專利名稱：一種利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法
技術領域：
本發明涉及污染環境的植物修復技術，具體地說是一種利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法。
背景技術：
土壤是人類獲取食物和其他再生資源的物質基礎[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].甘肅農業大學學報，2001]，是人類賴以生存的自然環境和農業生產的重要資源。隨著世界經濟的發展，人口的增加，環境污染物的排放量與日俱增，環境污染和生態破壞給土壤帶來了嚴重的污染，其中重金屬、有機物污染的土壤面積在不斷增加，這不僅退化土壤肥力，降低農產品產量和品質，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Cd污染是一個全球性問題，污染具有隱蔽性、長期性和不可逆轉性，一旦進入土壤，不易分解、轉化、富集。Cd可在作物的可食部位積累通過食物鏈傳遞給人或動物，對人體健康產生嚴重危害。如世界聞名的骨痛病(Cd中毒)就是典型的例證。據統計，過去50年中，全球排放到環境中的Cd達到2. 20X 104t [文獻3 :Singh O V, Labana S，Pandey G, etal.Phytoremediation:an overview of metallic ion decontamination from soil[J].App1. Microbol. biotechnol, 2003, 61:405-412]，目前我國受:Cd、As、Cr、Pb 等重金屬污染的耕地面積已近2000萬hm2，約占全國耕地總面積的近1/5，其中Cd污染面積近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研究進展[J].生態學報，2001，21 (7) : 1196-1204]。鄰苯 二甲酸 二辛酯[Bis (2-ethylhexyl) phthalate, DNP]作為一種重要的鄰苯二甲酸酯類化合物(phthalate acid esters, PAEs),是最常用的塑料增塑劑之一。近十幾年來，我國塑料大棚和農膜使用量急劇增加。據報道，1991年我國農膜使用面積已達460萬hm2，1995年我國農膜總產量已近60萬t [文獻5 :安瓊，李勇，等.酞酸酯類塑料增塑劑對土壤-作物系統的影響[J]. 土壤學報，1999，36 (I): 118-125]。隨著塑料薄膜的大量使用，越來越多的DNP被釋放進入土壤，已成為在土壤中最常被檢出的有機污染物[文獻 6:Tao S，Deng B S，Hemosin B, et al.1dentification oforganic pollutants in agricultural soils from Tianjin[J] · China FresteniusEnvironmental Bulletin, 1993，2(11) :677-682]。與鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸正二丁酯(DnBP)、鄰苯二甲酸丁基芐酯(BBP)和鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯(DEHP) 5種PAEs化合物共同被美國國家環保署(USEPA)列為“優先控制污染物”[文獻 7 :Tao S，Deng B S, Hermosin B, et al.1dentification of organicpollutants in agricultural soils from Tianjin[J]. China Freseius EnvironmentalBulletin, 1993，2 (11) :677-682 ;文獻8 :孟平蕊，王西奎，徐廣通，等·濟南市土壤中酞酸酯的分析與分布[J]·環境化學，1996，15(5) :427-432]。Cd、DNP大量排放，使土壤遭致污染，生態系統受到破壞，因此，對重金屬-有機物復合污染的治理和修復成為一項十分緊 迫的任務。
在自然界中，污染物很少單獨存在于某一環境中，多具伴隨性和綜合性，往往是 多種污染物進入環境并共存，即多種污染物形成的復合污染[文獻9 :Dahman1-Muller H, Oort F V, Gelie B, et al. Strategies of heavy metal uptake by three plant species growing near a metal amelter [J]. Environmental Pollution, 2000，109:231-238.]。所 謂復合污染是指多元素或多種化學品，即多種污染物對同一介質(土壤、水、大氣、生物)的 同時污染[文獻10 :陳懷滿，鄭春榮.復合污染與交互作用研究——農業環境保護中研 究的熱點與難點.農業環境保護，2002，(4): 192]。目前，在土壤重金屬、有機物污染化學 及重金屬、有機物污染的植物修復研究中，對于植物在單一元素污染情況下對重金屬、有 機物元素的吸收已有較多報道，但對重金屬、有機物共存于同一環境形成的復合污染環境 效應的研究還較少[文獻11 :彭莉，黃亮，李承碑，等.模擬酸雨作用下紫色土鋅鎘復 合污染對萵筍的影響[J].水土保持學報，2006，20 (3): 28-31]。在復合污染情況下，重金 屬-有機污染物將對植物有機體的生物量及其它生物指標產生重要影響，從而改變植物對 各兀素的吸收能力[文獻 12 :Teutsch N, Erel Y, Halicz, et al. Distribution of natural and anthropogenic lead in Mediterranaen soil[J]. Geohimicaet Cosmochimica Acta, 2001, 65(17) :2853-2864]。因此，研究復合污染物在不同濃度水平情況下植物對土壤 元素的吸收，以及不同植物在復合污染情況下吸收能力的變化，對污染土壤的安全利用、土 壤環境質量標準的修訂以及復合污染土壤的植物修復具有理論和實踐意義。
修復重金屬、有機物污染土壤，恢復土壤原有功能，一直是國際上的難點和熱點研 究課題。近年來，世界各國都非常重視污染土壤的修復技術研究[文獻13 =Caccicatore D A, Mcneil M A. Principles of soil biore mediation[J]. Biocyde, 1995, 36(10):61-64 ； 文 獻 14 CapIan J A.The worldwide bioremediation industry:prospects for proits[J]. Trends Biotechnol, 1993, 11:320-323]。目前可用于修復治理土壤污染的技術 很多，主要包括各種物理、化學、物理化學治理技術和生物修復技術。其中，生物修復技術由 于其自身優勢，經常被運用到土壤修復中。生物修復就是利用生物(微生物、植物、動物) 作用，削減、去除環境中污染物或降低污染物毒性，從而恢復土壤功能的生物工程技術。生 物修復技術主要通過兩種途徑來達到對環境中污染物的凈化作用(I)通過生物作用改變 重金屬、有機物在土壤中的化學形態，使重金屬、有機物固定或降解，降低其在環境中的移 動性和生物可利用性；(2)通過生物吸收、代謝達到對重金屬、有機物的削減、凈化與固定 作用。與物理化學修復技術相比，生物修復是一種高效廉價的環境友好技術，治理后不僅能 夠有效阻止對周圍環境的污染，而且能夠美化環境，改變小氣候、水文等條件，還可以產生 一定的經濟效益。
在生物修復技術中，常用于修復治理重金屬、有機物污染土壤的方法主要是植 物修復技術。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境中污染物的一門環境污染治 理技術[文獻15 :唐世榮，B. M. Wilke.植物修復技術與農業生物環境工程.農業工程學 報，1999，15(2) :21-24]。植物修復的對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤及水 體。研究表明，通過植物的吸收、揮發、根濾、降解、穩定等作用，可以凈化土壤或水體中的污染物，達到凈化環境的目的。植物修復的優勢(1)實用范圍廣，在清除土壤中重金屬、有機污染物的同時，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，不破壞土壤生態環境。可通過傳統農業措施種植植物，且可回收重金屬、有機物，減少造成二次污染的機會。(3)植物本身對環境的凈化和美化作用。(4)植物修復過程也是土壤有機質含量和土壤肥力增加的過程，被修復過的土壤適合多種農作物的生長。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用大生物量非超富集蔬菜韭菜(Garlic chives)、空心菜(Swamp Morningglory)、蘿卜(Raphanus sativus L)輪作，修復治理 CcUDNP 復合污染土壤的方法。富集系數小于I的植物，均為非超富集植物，本專利所選擇的蔬菜作物富集系數〈1，均為非超富集植物。所選擇的蔬菜作物再實驗中可大面積種植，且產量較好，在專利中有描述，因此為大生物量非超富集植物。為實現上述目的，本發明技術內容為在Cd、DNP復合污染土壤中種植大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、蘿卜，從而實現去除土壤中過量CcUDNP的目的。在Cd、DNP復合污染土壤中按季節進行韭菜一空心菜一蘿卜輪作，第一茬，在復合污染土壤中種植韭菜，當韭菜生長至成熟期時將植株整體移除收獲。所述在CcUDNP復合污染土壤中種植的韭菜是指將高3 5cm的韭菜幼苗移栽到CcUDNP復合污染土壤中。第二茬，在復合污染土壤中種植空心菜，當空心菜生長至成熟期時將植株整體移除。所述在CcUDNP復合污染土壤中種植的空心菜是指含2-3片展開真葉高5 8cm的空心菜幼苗移栽到CcUDNP復合污染土壤中。第三茬，在Cd、DNP復合污染土壤中種植蘿卜，當蘿卜生長至成熟期時將植株整體移除。所述Cd、DNP復合污染土壤中的蘿卜是指將含2 3片以上展開真葉的蘿卜幼苗移栽到Cd、DNP復合污染土壤中。根據待修復土壤肥力狀況，施用促進韭菜、空心菜、蘿卜生長的氮、磷、鉀肥。在Cd、DNP復合污染土壤中種植的韭菜、空心菜、蘿卜均采用室外栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的6(Γ80%。在Cd、DNP復合污染土壤中種植韭菜，韭菜從污染土壤中吸收Cd、DNP并向地上部轉移，當韭菜成熟時，將植物從污染土壤上移除，并將耕層O-1Ocm進行翻土，再種植第二茬蔬菜作物空心菜，重復以上操作，種植第三茬蔬菜作物蘿卜，重復以上操作，直至土壤中的CcUDNP含量達到環境安全標準。本發明所采用的韭菜，屬百合科多年生草本植物，根莖橫臥，簇生，葉基生，條形，扁平。植株耐移栽，生長迅速，且栽培容易，在我國南北各地均有分布。所用的空心菜，為旋花科，蔓性草本，全株光滑，莖中空，葉互生，橢圓狀卵形或長三角。由于空心菜易種植，不受高溫、暴雨限制，在各地廣泛栽培，尤其在南方被大量種植。所用的蘿卜，屬植物界、十字花科、蘿卜屬，根肉質，長圓形，莖直立，粗壯，圓柱形，具有菜用和藥用價值。蘿卜種植產量較好，品質較優，在我國各地均有種植歷史。本發明實驗表明，韭菜、空心菜、蘿卜對CcUDNP的吸收、累積能力均較好。本發明利用蔬菜對Cd、DNP復合污染土壤的富集作用，從土壤中帶走大量的污染物，并在修復污染土壤的同時，生產符合我國衛生標準的韭菜、空心菜、蘿卜作物，使土壤得以安全利用。
本發明所具有的優點
該方法與傳統的污染土壤治理方法相比，具有投資少、工程量小、技術要求不高等優點。作為一種綠色原位修復技術，通過韭菜-空心菜蘿卜輪作，可大大減少土壤Cd、DNP 造成的復合污染，進而延長土壤的使用壽命，在合理調控的基礎上，提高土壤肥力，促進蔬菜作物的增產增收，并降低肥料的投入成本。另外，選取適當的大生物量非超富集蔬菜作物，在修復過程中不僅不會造成二次污染，還可在保證蔬菜作物品種安全的情況下，利用其生物產量大的優勢，最大限度的吸收、利用、富集、降解土壤中Cd、DNP造成的復合污染。作為大生物量非超富集蔬菜，韭菜、空心菜、蘿卜較其他蔬菜能在治理Cd、DNP復合污染土壤的同時，保證蔬菜的品種，對Cd、DNP的最大富集量并未超過限值(GB2762-2005《食品中污染物限量》)，能在治理土壤污染的同時作為蔬菜供日常食用。
圖1、圖2為在不同濃度的CcUDNP處理下韭菜、空心菜、蘿卜的地上部和根部生物量檢測圖。
具體實施方式
實施例1:盆栽梯度Cd、DNP大生物量非超富集蔬菜作物的確認與模擬應用
盆栽試驗地點在常州市武進區水稻研究所的網室內，該場地在武進區農場，實驗場地周圍沒有污染源 ，是重金屬、有機物未污染區。盆栽試驗土壤采自常州市武進區水稻研究所內無污染區的表層土壤((T20cm)。
本實驗共設8個處理，每個處理重復3次。投加的Cd濃度(mg/kg)分別為0 (對照，未投加)、12、24、36、48、72、96和150，投加的DNP濃度(mg/kg)分別為:0(對照，未投加)、 15、30、45、60、90、120和180。實驗投加的Cd為分析純的CdCl2 *25H20,DNP為分析純，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(CO (NH2)2)、0. 05g/ kg P和0. 115g/kg K (K2HPO4)0將供試土壤風干過4mm篩后，拌入Cd、DNP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干凈，平衡一個月待用。同時進行韭菜育苗，將土壤、沙礫、碎石按照7:2:1的重量份數比例混勻裝入穴盤中，點播韭菜種子，保持土壤濕潤。2(Γ30天后，將高3飛cm的韭菜幼苗選取長勢一致的移入上述處理盆中，每盆3棵。每日根據盆中土壤水分狀況，澆入適當自來水，使土壤含水量經常保持在田間持水量的6(Γ80%左右。空心菜、蘿卜作物的盆栽梯度實驗步驟與韭菜盆栽梯度實驗類似，分別重復以上步驟。
按季節進行韭菜-空心菜-蘿卜輪作，蔬菜生長至成熟后進行收獲，將收獲樣品分為根、莖、葉3部分，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。蔬菜樣品采用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Cd含量，采用高效液相色譜法(HPLC)測定DNP含量。
實驗結果如下
圖1、圖2分別給出了在上述不同濃度的CcUDNP處理下韭菜、空心菜、蘿卜地上部和根部生物量。方差分析表明，與對照(CdO)相比，在Cd投加濃度為12、24、36、48mg/kg的處理中，韭菜、空心菜、蘿卜地上部和根部生物量均未顯著下降，表現出很強的耐性，Cd濃度為12mg/kg，DNP濃度為15mg/kg的處理對韭菜、空心菜、蘿卜生長具有一定的促進作用，但當Cd、DNP復合污染濃度較高情況下，即Cd處理濃度72mg/kg時，DNP處理濃度彡60mg/kg時，蔬菜作物地上部和根部生物量顯著下降(P〈0. 05)，這表明所選取的蔬菜作物對Cd、DNP復合污染的耐性較強，但還是有一定限度，當Cd、DNP復合污染非常嚴重時，蔬菜作物的生長將受到抑制。參見表1、表2可知，在所有Cd、DNP處理中，韭菜、空心菜、蘿卜地上部Cd、DNP富集系數(地上部和土壤中鎘含量的比值)和轉移系數(地上部與根部鎘含量的比值)均較大，顯示了所選大生物量非超富集蔬菜對復合污染土壤具有很好的修復能力。當Cd處理濃度為96mg/kg時，韭菜、蘿卜對Cd地上部富集量達到最大，為O. 43mg/kg、0. 36mg/kg, Cd處理濃度為150mg/kg時，空心菜對Cd地上部富集量達到最大，為O. 036mg/kg。當DNP處理濃度為120mg/kg時，韭菜、空心菜、蘿卜對DNP地上部富集量達到最大，為7. 35mg/kg、10. 28mg/ kg、10. 54mg/kg。可見，隨著土壤中Cd、DNP投加濃度的增加，韭菜、空心菜、蘿卜對Cd、DNP富集量也增大，當Cd處理濃度彡150mg/kg,DNP處理濃度彡120mg/kg,蔬菜對CcUDNP復合污染土壤的富集量降低。表I盆栽實驗條件下韭菜、空心菜、蘿卜對Cd的累積特征(mg/kg)
處JfIkt-空心菜蘿卜濃度地1: 部根部Wilc 系數猶系數地1: 邰根部雛系數轉移系數地I'. 部報 ,Yif il\>詁集系數轉移系數O0,130,19—0.6800070.0150.470.030.130.23120.150.240.380.630Λ110.021η 97 \β tΛ d % * Jmm0.040.170.450.24Od0,210.330.440.640.0130.0250.430.520.120.260.480.46360.260,420.510.620,0190,0300.390.630.170.310.560.55480.320.470.560.680.0220,0360.460.610.250.420.590.59720.340.510.630.670.0250.0420.540.600.280.470.620.60960.430.550.670.780.0330.0470.550.700,360.580.650.621500.300.460.520.650.0360.0500.610.720.200.380.570,53表2盆栽實驗條件下韭菜、空心菜、蘿卜對DNP的累積特征(mg/kg)
權利要求
1.一種利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法，其特征在于在CcUDNP復合污染土壤中輪作種植韭菜、空心菜、蘿卜。
2.根據權利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修復治理CcUDNP復合污染土壤的方法，其特征在于所述在Cd、DNP復合污染土壤中輪作種植韭菜、空心菜、蘿卜，當成熟后整體移除。
3.根據權利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修復治理CcUDNP復合污染土壤的方法，其特征在于所述種植韭菜是指將高3 5cm的韭菜幼苗移栽到CcUDNP復合污染土壤中；種植空心菜是指含2-3片展開真葉高5 8cm的空心菜幼苗移栽到CcUDNP復合污染土壤中；種植蘿卜是指將含2 3片以上展開真葉的蘿卜幼苗移栽到CcUDNP復合污染土壤中。
4.根據權利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法，其特征在于在CcUDNP復合他污染土壤中種植的韭菜、空心菜、蘿卜采用室外栽培，定期澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的60°/Γ80%。
5.根據權利要求1所述的利用大生物量非超富集蔬菜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法，其特征在于在Cd、DNP復合污染土壤中輪作種植韭菜、空心菜、蘿卜，韭菜從復合污染土壤中吸收Cd、DNP并向地上部轉移，當韭菜長至成熟期時，將韭菜從污染土壤上移除，再種植第二茬空心菜，重復以上操作，再種植第三茬蘿卜，重復以上操作，直至土壤中 Cd、DNP含量達到環境安全標準。
全文摘要
本發明涉及一種污染環境的植物修復技術，具體地說是一種利用大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、蘿卜修復治理Cd、DNP復合污染土壤的方法。本發明利用大生物量非超富集蔬菜韭菜、空心菜、蘿卜吸收富集復合污染土壤中的Cd、DNP，并向上轉運到地上部，當蔬菜生長到成熟期將蔬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；通過輪作韭菜-空心菜-蘿卜，重復上述過程，就可以連續提取污染土壤中的Cd、DNP，直到其含量達到環境安全標準。該方法具有工程量小，不破壞土壤理化性質，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點。
文檔編號B09C1/00GK102989749SQ201210512349
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者楊彥, 趙潔, 李定龍, 陸曉松 申請人:常州大學, 常州水木環保科技有限公司