專利名稱:一種土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及環(huán)境污染治理技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及利用植物提取土壤中的鉛與鎘重金屬,從而實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染的植物修復(fù)。
背景技術(shù):
土壤重金屬污染不僅對(duì)農(nóng)作物的收成與質(zhì)量有重要影響,而且還影響到大氣及水環(huán)境質(zhì)量,甚至通過(guò)食物鏈危及人類健康。土壤重金屬污染的傳統(tǒng)修復(fù)方法通常采用物理、化學(xué)的方法,如排土填埋法、稀釋法、淋洗法、物理分離法、穩(wěn)定化及電化學(xué)法等。傳統(tǒng)修復(fù)方法的原理主要是通過(guò)減少土壤表層污染物的濃度,或增強(qiáng)土壤中的污染物的穩(wěn)定性使其水溶性、擴(kuò)散性和生物有效性降低,從而減輕其危害。
傳統(tǒng)的土壤重金屬污染治理方法雖然治理效果較好,歷時(shí)較短,但這些方法往往有許多缺陷,如成本高、難于管理、易造成二次污染,并對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)大等。比如,在澳大利亞,主要是將受重金屬污染的土壤取出運(yùn)到填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋。而對(duì)于廣大的污染比較嚴(yán)重的發(fā)展中國(guó)家,它們經(jīng)濟(jì)水平不高,這類技術(shù)的應(yīng)用將受到限制。為尋求更有效、可行的解決辦法,近年來(lái),針對(duì)重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)引起了公眾及科學(xué)界的廣泛興趣。這種技術(shù),通過(guò)金屬積累(metal-accumulating)植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)并積累從而去除土壤或水體中有害金屬,被譽(yù)為一種低成本、有效的綠色技術(shù)。國(guó)內(nèi)外先后利用遏藍(lán)菜與蜈蚣草等實(shí)施對(duì)土壤鎘與砷的植物修復(fù)。
真正適合于土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)主要是植物提取技術(shù)。植物提取(phytoextracton)指利用高生物量的植物和適合的土壤改良劑使金屬?gòu)耐寥擂D(zhuǎn)移并富積在植物的地上部分,再利用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)方式進(jìn)行收割。該方法主要用來(lái)處理土壤、底泥和污泥,它最適合于淺層受污染程度較低(2.5~100mg·kg-1)的土壤的修復(fù)。
當(dāng)然同其他技術(shù)一樣,植物提取修復(fù)技術(shù)也有不足之處,主要表現(xiàn)在大多數(shù)超積累植物根較淺,生物量小,生長(zhǎng)緩慢,通常比其他物理-化學(xué)技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng);土壤結(jié)構(gòu)、pH值、鹽度、污染物濃度及其他毒性物質(zhì)可能使超積累植物植被的形成受到限制;污染物可能通過(guò)落葉重新回到土壤中去;超積累植物可能為人或動(dòng)物誤食導(dǎo)致食物鏈的污染。不過(guò),由于其比較優(yōu)勢(shì)更為突出,科學(xué)工作者對(duì)這種應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)寄予厚望,并努力嘗試采取各種措施來(lái)彌補(bǔ)其不足之處。
為了提高植物提取修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果,目前世界上的相關(guān)研究主要致力于以下幾個(gè)方面首先,對(duì)植物種及其變種進(jìn)行篩選、得到對(duì)某一具體污染物具有超級(jí)修復(fù)潛力的植物種;第二,采用基因工程技術(shù)改造植物以獲得理想的超積累植物;第三,通過(guò)農(nóng)藝措施優(yōu)化修復(fù)過(guò)程,如調(diào)節(jié)pH值、施用肥料及螯合劑。
大多數(shù)植物提取修復(fù)策略的最終目標(biāo)是將有毒重金屬在植物可收割的地上組織當(dāng)中進(jìn)行超積累。針對(duì)某種或某些重金屬,所采用的植物比一般的植物更具有重金屬耐性、并且體內(nèi)重金屬含量也高出很多,通常可達(dá)成百上千倍,這類植物我們稱之為重金屬超積累植物。超積累通常要求金屬離子在植物中的含量要大于0.1~1%(干重);從后處理的角度看,當(dāng)含量達(dá)到這種標(biāo)準(zhǔn)時(shí),植物組織中的金屬的回收才有具有經(jīng)濟(jì)性。為了防止生物入侵及基因鏈的污染,采用超積累植物進(jìn)行修復(fù)時(shí),我們總是希望盡量采用本地植物種,因而篩選土著的超積累植物顯得特別重要。
在植物提取的實(shí)際操作中,植物體內(nèi)重金屬含量高低比植株生物量的大小更有意義。植物對(duì)重金屬的吸收,不僅與植物本身和土壤中重金屬總量有關(guān),還與重金屬在土壤中的形態(tài)有關(guān)。許多資料表明,植物體內(nèi)的重金屬含量并不與土壤中的重金屬總量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,而是與土壤中具有生物可利用性的重金屬含量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。重金屬進(jìn)入土壤后,通過(guò)溶解、沉淀、凝聚、絡(luò)合吸附等各種反應(yīng),形成不同的化學(xué)形態(tài),從而影響土壤中重金屬的植物可利用性。此外,重金屬在土壤中的存在形態(tài)會(huì)受土壤組分及其一些因素的影響,而在各形態(tài)之間處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,隨著環(huán)境條件的變化而相應(yīng)轉(zhuǎn)化。因此,如果能提高重金屬的生物可利用性,即活化土壤中重金屬,就能提高植物對(duì)重金屬的吸收效率,從而縮短修復(fù)時(shí)間,同時(shí)又減少后處理量,促進(jìn)植物修復(fù)土壤重金屬技術(shù)的應(yīng)用。
重金屬在根際中的形態(tài)轉(zhuǎn)化研究日益引起許多學(xué)者的重視,許多學(xué)者注意到了植物與微生物共存體系對(duì)重金屬超積累植物的重要性。國(guó)外Whiting等利用鋅的超積累植物結(jié)合三種根際細(xì)菌的應(yīng)用,結(jié)果表明,重金屬得到明顯的活化,提高了植物對(duì)鋅的吸取。土壤微生物能夠利用有效的營(yíng)養(yǎng)和能源,在根際環(huán)境中大量繁殖,在土壤滲濾過(guò)程中通過(guò)分泌有機(jī)酸絡(luò)合并溶解土壤中的重金屬。微生物對(duì)重金屬的溶解主要是通過(guò)各種代謝活動(dòng)直接或間接地進(jìn)行。土壤微生物的代謝作用能產(chǎn)生多種低分子量的有機(jī)酸,如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等,從而直接或間接影響著重金屬的形態(tài),起到活化重金屬的作用,提高植物對(duì)重金屬的吸收積累,從而提高重金屬超積累植物提取土壤重金屬的效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,通過(guò)篩選土著超積累植物,分離植物根際重金屬的活化細(xì)菌,結(jié)合超積累植物對(duì)重金屬的吸收與根際細(xì)菌對(duì)重金屬的活化,實(shí)現(xiàn)土壤重金屬鉛、鎘污染的高效快速的修復(fù)。
本發(fā)明的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法是在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植小飛揚(yáng)草。
為了增大表土覆蓋,提高整體重金屬的提取效率,可以在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植的小飛揚(yáng)草與苧麻套種。
為了促進(jìn)小飛揚(yáng)草與苧麻對(duì)鎘、鉛的吸收提取,可以根據(jù)土壤性質(zhì)在土壤中重金屬有效態(tài)含量偏低的情況下接種重金屬活化細(xì)菌。所述重金屬活化細(xì)菌是指芽孢桿菌(Bacillus sp.)(C6)和假單胞菌(Pseudomonas sp.)(B7)。
小飛揚(yáng)草的最佳種植條件在環(huán)境溫度10~35℃時(shí),在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植小飛揚(yáng)草發(fā)芽的種子100-200粒/m2土壤。
套種苧麻的最佳條件在環(huán)境溫度10~35℃時(shí),在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中移栽根狀莖培植的苧麻幼苗,5~10棵/m2。
小飛揚(yáng)草的種子先在2~3℃低溫春化65-75h,然后溫度控制在25-35℃,濕度控制在70-90%溫室發(fā)芽萌發(fā)。
種植的小飛揚(yáng)草可在鎘<200mg/kg、鉛<3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
種植的野生苧麻可在鎘<200mg/kg、鉛<3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
植物生長(zhǎng)旺盛時(shí)期分別接種重金屬活化細(xì)菌C6與B7,最佳方案是按1∶1混合,106個(gè)細(xì)菌/ml菌液接種,促進(jìn)小飛揚(yáng)草與苧麻對(duì)鎘、鉛的吸收提取。
小飛揚(yáng)草與野生苧麻套種時(shí),小飛揚(yáng)草播種量可以減半,50~100顆/m2,增加土壤表面覆蓋,提高植物對(duì)土壤重金屬鎘、鉛的吸收提取。
發(fā)明人經(jīng)過(guò)探索性研究發(fā)現(xiàn)A、重金屬超積累植物的篩選與發(fā)現(xiàn)。在廣東某鉛鋅礦區(qū)分批采集植物樣品,測(cè)定樣品中的重金屬鉛、鎘的含量與植物的其他生理生態(tài)特性,獲得具有重金屬超積累特性與耐性的兩種植物野生苧麻(Boehmeria nivea L.)與小飛揚(yáng)草(Euphorbia hirta L.),其體內(nèi)的重金屬的含量如下小飛揚(yáng)草對(duì)Cd的富積達(dá)到87.18mg/kg,野生苧麻對(duì)Cd、Pb的富集分別達(dá)到131.54mg/kg、1261.99mg/kg,達(dá)到或基本達(dá)到重金屬超積累植物的指標(biāo)要求。
B、植物小飛揚(yáng)草對(duì)水溶液中的重金屬鎘的富積及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。小飛揚(yáng)草在Cd濃度為5mg/kg、10mg/kg的營(yíng)養(yǎng)液中均可以正常生長(zhǎng),對(duì)Cd的污染表現(xiàn)出較高的耐受性,其體內(nèi)的Cd富積量最低可以達(dá)到88.70mg/kg,最高可以達(dá)到466.52mg/kg;盆栽試驗(yàn)表明,小飛揚(yáng)草能受強(qiáng)陽(yáng)光輻射,耐高溫,種子萌發(fā)能力強(qiáng),生長(zhǎng)迅速,可以在60天內(nèi)完成從發(fā)芽到種子成熟的生理周期,適合在貧瘠惡劣的生態(tài)環(huán)境下生存。
C、根際重金屬活化細(xì)菌的分離與應(yīng)用。從生長(zhǎng)在重金屬污染土壤中的植物薺菜(Capsella bursa-pastoris L.)與野生苧麻(Boehmeria nivea L.)根際微生物菌群中分離篩選到兩株重金屬活化細(xì)菌,分別為一種芽孢桿菌(Bacillus sp.)(C6)和一種假單胞菌(Pseudomonas sp.)(B7),它們對(duì)重金屬鎘的活化效率都達(dá)到8.7%。土壤中分別接種C6、B7,使玉米體內(nèi)重金屬鎘在滅菌條件下的增幅為5.8%~32.3%,不滅菌條件下增幅為1.8%~18.0%;使小飛揚(yáng)草體內(nèi)重金屬鎘的增幅在滅菌條件下達(dá)到32.7%,不滅菌的條件下達(dá)到17.6%。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)利用土著植物實(shí)施土壤重金屬污染的植物修復(fù),提高其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力;(2)結(jié)合根際重金屬活化細(xì)菌的利用實(shí)施土壤重金屬污染的植物修復(fù),提高植物提取效率18%左右。
(3)可以回收重金屬,無(wú)二次污染。
具體的實(shí)施方式實(shí)施例1小飛揚(yáng)草提取土壤中的鎘與鉛(1)小飛揚(yáng)草育種小飛揚(yáng)草用種子萌發(fā),先在2℃低溫春化65h左右,然后溫度控制在25℃左右,濕度控制在80%左右溫室發(fā)芽。
(2)植物的種植與生長(zhǎng)小飛揚(yáng)草播種發(fā)芽的種子,100粒左右每m2。種植于濕潤(rùn)土壤中覆土,華南地區(qū)環(huán)境溫度10℃條件下均可種植。植物可在鎘10~200mg/kg、鉛400~3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
(3)植物體收割與后處理小飛揚(yáng)草完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約60天)整株拔除;作好植物殘?bào)w的后處理(焚燒填埋或回收重金屬),防止二次污染。
(4)具體指標(biāo)如下污染深度為D=0.2m土壤容重為W=1200kg/m3污染的平均濃度為10mgCd/kg,400mgPb/kg(接近廣州市土壤重金屬污染的情況),環(huán)境溫度10-35℃要達(dá)到的處理目標(biāo)0.3mgCd/kg,250mgPb/kg(土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))則單位面積需除去2328mgCd/m2,36000mgPb/m2小飛揚(yáng)草生物量B=200g/m2重金屬吸收能力80mgCd/kg;500mgPb/kg單茬提取重金屬的量16mgCd/m2;100mgPb/m2實(shí)施例2野生苧麻提取土壤中的鎘與鉛(1)苧麻育種苧麻用根狀莖繁殖,在溫度35℃左右,濕度80%左右培育幼苗。
(2)苧麻種植與生長(zhǎng)苧麻移栽幼苗,10棵每m2。種植于濕潤(rùn)土壤中覆土,華南地區(qū)環(huán)境溫度35℃條件下均可種植。植物可在鎘10~200mg/kg、鉛400~3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
(3)苧麻收割與后處理苧麻完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約90天)收割地上部分。作好植物殘?bào)w的后處理(焚燒填埋或回收重金屬),防止二次污染。
(4)具體指標(biāo)如下污染深度為D=0.2m土壤容重為W=1200kg/m3污染的平均濃度為10mgCd/kg,400mgPb/kg(接近廣州市土壤重金屬污染的情況);環(huán)境溫度10-35℃要達(dá)到的處理目標(biāo)0.3mgCd/kg,250mgPb/kg(土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))則單位面積需除去2328mgCd/m2,36000mgPb/m2
苧麻株高100-200cm苧麻生物量2500g/m2重金屬吸收能力100mgCd/kg;1000mgPb/kg單茬提取重金屬的量250mgCd/m2;2500mgPb/m2實(shí)施例3小飛揚(yáng)草接種重金屬活化細(xì)菌提取土壤中的鎘與鉛(1)小飛揚(yáng)草育種小飛揚(yáng)草用種子萌發(fā),先在3℃低溫春化70h左右,然后溫度控制在30℃左右,濕度控制在80%左右溫室發(fā)芽。
(2)植物的種植與生長(zhǎng)小飛揚(yáng)草播種發(fā)芽的種子,100粒左右每m2。種植于濕潤(rùn)土壤中覆土,華南地區(qū)環(huán)境溫度35℃條件下均可種植。植物可在鎘10~200mg/kg、鉛400~3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
(3)根際重金屬活化細(xì)菌接種接種根際重金屬活化細(xì)菌,按芽孢桿菌∶假單胞菌為1∶1混合,每千克土壤接種106個(gè)細(xì)菌/ml菌液50ml,分3次接種,提高植物富積重金屬的效率(4)植物體收割與后處理小飛揚(yáng)草完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約60天)整株拔除;作好植物殘?bào)w的后處理(焚燒填埋或回收重金屬),防止二次污染。
(5)具體指標(biāo)如下污染深度為D=0.2m土壤容重為W=1200kg/m3污染的平均濃度為10mgCd/kg,400mgPb/kg(接近廣州市土壤重金屬污染的情況),環(huán)境溫度10-35℃
要達(dá)到的處理目標(biāo)0.3mgCd/kg,250mgPb/kg(土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))則單位面積需除去2328mgCd/m2,36000mgPb/m2小飛揚(yáng)草生物量B=200g/m2重金屬吸收能力95mgCd/kg;590mgPb/kg單茬提取重金屬的量19mgCd/m2;118mgPb/m2實(shí)施例4野生苧麻接種重金屬活化細(xì)菌提取土壤中的鎘與鉛(1)苧麻育種苧麻用根狀莖繁殖,在溫度25℃左右,濕度80%左右培育幼苗。
(2)苧麻種植與生長(zhǎng)苧麻移栽幼苗,10棵每m2。種植于濕潤(rùn)土壤中覆土,華南地區(qū)環(huán)境溫度20℃條件下均可種植。植物可在鎘10~200mg/kg、鉛400~3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
(3)根際重金屬活化細(xì)菌接種接種根際重金屬活化細(xì)菌,按芽孢桿菌∶假單胞菌為1∶1混合,每千克土壤接種106個(gè)細(xì)菌/ml菌液100ml,分1次接種,提高植物富積重金屬的效率(4)苧麻收割與后處理苧麻完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約90天)收割地上部分。作好植物殘?bào)w的后處理(焚燒填埋或回收重金屬),防止二次污染。
(5)具體指標(biāo)如下污染深度為D=0.2m土壤容重為W=1200kg/m3污染的平均濃度為10mgCd/kg,400mgPb/kg(接近廣州市土壤重金屬污染的情況);環(huán)境溫度10-35℃
要達(dá)到的處理目標(biāo)0.3mgCd/kg,250mgPb/kg(土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))則單位面積需除去2328mgCd/m2,36000mgPb/m2苧麻株高100-200cm苧麻生物量2500g/m2重金屬吸收能力118mgCd/kg;1180mgPb/kg單茬提取重金屬的量290mgCd/m2;2950mgPb/m2實(shí)施例5小飛揚(yáng)草與野生苧麻套種并接種重金屬活化細(xì)菌后對(duì)土壤中鎘與鉛的提取(1)小飛揚(yáng)草與苧麻的育種小飛揚(yáng)草用種子萌發(fā),先在3℃低溫春化65h左右,然后溫度控制在30℃左右,濕度控制在80%左右溫室發(fā)芽。苧麻用根狀莖繁殖,在溫度25-35℃左右,濕度80%左右培育幼苗。
(2)植物的種植與生長(zhǎng)小飛揚(yáng)草播種發(fā)芽的種子,70粒左右每m2。苧麻移栽幼苗,5棵每m2。種植于濕潤(rùn)土壤中覆土,華南地區(qū)環(huán)境溫度10℃條件下均可種植。植物可在鎘10~200mg/kg、鉛400~3000mg/kg污染的土壤中生長(zhǎng),并富積提取重金屬。
(3)根際重金屬活化細(xì)菌接種接種根際重金屬活化細(xì)菌,按芽孢桿菌∶假單胞菌為1∶1混合,每千克土壤接種106個(gè)細(xì)菌/ml菌液50ml,分2次接種,提高植物富積重金屬的效率(4)植物體收割與后處理小飛揚(yáng)草完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約60天)整株拔除;苧麻完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后(約90天)收割地上部分。作好植物殘?bào)w的后處理(焚燒填埋或回收重金屬),防止二次污染。
(5)具體指標(biāo)如下污染深度為D=0.2m土壤容重為W=1200kg/m3污染的平均濃度為10mgCd/kg,400mgPb/kg(接近廣州市土壤重金屬污染的情況);環(huán)境溫度10-35℃要達(dá)到的處理目標(biāo)0.3mgCd/kg,250mgPb/kg(土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))則單位面積需除去2328mgCd/m2,36000mgPb/m2小飛揚(yáng)草株高8-15cm,75株/m2;生物量100g/m2(與苧麻套種)野生苧麻株高100-200cm,生物量2500g/m2每茬(小飛揚(yáng)草+野生苧麻)提取土壤中重金屬的量304mgCd/m2;3068mgPb/m2。
權(quán)利要求
1.一種土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植小飛揚(yáng)草。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于所述小飛揚(yáng)草與苧麻套種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于接種重金屬活化細(xì)菌,所述重金屬活化細(xì)菌是指芽孢桿菌和假單胞菌。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于在環(huán)境溫度10~35℃,在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植小飛揚(yáng)草發(fā)芽的種子100-200粒/m2土壤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于在環(huán)境溫度10~35℃,在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中移栽根狀莖培植的苧麻幼苗5~10棵/m2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于小飛揚(yáng)草的種子先在2~3℃低溫春化65-75h,然后溫度控制在25-35℃,濕度控制在70-90%溫室發(fā)芽萌發(fā)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,其特征在于接種重金屬活化細(xì)菌,按芽孢桿菌假單胞菌為1∶1混合,每千克土壤接種106個(gè)細(xì)菌/ml的菌液50-100ml,分1-3次接種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤重金屬污染的植物修復(fù)方法,是在含重金屬的濕潤(rùn)土壤中種植小飛揚(yáng)草,或所述小飛揚(yáng)草與苧麻套種,或在此基礎(chǔ)上接種重金屬活化細(xì)菌,所述重金屬活化細(xì)菌是指芽孢桿菌和假單胞菌。本發(fā)明通過(guò)植物,分離植物根際重金屬的活化細(xì)菌,結(jié)合植物對(duì)重金屬的吸收與根際細(xì)菌對(duì)重金屬的活化,實(shí)現(xiàn)土壤重金屬鉛、鎘污染的高效快速的修復(fù)。
文檔編號(hào)B09C1/10GK1593797SQ20041002783
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者潘偉斌, 張?zhí)? 邢前國(guó), 何章莉 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)