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1、(10)申请公布号 CN 102989757 A (43)申请公布日 2013.03.27 C N 1 0 2 9 8 9 7 5 7 A *CN102989757A* (21)申请号 201210562073.0 (22)申请日 2012.12.21 B09C 1/00(2006.01) (71)申请人南开大学 地址 300071 天津市南开区卫津路94号 (72)发明人高志强 周启星 (74)专利代理机构天津佳盟知识产权代理有限 公司 12002 代理人侯力 (54) 发明名称 一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水 水体的方法 (57) 摘要 一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水 水体。
2、的方法,禾本科植物野古草是研究首次发现 的一种潜在锡(Sn)超积累植物,可利用其修复Sn 污染土壤和浅水水体,具体是将野古草幼苗栽种 于Sn污染土壤或水体中,利用其自身吸收积累和 代谢功能对环境介质中的Sn污染物进行稳定、吸 收和富集,待长至成熟后可将其地上部收割处理, 待下一茬植株发芽并完成新的生命周期,重复实 施该步骤即可实现逐步去除土壤或水体中Sn污 染物的目的。本发明的优点是:通过在Sn污染土 壤或浅水水体中种植野古草,利用其对Sn的超量 富集提取作用,使污染土壤和水体得到修复,具有 费用低廉、不破坏土壤基本结构与功能或水体理 化性质、不引起二次污染等优点。 (51)Int.Cl. 权。
3、利要求书1页 说明书8页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 8 页 1/1页 2 1.一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法,作为国际上首个发现的潜 在Sn超积累植物,其特征在于:在含有高浓度Sn的土壤或水体中,野古草表现出较强的耐 Sn污染胁迫特征和积累特性,其生长过程未受到显著影响,地上部Sn积累量均高于100mg/ kg,是普通植物在同一生长条件下的100倍,转移系数大于1.0;在含污染物Sn的土壤或浅 水水体中种植野古草,通过野古草的根系大量吸收污染土壤或水体中的Sn,并将其转移至 地上部器官;当植物长到开花期或成熟期时,。
4、将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走, 从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。 2.根据权利要求1所述利用野古草植物修复Sn污染土壤和浅水水体的方法,其特征 在于:所述种植野古草是指在土壤或水体中直接播种野古草种子或将幼苗期的野古草移植 在含污染物Sn的土壤或水体中,可采用种子繁殖或者根芽繁殖的培育方式,根据土壤缺水 情况不定期浇水,使土壤含水量保持在田间持水量的40-70%;当植物长到开花期或成熟期 时,可将植物地上部从污染土壤或水体中移走,从而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目 的。 3.根据权利要求1所述利用野古草植物修复Sn污染土壤和浅水水体的方法,其特征在 于:所述种植野古草是。
5、指在含污染物Sn的土壤或水体中采用复种的方式种植野古草,即在 第一茬野古草长到开花期或者成熟期时,将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走,等 待野古草地下根系再次发育成下一茬植株,重复上述过程,直至土壤或水体中的污染物Sn 含量下降至环境安全标准,从而达到快速、彻底去除土壤或水体中污染物Sn的目的。 权 利 要 求 书CN 102989757 A 1/8页 3 一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法 技术领域 0001 本发明涉及重金属毒物锡(Sn)污染土壤或水体的植物修复技术,具体是一种利用 禾本科植物野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修复锡污染土。
6、壤和浅水水体的方 法。 背景技术 0002 随着上世纪以来快速的工业化发展,各种大量的人工化学品被释放到自然环境 中。土壤既是最为重要的环境要素,又是农业生产和城市建设的基础。土壤作为主要的环 境介质成为各类污染物的最大受体,各种有毒物质进入土壤,这不仅对农作物产量以及品 质有不利影响,而且还能通过食物链对人类健康构成重大威胁,并通过物质迁移对大气、水 等其他环境要素产生不利影响,参见文献1:周启星,孔繁翔,朱琳.2004.生态毒理学.北 京:科学出版社:353-386。 0003 Sn是一种有毒有害的重金属元素,Sn及其化合物、合金等被越来越多地用于生产 和生活中,环境Sn污染也随之而来。自。
7、然风化、Sn冶炼加工、含Sn废弃物等都在向环境输 送Sn。环境Sn污染的来源主要有:1)燃煤、石油及固体废物;2)工业或民用含Sn固体和 液体;3)Sn工厂的废水;4)有机Sn化合物稳定剂的各种塑料制品和包装材料;5)船舶含 Sn防腐漆;6)含有机Sn的杀虫剂和海产品制成的磷肥;7)其它含Sn的废弃物,参见文献 2:李桃,詹晓黎.2003.微量元素锡与健康.广东微量元素科学,10(11):7-11。其中,在Sn 矿开采、冶炼过程中存在资源利用有限、废渣中复合重金属污染土壤和地下水、Sn尘对人体 肺部和呼吸系统造成严重危害等环境问题函待解决。 0004 当前,国内外关于有机Sn化合物的来源、污染。
8、和毒性研究较多,参见文献 3:王家林,葛斌,刘丽丽.2009.海洋环境中的三丁基Sn污染.环境监测管理与技 术,21(6):15-19;文献4:王珊珊,冯流.2005.有机锡化合物的毒性效应及其影响因素.安 全与环境学报,5(3):12-15,特别是对于三丁基Sn(TBT)的生物毒性及其对海洋污染的 研究较多,参见文献5:Jenkins S M,Ehman K,Barone S Jr2004.Structure-activity comparison of organotin species:dibutyltin is a developmental neurotoxicant in vitr。
9、o and in vivo.Brain.Res.Dev.Brain.Res.,151(1/2):1-12;文献6: Ciesielski T,WasikA,Kuklik L,et al.2004.Organotin compounds in the liver tissue of marine mammals from the polish coast of the Balticsea.Environ.Sci. Technol.,38(5):1415-1420;文献7:周名江,李正炎,颜天,等.1994.海洋环境中的有 机锡及其对海洋生物的影响.环境科学进展,2(4):67-74,但对于无机S。
10、n的研究较少,只 有少数文献初步分析了无机Sn与疾病之间的关系,参见文献8:曾昭华,曾雪萍.1998.癌 症与土壤环境中Sn元素的关系.土壤与环境,8(4):241-244,至今对于土壤中Sn元素来 源、迁移转化、污染修复等方面的研究很少,尤其是Sn超积累植物的筛选,至今在国际上几 乎无人做过这方面的研究。 0005 世界各国对土壤重金属污染十分重视,采取了各种各样的修复方法,如消除重金 说 明 书CN 102989757 A 2/8页 4 属毒性的固化技术、玻璃化技术,治理挥发性重金属的电动力修复技术等。但这些技术对污 染场地破坏较大,治理费用昂贵,且存在着运输、储存、回填等新的环境问题,在。
11、小面积或重 污染土壤处理中作用很大,甚至不可替代,但对于面积巨大、污染程度较轻的污染土壤来说 则难以应用。因此,人们寄希望于费用较低、修复效果又好的革新技术植物修复技术,参见 文献9:周启星,魏树和,张倩茹等编著.生态修复.中国环境科学出版社.2006。 0006 植物修复(Phytoremediation)是近几十年来发展起来的环境污染治理技术,它 利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发环境中的污染物质,就像一座“绿 色清洁工厂”一样将污染物质加工成可直接去除的物质形态或转化为毒性小甚至无毒的物 质,从而对污染环境进行彻底的治理;它具有不引起地下水二次污染,使污染土壤与水体可 持。
12、续利用和美化环境等特点,因而也是一项非常理想的绿色修复技术。植物修复的应用范 围相当广泛,几乎涉及到污染环境治理的各个方面,既可以净化空气和水体,又可以清除土 壤中的污染物质,参见文献10:周启星,宋玉芳等著.污染土壤修复原理与方法.科学出版 社,2004。 0007 目前国内外有关植物修复技术方面的研究已有许多报道。从已报道的修复植物来 看,大部分采取野外采样法,即到重金属污染较为严重的矿区及周围地区采集仍能正常生 长的植物即耐性较强的植物,并分析其各器官的重金属含量,涉及藻类植物、蕨类植物、裸 子植物和被子植物,既有草本植物,也有木本植物。迄今为止,已发现的超积累植物有400 多种,参见文。
13、献11:何章莉,潘伟斌.2004.受污染土壤环境的植物修复技术.广东工业大 学学报,21(1):56-62,但已报道超积累植物的种类仍然非常有限,关于重金属超积累花卉 植物的相关报道更是少见。因此,如果能从物种繁多的花卉资源中筛选出对污染土壤修复 有重要意义和作用的超积累花卉植物,则将为植物修复开辟一条新的途径。 0008 重金属污染土壤的植物修复是指利用植物及其根际微生物体系的提取、挥发和 转化固定作用去除污染土壤中的重金属,或将重金属稳定在污染现场防止其对地下水及 周围环境造成更大的污染。植物修复主要包括植物提取(Phytoextraction)、植物挥发 (Phytovolatiliza。
14、tion)、根际滤除(Rhizofiltration)和植物稳定(Phytostabilization) 四种作用方式,其中,植物提取方面的研究日益受到人们的关注,参见文献12:chaneyR. L.,MalikM.,LiY.M.,et al.1997.Phytoremediation of soil metals.Current opinions in Biotechnology.8:279-284。植物提取,即利用重金属富集植物特别是超富集植物从污 染土壤中超量吸收一种或几种重金属,并将其转移、贮存到茎、叶等地上部器官,随后将植 物整体包括部分根部收获并集中处理,然后再连续种植,直至土壤中。
15、重金属浓度降低到环 境安全水平。 0009 超积累植物(Hyperaccumulator)也叫超富集植物,这一定义最初是由 Brooks等提出的,当时用以命名茎中Ni含量(干重)大于1000mg/kg的植物参见文 献13:Brooks RR,Lee J,Reeves R D.1977.Detection of nickliferous rocks by analysisof herbarium species of indicator plants.Journal of Geochemical Exploration,7:49-77。现在超积累植物的概念已扩大到植物对所有重金属元素的超量积 累。
16、现象,即是指能超量积累一种或同时积累几种重金属元素的植物。现一般认为,参见 文献14:Chaney RL,Malik M,Li YM.1997.Phytoremediation of soil metals.Current Opinions in Biotechnology,8:279-284;文献15:Brooks RR,Chambers MF,Nicks 说 明 书CN 102989757 A 3/8页 5 LJ,Robinson BH.1998.Phytoming.Trends in Plant Science,3(9):359-362。超积累植物 应同时具备以下三个特征:一是植物地上部。
17、分如茎或叶的重金属含量是普通植物在同一生 长条件下的100倍,其临界含量分别为Zn、Mn10000mg/kg、Cd100mg/kg、Au1mg/kg,Pb、Cu、 Ni、Co、As均为1000mg/kg;二是植物地上部分的重金属含量大于其根部该种重金属含量; 三是植物对重金属具有较强的耐性,即植物的生长没有出现明显的毒害症状;四是植物地 上部分对某种重金属的富集系数大于1,至少当土壤中重金属含量与超积累植物应达到的 临界浓度水平相当时,地上部分主要是茎或叶富集系数大于1。 0010 Sn超积累植物的临界含量至今在国际上尚无确定;与此同时,国际上至今尚未有 人发现Sn超积累植物。由于一般植物体S。
18、n含量在1.0mg/kg左右,参见文献16:甘凤伟, 方维萱,王训练,等.2008.锡矿尾矿库土壤-食用马铃薯和豌豆中重金属污染状况.生 态环境,17(5):1847-1852,还有一些药材中的Sn含量更少,约为0.1-1.0mg/kg之间,但一 些蔬菜中的Sn平均含量较高,约为6.0mg/kg左右,参见文献17:陈源高,陈开宁,戴全裕, 等.2006.5种水培蔬菜对金属元素富集水平研究.生态与农村环境学报,22(1):70-74。因 此,我们初步建议,Sn超积累植物的临界含量大致为100mg/kg。 发明内容 0011 本发明的目的在于针对上述技术现状和存在问题,提供一种费用低廉、可操作性 。
19、强、不破坏土壤基本结构与功能或水体理化性质、不引起二次污染、且对防止污染土壤风 蚀、水蚀均有良好效果的利用野古草(Arundinella anornala Steud.)植物修复锡污染土 壤和浅水水体的方法。 0012 本发明的技术方案: 0013 一种利用野古草植物修复锡污染土壤和浅水水体的方法,作为国际上首个发现的 潜在锡(Sn)超积累植物,在含有高浓度Sn的土壤或水体中,野古草表现出较强的耐Sn污 染胁迫特征和积累特性,其生长过程未受到显著影响,地上部Sn积累量均高于100mg/kg, 是普通植物在同一生长条件下的100倍,转移系数大于1.0;在含污染物Sn的土壤或浅水 水体中种植野古草。
20、,通过野古草的根系大量吸收污染土壤或水体中的Sn,并将其转移至地 上部器官;当植物长到开花期或成熟期时,将植物地上部器官从污染土壤或水体中移走,从 而实现除去土壤或水体中污染物Sn的目的。 0014 所述种植野古草是指在土壤或水体中直接播种野古草种子或将幼苗期的野古草 移植在含污染物Sn的土壤或水体中;可采用种子繁殖或者根芽繁殖的培育方式,根据土壤 缺水情况不定期浇水,使土壤含水量保持在田间持水量的40-70%;当植物长到开花期或成 熟期时,可将植物地上部从污染土壤或水体中移走,从而实现除去土壤或水体中污染物Sn 的目的。 0015 所述种植野古草是指在含污染物Sn的土壤或水体中采用复种的方式。
21、种植野古 草,即在第一茬野古草长到开花期或者成熟期时,将植物地上部器官从污染土壤或水体中 移走,等待野古草地下根系再次发育成下一茬植株,重复上述过程,直至土壤中的污染物Sn 含量下降至环境安全标准,从而达到快速、彻底去除土壤或水体中污染物Sn的目的。 0016 本发明的优点是:本发明采用的禾本科植物野古草是通过科学实验从多种花卉植 物中筛选出来的,野古草是一种多年生草本,耐性强、易于生长和培育,在自然环境中常生 说 明 书CN 102989757 A 4/8页 6 于山坡灌丛、道旁、林缘、田地边及水沟旁,而且,水培试验和土壤盆栽试验均表明野古草具 有较强的耐Sn污染胁迫特征和积累特性,因此用其。
22、修复Sn污染的土壤和浅水水体。 0017 科学实验证明野古草在生长、发育和成熟的整个过程中都表现出良好的耐Sn污 染胁迫特征,地上部Sn积累量均高于100mg/kg,是普通植物在同一生长条件下的100倍, 转移系数均大于1.0,大体符合超积累植物的临界含量标准,是世界上首次发现的一种潜在 Sn超积累或超富集植物。本发明利用禾本科植物野古草对Sn的超量富集提取作用,通过 在Sn污染的土壤或浅水水体中种植这种植物,使污染土壤和水体得到修复,与传统技术相 比,既不破坏污染土壤或水体的结构和理化性质,又大大降低了修复费用,具有广阔的应用 前景。 具体实施方式 0018 实施例1:土壤盆栽浓度梯度试验 。
23、0019 盆栽实验地点设在南开大学泰达学院生态实验室内,该试验场地周围没有污染 源,是重金属未污染区。该试验点地处天津市滨海新区,属于大陆性季风气候,并具有海洋 性气候特点:冬季寒冷少雪;春季干旱多风;夏季气温高、湿度大、降水集中;秋季秋高气 爽、风和日丽。全年平均气温12.3。年平均降水量566.0毫米,降水随季节变化显著,冬 春季少,夏季集中。实验用土取自天津市宝坻区王卜庄镇(村)农田表层(0-20cm),土壤类 型为潮土。 0020 利用野古草植物修复Sn污染土壤的具体试验步骤如下: 0021 1)取前述风干农田土壤过5目筛后,装入口径为20cm的花盆中,每盆装1800g土 壤,并将固体。
24、态分析纯SnC1 2 2H 2 O加入花盆中与土壤充分混合均匀。参照我国国家土壤环 境质量标准和某Sn矿山场地污染Sn浓度,设置盆栽试验的浓度梯度为5个处理,分别为对 照(CK,不投加Sn)及4个不同的Sn投加浓度,Sn投加浓度(以SnC1 2 2H 2 O形式计)分别 为:200mg/kg、500mg/kg、1000mg/kg、2000mg/kg,并分别标记为Tl、T2、T3、T4,Sn以固态形 式加入到土壤中,充分混匀,平衡四周后待用。 0022 2)将购买的实验幼苗移栽到每个装有Sn污染土壤的花盆中(包括空白对照组),每 盆栽3株,重复3次,根据盆中土壤的缺水状况不定期浇水(水中未检出S。
25、n),使土壤含水量 保持在田间持水量的40%-70%,为防止污染物淋溶渗漏损失,在花盆下放置塑料托盘。 0023 3)待植物开花成熟后可以收获地上部分进行集中处理: 0024 植物成熟开花后,收获植株,测定株高,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,然后再用蒸馏水冲洗,沥去水分,在105下杀青半小时,70烘干,称 量茎、叶、花(籽实)和根干重;测后再将茎、叶、花(籽实)和根分别粉碎研磨成粉末状,用 微波消解法消解植物样品;分别称取0.30g植物样品放入消解罐中,加入6mL浓HNO 3 和 2mLH 2 O 2 混合液预反应2小时,再放入微波消解仪进行三步消解;待消解完全后,冷却。
26、静置 待消解液无黄烟,定容到10mL容量瓶后,用0.45um微孔滤膜过滤;用原子吸收分光光度计 (AA240FS,VARIAN)测定植株体内各部分总Sn含量,测量波长284.0nm。 0025 重复步骤2)和3),使土壤中的Sn污染物含量达到环境安全标准。 0026 试验结果如下: 0027 1)不同Sn处理浓度下野古草对Sn污染土壤的耐受性 说 明 书CN 102989757 A 5/8页 7 0028 由表1可以发现,在T1、T2、T3和T4处理条件下,野古草的株高与空白(CK)相比 没有显著的变化(p0.05),这表明野古草在Sn污染水体中具有较强的耐性;地上部生物量 和根部生物量的变化。
27、规律与株高表现类似,在T1和T2处理条件下,野古草的地上部生物量 和根部生物量没有很显著的变化(p0.05),T1处理下生物量有所增加,表明野古草对Sn污 染胁迫表现了较强的耐性,并且一定的污染胁迫促进了植物地上部的生长和根的伸长。 0047 表3不同浓度Sn污染水体对野古草生长的影响 0048 0049 综合株高、地上部生物量和根部生物量的测定结果可知,污染水体中的Sn对野古 草的生长影响较小,野古草对Sn的污染胁迫表现了比较强的耐性。 0050 表4中列出了野古草各器官对Sn的积累量、富集系数及转移系数,与对照(CK)相 比,在T1和T2处理条件下,野古草地上部的Sn积累量明显高于根部,转。
28、移系数均大于1,表 现出很强的转移能力;地上部富集系数分别为23.65和42.86,远大于1,完全符合超积累植 物对植物富集系数的要求,这表明野古草对污染水体中的Sn污染物具有很强的富集能力, 这一方面与植物本身的特性有关,另一方面,水体中存在更多的可被植物直接吸收的Sn 2+ , 容易被植物吸收到体内,加之植物体强烈的蒸腾作用,这更有利于植物对水体中Sn的超量 累积。 0051 表4野古草各器官对Sn的富集特征(mg/kg) 0052 0053 结合土壤盆栽浓度梯度试验可知,野古草在Sn污染的土壤和水体中都表现了较 强的耐性和富集转运能力。野古草的生长没有受到Sn污染胁迫的显著影响,表现了很。
29、强的 耐Sn污染胁迫特性;在Sn污染土壤中野古草地上部的最大富集量为124.2mg/kg,在Sn污 染水体中地上部的最大积累量为428.63mg/kg,二者相比而言,野古草在水体中富集系数远 大于1,表现了对Sn更强的富集能力;在Sn污染土壤和水体中,野古草地上部对Sn的转移 说 明 书CN 102989757 A 8/8页 10 系数均大于1.0。 0054 如前述,Sn超积累植物的临界含量至今在国际上尚无确定;并且我们初步建议Sn 超积累植物的临界含量大致为100mg/kg。从土壤盆栽浓度梯度实验和水培试验中可以发 现,野古草对重金属Sn污染土壤和水体具有相当强的耐性,对Sn富集能力较强,达到了Sn 超积累植物的临界含量标准(100mg/kg),是普通植物在同一生长条件下的100倍,地上部 转移系数大于1,大致满足超积累植物的主要特征,是潜在的Sn超积累或超富集植物。 0055 因此,作为极富发展潜力的修复植物,再加上必要的物理、化学、生物等强化手段 以提高修复Sn污染土壤的效果,野古草可以应用到Sn污染土壤和浅水水体的实际场地修 复中。这是一项清洁、绿色、环保的修复技术,与传统技术相比,既不破坏土壤基本结构或水 体的理化性质,又大大节约修复成本,具有很广阔的市场发展空间和应用前景。 说 明 书CN 102989757 A 10 。