专利名称：一种利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法
技术领域：
本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术领域，具体是一种利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法。
背景技术：
重庆市锰矿资源丰富，但在锰矿的开采和加工过程中造成的环境污染也非常严 重。其中重庆市秀山县与湖南省花垣县、贵州省松桃县因锰矿资源丰富而并称为中国锰矿“金三角”，是目前世界最大的锰矿石和电解锰生产基地，被誉为“世界第一锰都”。秀山县从2001年开始发展锰产业，锰产业对当地财政的贡献率达70%。但在经济高速发展的同时，当地的生态环境也遭受了严重的污染和破坏。在锰矿的开采和加工过程中，由于技术落后、设备简陋、管理不善造成的废水、废气任意排放，废渣不经处理随意堆积在田间野外，导致当地河流污浊、酸雾弥漫。大面积的农作物及野生植被在锰毒的侵蚀下死亡，大量良田因受锰污染而丧失其原有的生态功能和生产能力。因此，如何控制和减轻锰毒对环境的污染和危害已成为一个日益突出的问题。而常规的污染土壤修复方法，如客土换土法、淋洗法、热处理、固化等，由于其技术要求高或经济成本昂贵或对土壤结构破坏严重等原因，致使大规模推广存在许多问题。植物修复技术是利用超富集植物从被污染的环境介质中去除重金属污染物或降低重金属污染风险的一类新技术，它既可以修复重金属污染土地，也可以改善矿区生态环境，还能从低品位的尾矿或土地中富集贵金属，实现土地环境保护和金属矿产资源高效回收利用的统一。与传统治理方法相比，这项技术以其潜在的高效、经济及其生态协调性等优势显示出巨大的生命力。广义上的植物修复是指利用植物(包括草、灌、乔)去除污染土壤和废水中重金属的技术，包括植物萃取、根际过滤、植物挥发和植物固定。其中最有前景的是植物萃取，亦即通常所指的植物修复。植物萃取技术是指利用金属富集植物或超富集植物的根系将土壤中的金属提取出来并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中重金属的一种方法。超富集植物是植物修复的基础，寻找开发生物量大、富集重金属能力强的超富集植物是植物修复技术走向工程应用的首要任务。目前，关于锰超富集植物的衡量标准包括3项指标一是临界含量特征，锰超富集植物叶片或地上部(干重)中含锰达到10000 mg/kg ;二是具有转移特征，植物体地上部锰含量大于其根部含量；三是超富集植物具有耐性特征和富集特征。利用超富集植物修复重金属污染土壤是目前研究最多、最有发展前景的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法，该方法在不破坏土壤原状结构，保持土壤微生物活性的情况下，将牛膝种植在锰污染土壤上，利用牛膝的根系从土壤中吸收大量的锰元素并转运到地上部分累积，植物成熟后将其收获并移出土壤以达到修复的目的。该方法绿色安全，具有投入成本低、工程量小、没有二次污染，能减少土壤侵蚀等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下
利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤，在锰污染土壤上种植牛膝，待牛膝植株生长成熟后，将整株植物移出污染土壤，并妥善处理，以实现修复的目的。本发明中所用植物牛膝是是用种子繁殖，所属植物为锰富集植物。本发明中所用植物牛膝在播种前将种子用30°C温水浸泡8_12h，捞出并放入容器内，覆盖湿布保湿，待50%种子萌芽时，取出并 拌入适量细土，进行撒播。本发明中所用植物牛膝，在锰污染土壤上种植牛膝，牛膝从污染土壤中吸收锰并向地上部分转移，当牛膝植株生长成熟后，将整株植物从污染土壤上移除，通过连续种植牛膝，重复上述操作，直至土壤中的锰含量达到环境安全标准。本发明所用植物为牛膝牛膝(Achyranthes bidentata),多年生草本，高70-120cm。根细长，黄白色，肉质。茎有棱，疏被柔毛，节膨大如膝。叶对生，椭圆形或坡针形，两面疏生细柔毛，沿主脉较密。穗状花序顶生和腋生，花后总花梗伸长，花向下折而贴靠总花便；苞片I，膜质，宽卵形，顶端渐尖，小苞片2，刺状，长约3毫米，基部两侧各有I卵状膜片，长约O. 3毫米，苞片及小苞片均无缘毛；花被片5，绿色，多具I脉；雄蕊5，花丝下部合生，退化雄蕊短于花丝，舌状，顶端平圆或浅波状；子房上位。胞果长圆形。花期7-9月份，果期9-10月份。本发明所具有的优点
I.本发明所采用植物牛膝，生物量大，生长迅速，繁殖力强，对锰具有很强的耐性、吸收以及超富集能力。将牛膝种植在锰污染土壤中，通过植物根系从土壤中吸收大量的锰元素并转运到地上，待植物成熟后将其整株移出土壤，并进行妥善处理，从而达到快速有效、绿色安全的修复锰污染土壤的目的。2.本发明采用牛膝修复锰污染土壤，绿色安全，具有投入成本低、工程量小、没有二次污染，能减少土壤侵蚀等优点。
图I为不同浓度锰处理牛膝生物量的检测图 图2为不同浓度锰处理牛膝根长和株高的检测图 图3为不同浓度锰处理牛膝锰含量的检测图
图4为不同浓度锰处理牛膝锰积累量的检测图。
具体实施例方式实验土壤类型为紫色土，每盆装土 2 kg，按盆栽作物对养分的需求(N 200mg · kg' P2O5IOO mg · kg' K2O 150一200 mg · kg-1)分别加入尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾400，200，300 mg .kg'实验共设8个处理，分别为CK (对照，不添加锰)、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000 和 10000 mg/kg,以 MnCl2. 4H20 的形式加入，每个处理 3 个重
复。平衡I周后，将种子用30°C温水浸泡8-12h，捞出并放入容器内，覆盖湿布保湿，待50%种子萌芽时，取出并拌入适量细土，撒播在锰污染土壤表层，待种子苗出齐后，间苗，每盆留I株。根据盆中土壤缺水状况，不定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的75-80%左右，盆下放置塑料托盘并将土壤水分渗漏液倒回盆中，植物生长时间为3个月。
将收获的牛膝样品反复用自来水冲洗干净，去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后用去离子水冲洗干净，用吸水纸把表面水吸干。将样品分为地上部分和根系，测定其株高、根长以及各部分鲜重，鲜样在105°C下杀青30分钟，然后在70°C下烘干至恒重，测定其干物质量，最后用不锈钢粉碎机磨细，过60目尼龙网筛，供分析测定用。植物样品用HNO3 - HClO4消化，用原子吸收分光光度计测定其中的锰含量。采用Microsoft Excel 2003进行平均值和标准差的运算，以平均值土标准差的形式表示，并采用最小显著性差异检验(LSD检验)进行植物样品间差异显著性检验。实验结果如下
锰污染对牛膝生长发育的影响。参见图I、图2可知，随着介质中锰浓度的升高，除了牛膝根长无明显变化外，根、地上生物量及株高都显著降低(P〈0. 01)，表明往土壤中添加锰抑制了牛膝的生长和发育。与对照相比，当锰添加浓度为3000 mg/kg时，地上和根生物量分 别减少了 43%和66%，株高减少了 24% ;当锰添加浓度为4000 mg/kg时，地上和根生物量分别减少了 90%和84%，株高减少了 67%，而超过4000 mg/kg后，牛膝已无法存活。牛膝对锰的吸收。参见图3可知，牛膝地上部分锰含量随着锰供应水平的增加而升高(p〈0. 01)，同时根系锰含量也随之升高(p〈0. 05)。当锰添加浓度为4000 mg/kg时，牛膝地上部分锰含量为18809. 91 mg/kg，远超过了锰超富集植物临界含量10000 mg/kg标准。参见表I可知，牛膝对锰有很强的吸收和富集能力，生物富集系数是指植物体内某种重金属含量与土壤中同种重金属含量的比值，反映植物对土壤重金属元素的富集能力，富集系数越高，表明植物对重金属的吸收累积能力就越强，就越有利于植物对重金属污染土壤的提取和修复。当锰添加浓度为3000和4000 mg/kg时，生物富集系数分别为I. 79和2. 55，均大于1，表明牛膝具备了锰超富集植物的富集系数特征。表I不同锰处理浓度下牛膝对锰的富集系数、转移系数和提取率
昼M里浓度(mg/kg) I富集系数I转移系数I提取率(0~
CK__2. 13 O. 15_
3000 I. 79 7.460! 72 ~
4000 丨2· 55 丨9· 07|θ· 19 ~
生物转移系数是指植物地上部重金属含量与根部重金属含量之比，用来评价植物将重
金属从根系向地上部运输和积累的能力。生物转移系数越高，则重金属从地下向地上器官
的运输能力就越强。参见表I可知，当锰添加浓度为3000和4000 mg/kg时，生物转移系数
分别为7. 46和9. 07，均大于1，符合超富集植物积累金属的一般特征。锰在牛膝地上部和
根系中的分布存在显著差异，整个植株吸收的锰超过95%都分布在地上部，表明牛膝根系
吸收的锰有很强的向地上部分转运的能力。重金属的提取率是指植物重金属积累量与土壤中重金属含量之比，是一个用来评价超富集植物提取修复重金属污染土壤潜力的重要指标。参见表I可知，当锰添加浓度为3000和4000 mg/kg时，提取率分别为O. 72%和O. 19%，提取率随着土壤中锰浓度的升高而降低。参见图4可知，牛膝地上部锰累积量(ug/盆)远大于根部(p〈0. 01)，当锰添加浓度为3000 mg/kg时，地上部和根部锰积累量分别为77439. 19和1463.61 ug/盆，地上部是根部的52. 91倍，当锰添加浓度为4000 mg/kg时，地上部和根部锰积累量分别降低为26521. 98和1098. 67 ug/盆，地上部为根部的24. 14倍。因此，通过收获植株的地上部，也能达到去除土壤中锰污染的目的。通过上述实验结果表明，本发明所采用植物牛膝对锰有很强的富集和积累能力，将牛膝种植在锰污染土壤上，当土壤中锰添加浓度为4000 mg/kg,牛膝地上部锰浓度为18809.91 mg/kg，远超过了锰超富集植物临界含量10000 mg/kg标准，此时生物转移系数和富集系数分别为9. 07和2. 55，均达到了锰超富集植物的标准。当牛膝成熟后，将整株植物从土壤移除并妥善处理，从而达 到去除土壤中过量锰的目的。在锰污染土壤上连续种植牛膝，并不断的整株收获和移除土壤，直至土壤中锰含量达到环境安全标准。采用本发明既能修复重金属污染土壤，还能美化环境，是一种廉价、绿色、安全的土壤治理技术。
权利要求
1.一种利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法，其特征在于在锰污染土壤上种植牛膝，当牛膝植株成熟后，将整株植物从污染土壤上移除，从而实现修复锰污染土壤的目的。
2.根据权利要求I所述的利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法，其特征在于所述植物牛膝是用种子繁殖，所属植物为锰富集植物。
3.根据权利要求I所述的利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法，其特征在于牛膝播种前将种子用30°C温水浸泡8-12h，捞出并放入容器内，覆盖湿布保湿，待.50%种子萌芽时，取出并拌入适量细土，进行撒播。
4.根据权利要求I所述的利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法，其特征在于在锰污染土壤上种植牛膝，牛膝从污染土壤中吸收锰并向地上部分转移，当牛膝植株生长成熟后，将整株植物从污染土壤上移除，通过连续种植牛膝，重复上述操作，直至土壤中的锰含量达到环境安全标准。
全文摘要
本发明涉及重金属污染土壤植物修复技术，是一种利用锰超富集植物牛膝修复重金属污染土壤的方法。牛膝为多年生草本植物，野外调查发现，对锰具有很强的耐性及富集能力。室内培养试验表明，将牛膝种植在锰污染土壤中，其根系可从土壤中吸收锰，并将其转运到地上部分累积。当牛膝生长成熟后将其收获并妥善处理，从而达到去除土壤中过量锰的目的。通过在锰污染土壤上连续种植牛膝并不断收获的方式，使污染土壤中的锰不断被提取出来，直至土壤中的锰含量达到环境安全的标准。采用本发明修复锰污染土壤，是一种绿色、安全的污染土壤治理方法。
文档编号B09C1/10GK102632074SQ20121011661
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者江长胜, 郝庆菊, 黄小娟 申请人:西南大学