专利名称：一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法
技术领域：
本发明涉及重金属毒物锡(Sn)污染土壤或水体的植物修复技术，具体是一种利用禾本科植物野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法。
背景技术：
随着上世纪以来快速的工业化发展，各种大量的人工化学品被释放到自然环境中。土壤既是最为重要的环境要素，又是农业生产和城市建设的基础。土壤作为主要的环境介质成为各类污染物的最大受体，各种有毒物质进入土壤，这不仅对农作物产量以及品质有不利影响，而且还能通过食物链对人类健康构成重大威胁，并通过物质迁移对大气、水等其他环境要素产生不利影响，参见文献1:周启星，孔繁翔，朱琳.2004.生态毒理学.北京科学出版社353-386。Sn是一种有毒有害的重金属元素，Sn及其化合物、合金等被越来越多地用于生产和生活中，环境Sn污染也随之而来。自然风化、Sn冶炼加工、含Sn废弃物等都在向环境输送Sn。环境Sn污染的来源主要有1)燃煤、石油及固体废物；2)工业或民用含Sn固体和液体；3) Sn工厂的废水；4)有机Sn化合物稳定剂的各种塑料制品和包装材料；5)船舶含Sn防腐漆；6)含有机Sn的杀虫剂和海产品制成的磷肥；7)其它含Sn的废弃物，参见文献2 :李桃，詹晓黎.2003.微量元素锡与健康.广东微量元素科学，10(11) :7-11。其中，在Sn矿开采、冶炼过程中存在资源利用有限、废渣中复合重金属污染土壤和地下水、Sn尘对人体肺部和呼吸系统造成严重危害等环境问题函待解决。当前，国内外关于有机Sn化合物的来源、污染和毒性研究较多，参见文献3:王家林，葛斌，刘丽丽.2009.海洋环境中的三丁基Sn污染.环境监测管理与技术，21 (6) : 15-19 ;文献4 :王珊珊，冯流.2005.有机锡化合物的毒性效应及其影响因素.安全与环境学报，5 (3) : 12-15，特别是对于三丁基Sn (TBT)的生物毒性及其对海洋污染的研究较多，参见文献 5 :Jenkins S M, Ehman K, Barone S Jr2004. Structure-activitycomparison of organotin species:dibutyltin is a developmental neurotoxicantin vitro and in vivo. Brain. Res. Dev. Brain. Res.，151 (1/2) : 1-12 ；文 献 6 :Ciesielski Tj WasikAj Kuklik L，et al. 2004.Organotin compounds in the livertissue of marine mammals from the polish coast of the Balticsea.Environ. Sc1.Technol. ,38(5):1415-1420 ;文献7:周名江，李正炎，颜天，等.1994.海洋环境中的有机锡及其对海洋生物的影响.环境科学进展，2(4) :67-74，但对于无机Sn的研究较少，只有少数文献初步分析了无机Sn与疾病之间的关系，参见文献8:曾昭华，曾雪萍.1998.癌症与土壤环境中Sn元素的关系.土壤与环境，8 (4): 241-244，至今对于土壤中Sn元素来源、迁移转化、污染修复等方面的研究很少，尤其是Sn超积累植物的筛选，至今在国际上几乎无人做过这方面的研究。世界各国对土壤重金属污染十分重视，采取了各种各样的修复方法，如消除重金属毒性的固化技术、玻璃化技术，治理挥发性重金属的电动力修复技术等。但这些技术对污染场地破坏较大，治理费用昂贵，且存在着运输、储存、回填等新的环境问题，在小面积或重污染土壤处理中作用很大，甚至不可替代，但对于面积巨大、污染程度较轻的污染土壤来说则难以应用。因此，人们寄希望于费用较低、修复效果又好的革新技术植物修复技术，参见文献9:周启星，魏树和，张倩茹等编著.生态修复.中国环境科学出版社.2006。植物修复(Phytoremediation)是近几十年来发展起来的环境污染治理技术,它利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发环境中的污染物质，就像一座“绿色清洁工厂” 一样将污染物质加工成可直接去除的物质形态或转化为毒性小甚至无毒的物质，从而对污染环境进行彻底的治理；它具有不引起地下水二次污染，使污染土壤与水体可持续利用和美化环境等特点，因而也是一项非常理想的绿色修复技术。植物修复的应用范围相当广泛，几乎涉及到污染环境治理的各个方面，既可以净化空气和水体，又可以清除土壤中的污染物质，参见文献10:周启星，宋玉芳等著.污染土壤修复原理与方法.科学出版社，2004。目前国内外有关植物修复技术方面的研究已有许多报道。从已报道的修复植物来看，大部分采取野外采样法，即到重金属污染较为严重的矿区及周围地区采集仍能正常生长的植物即耐性较强的植物，并分析其各器官的重金属含量，涉及藻类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物，既有草本植物，也有木本植物。迄今为止，已发现的超积累植物有400多种,参见文献11 :何章莉，潘伟斌.2004.受污染土壤环境的植物修复技术.广东工业大学学报，21 (I) : 56-62，但已报道超积累植物的种类仍然非常有限，关于重金属超积累花卉植物的相关报道更是少见。因此，如果能从物种繁多的花卉资源中筛选出对污染土壤修复有重要意义和作用的超积累花卉植物，则将为植物修复开辟一条新的途径。重金属污染土壤的植物修复是指利用植物及其根际微生物体系的提取、挥发和转化固定作用去除污染土壤中的重金属，或将重金属稳定在污染现场防止其对地下水及周围环境造成更大的污染。植物修复主要包括植物提取(Phytoextraction)、植物挥发(Phytovolati lizat ion)、根际滤除(Rhizof i ltrat ion)和植物稳定(Phytostabilization)四种作用方式，其中，植物提取方面的研究日益受到人们的关注，参见文献12: chaneyR.L. , MalikM. , LiY. M. , et al. 1997. Phytoremediation of soil metals. Current opinionsin Biotechnology. 8:279-284。植物提取，即利用重金属富集植物特别是超富集植物从污染土壤中超量吸收一种或几种重金属，并将其转移、贮存到茎、叶等地上部器官，随后将植物整体包括部分根部收获并集中处理，然后再连续种植，直至土壤中重金属浓度降低到环境安全水平。超积累植物(Hyperaccumulator)也叫超富集植物，这一定义最初是由Brooks等提出的，当时用以命名茎中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物参见文献 13Brooks RR, Lee J,Reeves R D. 1977. Detection of nickliferous rocks byanalysisof herbarium species of indicator plants.Journal of GeochemicalExploration, 7:49-770现在超积累植物的概念已扩大到植物对所有重金属元素的超量积累现象，即是指能超量积累一种或同时积累几种重金属元素的植物。现一般认为，参见文献 14 :Chaney RLj Malik Mj Li YM. 1997. Phytoremediation of soil metals. CurrentOpinions in Biotechnology,8:279-284 ；文 献 15 Brooks RR，Chambers MFj NicksLJ, Robinson BH. 1998. Phytoming. Trends in Plant Science, 3 (9) : 359-362。超积累植物应同时具备以下三个特征一是植物地上部分如茎或叶的重金属含量是普通植物在同一生长条件下的 100 倍，其临界含量分别为 Zn、Mnl0000mg/kg、Cdl00mg/kg、Aulmg/kg, Pb、Cu、N1、Co、As均为1000mg/kg ;二是植物地上部分的重金属含量大于其根部该种重金属含量；三是植物对重金属具有较强的耐性，即植物的生长没有出现明显的毒害症状；四是植物地上部分对某种重金属的富集系数大于1，至少当土壤中重金属含量与超积累植物应达到的临界浓度水平相当时，地上部分主要是茎或叶富集系数大于I。Sn超积累植物的临界含量至今在国际上尚无确定；与此同时，国际上至今尚未有人发现Sn超积累植物。由于一般植物体Sn含量在1. 0mg/kg左右，参见文献16 :甘凤伟，方维萱，王训练，等.2008.锡矿尾矿库土壤-食用马铃薯和豌豆中重金属污染状况.生态环境，17 (5) : 1847-1852，还有一些药材中的Sn含量更少，约为0. 1-1. 0mg/kg之间，但一些蔬菜中的Sn平均含量较高，约为6. 0mg/kg左右，参见文献17 :陈源高，陈开宁，戴全裕，等.2006. 5种水培蔬菜对金属元素富集水平研究.生态与农村环境学报，22 (I): 70-74。因此，我们初步建议，Sn超积累植物的临界含量大致为100mg/kg。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术现状和存在问题，提供一种费用低廉、可操作性强、不破坏土壤基本结构与功能或水体理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风蚀、水蚀均有良好效果的利用野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法。本发明的技术方案一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法，作为国际上首个发现的潜在锡(Sn)超积累植物，在含有高浓度Sn的土壤或水体中，野古草表现出较强的耐Sn污染胁迫特征和积累特性，其生长过程未受到显著影响，地上部Sn积累量均高于100mg/kg，是普通植物在同一生长条件下的100倍，转移系数大于1. O ;在含污染物Sn的土壤或浅水水体中种植野古草，通过野古草的根系大量吸收污染土壤或水体中的Sn，并将其转移至地上部器官；当植物长到开花期或成熟期时，将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走，从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。所述种植野古草是指在土壤或水体中直接播种野古草种子或将幼苗期的野古草移植在含污染物Sn的土壤或水体中；可采用种子繁殖或者根芽繁殖的培育方式，根据土壤缺水情况不定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40-70% ;当植物长到开花期或成熟期时，可将植物地上部从污染土壤或水体中移走，从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。所述种植野古草是指在含污染物Sn的土壤或水体中采用复种的方式种植野古草，即在第一茬野古草长到开花期或者成熟期时，将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走，等待野古草地下根系再次发育成下一茬植株，重复上述过程，直至土壤中的污染物Sn含量下降至环境安全标准，从而达到快速、彻底去除土壤或水体中污染物Sn的目的。本发明的优点是本发明采用的禾本科植物野古草是通过科学实验从多种花卉植物中筛选出来的，野古草是一种多年生草本，耐性强、易于生长和培育，在自然环境中常生于山坡灌丛、道旁、林缘、田地边及水沟旁，而且，水培试验和土壤盆栽试验均表明野古草具有较强的耐Sn污染胁迫特征和积累特性，因此用其修复Sn污染的土壤和浅水水体。科学实验证明野古草在生长、发育和成熟的整个过程中都表现出良好的耐Sn污染胁迫特征，地上部Sn积累量均高于100mg/kg，是普通植物在同一生长条件下的100倍，转移系数均大于1. 0，大体符合超积累植物的临界含量标准，是世界上首次发现的一种潜在Sn超积累或超富集植物。本发明利用禾本科植物野古草对Sn的超量富集提取作用，通过在Sn污染的土壤或浅水水体中种植这种植物，使污染土壤和水体得到修复，与传统技术相t匕，既不破坏污染土壤或水体的结构和理化性质，又大大降低了修复费用，具有广阔的应用前景。
具体实施例方式实施例1: 土壤盆栽浓度梯度试验 盆栽实验地点设在南开大学泰达学院生态实验室内，该试验场地周围没有污染源，是重金属未污染区。该试验点地处天津市滨海新区，属于大陆性季风气候，并具有海洋性气候特点冬季寒冷少雪；春季干旱多风；夏季气温高、湿度大、降水集中；秋季秋高气爽、风和日丽。全年平均气温12.3°C。年平均降水量566. O毫米，降水随季节变化晶著，冬春季少，夏季集中。实验用土取自天津市宝坻区王卜庄镇(村)农田表层(0-20cm)，土壤类型为潮土。利用野古草植物修复Sn污染土壤的具体试验步骤如下I)取前述风干农田土壤过5目筛后，装入口径为20cm的花盆中，每盆装1800g 土壤，并将固体态分析纯SnCl2 ·2Η20加入花盆中与土壤充分混合均匀。参照我国国家土壤环境质量标准和某Sn矿山场地污染Sn浓度，设置盆栽试验的浓度梯度为5个处理，分别为对照(CK，不投加Sn)及4个不同的Sn投加浓度，Sn投加浓度(以SnCl2 · 2Η20形式计)分别为200mg/kg、500mg/kg、1000mg/kg、2000mg/kg,并分别标记为 T1、T2、T3、T4, Sn 以固态形式加入到土壤中，充分混匀，平衡四周后待用。2)将购买的实验幼苗移栽到每个装有Sn污染土壤的花盆中(包括空白对照组)，每盆栽3株，重复3次，根据盆中土壤的缺水状况不定期浇水(水中未检出Sn)，使土壤含水量保持在田间持水量的40%-70%，为防止污染物淋溶渗漏损失，在花盆下放置塑料托盘。3)待植物开花成熟后可以收获地上部分进行集中处理植物成熟开花后，收获植株，测定株高，用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用蒸馏水冲洗，浙去水分，在105°C下杀青半小时，70°C烘干，称量茎、叶、花(籽实)和根干重；测后再将茎、叶、花(籽实)和根分别粉碎研磨成粉末状，用微波消解法消解植物样品；分别称取O. 30g植物样品放入消解罐中，加入6mL浓HNO3和2mLH202混合液预反应2小时，再放入微波消解仪进行三步消解；待消解完全后，冷却静置待消解液无黄烟，定容到IOmL容量瓶后，用O. 45um微孔滤膜过滤；用原子吸收分光光度计(AA240FS, VARIAN)测定植株体内各部分总Sn含量，测量波长284. Onm。重复步骤2)和3)，使土壤中的Sn污染物含量达到环境安全标准。试验结果如下I)不同Sn处理浓度下野古草对Sn污染土壤的耐受性
由表I可以发现，在Tl、T2、T3和T4处理条件下，野古草的株高与空白(CK)相比没有显著的变化(Ρ〈0. 05)，并且在Tl处理条件下，野谷草的株高有所增加，说明野古草对土壤中的Sn污染表现了较强的耐性。野古草地上部生物量随着Sn浓度的增加没有出现显著地增加或者降低(Ρ〈0. 05)，在Tl处理条件下，野古草的地上部生物量与空白相比反而略有增加，这可能是由于一定量Sn的存在对植物的生长表现了诱导和促进作用。表I不同浓度Sn污染土壤对野古草生长的影响
权利要求
1.一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法，作为国际上首个发现的潜在Sn超积累植物，其特征在于在含有高浓度Sn的土壤或水体中，野古草表现出较强的耐Sn污染胁迫特征和积累特性，其生长过程未受到显著影响，地上部Sn积累量均高于IOOmg/kg，是普通植物在同一生长条件下的100倍，转移系数大于1. O ;在含污染物Sn的土壤或浅水水体中种植野古草，通过野古草的根系大量吸收污染土壤或水体中的Sn，并将其转移至地上部器官；当植物长到开花期或成熟期时，将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走，从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。
2.根据权利要求1所述利用野古草植物修复Sn污染土壤和浅水水体的方法，其特征在于所述种植野古草是指在土壤或水体中直接播种野古草种子或将幼苗期的野古草移植在含污染物Sn的土壤或水体中，可采用种子繁殖或者根芽繁殖的培育方式，根据土壤缺水情况不定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的40-70% ;当植物长到开花期或成熟期时，可将植物地上部从污染土壤或水体中移走，从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。
3.根据权利要求1所述利用野古草植物修复Sn污染土壤和浅水水体的方法，其特征在于所述种植野古草是指在含污染物Sn的土壤或水体中采用复种的方式种植野古草，即在第一茬野古草长到开花期或者成熟期时，将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走，等待野古草地下根系再次发育成下一茬植株，重复上述过程，直至土壤或水体中的污染物Sn含量下降至环境安全标准，从而达到快速、彻底去除土壤或水体中污染物Sn的目的。
全文摘要
一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法，禾本科植物野古草是研究首次发现的一种潜在锡(Sn)超积累植物，可利用其修复Sn污染土壤和浅水水体，具体是将野古草幼苗栽种于Sn污染土壤或水体中，利用其自身吸收积累和代谢功能对环境介质中的Sn污染物进行稳定、吸收和富集，待长至成熟后可将其地上部收割处理，待下一茬植株发芽并完成新的生命周期，重复实施该步骤即可实现逐步去除土壤或水体中Sn污染物的目的。本发明的优点是通过在Sn污染土壤或浅水水体中种植野古草，利用其对Sn的超量富集提取作用，使污染土壤和水体得到修复，具有费用低廉、不破坏土壤基本结构与功能或水体理化性质、不引起二次污染等优点。
文档编号B09C1/00GK102989757SQ20121056207
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者高志强, 周启星 申请人:南开大学