一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用
阅读：443发布：2020-05-16
专利汇可以提供一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种利用博落回修复重金属污染 土壤 的方法及其应用，在重金属钼污染的土壤中种植钼超富集 植物 博落回，采用 生物 量大的钼超富集植物博落回进行重金属污染土壤的 植物修复 ，实现重金属污染土壤的高效、快速、安全修复。由于博落回同时具有药用价值，本发明的方法能够边修复，边收益，具有巨大的利用价值和研究价值。，下面是一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用专利的具体信息内容。
1.一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述方法为在重金属污染的土壤中种植博落回。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重金属污染的土壤为重金属钼或重金属镉污染的土壤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将经消毒的博落回种子置于25℃培养箱中催芽，种子开始露白时播种到装有灭菌的培养基质的穴盆中；
S2：S1所述种子培养成株高为5～10cm幼苗后，连同基质一起移栽到钼污染土壤中，每平方米范围移栽2-6棵；
S3：S2所述的幼苗生长至成熟期，收获种子后将博落回地上部分移除，收获的种子重复S1和S2的操作，连续种植博落回，直至土壤中的重金属钼含量达到环境安全标准。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，S1中所述博落回种子消毒方式为采用30％H2O2溶液浸泡10min。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，S1中所述培养基质为体积比为1:1的蛭石和营养土，所述基质的灭菌条件为110～130℃高压灭菌90～150min。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2中，当小苗增长到株高为15～20cm后，根部追加1次施肥。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述肥料包括磷肥、钾肥和有机生物肥中的一种或多种的混合，所述追加施肥量为每亩20～25千克。
8.博落回在修复重金属钼污染土壤中的应用。
9.博落回在修复重金属镉污染土壤中的应用。
10.权利要求1至7任一项所述的一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法在土壤修复中的应用。
一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用。
背景技术
[0002] 钼是植物体内必需的微量元素，在硝酸盐同化，亚硫酸盐解毒，嘌呤代谢以及脱落酸，植物生长素和葡糖异硫氰酸盐的合成中起着非常重要的作用(Ide et al.,2010)。但是，钼过量也会对动植物造成严重毒害，尤其是哺乳动物，自Ferguson等(1943)首次报道动物因误食高钼草导致钼中毒以来，钼污染问题越来越引起国内外学者的高度重视(McGrath et al.,2010；Lewis and Meeker,2015)。
[0003] 钼矿的大量开采是水体和土壤钼污染的主要来源(Aube and Stroiazzo,2000；Yu et al.,2010；Battogtokh et al.,2014)。但由于钼污染存在着一定的地域性,钼污染对环境的危害以及相应的修复治理并没有引起世界范围内的足够关注。中国钼储量居世界前列，目前已探明钼资源量为2708×104t，其中河南省占20.61％(黄凡et al.,2014)，因此在国内研究土壤钼污染的修复治理具有很重要的研究价值和意义。
[0004] 相对于物理化学修复，植物修复技术是一种更加绿色环保的重金属污染土壤修复技术，其中重金属富集(超富集)植物的筛选和利用是该技术的关键(Salt et al.,1995)。目前，已发现的重金属超积累植物有七百多种，较多的为Ni、Pb和Cd等富集植物(Ghosh and Singh,2005)。此外，一般超积累植物普遍存在着生物量小，生长缓慢的特点，因此寻找一种生物量大的超富集植物显的尤为重要。目前对于钼(超)积累植物研究的报道少之又少，如Haque等(2008)在美国亚利桑那州某铜矿调查发现，沙漠异株菊树(Baccharis
sarothroides Gray)地上部分的Mo含量为105.8mg/kg。Tow等(2016)发现，地毯草(Axonopus compressus(Sw.)Beauv.)在600mg/kg Mo处理下能正常生长且其绿色和黄色叶片上的Mo积累量分别超过了400和4000mg/kg。Boojar等(2011)在对伊朗卡拉季市的钼矿调查发现蓍属(Achilla tenuifollia)和牻牛儿苗(Erodium Ciconium)地上部分对钼的积累分别高达1024和725mg/kg。除了上述美国和伊朗地区之外，其它地区尚未报道发现新的钼富集植物。
sarothroides Gray)地上部分的Mo含量为105.8mg/kg。Tow等(2016)发现，地毯草(Axonopus compressus(Sw.)Beauv.)在600mg/kg Mo处理下能正常生长且其绿色和黄色叶片上的Mo积累量分别超过了400和4000mg/kg。Boojar等(2011)在对伊朗卡拉季市的钼矿调查发现蓍属(Achilla tenuifollia)和牻牛儿苗(Erodium Ciconium)地上部分对钼的积累分别高达1024和725mg/kg。除了上述美国和伊朗地区之外，其它地区尚未报道发现新的钼富集植物。
[0005] 因此采用一种生物量大的钼超富集植物进行重金属污染土壤的植物修复，具有巨大的利用价值和研究价值。
发明内容
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法及其应用，在重金属钼污染的土壤中种植钼超富集植物博落回，实现重金属污染土壤的高效、快速、安全修复。
[0007] 具体技术方案如下：
[0008] 本发明的第一个目的是提供一种利用博落回修复重金属污染土壤的方法，所述方法为，在重金属污染的土壤中种植博落回。
[0009] 进一步的，所述重金属污染的土壤为重金属钼或重金属镉污染的土壤，所述博落回为钼超富集植物。
[0010] 进一步的，所述方法包括以下步骤：
[0012] S2：S1所述种子培养成株高为5～10cm幼苗后，连同基质一起移栽到钼污染土壤中，每平方米范围移栽2-6棵；
[0013] S3：S2所述的幼苗生长至成熟期，收获种子后将博落回地上部分移除，用于药用生物碱提取，提取残渣能够作为生物质用于火力发电。地下部分无法清除，耕地破碎后留在地里作为有机肥。收获的种子重复S1和S2的操作，连续种植博落回，直至土壤中的重金属钼含量达到环境安全标准。
[0014] 进一步的，S1中所述博落回种子消毒方式为采用30％H2O2溶液浸泡10min。
[0015] 进一步的，S1中所述培养基质为体积比为1:1的蛭石和营养土，所述基质的灭菌条件为110～130℃高压灭菌90～150min。
[0017] 本发明的第二个目的是提供博落回在修复重金属钼污染土壤中的应用。
[0018] 本发明的第三个目的是提供博落回在修复重金属镉污染土壤中的应用。在研究过程中，还意外的发现博落回对Cd也具有良好的修复效果，可应用于重金属镉污染土壤的修复。
[0019] 本发明的第四个目的是提供前述的利用博落回修复重金属污染土壤的方法在土壤修复中的应用。
[0020] 进一步的，所述土壤为重金属钼或重金属镉污染的土壤。
[0021] 本发明有益效果在于：
[0022] (1)本发明采用的钼超富集植物博落回具有耐钼(Mo)能力，并且能够富集土壤中的Mo到其地上部分，通过收获其地上部分，实现土壤中大量Mo元素的移除，解决钼污染对环境的危害以及重金属钼污染土壤修复治理问题。
[0023] (2)另外本发明采用的超富集植物博落回，为多年生草本，径高1～4m，生物量庞大，Mo富集量高，具有一般超富集植物无法达到的修复效率。
[0024] (3)博落回一直以来作为药用植物被广泛研究，是一种具有解毒、消肿、杀虫功效的中草药。近些年，随着提取分离技术的发展，其体内富含多种生物碱：血根碱(Sanguinarine)，白屈菜红碱(chelerythrine)，原阿片碱(protopine)，α-别隐品碱(α-Allocryptopine)及β-别隐品碱(β-Allocrytopine)等被提取利用。其中血根碱近些年被大量的研究证明能预防和治理癌症。因此，本发明方法的博落回在成熟后得到的地上部分可以用于药用生物碱提取，提取残渣能够作为生物质用于火力发电；地下部分无法清除，耕地破碎后留在地里作为有机肥。因此采用本发明的方法不但可以利用博落回修复大量钼污染荒废的土壤，还可以产生巨大的经济和社会效益，是一种边修复，边收益的修复方法，这是一般植物修复方法所不具有的优势。
[0026] 图1：实例1中矿区原生富集植物筛选情况；
[0027] 图2：实例2中Mo富集植物种子萌发期对Mo的耐性能力对比图，图中：(A)博落回、(B)虞美人和(C)油菜种子萌发情况；
[0028] A、B、C各组从左往右Mo处理浓度依次为0、25、50、75、100、125mg·L-1[0029] 图3：实例2中博落回对Mo的耐性情况；
[0030] 图中：
[0031] A1：0μM Mo处理；地上部分，放大2000倍；
[0032] A2：0μM Mo处理；地下部分；放大1200倍；
[0033] B1：500μM Mo处理；地上部分，放大2000倍；
[0034] B2：500μM Mo处理；地下部分；放大1200倍。
[0035] 图4：实例3中博落回对Mo的富集能力；
[0036] 图中：不同浓度Mo处理对博落回生物量(A地上、B地下)及重金属富集(C地上、D地下)的影响。
[0037] 图5：实施例4中模拟大田试验设计图。
具体实施方式
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下实施例中所涉及的原料，如无特别说明均为市售，所涉及检测方法如无特别说明，则均为常规方法。
[0039] 实施例1河南栾川矿区污染调查以及超富集(富集)植物筛选
[0040] 对河南栾川某钼矿进行实地采样，共采集14个土壤样品，以及相应采样点上的26个植物样本，通过后期土壤样品以及植物样品体内中重金属含量，初步分析矿区土壤污染情况(表1)，以及得到(超)富集植物，并根据植物分类学对其进行物种确认(表2)。研究结果表明该矿区周边土壤主要存在严重的Mo污染和轻微的Pb和Cd污染，土壤Mo污染最高达到了1314.97mg/kg(表1)。其中博落回对矿区土壤耐性较强，在高污染区只有它能正常生长(如图1)，其地上部分Mo含量达到了704.42mg/kg，转运系数达到了1.766(表2)，我们初步确定博落回为Mo的富集植物。土壤样品及植物样本分析结果如下：
[0041] 表1矿区土壤污染情况
[0042]
[0043] 表2矿区原生Mo富集植物筛选情况
[0044]
[0045] 一般植物体内Mo含量：5mg/kg(Lavado等，2001)；NA(数据不可用)；TF＝地上部元素含量/地下部元素含量；
[0046] BCF＝地上部元素含量/土壤元素含量；AF＝目标植物体内元素含量/一般植物体内元素含量(Yanqun等，2005)实施例2博落回Mo耐性检测
[0047] 对实施例1初步筛选得到的Mo富集植物进行Mo耐性实验，分为：
[0048] 1.种子萌发期对Mo的耐性能力；
[0049] 2.植株生长期对Mo的耐性能力。
[0050] 试验方法：
[0051] 1.种子萌发期对Mo的耐性能力采用培养皿滤纸法测种子萌发：选取博落回的同科植物虞美人和种子萌发耐性较强的油菜种子作为参照植物，挑选该三种植物饱满种子50颗，在3％次氯酸钠溶液中消毒5min，然后用蒸馏水清洗干净。分别将均匀种子摆放在铺有双层滤纸的培养皿上发芽，加入3ml处理液(处理液浓度：0、25、50、75、100、125mg/L)。
[0052] 每个处理4个重复，每个培养皿50粒种子。然后培养皿放在温度为25℃的关照培养箱中，并且具有自然光周期。每24小时记录发芽种子的数量，共记录两周。当新出现的胚根超过2毫米时，种子被认为萌发(Borges等，2016；孙建等，2016)。
[0054] 2.博落回植株生长期的Mo耐性实验：将博落回样品分为0Mo处理组和500μmol/LMo处理组，分别采用水培实验，水培的体系是1.2L的烧杯，Hoagland营养液中分别添加0或500μmol/L的Mo处理，营养液组成成分为2.5mmol/L Ca(NO3)2、2.5mmol/L KNO3、l.0mmol/L MgSO4、0.5mmol/L KH2PO4、20μmol/L Fe-EDTA、4.6μmol/L H3BO3、0.32μmol/L CuSO4、0.71μmol/L ZnSO4、11.1μmol/L MnCl2、0.38μmol/L H2MoO4。
[0055] 博落回样品生长在可控的温室中，培养条件如下：昼夜温度15/25℃，相对湿度60-80％，光照时间12小时，光照强度400μmol m-2s-1。培养7天，通过投射电镜(JEOL TEM-
1200EX)观察其亚细胞结构。
1200EX)观察其亚细胞结构。
[0056] 电镜观察样品具体步骤如下：分别将植物叶片和根系剪成2-4mm长度的切片，将切片固定在2.5％戊二醛(v/v)中4小时以上，用0.1M PBS(磷酸钠缓冲液，pH7.0)清洗三次，在1％OsO4(氧化锇(VIII)中后固定1h后再在0.1M磷酸缓冲液(pH7.0)中1-2h。使用梯度浓度乙醇(50％，70％，80％，90％，95％和100％)中分别脱水约15-20min。该将样品过滤并嵌入Spurr树脂中用冷冻切片机制备超薄切片(80nm)用于在透射电子显微镜(JEOL TEM-
1200EX)中以60.0kV的加速电压进行观察(Zhong等，2017)。
1200EX)中以60.0kV的加速电压进行观察(Zhong等，2017)。
[0057] 实验结果显示：在500μM Mo处理下，博落回地上部分和地下部分的亚细胞结构没有受到明显的毒害现象(图3)，表明博落回对Mo的耐性能力较强，在500μM Mo处理下，没有明显的毒害作用。
[0058] 实施例3博落回Mo富集能力研究
[0059] 土培实验：复配Mo污染土壤，Mo处理浓度：0、50、200、500、1000mg/kg，每盆1kg土壤，每盆三棵博落回苗，三个重复，种植3个月，收苗，测定博落回体内Mo含量(图4)。
[0060] 结果表明，博落回在500mg/kg Mo污染土壤中，其地上部分的Mo含量超过了1500mg/kg，并计算此时：
[0061] 转运系数(IF)：植物地上部分某种重金属元素的含量/植物地下部分该种元素的含量
[0062] ＝1578/514＝3.07
[0063] 富集系数(BFC)：植物地上部分某种重金属元素的含量/土壤中该种元素的含量[0064] ＝1578/500＝3.156
[0065] 按照文献(Boojar et al.,2011)可以将博落回定义为Mo超富集植物。
[0066] 实施例4博落回污染土壤修复效果研究
[0067] 模拟野外大田实验，设计面积为1×1m2小区，在每个试验小区内加入厚度约15cm的原位污染土壤。
[0068] 博落回处理方法为：
[0069] S1：将经30％H2O2溶液浸泡10min消毒的博落回种子置于25℃培养箱中催芽，种子开始露白时播种到装有120℃高压灭菌120min的体积比为1:1的蛭石和营养土的穴盆中；
[0070] S2：S1所述种子培养成株高为5～10cm幼苗后，连同基质一起移栽到钼污染土壤中，每平方米范围移栽2-6棵；当小苗增长到株高为15～20cm后，根部追加1次施肥；
[0071] S3：S2所述的幼苗生长至成熟期，收获种子后将博落回地上部分移除，用于药用生物碱提取，提取残渣作为生物质用于火力发电。地下部分无法清除，耕地破碎后留在地里作为有机肥。收获的种子重复S1和S2的操作，连续种植博落回，直至土壤中的重金属钼含量达到环境安全标准。
[0072] 设计如图5所示。
[0073] 实验结果显示：博落回对Mo的提取效率为2.329％，种植43季后就能将污染土壤中的Mo含量从420.5mg/kg降低到土壤安全范围内。
[0074] 另外，我们还发现博落回对Cd也具有良好的修复效果，21季种植修复后就能价格土壤中Cd含量从7.175mg/kg降低到国家安全标准范围内。
[0075] 表3博落回的种植修复效率
[0076]
[0077] 本发明采用的超富集植物博落回具有耐钼(Mo)能力，并且能够富集土壤中的Mo到其地上部分，通过收获其地上部分，实现土壤中大量Mo元素的移除，解决钼污染对环境的危害以及重金属钼污染土壤修复治理问题。
[0078] 另外本发明采用的超富集植物博落回，为多年生草本，径高1～4m，生物量庞大，Mo富集量高，具有一般超富集植物无法达到的修复效率。
[0079] 博落回一直以来作为药用植物被广泛研究，是一种具有解毒、消肿、杀虫功效的中草药。近些年，随着提取分离技术的发展，其体内富含多种生物碱：血根碱(Sanguinarine)，白屈菜红碱(chelerythrine)，原阿片碱(protopine)，α-别隐品碱(α-Allocryptopine)及β-别隐品碱(β-Allocrytopine)等被提取利用。其中血根碱近些年被大量的研究证明能预防和治理癌症。因此，本发明方法的博落回在成熟后得到的地上部分可以用于药用生物碱提取，提取残渣能够作为生物质用于火力发电；地下部分无法清除，耕地破碎后留在地里作为有机肥。因此采用本发明的方法不但可以利用博落回修复大量钼污染荒废的土壤，还可以产生巨大的经济和社会效益，是一种边修复，边收益的修复方法，这是一般植物修复方法所不具有的优势。
[0080] 在研究过程中，还意外的发现博落回对Cd也具有良好的修复效果，因此，本发明的植物材料博落回及植物修复重金属钼污染土壤的方法还可应用于重金属镉污染土壤的修复。
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