一种利用超积累花卉一点红修复镉、铅单一或复合污染土壤的方法
【专利摘要】本发明涉及利用超积累花卉一点红修复镉、铅单一或复合污染土壤的方法。将一点红种子或幼苗播种或种植于Cd、Pb单一或复合污染土壤中，定期浇水保持土壤湿润，直至一点红开花或完全成熟后将植株整体或地上部从污染点位移除并妥善处理；重复操作直至土壤Cd、Pb含量下降至环境安全标准。所用一点红除适应性强、分布广泛外，还被确认为既是Cd超积累植物、又是Pb超积累植物，即同时满足判断是否为Cd、Pb超积累植物的临界含量特征、污染物转移特征、耐性特征和富集系数特征等4个标准。该方法对于修复Cd、Pb单一或复合污染土壤具有重要实践意义，特别是作为一种绿色原位修复技术，在修复重金属污染土壤的同时还具有美化环境的作用。
【专利说明】一种利用超积累花冉一点红修复镉、铅单一或复合污染土壤的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及重金属单一或复合污染土壤的花卉植物修复技术，具体地说就是一种首次利用重金属超积累花丼植物一点红sonchifolia L.)修复Cd、Pb单一或复合污染土壤的方法。
【背景技术】
[0002]随着工农业生产的迅速发展，土壤的重金属污染问题日益突出。资料显示，我国大多数城市土壤以及近郊农业土壤均遭受不同程度的镉(Cd)、铅(Pb)等重金属的污染[文献1:周启星.复合污染生态学.北京:中国环境科学出版社，1995;文献2:孙铁珩等.污染生态学.北京:科学出版社，2001]。有关报导也指出，江苏省某丘陵地区14000平方公里范围内Cd、Pb等重金属的污染面积达35.9%，西江流域的I万平方公里土地遭受Cd、Pb等重金属污染的面积达5500平方公里[文献3:http://news.sohu.com/20050118/n223993549.shtml]。据我国农业部进行的全国污灌区调查表明，在约140万平方公顷的污水灌区中，遭受CcUPb等重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中严重污染的占8.4%以上。由于日益严重的重金属污染，造成我国每年不仅减产粮食1000多万吨，而且导致每年多达1200万吨的粮食被重金属污染，两者合计经济损失至少200亿元。可见，土壤重金属污染已对我国乃至世界的食品安全、百姓身体健康和农业可持续发展构成严重威胁[文献4:周启星.健康土壤学:土壤健康质量与农产品安全.北京:科学出版社，2005;文献5:周启星，罗义，孙铁珩.污染生态化学研究进展与展望.见:中国化学科学丛书——环境化学学科前沿与展望.北京:科学出版社，2011，P 605-615;文献6:Peters R W.Chelant extraction of heavy metals from contaminated soils.Journalof Hazardous Materials, 1999，66 (1- 2): 151-210]。
[0003]为了治理、修复被重金属污染的土壤，物理修复、化学修复和生物修复等各种污染土壤修复技术备受关注[文献7:周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法.北京:科学出版社，2004]。特别是，作为一种新兴的绿色原位生物修复技术，植物修复由于具有费用低、不破坏环境和易被人们接受等优点，更是得到了人们广泛的重视，有关方面还开展了许多有益的探索，这些工作还包括对重金属超积累植物进行了较为系统的筛选石开究[文献 8:Su H, Cai Z, Zhou Q X.Phytoremediation of cadmium contaminatedsoils: advances and researching prospects.Materials Science Forum -Energy andEnvironment Materials, 2013，743-744: 732-744;文献 9:Ali H，Khan E，Sajad MA.Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications.Chemosphere,2013，91(7): 869-881;文献 10:Eapen S，D，Souza S F.Prospects of geneticengineering of plants for phytoremediation of toxic metals.BiotechnologyAdvances, 2005，23(2): 97-114]。至今，国际上已发现了 500余种超积累植物，但大多数(300余种)为镍超积累植物。随着我国在植物修复技术以及重金属超积累植物方面广泛而深入的研究，我国陆续发现的超积累植物有:铜超积累植物鸭跖草fortune!),镉超积累植物宝山堇菜(KioJa bao shanen s i s')、iSo I anumn i gtrum L.)、球果揮菜[(.Rorippa globosa (Turcz.) Thell.]和紫茉莉(#iraAi7i5.jalapa L.)，砷超积累植物蜈虫公草iPteris vittataL.)和大叶井口边草iPteris eretica L.),锌超积累植物东南景天XSedumalferdii /feflce),猛超积累植物商陆acinosa Roxb.)和络超积累植物李氏禾Heersia hexandra Swartz)等,从而填补了我国在这方面研究的空白。然而，在这些超积累植物中，绝大多数均只能针对单种重金属发挥其超积累效应和修复作用。
[0004]作为天然野生花丼植物,一点红sonchifolia L.)又名叶下红、红花草、羊蹄草和石青红等，为菊科一、二年生肉质草本，株高20-30cm。一些地方已进行人工栽培。资料显示，直至目前该植物不曾用于污染土壤修复。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是探索廉价、绿色的方法治理、修复重金属污染土壤，特别是解决现有超积累植物大多数均只能针对单种重金属发挥其超积累效应和修复作用的问题，提供一种利用超积累花卉植物一点红修复镉(Cd)、铅(Pb)单一或复合污染土壤的方法。该方法与现有技术相比，不仅对Cd、Pb单一污染治理有效，更重要的是对这两种重金属复合污染治理也有效，同时具有成本低、可操作性强和应用广泛等优点，而且不会破坏土壤结构及理化性质，避免造成二次污染，同时还可以起到美化环境的作用。
[0006]本发明提供的利用超积累花丼一点红sonchifolia 1^.)修复0(1、？13单一或复合污染土壤的方法是，在Cd、Pb单一或复合污染土壤上种植一点红，当植物生长到开花期或直至成熟以后， 将植株整体或地上部从污染点位移除，从而实现去除土壤中过量的Cd、Pb等重金属污染的目的。
[0007]本发明所述污染土壤的具体修复方法是，将植物一点红种子播于待修复的污染土壤中(一般方法是选用新鲜、饱满的一点红种子，播种前先把地整细、整实、整平，浇透水，待土略干后进行撒播，每667m2用种500g左右，播后盖上一层薄薄的细沙土，注意不能盖得太厚，否则会影响出苗率，以后经常保持苗床湿润，有条件的最好进行温室育苗)，或将一点红幼苗移植到Cd、Pb单一或复合污染土壤上(一般每667m2栽种幼苗100-200株，视是否还要栽种作物或其它修复植物以及土壤污染水平而定)。也可以采用根状茎繁殖的方法(在秋、冬季或早春时，结合采收选取有芽的嫩茎，截成长3-7cm的小段，按行株距25cm开穴，深3-6cm,每穴栽3段，成品字形排放，栽后覆土或盖上土杂堆肥)。定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80%。由于种植的一点红能从土壤中吸收Cd和Pb并向地上部转移，当一点红开花或成熟时将植株整体或地上部从污染点位移除，再种植第二茬一点红，重复上述操作，直到土壤中的Cd和Pb含量达到环境安全标准。
[0008]当土壤中Cd投加浓度达到10mg/kg时,一点红叶部含Cd达到114.5mg/kg,超过了Cd超积累植物的临界含量；与此同时，当土壤中Pb投加浓度达到700mg/kg时，一点红叶部含Pb达到1315.5mg/kg，超过了 Pb超积累植物的临界含量。
[0009]所述植物一点红既是Cd超累积植物，又是Pb超积累植物。即在土壤Cd、Pb单一或复合污染暴露条件下，尽管一点红对Cd的积累效果相对来说要远大于Pb，但均能同时满足判断是否为超积累植物的临界含量特征、污染物转移特征、耐性特征和富集系数特征等4个基本指标。特别是当土壤中CcUPb浓度高到足以使其地上部各自含量达到超积累植物应达到的临界含量标准时，其地上部生物量没有明显下降，即一点红对土壤Cd、Pb单一或复合污染均具有很强的耐性。
[0010]本发明所采用的一点红，属于菊科植物，属一、二年生草本花卉，具有很好的观赏价值。喜温暖、阴凉、潮湿环境，适宜生长温度为20-32°C，较耐旱、耐瘠，抗性较强，甚至能于干燥的荒坡上生长，不耐溃，但忌土壤板结。
[0011]本发明的优点和有益效果:
本发明提供的一点红适应性强，可通过播种或扦插进行繁殖，栽培管理容易。特别在Cd-Pb复合污染胁迫下具有较好的耐性和对Cd、Pb的吸收累积能力，可以有效、快速治理Cd、Pb单一或复合污染土壤；同时，作为绿色原位修复技术，工程量小、技术要求不高，还可以改善土壤结构，美化当地环境。
[0012]
【具体实施方式】
[0013]实施例1、一点红修复Cd、Pb单一或复合污染土壤实例:
供试土壤采自天津市东南郊，其土壤类型为潮土。经分析测定，土壤pH为7.8，略偏碱性；土壤机械组成:砂粒(粒径2.0-0.02mm)占32%，粉粒(0.02-0.002mm)占44%，黏粒(在
0.002mm以下)占24%,可见其土壤质地为黏壤土 ；土壤Cd和Pb的含量分别为0.21 mg/kg和10.3mg/kg。从已有文献可知，我国土壤CM和Pb的背景值范围分别为0.017-0.33和10.0-56.lmg/kg。可见,本供试土壤基本属于清洁土壤范畴。
[0014]本研究设置土壤Cd的污染暴露浓度为0.6mg/kg (T1，相当于中性条件土壤二级质量标准值，并接近土壤Cd —般污染水平下限)、1.0mg/kg(T2，相当于偏碱性条件土壤二级质量标准值)、2.0 mg/kg (T3，相当于偏碱性条件土壤二级质量标准值的2倍，落在土壤Cd —般污染水平范围内)、5.0mg/kg (T4，土壤Cd —般污染水平中值)、10mg/kg (T5，土壤Cd —般污染水平上限)。据报导，我国某冶炼厂土壤Cd的污染水平为11.2-197.3mg/kg，其平均浓度70.7mg/kg。考虑到这一极端污染情况，除对照(CK，不外加重金属污染物)外，Cd污染暴露实验还设置了 50 mg/kg (T6)UOO mg/kg (T7)和150 mg/kg (T8)等3个极端污染浓度。
[0015]同时，设置土壤Pb的污染暴露浓度为35mg/kg (T’1;相当于我国土壤环境质量一级标准值)、50mg/kg (T’2，相当于我国土壤Pb—般污染水平下限)、350mg/kg (T’3，相当于偏碱性条件土壤二级质量标准值)、700mg/kg (T’4，土壤Pb —般污染水平上限，偏碱性条件土壤二级质量标准值2倍)。据上述有关报导，该冶炼厂土壤Pb的污染水平为1004-9385mg/kg，其平均浓度为4020 mg/kg。考虑到这一极端污染情况，除对照(CK)外，Pb污染暴露实验还设置了 1000 mg/kg (T’ 5，某冶炼厂土壤Pb污染水平下限)。
[0016]将供试土壤风干过4.0mm筛后，按照上述污染暴露浓度以固体形式分别拌入分析纯的CdCl2.2.5H20和Pb (NO3)2，充分混匀后装入塑料盆(0 =20 cm, H =15 cm)中，每盆装土 2.0 kg，平衡I个月后待用。采用种子育苗，待野生花卉一点红(没有经过人工改造)幼苗长出4-6片真叶后，选择生长一致的幼苗分别移入各处理的盆中。每盆移栽3棵苗，重复3次。
[0017]露天栽培，无遮雨设施。根据盆中土壤缺水情况，不定期浇自来水(水中未检出Cd、Pb)，使土壤含水量经常保持在田间持水量的60-80%左右。待秋天下霜之前，收获植株。收获的植物样品分为根、茎、叶和籽实4部分，分别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，然后再用去离子水冲洗，浙去水分后在105° C下杀青30分钟，然后在70° C下烘干恒重，测定其干物质重后再用粉碎机磨碎，过60目尼龙网筛后，供分析测定。
[0018]上述制备的土壤(过100目)和植物样品，均采用HNO3-HClO4法消化(二者体积比为3:1)，火焰原子吸收分光光度计法测定样品中的Cd和Pb的质量浓度。其中，Cd的测定波长为228.8nm，Pb的测定波长为283.3nm。所得数据采用Excel XP,SPSS 13.0和DPS进行处理，应用Duncan新复极差法进行差异显著性检验。
[0019]盆栽实验表明，在Cd污染暴露条件下，一点红的生物量生长总体上没有受到明显影响(表1)。特别是，当土壤Cd污染暴露水平处于低浓度(0.5mg/kg)时，一点红的平均生物量达到4.4g/盆，反而大大高于其空白时的平均生物量(3.9g/盆)，这说明低水平的Cd污染物对该植物的生长和发育具有刺激作用。当土壤Cd污染暴露浓度增加到1、2和5mg/kg时，一点红的平均生物量仍然大于其空白时的平均生物量，说明处于这个浓度的Cd污染物对该植物的生长和发育仍然具有一定的刺激作用。甚至当土壤Cd污染暴露浓度增加到10和50mg/kg时，一点红的平均生物量才略低于其空白时的平均生物量，说明一点红对土壤Cd污染具有一定的耐性。
[0020]同样，在Pb污染暴露条件下，一点红的生物量生长总体上也没有受到显著抑制(表1)。当土壤Pb污染暴露水平处于较低浓度(35mg/kg)时，一点红的平均生物量达到
4.3g/盆，明显高于其空白时的平均生物量(3.9g/盆)，这说明低水平的Pb污染物也对该植物的生长和发育具有刺激效应。当土壤Pb污染暴露浓度小于350mg/kg时，一点红的平均生物量并没有因为土壤Pb的毒性作用而减少，说明该植物对Pb也有较好的耐性特征。甚至当土壤Pb污染暴露浓度增加到700mg/kg时，一点红的平均生物量也没有显著低于其空白时的平均生物量，说明较高 浓度的Pb污染对一点红的生长和发育也没有构成明显的伤害。
[0021]表1盆栽试验条件下一点红收获时的生物量(g/盆)盆栽实验表明，一点红根部对Cd、Pb的吸收能力还是比较强的，致使其比一般的植物有更多的积累。在本试验浓度范围内，一点红根部Cd、Pb的积累量最高分别可达164.3和819.3mg/kg，超过了 Cd超积累植物的临界含量。甚至当土壤没有添加外源Cd或Pb，一点红根部Cd和Pb的积累量分别可达1.1和5.4mg/kg0当土壤中Pb投加浓度达到700mg/kg时，其叶部含Pb可达1315.5mg/kg，超过了 Pb超积累植物的临界含量；特别是当土壤中Pb投加浓度达到1000mg/kg时，该植物茎、叶和籽实中Pb含量分别达1131.3、1498.7和1043.0mg/kg (表2)，其地上部Pb总体含量也达到1224.3mg/kg，超过了 Pb超积累植物的临界含量。
[0022]本研究还表明，一点红对重金属Cd、Pb的积累均表现了地上部 > 根部的规律(表2和3)。对于Cd来说，其地上部与根部的比值为1.5-2.3 ;对于Pb来说，其地上部与根部的比值为1.4-2.1。这说明一点红对根部吸收的重金属CcUPb具有近似地向地上部转运的效率或能力。
[0023]表2 Cd在植物根部和地上部的积累及其平均比值
【权利要求】
1.一种利用花丼植物一点红sonchifolia L.)修复镉(Cd)、铅(Pb)单一或复合污染土壤的方法，其特征在于:在CcUPb单一或复合污染土壤上种植一点红，当植物生长到开花期或直至成熟后，将植株整体或地上部从污染点位移除，从而实现去除土壤中Cd和Pb重金属污染物的目的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将一点红种子播种于污染土壤中，或者将一点红植物幼苗移植到Cd、Pb单一或复合污染土壤上，定期浇水，使土壤含水量保持在田间持水量的60-80%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待一点红开花或成熟时将植株整体或地上部从污染点位移除，再种植第二茬一点红，重复操作，直至土壤中Cd和Pb的含量下降至环境安全标准。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于，当土壤中Cd投加浓度达到10mg/kg时，一点红叶部含Cd达到114.5mg/kg,超过了 Cd超积累植物的临界含量；与此同时，当土壤中Pb投加浓度达到700mg/kg时,一点红叶部含Pb达到1315.5mg/kg,超过了 Pb超积累植物的临界含量。
【文档编号】B09C1/00GK103480643SQ201310474040
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】周睿人, 刘维涛, 周启星 申请人:南开大学