专利名称：一种利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法
技术领域：
本发明涉及多环芳烃污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)治理并修复多环芳烃(PAHs)污染土壤的方法。
背景技术：
^1^77 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)^1 重要的典型污染物，包括萘、蒽、菲、芘、联苯、三联苯、1，2—二苯基乙烷等。目前已发现的 PAHs中，有400多种具有致癌作用。PAHs由于水溶性差，辛醇-水分配系数高，常被吸附于土壤颗粒上文献1 刘五星，骆永明，滕应，李振高，吴龙华，石油污染土壤的生态风险评价和生物修复III.石油污染土壤的植物-微生物联合修复[J]. 土壤学报，2008，45 (5) 994-999。因此，土壤就成为该类化合物的主要载体而长期能够存在于土壤环境中，PAHs污染土壤的修复也因此倍受关注。PAHs在土壤中有较高的稳定性，苯环的排列方式决定着PAHs的稳定性，非线性排列较线性排列稳定，苯环数与其生物可降解性明显呈负相关关系。由于高分子量PAHs ( > 5环)及非线性排列的PAHs占绝大部分，其生物降解及自然挥发损失是极少的，所以PAHs 在环境中是不断积累的。作为环境污染物的PAHs之所以受到人们的关注，是因为有些PAHs 具有强烈的毒性。PAHs的毒性表现在3个方面其一，强的致癌、致突变及致畸性。其二， 对微生物生长有强抑制作用。其三，光致毒效应文献2 朱利中，土壤及地下水有机污染的化学与生物修复[J].环境科学进展，1999，7( :65-71。随着工农业生产和生活中“三废”的排放、倾倒及农田污水灌溉，PAHs对水体、大气和土壤产生直接污染。作为一种全球性的污染物，PAHs污染问题引起了世界各国的重视。美国环保局在20世纪80年代末就把 16种未带分支的PAHs确定为环境中优先控制污染物，中国也把PAHs列入环境污染的“黑名单”中。我国一些地区将PAHs含量很高的城市垃圾和各种污泥作为肥料施于农田，已成为土壤中PAHs的重要来源之一。因此，如何降解环境中的PAHs，修复被其污染的环境也成为环境科学领域所关心的热点之一。目前，治理PAHs污染土壤的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复。其中生物修复技术因具有成本低、无二次污染、可大面积应用等独特优点而越来越受到人们的重视，是最具潜力的土壤修复技术之一。早期的生物修复主要指微生物修复，微生物修复是研究得最早、最深入、应用也最为广泛的一种生物修复方法。由此产生了一系列生物修复技术如现场处理、就地处理、堆肥、生物反应器等。这些修复技术的主体均是微生物，应用这些技术处理PAHs污染土壤已有广泛研究。近年来，国外对苯并[a]芘污染土壤的生物处理及其微生物降解有较多报道， 大多认为一些白腐真菌对苯并[a]芘有较强的降解能力。许多研究表明，白腐菌属普遍具有降解PAHs的功能，因为它们能产生多种酶类，如木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等。文献3:周贤涛，吴娟，林鹿.白腐菌对芳香族化合物的降解途径.环境污染治理技术与设备，2002，3 (12) :1-8。近几年，我国科研工作者在分离筛选PAHs高效降解菌方面开展了很多研究，已取得了诸多成果。微生物修复有其独特的优点其成本低，其处理费用约为热处理的1/3-1/4、理化处理的1/2-1/3 ；对环境影响小，如使用得当不会带来二次污染；处理形式多样，可进行原位、异位及原位-异位联合修复，但是在自然条件下，PAHs污染土壤往往是多种污染物混杂、土著微生物种类和数量繁多仅仅依靠微生物的降解作用， 是很难达到目的的文献 4 :Grant A. Stanley, Margaret L. Britz, Sudara noonehan, et al. Detoxification of soils containing high molecular weight polycylic aromatic hydrocarbons by gram-negative bacteria an d bacterial-fungal cocultures.Donald L. Wise, Debra J. Trantolo, Edward J. Cichon, et al. Bioremediation of contaminated soils. Marcel Dekker, Inc. New York, Basel :2000.409-432。另一种治理PAHs污染土壤的方法为植物修复，植物修复是指利用植物转移、容纳或转化环境介质中有毒有害污染物，使其对环境无害，使污染环境得到修复与治理文献5 周启星，宋玉芳等.污染土壤修复原理与方法.北京科学出版社.2004，它是继生物修复提出后的又一项新兴的污染环境治理技术。植物修复实际上是利用由土壤-植物-微生物组成的复合体系来共同降解污染物的，它有以太阳能为动力的“水泵”、“植物反应器”及与之相连的“微生物转化器”和“土壤过滤器”，因而该系统是一个强大的“活净化器”。近年来，国内外开展了很多利用植物修复PAHs污染土壤的研究。近几年植物修复污染土壤的研究已有长足的进步，而且在改善环境质量中起着十分重要的作用。因其属原位修复，操作简单，成本低，对环境扰动少，并且植物的覆盖作用、 蒸腾作用和根系对土壤的固定作用可减少污染物向大气、土壤和水体迁移，故近十年植物修复技术已有较好发展。在植物修复中利用花卉植物修复土壤的报道还较少，但因为花卉植物修复有其独特的优点如进行土壤修复的同时，能美化环境；花卉属观赏性植物，不会进入食物链，可减少人体的危害；同时人类在长期的生产实践中积累了丰富了品种选育、花卉栽培以及病虫害防治等，所以目前花卉修复污染土壤正方兴未艾。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，解决现有技术中存在技术难度大、花费高、工程量大和易造成二次污染等问题。该方法操作性强、费用低廉、不破坏土壤理化性质，同时还能净化、美化环境。为实现上述目的，本发明技术方案为一种利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，主要包括在多环芳烃(PAHs)污染土壤中种植植物，促使该植物在生长至开花或成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈微生物的联合作用， 从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs，该所述植物为紫松果菊，属菊科植物。所述的利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)修复PAHs污染土壤的方法，用于种植紫松果菊的污染土壤为多环芳烃浓度为5000-9000 μ g/kg的污染土壤。所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，种植植物是将在自然无污染土壤种植15天后或植株高7-9cm的紫松果菊幼苗移栽到多环芳烃污染土壤中。所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，在多环芳烃污染土壤中种植的紫松果菊采用在网室中栽培，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的 30-40% (田间持水量是指土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，以占土壤体积的百分数表不)O所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈共存微生物体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。本发明所采用的紫松果菊(Echinacea purpurea)菊科，多年生草本。头状花序盘心花黑紫色，盘边(瓣状)舌状花玫瑰紫色。花期夏秋季，栽培变种有大花种、红花种、白花橙心和白花绿心种。其耐寒，耐热，生长粗健。本发明所具有的优点如下1、本发明方法将紫松果菊种植于多环芳烃污染土壤中，采用花卉紫松果菊来修复多环芳烃污染土壤。该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点；而且作为一种绿色原位修复技术，不会造成二次污染，同时修复不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善有机污染而引起的土壤退化和生产力下降，恢复并提高生物多样性。同时，作为一种观赏花卉和经济植物，种植紫松果菊不仅能有效降解环境土壤中多环芳烃污染，而且还可以避免污染植物进入食物链，最大限度减少其治理带来生态风险。2、本发明方法是将紫松果菊种植于多环芳烃污染土壤中，当土壤中多环芳烃浓度为5000-9000 μ g/kg，植物的生长量基本没有受到抑制，同时花卉紫松果菊利用其发达的根系及根系微生物联合作用有效的降解了污染土壤中多环芳烃的含量。四环PAHs包括(荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈)降解率分别为78. 47%,75. 70%,41. 35%,45. 22% ；五环PAHs包括(苯并(b)荧蒽，苯并(k)荧蒽，苯并(a)芘，二苯并(a，h))也都有较高的降解率，分别为 41. 89%,94. 48%,80. 87%, 76. 09%。实验证明，紫松果菊利用其发达的根系及根系微生物联合作用有效的降解了污染土壤中多环芳烃的含量。种植紫松果菊60天后其污染土壤中多环芳烃(四环和五环)总量降解率可达64. 16%，远远高于其对照组降解率(31. 17% ), 说明了紫松果菊对多环芳烃污染具有较强的耐性和有较高的降解能力。3、本发明利用花卉植物修复降解多环芳烃污染土壤，其不仅可以有效改善污染土壤的土质，降低多环芳烃污染浓度，而且还能起到实现美化环境的作用，更重要的是用于修复土壤的花卉植物有效避免了污染物再次进入食物链，最大限度的减少了修复土壤中可引起的二次污染。与其他修复技术相比，具有成本低、对环境影响小、能使地表长期稳定，并且在消除土壤污染的同时，消除污染土壤周围的大气和水体中的污染物，有利于改善生态环境等优点。因此，从花卉植物中筛选能降解多环芳烃植物并将其推广应用是切实可行的。总之，本发明将紫松果菊种植在多环芳烃污染土壤中，通过植物的生长过程及其根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈微生物的联合作用，可达到有效除去土壤中多环芳烃的目的。通过连续种植该种植物，重复上述步骤，就可连续降解污染土壤中多环芳烃， 直到其含量达到环境安全标准。该方法具有工程量小，不破坏土壤的理化性质，无二次污染，且可以在治理污染土壤的同时美化环境等优点。
图1.紫松果菊种植60d后其根际土壤中四环多环芳烃和五环多环芳烃分别的降解率情况。图中，FL表示荧蒽，Pyr表示芘，BaA表示苯并(a)蒽，CHR表示屈，BbF表示苯并(b)荧蒽，BkF表示苯并(k)荧蒽，Bap表示苯并(a)芘，DBA表示二苯并(a，h)。图2.紫松果菊种植60d后其根际土壤中多环芳烃总量(包括四环和五环)降解率情况。图中，1为植物种植前PAHs含量(mg/kg) ；2为植物种植后PAHs含量(mg/kg) ；3 为植物种植后多环芳烃降解率(％ )。
具体实施例方式实验地点设在中国科学院沈阳应用生态研究所网室内，盆栽实验土壤采用配制后多环芳烃污染土壤，即为山东省东营市胜利油田采集的原多环芳烃污染土壤(0-20cm)与沈阳市万柳塘公园内采集的自然无污染土壤(0-20cm)、沙土，通过重量配比(1 1 1)成 PAHs浓度为5000-9000 μ g/kg的配制后多环芳烃污染土壤，土壤理化指标见表1。当紫松果菊在自然无污染土壤种植15天后或植株高7-9cm时，将其幼苗移栽到配制后多环芳烃污染土壤中(多环芳烃浓度为8760 μ g/kg)。实验同时设有对照组(即没有种植植物的配制后多环芳烃污染土壤样品)。实验用盆是高14cm、直径为16cm的圆形塑料盆，每盆土的质量为2. 5kg,实验每盆种植6株幼苗，待其生长稳定后间苗为3株/盆，生长期间用自来水浇灌，每个处理水平做3个重复。在实验过程中控制浇灌频率和浇灌水量，以防止土壤中PAHs 污染物流失。同时，设置3盆未种植物对照盆，平时施予同样浇灌操作。植物移栽种植后60 天后，分别采集植物根际土壤测定其多环芳烃(包括四环和五环)含量及其降解情况。参照宋玉芳等的方法宋玉芳，许华夏，任丽萍等.土壤中石油及难降解组分菲、 芘的植物修复调控研究.应用生态学报，2000，11(增刊)91-94，采用超声提取，高效液相色谱仪(HPLC)荧光检测器进行测定土壤中PAHs的含量。取5g经研磨过Imm筛土壤样品于25ml玻璃离心管中，加入20ml有机提取剂(按体积比，丙酮/ 二氯甲烷=1 1)并盖紧，分2次于超声水浴中提取，每次30min，超声水浴中的温度控制在40°C以下。提取后， 将离心管放在离心机内，以4000转/min离心lOmin。记下提取液体积，将上清液转移到蒸发瓶中，于旋转浓缩蒸发仪上在30°C、135m bar真空条件下将样品浓缩至干。用环己烷定容至1ml，将定溶液转移至装有l.Og硅胶的预处理柱中，再用正己烷/ 二氯甲烷(体积比 1 1)混合液洗脱，弃去第1组份5ml洗脱液，收集到的洗脱液再以氮气吹脱，乙腈定容至 lml，待液相色谱(HPLC)分析测定。表1.山东采集原多环芳烃污染土壤及配制后多环芳烃污染土壤理化指标
PAHs (四环和五环) Wg)pHC(g/kg)N(g/kg)P(^kg)速效 P(g/kg)原土壤251408.4145.770.730.650.002配制后土壤87608.5630.761.501.080.36 从图1中可以看出，紫松果菊种植60d(天)后其根际土壤中四环多环芳烃和五环多环芳烃的降解率情况。对于五环PAHs，其中苯并(k)荧蒽的降解率最高，可达94. 48%， 浓度已降至lOOng/g，已达到加拿大农业区域土壤PAHs治理标准值(< lOOng/g)。对于毒性最强的苯并(a)芘，其60d后的降解率也已达到80. 87%。从图1也可以看出，对于四环PAHs，苯并(a)蒽和屈降解率并不很理想，只有41. 35%和45. 22%，这原因可能是由于根际土壤中的高分子大环PAHs在植物和微生物联合作用下，部分分解成低分子小环的PAHs，所以从表面上观察对于四环PAHs的降解率并不是很理想。从以上实验可以看出，种植紫松果菊对PAHs污染土壤还是具有良好的修复效果，且应用潜能较大。从图2中可以看出，紫松果菊种植60d后其根际土壤中多环芳烃总量(包括四环和五环)降解率情况。与对照组比较，可以明显看出，种植紫松果菊，根际土壤中的PAHs总量(包括四环和五环)的降解率为64. 16%，远高于对照组(31. 17%)。种植组，经60d后， 使根际土壤中的PAHs总量(四环和五环)从8760ng/g降至3140ng/g，表现出很强的修复土壤PAHs污染的能力，说明了紫松果菊对多环芳烃污染具有较强的耐性和有较高的降解能力，在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生长过程、 根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈共存微生物体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。上述实验结果表明，紫松果菊对中低浓度的PAHs污染土壤有较好的耐受能力，当 PAHs (四环和五环)浓度为5000-9000ng/g时，植物的生长没有明显受到毒害，其种植后植物生物量基本没有变化，其60天的PAHs总量降解率可达64. 16%，同时四环PAHs中荧蒽、 芘、苯并(a)蒽、屈降解率分别为78. 47%,75. 70%,41. 35%,45. 22% ；五环PAHs中苯并 (b)荧蒽，苯并(k)荧蒽，苯并(a)芘，二苯并(a,h)也都有较高的降解率，分别为41. 89%， 94. 48%,80. 87%, 76. 09%。这些特征证明了紫松果菊在治理及修复多环芳烃污染土壤中具有较好的应用潜力。
权利要求
1.一种利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于在多环芳烃污染土壤中种植植物，促使该植物在生长至开花或成熟过程中，降解、除去或显著降低土壤中的PAHs，该所述植物为紫松果菊，属菊科植物。
2.按权利要求1所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于用于种植紫松果菊的污染土壤为多环芳烃浓度为5000-9000 μ g/kg的污染土壤。
3.按权利要求1所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于种植植物是将在自然无污染土壤种植15天后或植株高7-9cm的紫松果菊幼苗移栽到多环芳烃污染土壤中。
4.按权利要求1所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于在多环芳烃污染土壤中种植的紫松果菊采用在网室中栽培，不定期浇水，使土壤含水量经常保持在田间持水量的30-40 %。
5.按权利要求1所述的利用花卉紫松果菊修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于在多环芳烃污染土壤中种植或连续种植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生长过程、根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈共存微生物体系联合降解、修复或去除土壤中多环芳烃含量，直至土壤中的多环芳烃含量达到环境安全标准。
全文摘要
本发明涉及多环芳烃污染土壤植物修复技术领域，具体地说是一种利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)治理并修复多环芳烃(PAHs)污染土壤的方法。在多环芳烃污染土壤中种植植物，促使该植物在生长至开花或成熟过程中，通过植物的生长过程及其根系分泌的酶、小分子有机酸以及根际圈微生物的联合作用，从而降解、除去或显著降低土壤中的PAHs，该所述植物为紫松果菊，属菊科植物。实验证明，紫松果菊利用其发达的根系及根系微生物联合作用有效的降解了污染土壤中多环芳烃的含量。本发明可以解决现有技术中存在技术难度大、花费高、工程量大和易造成二次污染等问题。该方法操作性强、费用低廉、不破坏土壤理化性质，同时还能净化、美化环境。
文档编号B09C1/00GK102553899SQ20101058159
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者刘睿, 周启星, 魏树和 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所