一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土壤纳米材料污染修复领域，尤其是涉及一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法。
【背景技术】
[0002]经济的高速发展给生态环境造成了极大的负担，继水体污染、大气污染之后，土壤环境的污染问题亦日益凸显，国家环境保护“十二五”规划中已明确提出加强土壤环境保护，并要求推进重点地区污染场地和土壤修复，加大土壤污染修复治理的投入力度。
[0003]21世纪以来，纳米科技高速扩张的商业化发展，使得具有优异特性和功能的纳米材料迅速融入与人类生产生活息息相关的各行各业，由纳米材料制备而成的商品、产品、药品正影响和改变着人类的生活方式。金属氧化物纳米材料是一类主要的纳米材料，如ZnO、CuO、Al2O3纳米材料等，具有优异的电磁、光学、催化等特性，被广泛用于太阳能电池、纺织品、个人护理品、抗菌杀虫剂等领域。日益增长的需求量，使得金属氧化物纳米材料在生产、使用、排放、处置过程中排放到环境介质中的含量不断增加。将含有金属氧化物纳米材料的生物固体还田利用是目前主要的终端处置方法，排放的大部分纳米材料最终会进入土壤环境。权威研宄显示，金属氧化物纳米材料在生物固体中的含量可高达1000mg/kg以上，而其还田利用后的土壤中仍可含10mg/kg的金属氧化物纳米材料。国内外大量研宄显示，具有优异特性的纳米材料同样会对各类生物和人类造成多种毒性效应，其大量的使用和排放对生态环境和人类健康具有潜在危害，因此，纳米材料被认为是一类新型环境污染物。虽然目前对于金属氧化物纳米材料产生毒性危害的阈值浓度尚无定论，但是反复的还田利用处置显然会增加金属氧化物纳米材料在土壤环境中的浓度，使得土壤环境质量降低、植物品质与农作物安全下降、及人类暴露风险增加的可能性明显加大，因此，有必要对受污染土壤进行修复以降低危害发生的可能性。
[0004]现有的物理、化学、生物土壤修复技术均是针对重金属和有机污染物这两大传统污染物，尚未被用于处理纳米材料这类新型污染物，其技术适用性与修复效果不得而知。因此，在土壤纳米材料污染修复领域内存在明显的技术空缺。
[0005]中国专利CN104438298A公开了污染土壤的植物修复方法，采用以下步骤:一、降解有机污染物:植物修复有机污染物的机理比植物修复重金属污染复杂得多，包括吸附、吸收、转移、降解、挥发等；有机污染物能否被植物吸收，并在植物体内发生转移，完全取决于有机污染物的亲水性、可溶性、极性和分子量；有机物亲水性越强，被植物吸收就越少；二、去除重金属污染:植物的根、茎、叶中Cu的浓度分别为2707?6159、369?831和429?587mg/kg ;杂草地上部分Pb含量低于根系，其生物量大，同样吸收了大量Pb ;种子萌发并定居在铅锌尾矿上。该专利提供的植物修复方法主要针对的是重金属与有机污染物这两类传统污染物，这导致该专利所述的方法并不能适用于金属氧化物纳米材料污染土壤的植物修复，本申请与该专利的适用范围是不同的。另外，两者提供的植物修复方法的核心机理也并不相同，本申请对核心机理的阐述较为明确，主要通过喜酸植物的酸性根系与金属氧化物纳米材料发生酸碱反应，再由该富集植物对相应的金属元素完成净化去除，而该专利所述修复方法的机理较为笼统，其中，对有机污染物的去除主要是通过植物直接吸收、植物根系释放分泌物和酶、植物和根际微生物的联合作用得以实现，这导致两者所选用的修复植物有很大不同，本申请中提供的修复植物更具专一性和针对性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法，修复效果优良、运行维护经济简单、针对性强、适用范围广、环境友好，可实现对土壤金属氧化物纳米材料污染的有效修复与治理。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法，采用以下步骤:
[0009]a.确定土壤污染物，在土壤修复实施前进行场地调查确定污染土壤中所含金属氧化物纳米材料污染物的具体成分，可通过对场地历史的查阅问询或直接采样分析；
[0010]b.选定修复植物，根据步骤a确定的金属氧化物纳米材料的具体成分，选择生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤，同时对确定的金属氧化物纳米材料的金属元素具有富集作用或耐受作用的植物，作为污染土壤治理的修复植物；
[0011 ] c.开展植物修复，根据土壤修复实施前的场地调查结果，包括污染修复面积、修复深度、污染物浓度等，以及修复目标浓度和所选修复植物的修复潜能，确定每季植物的种植量与种植周期，以及总的轮作季数，随后开展修复植物的种植、灌溉维护、收割处置的周期性修复工作，直至污染土壤达到修复目标。
[0012]所述的土壤污染物的成分包括ZnO纳米材料、CuO纳米材料或Al2O3纳米材料。利用喜酸植物的根系能够释放质子和分泌大量有机酸的特点以及金属氧化物为碱性或两性物质的特性，借助酸性根系通过酸碱反应将土壤中存在的金属氧化物纳米材料转化成相应的金属离子，将金属氧化物纳米材料这类新型污染物转化为传统的(重)金属污染物，再利用对特定金属元素具有富集作用或耐受作用的植物对转化后的(重)金属进行吸收富集，最终达到净化污染土壤中金属氧化物纳米材料污染物的修复目标。
[0013]对Zn元素具有富集作用或耐受作用、生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤的修复植物为禾本科、十字花科或豆科植物，例如，可以采用小麦、天蓝遏蓝菜或豇豆。
[0014]优选的，污染物ZnO纳米材料的修复植物为小麦。
[0015]对Cu元素具有富集作用或耐受作用、生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤的修复植物为唇形科、禾本科或豆科植物，例如，可以海州香薷、玉米或大豆。
[0016]优选的，污染物CuO纳米材料的修复植物为海州香薷。
[0017]对Al元素具有富集作用或耐受作用、生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤的修复植物为豆科、禾本科或茄科植物，例如，可以大豆、高粱或马铃薯。
[0018]优选的，污染物Al2O3纳米材料的修复植物为大豆。
[0019]与现有技术相比，本发明用喜酸与富集植物的生物特性与金属氧化物纳米材料污染物的化学特性，将金属氧化物纳米材料这类新型污染物转化为传统的(重)金属污染物并完成植物富集与净化，实现了植物修复技术对金属氧化物纳米材料这类新型污染物的土壤修复与治理；这不仅填补了土壤纳米材料污染修复领域存在的技术空白，更克服了其他土壤修复技术存在的不足与限制，提供了一种机理简单、修复效果优良、运行维护经济便捷、针对性强、适用范围广、环境友好的原位修复技术，在实现对土壤金属氧化物纳米材料污染的有效修复与治理的同时兼顾了修复的经济性与环境友好性。
[0020]相比于物理、化学修复方法的大工程量和高修复花费，采取生物修复技术治理土壤污染不仅具有明显的经济性，并且是环境友好型的原位修复技术，因此是土壤修复的首选技术。由于具有修复潜能大、适用范围广、运行维护简单的优势，植物修复技术正被越来越多的应用于土壤污染的修复治理。若能实现植物修复技术对土壤金属氧化物纳米材料污染的修复治理，不仅能够填补该领域内的技术空白，更克服了其他土壤修复技术存在的不足与限制，提供了一种针对土壤金属氧化物纳米材料污染的有效、经济、环境友好的原位修复技术。为填补土壤纳米材料污染修复领域的技术空白并解决现有其他土壤修复技术存在的不足与限制，需要寻找并建立一种经济有效、针对性强、适用范围广、环境友好的土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法，以实现对纳米材料这类新型污染物的土壤修复与治理，改善土壤环境质量，同时兼顾修复的经济性与环境友好性。
【附图说明】
[0021]图1为本发明修复机理示意图；
[0022]图2为小麦对ZnO纳米材料污染物的植物修复中，不同处理条件下，14d试验期间内模拟土壤溶液的pH值变化图；
[0023]图3为小麦对ZnO纳米材料污染物的植物修复中，不同处理条件下，14d试验期间内模拟土壤溶液中溶解Zn2+的浓度变化图；
[0024]图4为小麦对ZnO纳米材料污染物的植物修复中，在14d修复期间，小麦对ZnO纳米材料污染物及其转化而成的Zn2+的吸收富集变化图、模拟土壤溶液中ZnO纳米材料污染物的含量变化图、小麦的生物量变化图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026]实施例1
[0027]一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法，修复机理示意图如图1所示，具体包括以下步骤:
[0028]a.确定土壤污染物，即获得金属氧化物纳米材料的具体成分，在土壤修复实施前的场地调查阶段，通过对场地历史的查阅问询，确定污染土壤中的金属氧化物纳米材料污染物为ZnO纳米材料；
[0029]b.选定修复植物，根据步骤a确定的金属氧化物纳米材料污染物为ZnO纳米材料，选择生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤，同时对Zn元素具有富集和耐受作用的小麦作为污染土壤治理的修复植物；
[0030]c.开展植物修复，根据土壤修复实施前的场地调查结果，污染土壤的修复面积为100亩，修复深度0.4m，污染物平均浓度400mg/kg (以Zn含量计)，修复目标浓度为200mg/kg (以Zn含量计)，修复植物小麦种植2个月后地上部分对Zn的修复潜能(富集浓度)可达3000mg/kg (干重)，每亩播种8公斤小麦种子，种植周期2个月，能够提供8.2kg/亩(以Zn含量计)的污染物修复容量，而每亩土壤的污染物治理总量为141.2kg/亩(以Zn含量计)，确定总的轮作季数为18季，每季2个月，总的修复周期在36个月左右，随后便可开展小麦种植、灌溉维护、收割处置等周期性的修复工作，直至土壤中的污染物浓度小于200mg/kg (以Zn含量计)，达到修复目标。
[0031]实施例2
[0032]一种土壤金属氧化物纳米材料污染的植物修复方法，包括以下步骤:
[0033]a.确定土壤污染物，即获得金属氧化物纳米材料的具体成分，在土壤修复实施前的场地调查阶段，通过对场地直接采样分析土壤中的金属元素，确定污染土壤中的金属氧化物纳米材料污染物为CuO纳米材料；
[0034]b.选定修复植物，根据步骤a确定的金属氧化物纳米材料污染物为CuO纳米材料，选择生长周期较短、生长快速、生物量较大、喜酸土壤，