。盆栽試驗采自該站表土(0~20cm)，土壤類型為草甸棕壤。試驗共設(shè)了6個處理，分別為對照CK，不投加Cd及5個不同的Cd投加濃度試驗，Cd投加濃度:10mg/kg(Rl)、25mg/kg(R2)、50mg/kg(R3)、100mg/kg(R4)、200mg/kg(R5)，投加的重金屬形態(tài)為CdCl2.2.5H20，為CKTl根莖葉籽實地上部根上部地上部0.30.81.30.40.813.228.353.712.428.312.928.651.910.327.19.23.72.30.82.61.322.835.371.242.831.292.865.191.032.71110,530.139.822.728.79.58.525.68.111.583.827.695.276.553.00.1138.80.09264.80.260.0311.70.03198.30.190.0426.10.06580.90.560.0211.00.03262.50.250.0312.30.03280.40.27多.s1桿地根萃w桿分析純試劑，以固態(tài)加入到土壤中，充分混勻，平衡兩周后待用。本試驗于2004年春開始，移栽三葉鬼針草幼苗均采自沈陽生態(tài)站內(nèi)，每盆2棵，3次重復(fù)。生長天數(shù)為88天。露天栽培。根據(jù)盆缺水情況，不定期澆水(水中未檢出Cd)，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。試驗結(jié)果圖2給出了在不同Cd濃度處理條件下三葉鬼針草的地上部生物量。差異顯著性分析表明，與對照相比，三葉鬼針草在Cd投加濃度為10，25，50和100mg/kg的處理中，地上部生物量均未下降(;KO.05)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性；但在Cd污染水平很高時，即投加濃度為200mg/kg情況下，地上部生物量則有所下降(-O.05),說明三葉鬼針草對Cd的耐性雖然較強(qiáng)但還是有一定限度，這就是說，在土壤Cd濃度大于200mg/kg情況下，植物的生長會受到抑制。植物體內(nèi)Cd含量測定結(jié)果表明(參見表2)，在各個處理中，三葉鬼針草地上部Cd含量均大于其根部Cd含量。當(dāng)土壤中Cd投加濃度為25，50，100mg/kg時，三葉鬼針草葉中Cd含量均大于100mg/kg,達(dá)到了Cd超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，即莖或葉Cd含量大于100mg/kg，而且其地上部Cd富集系數(shù)均大于1，因此從植物對Cd的積累特性來看已滿足了Cd超積累植物的臨界含量特征。隨著土壤Cd污染水平的增加，植物體內(nèi)Cd含量也在增加，并在Cd投加濃度為200mg/kg時達(dá)到最大。表2三葉鬼針草對鎘的富集特征(mg/kg)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>*AC為富集系數(shù)上述試驗結(jié)果表明，三葉鬼針草在土壤Cd投加濃度為25，50和100mg/kg時，其葉中Cd含量均達(dá)到了Cd超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，而且地上部Cd含量大于其根部Cd含量，同時對Cd耐性較強(qiáng)，完全具有Cd超積累植物的基本特征，是Cd的超積累植物。上述詳細(xì)說明針對本發(fā)明的實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍。權(quán)利要求1.一種利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上種植菊科植物，當(dāng)菊科植物長到成熟期時，將植物整體從污染土壤上移走，從而實現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于所述菊科植物可為三葉鬼針草。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于所述種植三葉鬼針草是指將幼苗期的三葉鬼針草移植在含污染物鎘的土壤上。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上種植三葉鬼針草，可釆用露天栽培，根據(jù)土壤缺水情況，澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的40~95%。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述利用菊科植物修復(fù)鎘污染土壤的方法，其特征在于在含污染物鎘的土壤上釆用復(fù)種的方式種植三葉鬼針草，即在第一茬三葉鬼針草成熟時，將植物整體從污染土壤上移走，再種植第二茬三葉鬼針草，重復(fù)上述過程，直至最終修復(fù)鎘污染土壤。全文摘要本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)，具體地說是利用菊科超積累/超富集植物三葉鬼針草修復(fù)鎘污染土壤的方法。三葉鬼針草種植于重金屬污染環(huán)境，不但能夠正常生長沒有任何受毒害現(xiàn)象，其生物量也沒有減少，而且地上部重金屬含量高于根部重金屬含量，地上部重金屬含量達(dá)到了Cd超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)100mg/kg，具備了超積累植物的基本特征。該方法將三葉鬼針草種植在含污染物鎘的土壤上，當(dāng)植物成熟時，將植物整體從污染土壤上移走，然后再移栽下一茬植物，之后重復(fù)上述過程，從而實現(xiàn)除去土壤中污染物鎘的目的。文檔編號B09C1/00GK101147914SQ20061004784公開日2008年3月26日申請日期2006年9月22日優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日發(fā)明者周啟星,魏樹和申請人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所