專利名稱：基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及重金屬污染土壤的植物修復技術(shù)，具體地說是一種利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Pb污染土壤的方法。
背景技術(shù)：
土壤是人類獲取食物和其他再生資源的物質(zhì)基礎[文獻1:劉秀梅，聶俊華，王仁慶.植物修復重金屬污染土壤的研究進展[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2001]，是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，環(huán)境污染物的排放量與日俱增，環(huán)境污染和生態(tài)破壞給土壤帶來了嚴重的污染，其中重金屬污染的土壤面積在不斷增加，這不僅退化土壤肥力，降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，還通過食物鏈危及人類的生命健康[文獻2:丁佳紅，劉登義，儲玲，等.重金屬污染土壤植物修復的研究進展和應用前景[J] ·生物學雜志，2004，21(4) : 8-9]。
土壤Pb污染是一個全球性問題，污染具有隱蔽性、長期性和不可逆轉(zhuǎn)性，一旦進入土壤，不易分解、轉(zhuǎn)化。Pb可在作物的可食部位積累通過食物鏈傳遞給人或動物，對人體健康產(chǎn)生嚴重危害。據(jù)統(tǒng)計，過去50年中，全球排放到環(huán)境中的Pb達到7. 83X 104t [文獻 3 Singh O V, Labana S，Pandey G，et al. Phytoremediation:an overview of metallic ion decontamination from soil[J]. App1. Microbol. biotechnol, 2003，61:405-412]， 全世界平均每天排放Pb500萬t，目前我國受Pb污染的耕地面積近1000萬hm2[文獻4:韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術(shù)研究進展[J].生態(tài)學報，2001, 21 (7) : 1196-1204]。Pb大量排放，使土壤遭致污染，生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，因此，對重金屬Pb污染的治理和修復成為一項十分緊迫的任務。
研究表明，土壤中重金屬對環(huán)境影響的大小不僅取決于重金屬的總量，還取決于重金屬的生物有效性。重金屬的生物有效性(BioavaiIabiIity)是指重金屬能被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的性狀，可由間接的毒性或生物體濃度數(shù)據(jù)評價，不同形態(tài)的重金屬具有不同的生物有效性。重金屬在土壤中以不同的方式與各組分相聯(lián)系，因而形成了不同形態(tài)的重金屬，從而決定了重金屬的移動性和生物利用率有可能表現(xiàn)出不同的活性和生物毒性[文獻 5 :Kong Q X(孑L慶新).The distribution of a few heavy metals’ chemical forms in soil body. Environmental Protection of Agriculture(in Chinese)(農(nóng)業(yè)環(huán)境保護)，1994，13(4) :152-157]。Tessier等將重金屬形態(tài)分為以下五種可交換的離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)[文獻6 : Tessier A, Campbell P G C，Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J] · Anal. Chem, 1979，51(7):844-851]。 重金屬在土壤中富集，會對植物產(chǎn)生危害，但植物體內(nèi)的重金屬含量往往與土壤中重金屬總量并不相關(guān)。不同形態(tài)的重金屬被釋放的難易程度不同，生物可利用性也不同，有效性大小也不一樣。研究表明可交換態(tài)的重金屬在中性條件下最為活躍，最易被釋放也最容易發(fā)生反應轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)，最易為生物所利用；碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬在不同PH條件下能夠發(fā)生移動，可能造成對環(huán)境的二次污染。鐵錳氧化物態(tài)可在還原條件下釋放；有機物結(jié)合態(tài)釋放過程緩慢；而殘渣態(tài)的重金屬與沉積物結(jié)合最牢固，用一般的提取方法不能提取出來，它的活性最小，只能通過漫長的分化過程釋放，因而有效性也最小[文獻7 =CaoA,Crucci A, Lai T, et al. Effect of biodegradable chelating agents on heavy metals phytoextraction with Mirabilis jalapa and on its associated bacteria. Eur. J. Soil Biol, 2007,43:200-206]。因此，對土壤重金屬的治理主要是去除土壤中水溶態(tài)、可交換的離子態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，而對殘渣態(tài)重金屬由于其所占含量不多，且吸收提取較難，可不被考慮。
對于重金屬污染土壤的修復，使其恢復土壤原有功能，一直是學術(shù)界重點研究的課題。近年來，世界各國都非常重視對污染土壤的修復技術(shù)的研究。目前可用于修復治理土壤污染的技術(shù)很多，主要包括各種物理、化學、物理化學修復技術(shù)和生物修復技術(shù)。其中， 生物修復技術(shù)由于其自身優(yōu)勢，經(jīng)常被運用到土壤修復中。廣義的生物修復，指一切以利用生物為主體的環(huán)境污染的治理技術(shù)。它包括利用植物、動物和微生物吸收、降解、轉(zhuǎn)化土壤和水體中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，也包括將污染物穩(wěn)定化，以減少其向周邊環(huán)境的擴散。一般分為植物修復、動物修復和微生物修復三種類型。
在生物修復技術(shù)中，常用于修復治理重金屬污染土壤的方法主要是植物修復技術(shù)。植物修復(phytoremediation)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一門環(huán)境污染治理技術(shù)[文獻7: 唐世榮，B. M. Wilke.植物修復技術(shù)與農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程.農(nóng)業(yè)工程學報，1999，15(2) :21-24]。研究表明，通過植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用，可以凈化土壤或水體中的污染物，達到凈化環(huán)境的目的。
植物修復的優(yōu)勢(I)實用范圍廣，在清除土壤中重金屬污染物的同時，可清除污染土壤周圍的大氣、水體中的污染物。
(2)污染物在原地去除，不破壞土壤生態(tài)環(huán)境?？赏ㄟ^傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)措施種植植物，且可回收重金屬，減少造成二次污染的機會。
(3)植物本身對環(huán)境的凈化和美化作用。
(4)植物修復過程也是土壤有機質(zhì)含量和土壤肥力增加的過程，被修復過的土壤適合多種農(nóng)作物的生長。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用大生物量非超富集蔬菜芥菜(Brassica juncea), 修復治理Pb污染土壤的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容為在Pb污染土壤中種植大生物量非超富集蔬菜芥菜，從而實現(xiàn)去除土壤中有效態(tài)Pb的目的。
在Pb污染土壤中連續(xù)種植芥菜，第一季，在Pb污染土壤中種植芥菜，當芥菜生長至成熟期時將植株整體移除收獲。所述在Pb污染土壤中種植的芥菜是指將高2-4cm或含 2-3片展開真葉的芥菜幼苗移栽到Pb污染土壤中。重復以上種植過程。
根據(jù)待修復土壤肥力狀況，在生長期內(nèi)伴隨澆水追肥2-3次，使用氮磷鉀復合肥。在Pb污染土壤中種植的芥菜采用室外栽培，適時澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的 6(Γ80%。在Pb污染土壤中種植芥菜，芥菜從污染土壤中吸收Pb并向地上部轉(zhuǎn)移，當芥菜成熟時，將植物從污染土壤上移除，并將耕層O-1Ocm進行翻土，再種植第二季芥菜，重復以上操作，直至土壤中的Pb含量達到《土壤環(huán)境質(zhì)量安全》標準。
本發(fā)明所采用的芥菜，原產(chǎn)于我國，屬十字花科蕓薹屬。薺菜的主側(cè)根分布在約 30cm的土層內(nèi)，莖為短縮莖。葉片著生短縮莖上，有橢圓、卵圓、披針等形狀。葉色綠、深綠或紫紅等。葉面平滑或皺縮。葉緣鋸齒或波狀等。實驗表明，芥菜對Pb的吸收、累積能力均較好。
本發(fā)明基于重金屬生物有效性，種植蔬菜作物芥菜，通過芥菜從土壤中帶走有效態(tài)Pb，使Pb污染土壤得到修復，同時，生產(chǎn)符合我國食品衛(wèi)生標準的芥菜作物。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點
(I)該方法與傳統(tǒng)的污染土壤治理方法相比，具有投資少、工程量小、技術(shù)要求不聞等優(yōu)點。
(2)作為一種綠色原位修復技術(shù)，通過芥菜多季種植，可大大減少Pb對土壤造成的污染，進而延長土壤的使用壽命，在合理調(diào)控的基礎上，提高土壤肥力，促進蔬菜作物的增產(chǎn)增收，并降低肥料的投入成本。(3)另外，以Pb的生物有效性為基礎，通過種植芥菜吸收累積其有效態(tài)，將土壤中有效態(tài)Pb充分去除。
具體實施方式
實施例1:盆栽梯度Pb大生物量非超富集芥菜作物的確認與模擬應用
盆栽試驗地點在常州市武進區(qū)水稻研究所的網(wǎng)室內(nèi)，該場地在武進區(qū)農(nóng)場，實驗場地周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。盆栽試驗土壤采自常州市武進區(qū)水稻研究所內(nèi)無污染區(qū)的表層土壤((T20cm)。
本實驗共設5個處理，每個處理重復3次。投加的Pb濃度(mg/kg)分別為0 (對照，未投加)、100、300、500和1000。實驗投加的Pb以Pb(AC)2 · 3H20固體形式溶于丙酮溶劑(分析純)，并施入一定濃度的氮、磷、鉀肥作為底肥0. 16g/kgN、0. 05g/kg P和O. 115g/ kg K。將供試土壤風干過4mm篩后，拌入Pb和底肥，充分混勻后裝入塑料盆(直徑20cm，深 15cm)中，每盆裝土 2. 5kg (以烘干土計)，置于陰涼處讓丙酮自然揮發(fā)干凈，平衡一個月待用。供試作物為包心芥菜。一月后播種，出苗后定株為10株/盆，每日根據(jù)盆中土壤水分狀況，澆入適當自來水，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的6(Γ80%左右，50d后收獲。
收獲后的芥菜樣品分為地上部和地下部(根部)，分別用自來水充分沖洗以去除粘附于蔬菜樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，浙去水分，在85°C殺青I小時，然后在65°C下烘干至衡重，稱量干重后粉碎備用。樣品采用HNO3-HClO4法消化(二者體積比為3:1)，用原子吸收分光光度計測定其中的Pb含量。植物分析測定芥菜干物重及其地上部、地下部(根部)各形態(tài)Pb含量。土壤風干后，分別制取過Imm和O. 25mm尼龍篩的土樣， 測定每盆土壤中Pb的總量及各個形態(tài)的含量。
實驗結(jié)果如下
由表I可知，在試驗土壤中，各形態(tài)Pb含量呈現(xiàn)不同增長趨勢，，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)Pb含量增幅較大，可交換離子態(tài)的含量變化很小。隨Pb添加量的增加，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)在土壤中所占的比例增加，其余3態(tài)卻有減少趨勢。其中碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)占絕對優(yōu)勢，兩者之和達709Γ90%，其次為可交換的離子態(tài)，殘渣態(tài)幾乎沒有?？梢?，土壤中Pb具有生物有效性，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)、可交換的離子態(tài)占Pb總量最大，且隨添加濃度增加其量總體呈現(xiàn)增加趨勢。治理土壤中Pb，主要考慮其有效態(tài)含量，重點富集碳酸鹽結(jié)合態(tài)、 水溶態(tài)、可交換的離子態(tài)Pb。
表I 土壤中各形態(tài)Pb的分布
權(quán)利要求
1.一種基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復，其特征在于在Pb 土壤中輪作種植芥菜，從而實現(xiàn)去除土壤中有效態(tài)Pb的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復，其特征在于所述在Pb污染土壤中輪作種植芥菜，當成熟后整體移除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復，其特征在于所述在Pb污染土壤中種植芥菜是指將含2 4片展開真葉的芥菜幼苗移栽到Pb、污染土壤中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復，其特征在于 在Pb污染土壤中種植的芥菜采用室外栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的 60% 80%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物有效性的土壤Pb污染的植物修復，其特征在于在 Pb污染土壤中輪作種植芥菜，芥菜從Pb污染土壤中吸收Pb并向地上部轉(zhuǎn)移，當芥菜長至成熟期時，將芥菜從污染土壤上移除，再種植第二季，重復以上操作，再種植第三季，重復以上操作，直至土壤中Pb含量達到環(huán)境安全標準。
全文摘要
本發(fā)明涉及污染環(huán)境的植物修復技術(shù)，具體地說是一種利用大生物量非超富集蔬菜芥菜修復治理Pb污染土壤的方法。本發(fā)明利用大生物量非超富集蔬菜芥菜吸收富集Pb污染土壤中有效態(tài)Pb，并向上轉(zhuǎn)運到地上部，當芥菜生長到成熟期將芥菜整體移除并作為日常食用蔬菜使用，從而達到保證蔬菜品種的同時治理污染土壤；通過芥菜的種植，重復上述過程，就可以連續(xù)提取污染土壤中的Pb，直到其含量達到環(huán)境安全標準。該方法具有工程量小，不破壞土壤理化性質(zhì)，無二次污染，且可以在治理復合污染土壤的同時保證蔬菜的品種等優(yōu)點。
文檔編號A01B77/00GK102986442SQ20121054848
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者楊彥, 李定龍, 唐琳, 尹芳華, 趙潔 申請人:常州大學, 常州水木環(huán)?？萍加邢薰?br>