专利名称：一种提高低砷汞复合污染土壤植物修复效率的方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及污染生态恢复技术，具体涉及低砷汞复合污 染农田土壤植物修复的方法。背景技术：
重金属污染土壤的修复研究正受到国内外的广泛关注，而生物修复重金属污染土 壤更是众所关注的焦点，对砷汞复合污染土壤也不例外。汞及其化合物具有很强的神经毒 性和致畸作用，且积累效应和遗传毒性明显，一直是国内外极为关注的优先控制污染物。近 年来，在我国新疆、内蒙古、贵州以及孟加拉国、印度和东南亚等地由于砷污染引起的不良 环境问题，给人们的生产、生活和健康带来了严重的危害(Wang and Jiang, 1994 ；Chen et al, 1995 ；Mandal et al, 1997 ；Nickson et al, 1998 ；Chowdhury et al，1999)。自从孟加 拉国由于地下水砷污染导致大量人群砷中毒以后，砷污染的研究得到国际学术界的广泛关 注。我国的许多地区如湖南、湖北、江西、浙江、广东、广西和云南等地都不同程度地发生了 砷污染问题(徐红宁和许嘉琳，1996)。在我国由于矿业活动和自然因素(地下水污染)也 导致大面积的土壤砷污染，对当地乃至区域的食品安全和人体健康构成严重威胁。蜈蚣草(Pteris vittata L.)是世界上发现的第一种砷超富集植物(Ma等， 2001)，有非常强的耐砷和富集砷能力，鉴于这一重要作用，蜈蚣草在砷污染土壤的植物修 复中具有重要意义。但是，蜈蚣草是一种蕨类，对温度和湿度的要求高。其生活史中具有一 个独立的配子体世代和一个独立生活的孢子体世代，并且从配子体世代到孢子体世代的生 长时间长，生长缓慢，极大地限制了其在砷污染土壤实地修复中的广泛应用。而玉米生物量 大，田间管理较简单，在低砷污染土壤的实地修复中具有较大的应用潜力。砷和磷都是第五族元素，其化学性质有许多相似性，也都引起了许多环境问题而 倍受人们的关注。应用植物修复砷污染土壤必须考虑的一个关键因素就是磷。磷作为植物 必需的大量营养元素之一，植物的快速生长发育都离不开磷肥的施用。丛枝菌根真菌(AMF) 促进宿主植物对土壤养分的吸收，尤其在磷素吸收方面有突出的作用。而砷酸盐和磷酸盐 的特性很相似，以至植物吸收砷酸盐时，常常是靠着磷酸盐的运输系统进入植物体内，因而 菌根在As污染土壤植物修复中的作用值得关注。蚯蚓通过穴居和翻动作用影响土壤疏水和通气，能分解土壤有机质、以及在土壤 结构发育和维护方面起着重要作用，对土壤污染物的形态、溶解性和毒性方面有影响(高 岩等，2005 ;Edwards et al,1996 ；Langdon et al，1999;)。因此，蚯蚓在修复含重金属污 染物土壤中的作用受到了广泛的关注。根际土壤动物和微生物之间的交互作用对植物生长 和重金属吸收有很大影响(Bonkowski etal，2000)。Morgan等发现在英国SW的含金属土 壤(含有较高砷)中蚯蚓能存活。蚯蚓的存在，保持了土壤较高的通气能力，将有利于土壤 中As以绝对比例量为As(V),而这种形态的As是植物吸收的主要形态。同时，蚯蚓的存在 促进了 AM真菌的扩散，促进菌根侵染，使植物更好的吸收营养物质。从以上资料可以看出目前，对AM真菌与重金属的研究也就日渐成为热点，研究领域也拓展到重金属污染下的菌根生理、生态、开发、应用等诸多方面；蚯蚓在重金属修复 中的作用也引起了人们的关注。AM真菌、土壤动物结合起来是否会促进植物的生长、是否能 促进植物吸收更高含量的重金属和提高修复效率，关于土壤动物-微生物之间交互作用对 植物生长影响的研究仍然较少，并且很少有研究将AM真菌与土壤动物结合起来运用到低 砷汞复合污染土壤的实地修复中。
发明内容
本发明针对目前低砷汞复合污染土壤修复中存在的问题，提出一种提高低砷汞污 染土壤植物修复效率的方法，该方法可以促进植物生长，也能促进植物高效地吸收更多的 砷和汞，提高植物修复低砷和汞复合污染土壤的效率。本发明的技术解决方案为一种提高低砷汞复合污染土壤植物修复效率的方法。 该方法是对玉米接种丛枝菌根真菌，使其菌根化。包括以下步骤(1)种植前两周将玉米在 室内育苗；(2) AM真菌的筛选与扩繁，从湖南省石门县As矿区砷污染土壤中分离得到AM真 菌，夏季用苏丹草(Sorghum sudanese (Piper) Stapf.)、冬季用三叶草扩繁，基质为河沙；去 掉宿主植物地上部分，把根剪碎，以含有真菌孢子、菌丝、侵染根段等繁殖体的根际土壤为 接种物。( 玉米幼苗的菌根化，育苗时接种AM真菌的处理同时层接菌剂，对照菌剂(CK) 为灭菌的接种物，不含AM真菌，其他均同于AM真菌菌剂；(4) 土壤中接种蚯蚓与AM真菌， 育苗后一周购买赤子爱胜蚓进行预培养，选择环带明显、大小基本一致的健康蚯蚓，移栽幼 苗时放入，每株约10条；接种AM真菌的处理土壤中再次层接菌剂50克；( 玉米的移栽与 田间管理，移栽前将地翻耕，稻草自然风干后，粉碎至< 0. 5cm长，作为试验用秸秆，翻耕时 同时撒入秸秆，并起成宽3米，长9米，高20-40厘米的垄，防止积水引起根腐烂，然后将玉 米幼苗移栽到大田。种植玉米3个月后，采样玉米，测定各处理对砷汞污染土壤修复效率的 影响以及玉米体内砷汞含量，筛选出促进玉米修复效率的最佳方法。与现有技术相比，本发明提供的在砷污染土壤中种植玉米，利用其生物量较大，生 长期较短，并使其菌根化，从而加快对低砷污染土壤的修复。AM真菌除了能加强宿主养分的 吸收，促进玉米的生长外，还能增加砷的非超富集植物——玉米对砷的耐性。秸秆的还田， 不仅提高土壤肥力，增加作物产量，并且使废物资源化。蚯蚓的活动，不仅有利于AM真菌侵 染，且保持了土壤较高的通气能力，将有利于土壤中As以绝对比例量为As(V)，而这种形态 的As是植物吸收的主要形态。本发明的目的是将AM真菌、秸秆以及土壤动物结合起来用 于植物修复砷汞复合污染土壤，有利于植物生长，更能促进植物高效地吸收更多的砷和汞， 提高植物修复砷汞复合污染土壤的效率。四
图1为技术路线图；图2为接种土著AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米菌根侵染率的影响；不同字母 表示不同处理的玉米菌根侵染率差异达到5%显著水平；接种土著AM真菌对玉米菌根侵染 率有显著影响。凡接种AM真菌处理的玉米菌根侵染率均显著高于对照(ρ < 0. 05)，其中接 种土著AM真菌、蚯蚓、秸秆的处理玉米的菌根侵染率显著高与其它各处理。虽然对照处理 中玉米菌根侵染率相对较低，但仍有一定程度的菌根侵染率，这说明本试验田有土著AM真菌的存在。且接种蚯蚓和添加秸秆也能促进AM真菌对玉米的侵染，并显著高于对照。通常 认为蚯蚓能通过自身的活动来传播AM真菌孢子，促进AM真菌孢子在土壤中的扩散，从而利AM^fcMffiffiPattinson et al.石开胃虫丘虫引(Aporrectodea trapezoides) AM真菌(Glomus intraradices)侵染植物的影响，认为蚯蚓抑制了 AM真菌侵染植物，但这 种抑制作用可能是短暂的，随着培养时间的延长，蚯蚓传播的孢子可能会进一步促进AM真 菌的侵染。而Gormsen et al.研究表明蚯蚓或土壤中其它动物对菌根侵染植物无影响，但 能促进AM真菌菌丝量的增加。可见，蚯蚓对菌根侵染植物的作用是积极的。另外，秸秆的 添加可能也为AM真菌提供了更有利的生存条件，从而促进AM真菌对玉米的侵染。本研究 中，接种蚯蚓、添加秸秆能促进AM真菌侵染玉米。图3为接种土著AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米生物量的影响；不同字母表示 不同处理的玉米生物量差异达到5%显著水平；单接AM真菌处理地上部干重略高于对照。 由于蚯蚓和秸秆的共同作用，蚯蚓+秸秆(ER)、AM真菌+蚯蚓+秸秆(EMR)的处理地上部 显著高于对照(图3a)。与对照相比，单接AM真菌的处理玉米地下部的干重略有下降(图 3)。可能由于AM真菌促进了 As的吸收，从而使玉米生物量和对照没有显著性差异。而接 种蚯蚓+秸秆，以及接种AM真菌+蚯蚓+秸秆的处理玉米地上部、地下部干物重都显著高 于对照(图3a、b)。一方面，与蚯蚓能改变土壤中养分循环有关，已有的相关研究也表明， 在正常土壤和重金属污染介质中接种蚯蚓均利于植物的生长。并且在高浓度As 土壤中，蚯 蚓和秸秆的共同作用更利于玉米生长；另一方面，秸秆的添加也增加了土壤中的养分。接 种AM真菌和蚯蚓的自身活动可能通过调节玉米根际营养，使玉米能更好的吸收土壤养分， 从而能更好的生长；蚯蚓和AM真菌的联合作用提高了玉米对As的耐受性，增强了玉米在 As污染土壤中的生存能力。以上几方面因素综合作用改善了根际微环境，有利于玉米在As 胁迫土壤环境条件中生长。可见，在As污染土壤中，接种蚯蚓并添加秸秆，以及AM真菌、蚯 蚓、秸秆同时添加都能显著促进玉米的生长，增加其生物量。图4为接种土著AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米根际土壤磷酸酶活性的影响； 不同字母表示不同处理磷酸酶活性差异达到5%显著水平；如图4所示，与对照相比，单接 AM真菌、以及蚯蚓+秸秆的处理都提高了玉米根际土壤磷酸酶活性，其中同时接种AM真菌 +蚯蚓+秸秆的处理玉米根际土壤磷酸酶活性显著增强。可见，本试验中接种AM真菌、蚯蚓 以及添加秸秆在砷污染土壤中显著增强了磷酸酶的活性。土壤中磷酸酶是催化土壤中磷酸 单酯和磷酸二酯水解的酶，它能将有机磷酸酯水解为无机态的磷酸。添加秸秆其含有的P 素会逐渐释放到土壤中(白建峰等，2007)，而新磷酸酶的合成或是土壤中已有磷酸酶活性 的表现均与无机磷酸盐有关；另一方面，秸秆在降解过程中，也会提高土壤中相关微生物的 种类或数量。接种AM真菌，产生了酸性磷酸酶，蚯蚓又通过自身的的穴居和翻动作用增强 了秸秆的降解，从而提高了土壤中相关微生物的种类和数量，从而增强了土壤磷酸酶的活 性。图5为接种土著AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米体内As浓度及吸收量的影响； 不同字母表示不同处理的As浓度差异达到5%显著水平；玉米体内地上部As浓度各处理 之间没有显著差异(图如)，但只接AM真菌的处理地上部砷浓度高于其它处理。可能接种 AM真菌增强了玉米对砷的耐性，也促进了砷向地上部转移。Yan Dong的研究也表明接种AM 真菌增加植物对砷的耐性，有利于植物的生长。而接种AM真菌+蚯蚓+秸秆(EMR)以及蚯蚓+秸秆(ER)的处理玉米地上部砷浓度略低于对照。这可能是AM真菌、蚯蚓、秸秆的联合 作用，促进了植物的生长，从而达到一个稀释效应，使As浓度略降低。从图5可以看出，玉米地下部砷浓度高于地上部。同时接种AM真菌+蚯蚓+秸秆 (EMR)的处理地下部砷浓度显著高于对照和单接AM真菌的处理，也高于蚯蚓+秸秆(ER)的 处理，这可能是由于接种了 AM真菌，促进了玉米对砷的吸收(图恥)。可见，由于AM真菌、 蚯蚓以及秸秆联合作用提高了玉米对As的耐受性，改变了玉米根际微环境及其特性，蚯蚓 又保持了土壤较高的通气能力，有利于土壤中As以绝对比例量为As(V),而这种形态的As 是植物吸收的主要形态。从玉米体内吸收砷总量来看(图5c)，接种AM真菌(M)、蚯蚓+秸秆(ER)以及同 时接种AM真菌+蚯蚓+秸秆(EMR)的处理吸收的砷含量高于对照。接种AM真菌加强玉米 养分的吸收，秸秆的降解，使土壤中的营养更加丰富，显著提高了玉米的生物量；蚯蚓又保 持了土壤较高的通气能力，有利于土壤中As以绝对比例量为As(V)，因而同时接种AM真菌 +蚯蚓+秸秆(EMR)的处理玉米吸收的砷含量显著高于对照。土著AM真菌、蚯蚓以及秸秆 联合作用提高了玉米地下部的As浓度，接种AM真菌更有利于玉米从地下部向地上部转移 As,同时有助于玉米从土壤中吸收更多的As。因此，同时接种AM真菌、蚯蚓并添加秸秆促进 玉米吸收更多的砷，进而有助于玉米对As污染土壤的修复。图6为经玉米修复后土壤中As含量；不同字母表示不同处理的As浓度差异达到 5%显著水平；从图6可以看出，经三季玉米修复(CK、M、ER、EMR)的土壤砷浓度显著低于 修复前(1 和种植其它农作物(0) 土壤中砷浓度。玉米的修复效率达到36. 86-67. 63%。 其中单接AM真菌和蚯蚓+秸秆(ER)的处理土壤中砷浓度显著低于对照，而同时接种AM真 菌、蚯蚓以及秸秆的处理土壤中砷浓度显著低于其它处理。可见，同时接种AM真菌、蚯蚓以 及添加秸秆对玉米修复低砷污染土壤的效果明显，接种AM真菌、蚯蚓可以加快玉米对砷污 染土壤的修复，经修复后土壤中砷浓度为10. lmg/kg，修复效率达到67. 63%，约是种植其 它农作物的8倍。图7为接种土著AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米体内Hg浓度及吸收量的影响； 不同字母表示不同处理的Hg含量差异达到5%显著水平；从图7a可以看出，接种AM真菌、 蚯蚓以及添加秸秆对玉米地上部吸收Hg浓度有影响，单接AM真菌的处理地上部汞质量浓 度高于对照，可见接种AM真菌促进了玉米对汞的吸收。接种蚯蚓并添加秸秆(ER)以及同 时接种AM真菌、蚯蚓并添加秸秆(EMR)的处理地上部汞质量浓度都显著高于对照。但各处 理地下部Hg质量浓度与对照没有显著差异，接种蚯蚓+秸秆(ER)的处理玉米地下部Hg浓 度高于其它处理，蚯蚓的活动，保持了土壤较高的通气能力，可能有利于玉米对汞的吸收。 同时接种AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆(EMR)处理地下部汞浓度低于蚯蚓+秸秆(ER)的处 理(图7b)，但其地上部汞浓度高于其它处理，再次说明接种AM真菌促进了汞向地上部转 移。已有的研究表明，植物根部和其它组织间存在很强的阻碍汞迁移的机理，而且根部吸收 的汞，很难迁移到植物的其它组织部分。而本试验中AM真菌、蚯蚓以及秸秆联合作用增加 了玉米对Hg耐性，促进Hg从地下部向地上部转移。从每株玉米吸收汞的总量来看，同时接种AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆的(EMR)处 理玉米汞含量最高，显著高于其它处理。可见同时接种接种AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆有 利于玉米吸收更多的汞。因此，本研究中接种AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米吸收Hg方面有显著影响，三者联合作用促进了玉米对Hg的吸收，使汞从地下部向地上部转移，但其 机理还需要进一步研究。图8为经玉米修复后土壤中汞含量；不同字母表示不同处理的汞含量差异达到 5%显著水平；从图7可以看出，经三季玉米修复(CK、M、ER、EMR)的土壤汞浓度显著低于修 复前(IS)和种植其它农作物(0) 土壤中汞浓度。其中单接AM真菌和蚯蚓+秸秆(ER)的处 理土壤中汞浓度低于对照，同时接种AM真菌、蚯蚓以及秸秆的处理土壤中汞浓度显著低于 对照。可见，同时接种AM真菌、蚯蚓以及添加秸秆对玉米修复低汞污染土壤的效果明显，接 种AM真菌、蚯蚓可以加快玉米对砷汞污染土壤的修复，经修复后土壤中汞浓度为0. 285mg/ kg，达到国家二级标准，修复效率约是种植其它农作物的10倍。经过玉米的修复治理工作， 大大减少了污染耕地土壤中砷汞含量，逐步改善了耕地质量，间接提高农产品的质量和食 品安全。由以上八幅附图可以看出(1)在As污染农田土壤中，接种蚯蚓并添加秸秆能促进AM真菌侵染玉米；接种AM 真菌、蚯蚓并添加秸秆促进了玉米的生长，玉米地上部、地下部生物量均显著高于对照。(2)在As污染农田土壤中，接种AM真菌、蚯蚓并添加秸秆显著提高了玉米根际土 壤的磷酸酶活性。(3)在As污染农田土壤中，玉米地上部As浓度各处理之间没有显著差异，其中单 接AM真菌的处理地上部As浓度高于其它处理，可能由于接种AM真菌促进了砷向地上部 转移。同时接种AM真菌、蚯蚓并添加秸秆的处理地下部As浓度显著高于对照，但是地上 部砷浓度比较低。这可能是AM真菌、蚯蚓、秸秆的联合作用，促进了植物的生长，从而达到 一个稀释效应，使As浓度略降低。同时接种AM真菌、蚯蚓以及秸秆的处理土壤中砷浓度 显著低于其它处理，接种AM真菌、蚯蚓可以加快玉米对砷污染土壤的修复，修复效率达到 67. 63%，约是种植其它农作物的8倍。(4)玉米地下部Hg浓度各处理间没有显著差异，但同时接种AM真菌、蚯蚓并添加 秸秆显著增加玉米地上部Hg浓度和总吸收量，加快了玉米对汞污染土壤的修复，修复效率 约是种植其它农作物的10倍。五具体实施例方式1.试验区概况试验区位于江苏省吴江市，黎里镇，重点污染元素As :31. 2mg/kg ；Hg :0. 513mg/ kg，土壤理化性质为有机质 20. 90g kg-1，全 N 1. 27g/kg，全 P 0. 31g/kg，有效 K 87. 13mg/ kg, pH 6. 2。2供试AM真菌菌剂供试AM真菌菌剂从采自湖南省石门县As污染土壤中分离，经初步鉴定优势种 主要包括Glomus spp.，Acaulospora spp.(以下简称M2)。宿主植物为苏丹草(Sorghum sudanese (Piper) Stapf.)，基质为河沙；去掉苏丹草地上部分，把根剪碎，以含有真菌孢子、 菌丝、侵染根段等繁殖体的根际土壤为接种物；对照菌剂(CK)为灭菌的接种物，不含AM真 菌，其他均同于AM真菌菌剂。3试验设计
选择玉米为供试植物(Zea mays L.，)，种植前两周先在室内育苗；赤子爱胜蚓为 供试蚯蚓(Eisenia foetida)，购自南京某养殖场。试验前进行预培养，选择环带明显、大 小基本一致的健康蚯蚓，移栽幼苗时放入，每株约10条；稻草自然风干后，粉碎至< 0. 5cm 长作为试验用秸秆，移栽玉米幼苗前翻松土壤时撒入。本试验设置处理如下(I)CK ； (2)M ； (3) ER ； (4) EMR.其中处理CK 对照；M 接种混合菌根菌剂(50g/株)；处理ER 蚯蚓(10条 /株)+秸秆(0. 9kg/m2)；处理EMR 混合菌根菌剂(50g) +蚯蚓(10条/株)+秸秆(0. 9kg/ m2)。试验设4个处理，每个处理重复3次，共计12个小区，小区面积为9m2，种植玉米间距为 40cmX 40cm C3mX :3m，7棵X7棵=49棵)。移栽玉米时，接种菌剂的处理再接入菌剂，两次 接菌剂量为每株50g。接种蚯蚓的小区周围用塑料挡板围起来，以防蚯蚓逃逸。田间管理同 普通玉米种植一致。4测试项目土壤As含量王水HCl HNO3 = 3 1消化法；磷酸酶活性用磷酸苯二钠测定比 色法测定；植株总含As量，反王水HCl HNO3 = 1 3消化法；消化后的溶液样品都采用氢 化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS，北京瑞利分析仪器公司AF-640型)测定As。选用中 国地质科学院地球物理化学勘探研究所的土壤标准样品(GBW07406)控制分析的准确性。5数据统计采用SPSS11. 5软件处理试验数据，Duncan多重比较各处理之间的差异显著性。
权利要求
1. 一种提高低砷汞污染土壤植物修复效率的方法。其特征在于，对玉米接种丛枝菌根 真菌，使其菌根化。并且将微生物、动物结合起来用于植物修复，提高了修复效率，加快了玉 米对低砷汞复合污染土壤的修复。
全文摘要
一种提高低砷汞复合污染土壤植物修复效率的方法。该方法步骤一是种植前育苗；二是AM真菌的筛选与扩繁；三是玉米幼苗的菌根化，种植时处理1接种AM真菌，处理2为对照(CK)，接种灭菌的AM真菌，处理3接种蚯蚓与AM真菌，蚯蚓每株约10条，AM真菌每株约50克；五是玉米的移栽与管理，移栽前翻耕，同时撒入秸秆，然后移栽至大田。本发明操作简便，操作环境友好，且不会带来二次污染，处理成本较低，能辅助玉米适应低砷汞复合污染的特殊环境，促进玉米生长，从而加速低砷汞复合污染土壤的植物修复过程，最终使农田土壤达到绿色食品基地的标准。
文档编号B09C1/10GK102039305SQ20091021328
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者尹睿, 林先贵, 柳敏, 沈生元, 沈耀明, 白建锋, 秦淑平, 穆利明, 肖艳平, 莫美英, 许露生, 邵玉芳, 陈文华, 陈枫, 陈雪明 申请人:吴江市土壤肥料技术指导站