一种联合乙二胺二琥珀酸与荻修复镉污染土壤的方法与流程

本发明属于植物修复污染土壤技术领域，具体涉及一种联合乙二胺二琥珀酸与荻修复镉污染土壤的方法。

背景技术：

由于采矿、冶炼、燃料燃烧、废物焚烧及人工施肥等人类活动，使得大量重金属进入到环境中。调查显示，我国土壤重金属污染中镉污染最为严重，点位超标率(指土壤超标点位的数量占调查点位总数量的比例)达到7.0％。在随机采购的大米样品中，有10％左右存在镉超标问题。镉通过空气、水体、食物进入人体后，主要贮存于肝、肾等组织中，自然排泄十分缓慢，半衰期很长，危害极大。20世纪40年代，在日本富山县神通川流域出现的震惊世界的“骨痛病”正是因为镉污染引起。可见，治理镉污染土壤刻不容缓。目前，治理重金属污染土壤的方法主要包括工程治理法、化学治理法、农业治理法和生物治理法四种。近些年兴起的植物修复技术属于生物治理方法，该技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一项环境治理技术。植物修复是污染治理工程中一个非常有吸引力的技术，与物理的、化学的和微生物的治理方法相比，其具有独特的优点，主要包括：治理成本低、治理过程原位(对环境扰动小)、治理效果永久、可大面积开展以及可净化与美化环境等。合适的修复植物是应用该方法的前提和关键，超积累植物多为野生型，其生物量往往较低且对环境要求较苛刻，实际应用潜力不高。适应性强、生物量高、耐性与积累特性较强的非超积累植物成为当前研究的热点。荻(Miscanthus sacchaiflorus)是禾本科芒属多年生C4植物，生物量高、适应性强、再生能力强，是一种重要的能源植物。田如男等研究了Cu、Cd单一胁迫下荻种子的萌发及幼苗生长情况。张杰等研究了Cu胁迫对荻的影响及荻体内铜积累情况。Zhang等从荻根状茎开始培养，研究了Cd胁迫下荻生理、生长及体内镉积累特征。综合上述研究可知，荻虽然在生物量和重金属耐性等方面表现较好，但其对重金属的提取能力相对有限。土壤中的重金属有多种存在形态，其中水溶态和交换态易被植物吸收，但它们的存在比例通常较低，可以通过螯合诱导修复技术改变重金属在土壤中的存在形态，增加土壤中植物有效态重金属的含量，进而提高修复效率。

螯合诱导修复技术基于螯合剂能显著提高植物吸收和积累重金属而备受关注，其基本原理是扰动污染物在土壤液相浓度和固相浓度之间的平衡。土壤通过矿物质的表面吸附作用、腐殖质的络合作用和沉淀反应等固定金属污染物。当螯合剂投加到土壤中后，其和土壤溶液中的重金属离子结合，降低了土壤液相金属离子浓度，为维持金属离子在液相和固相之间的平衡，重金属从土壤颗粒表面解吸，由不溶态转化为可溶态。螯合剂的加入改变了重金属在土壤中的赋存形态，提高了重金属的生物有效性，进而可以强化植物对目标重金属的吸收，增强了植物修复效率。施加螯合剂不但提高了某些植物对重金属的吸收，更重要的是促进了重金属在地上部分的富集，这对植物修复是非常重要的，因为植物修复主要是通过收割植物地上部分来完成的。重金属污染土壤植物提取修复常用的螯合剂有两类：一类是人工合成的鳌合剂，如乙二胺四乙酸(EDTA)、羟乙基替乙二胺三乙酸(HEDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二醇双四乙酸(EGTA)、乙二胺二乙酸(EDDHA)、环己烷二胺四乙酸(CDTA)等；另一类是天然的鳌合剂，主要是一些低分子量有机酸，如柠檬酸、草酸、酒石酸等，也包括无机化合物如硫氰化铵。其中，乙二胺四乙酸(EDTA)是一种最常见的螯合剂，价格较低、强化效果较好，但有研究报道其在环境中较难降解，容易导致活化后的重金属向地下水及周边土壤迁移，造成二次污染。乙二胺二琥珀酸(EDDS)是EDTA的一种天然同分异构体，分子式为C₁₀H₁₆N₂O₈，其具有生物毒性小、可降解性高、螯合能力强等优点，被认为是EDTA的最佳替代品。螯合诱导修复技术具有操作简便、费用较低、效果较明显等优点。螯合诱导植物修复的效应已被相关实践所证实：申请号为200810010350.0的发明专利申请，发明名称为“一种利用螯合剂促进金盏菊积累重金属镉的方法”；申请号为201410048591.x的发明专利申请，发明名称为“一种提高铜污染土壤的植物修复效率的方法”。

用工程法治理土壤重金属污染，对于污染重、面积小的土壤治理效果明显，但对于污染面积较大的土壤工程量大、治理费用高，而且需要特殊的仪器和经过培训的专业人员，操作难度较大，工程治理法还会导致土壤结构破坏和土壤肥力下降，因此实际应用上受到一定的限制。化学治理法是在土壤原位上进行的，简单易行，但并不是一种永久的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中的存在形态，重金属元素仍保留在土壤中，容易再度被活化，危害生物。农业治理法易操作且费用较低，但其有应用局限性，较适用于轻度污染的土壤，且存在修复周期长、效果不明显等问题。对于生物治理法而言，选择合适的生物是该方法的难点和关键点。以植物修复技术为例，超富集植物虽能大量积累重金属，但其生物量往往较小、生长周期较长、对生长环境要求较苛刻，而普通植物可能无上述缺陷，但其对重金属的耐性和富集性有限；此外，由于土壤中的重金属大部分是植物无效性的，不能够被植物吸收，因而在一定程度上限制了修复效率；最后，还应考虑修复植物的后续处理问题。

技术实现要素：

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种联合乙二胺二琥珀酸与荻修复镉污染土壤的方法，操作简便、价格较低、不破坏土壤结构、不引起二次污染、后续处理简便同时又能美化环境。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种联合乙二胺二琥珀酸与荻修复镉污染土壤的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将荻种子播种于镉污染土壤里；

步骤二，在荻培育阶段向镉污染土壤中加入乙二胺二琥珀酸溶液，之后移走荻生长成熟后的地上器官，经留茬后继续生长、收割，循环处理镉污染土壤；其中，加入的乙二胺二琥珀酸溶液的酸碱度与镉污染土壤的酸碱度相同。

由于荻是多年生植物，来年春天，荻地下部可长出新苗，重复上述操作，直至该地土壤镉污染水平达到安全级别。荻的热值高、灰分含量低，因而修复植物的后续处理也较为方便。

所述乙二胺二琥珀酸溶液的浓度为1-5mmol/kg。对于轻度Cd污染土壤，乙二胺二琥珀酸溶液(EDDS)的合适施用浓度范围为1～3mmol/kg。此螯合剂的选择及螯合剂的用量是关键点。针对荻生长培育阶段，加入乙二胺二琥珀酸溶液的浓度优选为1mmol/kg，此时采用乙二胺二琥珀酸处理镉时达到最大的处理效果。

所述乙二胺二琥珀酸溶液的加入时间为移走荻地上器官前的7-15天。

所述方法还包括对播种前的荻种子进行浸泡预处理的步骤。

所述浸泡预处理的温度为25-30℃。在此温度范围内浸泡处理，利于提高荻种子发芽率。

所述乙二胺二琥珀酸溶液的酸碱度采用强碱进行调节。强碱可以为氢氧化钾、氢氧化钠等。

步骤二所述培育阶段的培养条件为温度28-32℃、湿度70％-90％、14h光照及10h黑暗交替培育。此培养条件使得荻生长发育状态更好。

所述荻种子播种的培养方式采用盆栽培养。盆栽培养中花盆的盆底直径为7.5cm、盆口直径为10.5cm、高9.5cm，每盆装含镉污染的土壤0.5kg，播种时每盆15粒荻种子，培养期间不定期交换盆与盆之间的位置以减弱边际效应；培养期间逐步间苗至每盆6株并根据土壤水肥状况，浇水、施肥，满足荻正常水肥需求。

本发明有益效果是：本发明利用可降解螯合剂EDDS活化土壤中镉以增加植物有效性镉含量，并利用多年生能源植物荻根系大量积累并转运部分镉至地上部，实现修复轻度镉污染土壤的目的。

本发明的优点主要体现在修复植物及螯合剂的一些特性上，以下分别阐述它们的优点：

修复植物荻

①环境适应性强。荻是一种典型的先锋植物，耐旱、耐湿、耐贫瘠，它可通过发达的根系迅速生长覆盖地面，常常形成大面积草甸。荻的繁殖能力相当强，可用茎、根状茎、种子进行繁殖。我国是荻草的分布中心，在东北、西北、华北和华东均有分布，资源十分丰富。

②再生能力强。荻是禾本科芒属多年生植物，当荻生长至成熟期时，采取留茬收割方式收获荻，来年春天，荻地下部可再长出新苗，故无需重复播种，省功省力。

③生物量高、热值高。荻是C4植物，植株高大，干物质产量高，热值高，灰分含量低，是一种重要的能源植物。

④用途广泛。荻草用途广泛，可用于环境保护、景观营造、生物质能源、制浆造纸、饲料、药用等。可通过燃烧产生热能继而转换为电能，并从灰烬中提炼、回收重金属，在治理污染的同时也得到了一定的经济效益。

此外，试验表明荻草对重金属有较强的耐性和积累特性。

螯合剂乙二胺二琥珀酸(EDDS)

①活化效果好。EDDS有多个配位原子，能与多种重金属形成可溶性螯合物，能够有效地增加土壤中植物有效性重金属含量，促进植物吸收、积累重金属。

②生物降解快。与人工合成螯合剂相比，EDDS更容易降解，有效避免了活化后的重金属污染周边土壤和进入地下水的风险，有较高的实际应用潜力。

③毒性小。研究表明，EDDS对植物和土壤动物、微生物的毒性都较小，故施加EDDS对生态系统的扰动较小。

④操作简便。螯合剂EDDS不需要进行包膜和其他复杂工艺处理，以溶液灌溉的方式向土壤中添加即可。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明不同浓度EDDS处理7d后土壤中有效态镉含量情况图，图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；

图2是本发明不同浓度EDDS处理下荻体内镉积累量情况图，相同填充柱形图不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1

(1)试验设计

供试植物种子采自安徽师范大学北体育馆附近，挑选籽粒饱满的种子并保存；供试土壤采自安徽师范大学南体育馆附近，采集表层(0-20cm)土壤，其基本理化性质为：pH值7.59，有机质含量1.18g/kg，全镉含量0.83mg/kg。用盆口直径10.5cm、盆底直径7.5cm、高9.5cm的塑料花盆进行试验，每盆装土0.5kg。用分析纯CdCl₂·2.5H₂O提供Cd，以水溶液的形式一次加入，投加浓度为3mg/kg(以Cd²⁺计)，为土壤Cd环境质量三级标准值的3倍。重金属与土壤作用20d后，于2016年2月23日播种(播种前用自来水浸泡种子12-24h)，每盆15粒种子，培养期间不定期交换盆与盆之间的位置以减弱边际效应；逐步间苗至每盆6株；根据土壤水肥状况，适时浇水、合理施肥，满足荻正常水肥需求。培养结束前7d即2016年3月24日投加EDDS，共设4个处理，分别为对照(不投加EDDS)和三个不同的EDDS浓度(单位为毫摩尔每千克土)处理试验，处理浓度为1、3和5mmol/kg，每个处理设三个重复。荻培养阶段于2016年2月23日开始，2016年3月31日结束，共37d。采用人工气候室培养，培养条件为：温度28-32℃、湿度70％-90％、14h光照及10h黑暗，试验地点为安徽师范大学生态学实验室。

将收获的植物样品分为地上和地下两部分，用自来水冲洗以去除粘附于植物上的泥土和污物，再用去离子水冲洗3次，用吸水纸吸干表面水分，用不锈钢剪刀将植物样品剪成小段，于105℃下杀青20min，然后在70℃下烘干至恒重，用不锈钢粉碎机磨细并保存。投加螯合剂EDDS 7d后即2016年3月31日采集土壤样品，剔除土壤中植物残体等杂质，自然风干、压碎并过2mm筛。用HNO₃-HClO₄消煮植物样品；用0.1mol/L NaNO₃溶液振荡浸提法提取土壤中植物有效性Cd；采用日本岛津AA6800型原子吸收分光光度计测定重金属含量。

转运系数＝地上部重金属含量/根部重金属含量；采用Excel2003进行数据处理和图表制作。采用SPSS21的One-way ANOVA(Ducan法)进行差异显著性检验，显著性水平为P<0.05。

(2)试验结果

图1为不同浓度EDDS处理7d后土壤中有效态Cd含量情况，图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，由图可知：随着EDDS投加量的增加，各处理土壤中植物有效性Cd含量显著高于对照(P<0.05)，分别是其19.0、199.5和775倍；各处理之间相比也具有显著性差异(P<0.05)。表明：螯合剂EDDS对土壤Cd的活化能力较强。

由表1可知，随着EDDS浓度升高荻幼苗地上部Cd含量呈现先增加后减小的趋势，在1mmol/kg处理时达最大并显著高于对照和其它EDDS处理(P<0.05)，3、5mmol/kg EDDS处理时荻地上部Cd含量与对照相比无显著差异(P>0.05)；3、5mmol/kg EDDS处理时荻根部Cd含量显著高于对照和1mmol/kg处理时的(P<0.05)；转运系数呈先增大后减小的变化趋势，在1mmol/kg时达最大并显著高于对照和其它各处理(P<0.05)。

综合上述分析，EDDS对土壤Cd的调控能力较强，能显著提高土壤中有效态Cd含量，此外，合适浓度EDDS能显著提高荻体内Cd含量并能促进荻转运Cd。

表1 EDDS对荻幼苗体内镉含量的影响

注：表中数据为均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

实施例2

(1)试验设计

具体试验设计内容参照案例一，不同点如下：镉投加浓度为1mg/kg(以Cd²⁺计)，为镉土壤环境质量三级标准值；荻培养阶段于2016年2月23日开始，2016年5月3日结束，共70天，在培养结束前15天即2016年4月18日投加EDDS。

用精度为0.01mm的游标卡尺测定株高；用奥豪斯AR1140万分之一电子天平测定样品干重；其它指标测定及数据处理方法参照案例一。

(2)试验结果

从表2可以看出：各EDDS处理组荻株高大于对照但差异不具有显著性(P>0.05)；荻地上部与根部干重具有相似的变化规律，即随着螯合剂EDDS处理浓度升高其呈现先减小后增加的变化趋势，二者均在5mmol·kg^-1EDDS处理时达到峰值，分别是对照的1.16和1.42倍，差异显著性分析表明，不同浓度EDDS处理下，荻干生物量与对照之间无显著性差异(P>0.05)。综上，螯合剂EDDS对轻微Cd污染土壤上荻生长无明显抑制作用。

表2 EDDS对Cd镉污染土壤中荻生长的影响

注：表中数据为均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

从表3可知：荻地上部和根部镉含量具有相似的变化规律，即随着EDDS处理浓度升高，其呈现出先增加后减小的变化趋势，在EDDS 1mmol·kg^-1处理时最大并显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的1.73和1.15倍，在EDDS 5mmol·kg^-1处理时最小，此时地上部镉含量是对照的1.05倍但无显著性差异(P>0.05)、根部镉含量显著低于对照(P<0.05)是其47.5％；各E DDS处理组的转运系数均显著高于对照(P<0.05)，分别是其1.49，1.51和2.27倍。表明，1.荻对镉有较强的积累作用，尤其是荻的根部；2.螯合剂EDDS对荻吸收、积累镉表现出低促高抑的现象。3.螯合剂EDDS对荻转运重金属镉有促进作用。

表3 EDDS对荻体内镉含量的影响

注：表中数据为均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

图2为不同浓度EDDS处理下荻体内镉积累量情况，相同颜色柱形图不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，由图可知：随EDDS浓度升高，荻地上部、根部及整株镉积累量有相似的变化规律，呈现出先增加后减小的变化趋势，在3mmol·kg-1时，荻地上部、根部和整株镉积累量达峰值并显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的1.51、1.41和1.44倍，在5mmol·kg-1时，荻根部和整株镉积累量低于对照但不具有显著性差异(P>0.05)。本研究表明合适浓度的EDDS对荻积累镉有促进作用。

综合上述分析，EDDS对荻生长无明显抑制作用且施加适量EDDS可以促进荻积累、转运Cd。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。