一种利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法   0    0

[0001] 本发明属于污染环境的植物修复技术领域，涉及一种利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法。

[0002] 随着工业的发展，城市污染加剧，且随着农业生产的不断进步，重金属伴随着外来有机化合物对土壤的污染日益严重。目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放Hg约1.5万t，Cu为340万t，Pb为500万t，Mn为1500万t，Ni为100万t。重金属污染会导致土壤退化，同时降低农作物的产量和质量，并且重金属随雨水和泥沙通过径流和淋溶作用进入地表水和地下水，造成水体重金属污染。

[0003] 修复重金属污染土壤是指使用一系列技术用以降低土壤中重金属的有效态和活性组分从而达到降低或者清除土壤中的重金属，以恢复土壤生态系统的正常功能，使得土壤中的重金属向食物链或地下河中的转移量减少的技术和方法。植物修复(Phytoremediation)技术是根据植物的生长特性，以具有忍耐和超富集某种或者多种化学元素的能力为理论基础，是利用植物与植物本身生存环境共存的微生物体系净化环境中污染物的一门环境类的污染治理技术，是一门新兴起的应用技术。现如今，国内外针对土壤重金属污染话题的热点主要集中在成本低廉、环境友好型及不会造成土壤二次污染等技术上。根据这些特点，植物修复逐渐出现在人们的视野，并持续被关注与运用，并且这项技术对重金属修复效果的关键取决于修复植物品种的选择和耕种措施的应用。

[0004] 超富集植物是最早被研究者发现并用于修复重金属土壤污染的植物。意大利的植物学家Cesalpino在1583年首次在意大利托斯卡纳发现的“黑色的岩石”上生长的特殊植物，并且在1848年该植物叶片中(干重)富含Ni达7900μg/g(0.79％)被Minguzzi和Vergnano首次测定。研究证明，这些植物是属于地方性的物种，土壤中相关重金属含量是其区域分布相关原因，这一研究对矿藏勘探开发提供了便利。在中国，利用Elsholtzia harchowensis Sun(海州香薷，俗称铜草)寻找铜矿勘探开发被作为基本的有效的开采方法。在1977年，超富集植物的概念由Brooks引用出来；1983年Chaney提出了利用超富集植物净化处理被重金属污染土壤的想法。随着利用超富集植物处理土壤重金属理念的产生，大批的研究学者投入进来，有关超富集植物被越来越多的人所报道，展示在世人眼前的超富集植物也越来越多，为重金属污染土壤的修复指明了方向，同时植物修复技术也显示出了其巨大的商业化前景。然而，现有植物修复技术采用的超富集植物存在以下问题：受季节限制，生长情况差；地上部分生物量低；吸收积累重金属总量少；只对单一重金属有耐性和富集能力；修复后得到的植株只能焚烧，不具备再利用价值，经济效益差；实际应用综合效果差等，这些问题严重限制了植物修复技术在修复重金属污染土壤中的广泛应用。另外，甜叶菊是一种天然的糖类植物，从其植株中提取的菊糖苷是世界公认的是一种低热量、高甜度的天然甜味剂，是食品及药品工业的原料之一，但是至今为止，并没有甜叶菊对重金属的抗性与富集情况的报道，也未见利用甜叶菊修复重金属污染土壤的报道。因此，亟需获得一种操作简单、成本低、经济效益高、修复效果好的利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法。

[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低、经济效益高、修复效果好的利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：将甜叶菊种植在重金属污染土壤中进行栽培，完成对重金属污染土壤的修复。

[0008] 上述的方法，进一步改进的，所述甜叶菊为江甜1号。

[0009] 上述的方法，进一步改进的，所述甜叶菊在4月份～9月份种植。

[0010] 上述的方法，进一步改进的，所述栽培过程中按照草本盆栽的管理方式进行管理，包括对重金属污染土壤进行施肥。

[0011] 上述的方法，进一步改进的，所述施肥的周期为每2个月施肥一次；所述施肥过程中肥料的施加量为每千克重金属污染土壤中施加肥料0.04g～0.12g；所述施肥过程中施加的肥料以水溶性的形式加入到重金属污染土壤中。

[0012] 上述的方法，进一步改进的，所述施肥过程中施加的肥料为复合肥；所述复合肥包括三聚磷酸铵、黄腐酸钾、硝酸铵和氯化钾；所述三聚磷酸铵、黄腐酸钾、硝酸铵和氯化钾的质量比为0.5～1∶0.5～1∶0.25～0.5∶0.25～0.5。

[0013] 上述的方法，进一步改进的，所述栽培过程中还包括以下管理：对重金属污染土壤进行松土和浇水；对甜叶菊进行防冻管理和防病虫害管理。

[0014] 上述的方法，进一步改进的，所述栽培的周期为11个月。

[0015] 上述的方法，进一步改进的，所述重金属污染土壤中的重金属包括Pb、Zn、Cu、Cd中的至少一种。

[0016] 上述的方法，进一步改进的，所述栽培后得到的甜叶菊用于提取菊糖苷。

[0017] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0018] (1)本发明提供了一种利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法，将甜叶菊种植在重金属污染土壤中进行栽培，完成对重金属污染土壤的修复。本发明中，甜叶菊具有对重金属的耐受性强的优点，利用这一特性将甜叶菊直接种植于重金属污染土壤中进行栽培，甜叶菊能在重金属污染土壤中正常生长，没有明显的毒害症状；同时，甜叶菊还具有对多种重金属富集能力强的优点，利用这一特性甜叶菊在自然生长过程中能够将土壤中的重金属吸收、富集到根部、茎部和叶部，通过收割和处理甜叶菊成熟植株，从而去除土壤中的重金属污染物，实现对重金属污染土壤的有效修复。可见，本发明利用甜叶菊处理重金属污染土壤的方法中，甜叶菊对土壤中的多种重金属均有着很强的吸收、富集能力，能够吸收积累大量的重金属，也能同时富集多种重金属，特别的，甜叶菊对于重金属Zn、Cd具有更好的吸收、富集能力，重金属Zn、Cd在甜叶菊中的含量达到了更高的富集水平，因而利用甜叶菊处理重金属污染土壤时，能够有效去除土壤中的重金属污染物，从而达到修复重金属污染土壤的目的。与此同时，由于甜叶菊中菊糖苷的含量高达6％-12％，将修复重金属污染土壤后的甜叶菊(包括根、茎、树皮、叶)用于提取经济价值高、药用价值高的菊糖苷，不仅能够避免甜叶菊可能造成的二次环境污染问题，而且能够带来较好的经济效益，具有较高经济价值和实际应用价值。因此，本发明利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法，具有操作简单、成本低、经济效益高、修复效果好等优点，解决了现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的生物量低、吸收积累重金属总量少、只对单一重金属有耐性和富集能力、经济效益差、植物田间管理繁杂、管理成本高、实际应用综合效果不大等问题。无论从生态学角度，还是从经济学角度，本发明利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法都具有重要的现实意义。

[0019] (2)本发明中，甜叶菊还具有以下优点：对土壤的适应性强，根系发达、生长迅速旺盛，地上部分发达，成熟植株高1-1.3米，生物量大，栽培简单，栽培管理费低，为多年生草本植物，一次种植多年受益，应用前景广。

[0020] (3)本发明中，所用肥料为包括三聚磷酸铵、黄腐酸钾、硝酸铵和氯化钾的复合肥，将该肥料施加到重金属污染土壤中，不仅能提供甜叶菊生长的营养元素，保证其正常生长，同时能活化土壤重金属，促进甜叶菊对重金属元素的吸收，相比其他复合肥，对土壤中重金属的吸收量增加25％-60％。

[0024] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0025] 以下实施例中，所采用的材料和仪器均为市售，若无特别说明，所得数据均是三次以上重复实验的平均值。

[0026] 实施例1

[0027] 一种利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

[0028] (1)取湖南醴陵地区受重金属污染的农田土壤作为重金属污染土壤，具体取样方法为：供试土壤采集于重金属污染农田，采样深度为0～30cm；采用多点取样，混合土样由3个以上分布点样品组成。土壤样品取回后，将土块压碎，除去残根、杂物，铺成薄层，经常翻动；在阴凉、洁净、无污染处自然风干；风干土样用有机玻璃棒或木棒压碎，过80目尼龙筛，用微波消解法测重金属的本底值。该重金属污染土壤为含有重金属Pb、Zn、Cu和Cd的复合污染土壤，各重金属的本底值见表1。

[0029] 表1重金属污染土壤中各重金属的本底值

[0030]重金属 Pb Zn Cu Cd
本底值(mg/kg) 95.53 148.25 23.85 0.82

[0031] (2)取20kg步骤(1)中过筛后的重金属污染土壤装入花盆中，在土壤装盆后保持盆栽土壤的湿润，得到装有重金属污染土壤的花盆。所采用花盆的尺寸为上缘口径33cm、下缘口径30cm、高30cm。

[0032] (3)在步骤(2)得到的装有重金属污染土壤的花盆中进行甜叶菊的实验种植，具体为：在9月份，选择健康的甜叶菊(江甜1号)幼苗(本发明中，甜叶菊也可以采用甜叶菊枝条通过扦插的方式进行种植)种植在步骤(2)花盆中，利用花盆中的重金属污染土壤对甜叶菊幼苗进行栽培11个月。对甜叶菊幼苗的栽培设置三个平行培育实验组，每个培育盆栽中种植4株生根的甜叶菊幼苗。

[0033] 步骤(3)的栽培过程中按照草本盆栽的管理方式进行管理，包括：对盆栽土壤(即为花盆中的重金属污染土壤)进行松土、施肥和浇水；做好对甜叶菊幼苗的防冻措施；做好对生长过程中甜叶菊的病虫害管理。

[0034] 对盆栽土壤的施肥，具体为：在栽培过程中，往盆栽土壤中施加肥料，每2个月施肥一次，其中肥料的施加量为每千克盆栽土壤(重金属污染土壤)中施加肥料0.04g(即0.8克/盆)，施加的肥料以水溶性的形式加入到重金属污染土壤中。所采用的肥料为复合肥，该复合肥中包括三聚磷酸铵、黄腐酸钾、硝酸铵和氯化钾，这四种成分的配比为1∶1∶0.5∶0.5。通过施加上述复合肥，不仅能提供甜叶菊生长的营养元素，保证其正常生长，同时能活化土壤重金属，促进甜叶菊对重金属元素的吸收。与其他肥料相比，本发明对土壤中重金属的吸收量能够增加25％-60％。

[0035] 栽培8个月后(即第二年5月份)，采集甜叶菊的茎和叶，以此作为生长期甜叶菊样品，将甜叶菊的茎和叶分别进行以下处理：用去离子水将甜叶菊各部位清洗3遍，沥干水分后装入信封袋，放入烘箱内。在105℃杀青2小时，然后调至60℃下烘48小时。烘好的植物干样用粉碎机粉碎，用实物样品消解方法处理，根据样品中重金属浓度和仪器最低检测限用石墨炉-原子吸收分光光度计法测定样品中重金属浓度，结果如图1所示。图1为本发明实施例1中生长期甜叶菊的茎、叶中重金属含量的柱状图。

[0036] 栽培完成(即第二年8月份)后，采集成熟期甜叶菊样品。将甜叶菊植株从土壤中挖出，用自来水将植株表面(特别是根部)的泥土彻底清洗干净，不能残留一点土壤。把甜叶菊植株体的各个部位分离开，分别为根、茎、叶，以此作为成熟期甜叶菊的样品。将甜叶菊的根、茎、叶分别进行以下处理：用去离子水将甜叶菊各部分别清洗3遍，沥干水分后装入信封袋，放入烘箱内。在105℃杀青2小时，然后调至60℃下烘48小时。烘好的植物干样用粉碎机粉碎后用实物样品消解方法处理，根据样品中重金属浓度和仪器最低检测限用石墨炉-原子吸收分光光度计法测定样品中重金属浓度，结果如图2所示。图2为本发明实施例1中成熟期甜叶菊的根、茎、叶中重金属含量的柱状图。

[0037] 由图1、2可见，在盆栽种植一段时间后甜叶菊各个部位均出现重金属Pb、Zn、Cu、Cd的积累现象。

[0038] 由图1可知，对于生长期甜叶菊而言，叶部中的重金属含量高于茎部。详细的说：生长期甜叶菊的叶、茎中重金属Cd的含量分别达到了7.521mg/kg和3.958mg/kg，分别为土壤重金属Cd本底值的9.17和4.83倍。另外，叶部中重金属Zn的含量为189.288mg/kg，是土壤本底值得1.27倍。结合土壤重金属本底值来看，甜叶菊对土壤中重金属Cd的富集能力十分显著，其次对重金属Zn有着一定的吸收能力。甜叶菊叶对Pb的富集能力较强。

[0039] 由图2可知，对于成熟期甜叶菊而言，重金属Zn、Cd的含量呈现出叶>茎>根的规律，其中甜叶菊叶、茎、根中重金属Cd的含量分别为5.24mg/kg、5.01mg/kg和3.01mg/kg，分别是土壤重金属Cd本底值的6.39倍、6.114倍、3.667倍。另外，成熟期甜叶菊叶部中重金属Zn的含量高达124.95mg/kg。结合重金属含量和土壤本底值浓度来看，甜叶菊成熟期各个部位均表现出对重金属Cd的高富集能力，叶部对重金属Zn有着一定的富集能力。

[0040] 将本实施例中修复重金属污染土壤后得到的成熟期甜叶菊样品(包括根、茎、叶)用于提取菊糖苷。结果表明，利用修复重金属污染土壤后的甜叶菊(包括根、茎、叶)提取菊糖苷，没有对菊糖苷的品质造成影响，能够提炼品质完好的菊糖苷，获得了纯度高、经济价值高昂的菊糖苷。

[0041] 综合以上结果表明，本发明中，甜叶菊对土壤中的多种重金属均有着很强的吸收、富集能力，用于处理重金属污染土壤时，能够有效去除土壤中的重金属污染物，从而达到修复重金属污染土壤的目的；同时修复重金属污染土壤后的甜叶菊还能用于提取经济价值高、药用价值高的菊糖苷，不仅能够避免甜叶菊可能造成的二次环境污染问题，而且能够带来较好的经济效益，具有较高经济价值和实际应用价值。因此，本发明利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法，具有操作简单、成本低、经济效益高、修复效果好等优点，解决了现有重金属污染土壤修复技术中植物存在的生物量低、吸收积累重金属总量少、只对单一重金属有耐性和富集能力、经济效益差、植物田间管理繁杂、管理成本高、实际应用综合效果不大等问题。无论从生态学角度，还是从经济学角度，本发明利用甜叶菊修复重金属污染土壤的方法都具有重要的现实意义。

[0042] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

[0022] 图1为本发明实施例1中生长期甜叶菊的茎、叶中重金属含量的柱状图。

[0023] 图2为本发明实施例1中成熟期甜叶菊的根、茎、叶中重金属含量的柱状图。