一种利用花卉植物桔梗修复锡污染浅层水土环境的方法
【专利摘要】一种利用花卉植物桔梗修复锡(Sn)污染浅水水体或表层土壤的方法，花卉植物桔梗是研究发现的一种潜在Sn超积累植物，可利用其修复、治理Sn污染浅水水体或表层土壤，具体是将桔梗幼苗栽种于Sn污染浅水水体中或表层土壤上，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水土环境中Sn污染物的目的。本发明的优点是：通过在Sn污染浅水水体中或表层土壤上种植桔梗，利用其对Sn的超量富集提取作用，使污染水土环境得到修复，具有费用低廉、不改变水体或土体理化性质、不引起水土环境二次污染等优点。
【专利说明】一种利用花卉植物桔梗修复锡污染浅层水土环境的方法
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【技术领域】
[0003] 本发明涉及重金属元素锡（Sn)污染浅层水土环境的植物修复技术，具体就是一 种利用花舟植物桔梗（Platycodon grandiflorus)修复、治理Sn污染浅水水体或表层土壤 的方法。
【背景技术】
[0004] 随着工农业生产的迅速发展，各种人工化学品或污染物被释放进入到自然水土环 境中。其中，水是最为重要的环境要素之一，又是人类和动植物赖以生存的物质基础。同样， 在维系人的生存、保障经济建设和维护社会发展的所有自然要素中，土壤的重要性也毋庸 赘述，然而，当前世界面临着水资源的短缺和水土环境污染日益严重的挑战。中国的水土环 境问题尤其严峻，是世界上13个缺水国家之一，全国600多个城市中目前大约有一半的城 市缺水，水污染的恶化更使水资源短缺雪上加霜；我国大中城市郊区土壤普遍遭受污染，特 别是农业土壤出现了不同程度的复合污染；我国90%的城市水域污染严重，南方城市总缺 水量的60% -70%是由于水污染造成的；对我国118个大中城市的地下水调查显示，有115 个城市地下水受到污染，其中重度污染约占40%。水土环境污染降低了水体的使用功能和 土壤的农业利用特性，加剧了水土资源的短缺，对我国可持续发展战略的实施带来了负面 影响，水土污染问题亟待解决，参见文献1 :高廷耀，陈洪斌，夏四清，等.2006.我国水污染 控制的思考.给水排水，32(5) :9-13 ;参见文献2:周启星.复合污染生态学.中国环境科 学出版社，1995;参见文献3:周启星，罗义.污染生态化学.科学出版社，2011。
[0005] 锡（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废弃物等都在向水 土环境输送Sn。水土环境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4: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。
[0006] 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5 :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6 :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7 :Jenkins S M,Ehman K,Barone S Jr. 2004. Structure-activity comparison of organotin species ：dibutyltin is a developmental neurotoxicant in vitro and in vivo. Brain. Res. Dev. Brain. Res. , 151 (1/2) :1-12 ;文献8 :Ciesielski T,ffasik A,Kuklik L,et al. 2004. Organotin compounds in the liver tissue of marine mammals from the polish coast of the Baltic sea. Environ. Sci. Technol. , 38 (5) :1415-1420 ;文献 9 :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10 :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，至今对于水土环境中511污染修复等方面的研究更少，尤其是511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。
[0007] 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11: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。
[0008] 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12 :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 (1) :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。
[0009] 重金属污染土壤或水体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或水体中的重金属，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（Phytovolatilization)、根际滤除（Rhizofiltration)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 13 :Chaney RL, Malik M, Li YM, et al. 1997. Phytoremediation of soil metals. Current opinions in 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或水体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 或水体中重金属浓度降低到环境安全水平。
[0010] 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14 :Brooks RR， Lee J,Reeves R D. 1977. Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species of indicator plants. Journal of Geochemical Exploration，7 :49_77〇 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13:Chaney RL，Malik M，Li YM， et al. 1997. Phytoremediation of soil metals. Current Opinions in Biotechnology, 8 :279-284 ;文献 15 :Brooks RR，Chambers MF，Nicks LJ，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、Ni、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。
[0011] 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. Omg/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511含量更少，约为0.1-1.〇11^/1^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(1) :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】
[0012] 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、不破坏水土理化性质、不引起水土环境二次污染的利用花舟植物桔梗（Platycodon grandiflorus)修复Sn污染浅水水体或表层土壤的方法。
[0013] 本发明的技术方案：
[0014] 一种利用花卉植物桔梗修复Sn污染浅水水体或表层土壤的方法。作为研究发现 的潜在Sn超积累植物，在含有高浓度Sn的水体中或表层土壤上，桔梗表现出较强的耐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. 0 ;在含污染物Sn的浅水水体 中或表层土壤上种植桔梗，通过桔梗的根系大量吸收污染水土环境中的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水土环境中移走，从 而实现除去水土环境中污染物Sn的目的。
[0015] 所述种植桔梗是指将幼苗期的桔梗移植在含污染物Sn的浅水水体中或表层土壤 上；可采用种子繁殖或者根芽繁殖的培育方式；当植物长到开花期或成熟期时，可将植物 地上部从污染水土环境中移走，从而实现除去水土环境中污染物Sn的目的。
[0016] 所述种植桔梗是指在含污染物Sn浅水水体中或表层土壤上采用复种的方式种植 桔梗，即在第一茬桔梗长到开花期或者成熟期时，将植物地上部器官从污染水土环境中移 走，等待桔梗根系再次发育成下一茬植株，重复上述过程，直至水土环境中的污染物Sn含 量下降至环境安全标准，从而达到快速、彻底去除水土环境中污染物Sn的目的。
[0017] 本发明的优点是：本发明采用的花卉植物桔梗是通过科学实验从多种花卉植物中 筛选出来的，桔梗是一种多年生草本，喜光、喜温和湿润凉爽气候，抗干旱，耐严寒，怕风害， 自然界的桔梗花多生于山坡、草丛间或沟旁。而且，水培试验和盆栽实验均表明桔梗具有较 强的耐Sn污染胁迫特征和积累特性，因此用其修复Sn污染的浅水水体或表层土壤。
[0018] 科学实验证明，桔梗在生长、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. 〇,符合Sn超积累植物的临界含量标准，是科学实验研究发现的一种潜在Sn 超积累或超富集植物。本发明利用花卉植物桔梗对Sn的超量富集提取作用，通过在Sn污 染的浅水水土环境中种植这种植物，使污染水土环境得到修复，与传统技术相比，既不破坏 水体或土体的理化性质，又大大降低了修复费用，具有广阔的应用前景。
【具体实施方式】
[0019] 实施例：水溶液培养试验
[0020] 水培试验地点设在南开大学泰达学院生态实验室内。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. 0毫米，降水随季节变化显著，冬春季少，夏季集中。
[0021] 利用桔梗修复Sn污染水体的具体试验步骤如下：
[0022] 在正式溶液培养实验之前需要对实验用桔梗幼苗进行预培养。选择生长良好、长 势基本一致的幼苗进行预培养3天，使之适应水培环境。用自来水冲洗植物根系上粘附的 土壤，再用蒸馏水反复冲洗干净，用吸水纸吸干残留水分待用。将植物幼苗移栽至容积为 1000mL的大烧杯中，烧杯先用黑色塑料包裹外侧再粘一层Sn箔纸，使植物根部处于避光的 黑暗环境中，烧杯中加入配制好的l/2Hoagland营养液1000mL。每个烧杯中放置1-3株幼 苗，杯口安装固定支撑架将幼苗固定，继续在温室中培养。每天连续性曝气24小时，3天后， 待幼苗适应水培环境后进行正式试验。
[0023] 根据我国尚未执行的《锡锑汞工业污染物排放标准》中明确规定排放水体中的总 Sn浓度控制在5mg/L之内，并参考国外有关数据，如瑞典规定地面水中Sn的最高容许浓度 为0. lmg/L和日本渔业用水Sn含量规定要小于lmg/L，本实验共设3个处理，包括对照（不 加Sn)和2个不同的Sn投加浓度Tl、T2(以Sn2+计），分别为0mg/L、10mg/L、40mg/L。
[0024] 待植物幼苗预培养适应水培环境后，将植物幼苗移栽到投加Sn污染物的植物营 养液（l/2Hoagland营养液）中，并与空白组（不添加Sn污染物）形成对照。Sn污染物以 分析纯试剂SnCl2 *2H20形态加入到植物营养液中。每个处理重复3次，每4天更换一次培 养液。培养21天后收获植株。
[0025] 收获的植物样品反复用自来水把根、茎和叶冲洗干净，用去离子水冲洗数遍，将根 浸入20mmol/L的乙二胺四乙酸二钠（EDTA-Na2)溶液中交换15min，以去除表面吸附的重金 属离子，然后用去离子水彻底冲洗干净，吸干植物表面的水分，然后将植株分成根、茎、叶3 部分，剪碎后放入信封中编号，l〇5°C杀青30min后再在70°C下烘干至恒重，称量茎、叶、花 和根干重。测后再将茎、叶、花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0. 30g植物样品放入消解罐中，加入6mL浓HN03和lmL H202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10mL容 量瓶后，用〇.45um微孔滤膜过滤。用原子吸收分光光度计（AA240FS，VARIAN)测定植株体 内各部分总锡含量，测量波长284nm。实验结果如下：
[0026] 1)不同处理浓度下桔梗对Sn污染水体的耐受性
[0027] 从表1中可以看到，与空白对照（CK)相比，T1和T2处理条件下的桔梗株高不但没 有显著地下降，反而T1处理下有所增加（p < 0. 05)，这表明桔梗在Sn污染水体中具有较强 的耐性，且一定浓度锡的存在对植物的生长表现了诱导和促进作用；桔梗地上部生物量的 变化规律与株高表现类似，在T1和T2处理条件下，桔梗的地上部生物量也没有很显著地减 小（P < 0. 05)，且T1处理下生物量有所增加，表明桔梗对Sn污染胁迫表现了较强的耐性， 并且一定的污染胁迫促进了植物地上部的生长。
[0028] 表1不同浓度Sn污染水体对桔梗生长的影响
[0029]
【权利要求】
1. 一种利用花卉植物桔梗修复、治理锡（Sn)污染浅水水体或表层土壤的方法，作为研 究发现的潜在Sn超积累植物，其特征在于：在含有高浓度的Sn污染水土环境中，桔梗表现 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. 0 ;在含污染物Sn 的浅水水体中或表层土壤上种植桔梗，通过桔梗的根系大量吸收污染水土环境中的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水土环 境中移走，从而实现除去水土环境中污染物Sn的目的。
2. 根据权利要求1所述利用桔梗修复Sn污染浅水水体或表层土壤的方法，其特征在 于：所述种植桔梗是指将幼苗期的桔梗移植在含污染物Sn的水土环境中；当植物长到开花 期或成熟期时，可将植物地上部从污染水土环境中移走，从而实现除去水土环境中污染物 Sn的目的。
3. 根据权利要求1所述利用桔梗修复Sn污染浅水水体或表层土壤的方法，其特征在 于：所述种植桔梗是指在含污染物Sn的浅水水体或表层土壤中采用复种的方式种植桔梗， 即在第一茬桔梗长到开花期或者成熟期时，将植物地上部器官从污染水土环境中移走，等 待桔梗根系再次发育成下一茬植株，重复上述过程，直至水土环境中的污染物Sn含量下降 至环境安全标准，从而达到快速、彻底去除水土环境中污染物Sn的目的。
【文档编号】B09C1/10GK104226676SQ201310233575
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】高志强, 周启星, 刘家女, 周睿人 申请人:南开大学