專利名稱：一種利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及多環(huán)芳烴污染土壤植物修復技術(shù)領域，具體地說是一種利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)治理并修復多環(huán)芳烴(PAHs)污染土壤的方法。
背景技術(shù)：
^1^77 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)^1 重要的典型污染物，包括萘、蒽、菲、芘、聯(lián)苯、三聯(lián)苯、1，2—二苯基乙烷等。目前已發(fā)現(xiàn)的 PAHs中，有400多種具有致癌作用。PAHs由于水溶性差，辛醇-水分配系數(shù)高，常被吸附于土壤顆粒上文獻1 劉五星，駱永明，滕應，李振高，吳龍華，石油污染土壤的生態(tài)風險評價和生物修復III.石油污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復[J]. 土壤學報，2008，45 (5) 994-999。因此，土壤就成為該類化合物的主要載體而長期能夠存在于土壤環(huán)境中，PAHs污染土壤的修復也因此倍受關注。PAHs在土壤中有較高的穩(wěn)定性，苯環(huán)的排列方式?jīng)Q定著PAHs的穩(wěn)定性，非線性排列較線性排列穩(wěn)定，苯環(huán)數(shù)與其生物可降解性明顯呈負相關關系。由于高分子量PAHs ( > 5環(huán))及非線性排列的PAHs占絕大部分，其生物降解及自然揮發(fā)損失是極少的，所以PAHs 在環(huán)境中是不斷積累的。作為環(huán)境污染物的PAHs之所以受到人們的關注，是因為有些PAHs 具有強烈的毒性。PAHs的毒性表現(xiàn)在3個方面其一，強的致癌、致突變及致畸性。其二， 對微生物生長有強抑制作用。其三，光致毒效應文獻2 朱利中，土壤及地下水有機污染的化學與生物修復[J].環(huán)境科學進展，1999，7( :65-71。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中“三廢”的排放、傾倒及農(nóng)田污水灌溉，PAHs對水體、大氣和土壤產(chǎn)生直接污染。作為一種全球性的污染物，PAHs污染問題引起了世界各國的重視。美國環(huán)保局在20世紀80年代末就把 16種未帶分支的PAHs確定為環(huán)境中優(yōu)先控制污染物，中國也把PAHs列入環(huán)境污染的“黑名單”中。我國一些地區(qū)將PAHs含量很高的城市垃圾和各種污泥作為肥料施于農(nóng)田，已成為土壤中PAHs的重要來源之一。因此，如何降解環(huán)境中的PAHs，修復被其污染的環(huán)境也成為環(huán)境科學領域所關心的熱點之一。目前，治理PAHs污染土壤的方法主要有物理修復、化學修復和生物修復。其中生物修復技術(shù)因具有成本低、無二次污染、可大面積應用等獨特優(yōu)點而越來越受到人們的重視，是最具潛力的土壤修復技術(shù)之一。早期的生物修復主要指微生物修復，微生物修復是研究得最早、最深入、應用也最為廣泛的一種生物修復方法。由此產(chǎn)生了一系列生物修復技術(shù)如現(xiàn)場處理、就地處理、堆肥、生物反應器等。這些修復技術(shù)的主體均是微生物，應用這些技術(shù)處理PAHs污染土壤已有廣泛研究。近年來，國外對苯并[a]芘污染土壤的生物處理及其微生物降解有較多報道， 大多認為一些白腐真菌對苯并[a]芘有較強的降解能力。許多研究表明，白腐菌屬普遍具有降解PAHs的功能，因為它們能產(chǎn)生多種酶類，如木素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶等。文獻3:周賢濤，吳娟，林鹿.白腐菌對芳香族化合物的降解途徑.環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，2002，3 (12) :1-8。近幾年，我國科研工作者在分離篩選PAHs高效降解菌方面開展了很多研究，已取得了諸多成果。微生物修復有其獨特的優(yōu)點其成本低，其處理費用約為熱處理的1/3-1/4、理化處理的1/2-1/3 ；對環(huán)境影響小，如使用得當不會帶來二次污染；處理形式多樣，可進行原位、異位及原位-異位聯(lián)合修復，但是在自然條件下，PAHs污染土壤往往是多種污染物混雜、土著微生物種類和數(shù)量繁多僅僅依靠微生物的降解作用， 是很難達到目的的文獻 4 :Grant A. Stanley, Margaret L. Britz, Sudara noonehan, et al. Detoxification of soils containing high molecular weight polycylic aromatic hydrocarbons by gram-negative bacteria an d bacterial-fungal cocultures.Donald L. Wise, Debra J. Trantolo, Edward J. Cichon, et al. Bioremediation of contaminated soils. Marcel Dekker, Inc. New York, Basel :2000.409-432。另一種治理PAHs污染土壤的方法為植物修復，植物修復是指利用植物轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化環(huán)境介質(zhì)中有毒有害污染物，使其對環(huán)境無害，使污染環(huán)境得到修復與治理文獻5 周啟星，宋玉芳等.污染土壤修復原理與方法.北京科學出版社.2004，它是繼生物修復提出后的又一項新興的污染環(huán)境治理技術(shù)。植物修復實際上是利用由土壤-植物-微生物組成的復合體系來共同降解污染物的，它有以太陽能為動力的“水泵”、“植物反應器”及與之相連的“微生物轉(zhuǎn)化器”和“土壤過濾器”，因而該系統(tǒng)是一個強大的“活凈化器”。近年來，國內(nèi)外開展了很多利用植物修復PAHs污染土壤的研究。近幾年植物修復污染土壤的研究已有長足的進步，而且在改善環(huán)境質(zhì)量中起著十分重要的作用。因其屬原位修復，操作簡單，成本低，對環(huán)境擾動少，并且植物的覆蓋作用、 蒸騰作用和根系對土壤的固定作用可減少污染物向大氣、土壤和水體遷移，故近十年植物修復技術(shù)已有較好發(fā)展。在植物修復中利用花卉植物修復土壤的報道還較少，但因為花卉植物修復有其獨特的優(yōu)點如進行土壤修復的同時，能美化環(huán)境；花卉屬觀賞性植物，不會進入食物鏈，可減少人體的危害；同時人類在長期的生產(chǎn)實踐中積累了豐富了品種選育、花卉栽培以及病蟲害防治等，所以目前花卉修復污染土壤正方興未艾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在技術(shù)難度大、花費高、工程量大和易造成二次污染等問題。該方法操作性強、費用低廉、不破壞土壤理化性質(zhì)，同時還能凈化、美化環(huán)境。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案為一種利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，主要包括在多環(huán)芳烴(PAHs)污染土壤中種植植物，促使該植物在生長至開花或成熟過程中，通過植物的生長過程及其根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈微生物的聯(lián)合作用， 從而降解、除去或顯著降低土壤中的PAHs，該所述植物為紫松果菊，屬菊科植物。所述的利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)修復PAHs污染土壤的方法，用于種植紫松果菊的污染土壤為多環(huán)芳烴濃度為5000-9000 μ g/kg的污染土壤。所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，種植植物是將在自然無污染土壤種植15天后或植株高7-9cm的紫松果菊幼苗移栽到多環(huán)芳烴污染土壤中。所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，在多環(huán)芳烴污染土壤中種植的紫松果菊采用在網(wǎng)室中栽培，不定期澆水，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的 30-40% (田間持水量是指土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，以占土壤體積的百分數(shù)表不)O所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，在多環(huán)芳烴污染土壤中種植或連續(xù)種植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生長過程、根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈共存微生物體系聯(lián)合降解、修復或去除土壤中多環(huán)芳烴含量，直至土壤中的多環(huán)芳烴含量達到環(huán)境安全標準。本發(fā)明所采用的紫松果菊(Echinacea purpurea)菊科，多年生草本。頭狀花序盤心花黑紫色，盤邊(瓣狀)舌狀花玫瑰紫色?；ㄆ谙那锛?，栽培變種有大花種、紅花種、白花橙心和白花綠心種。其耐寒，耐熱，生長粗健。本發(fā)明所具有的優(yōu)點如下1、本發(fā)明方法將紫松果菊種植于多環(huán)芳烴污染土壤中，采用花卉紫松果菊來修復多環(huán)芳烴污染土壤。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)要求不高等優(yōu)點；而且作為一種綠色原位修復技術(shù)，不會造成二次污染，同時修復不僅不會破壞土壤生態(tài)環(huán)境，還有助于改善有機污染而引起的土壤退化和生產(chǎn)力下降，恢復并提高生物多樣性。同時，作為一種觀賞花卉和經(jīng)濟植物，種植紫松果菊不僅能有效降解環(huán)境土壤中多環(huán)芳烴污染，而且還可以避免污染植物進入食物鏈，最大限度減少其治理帶來生態(tài)風險。2、本發(fā)明方法是將紫松果菊種植于多環(huán)芳烴污染土壤中，當土壤中多環(huán)芳烴濃度為5000-9000 μ g/kg，植物的生長量基本沒有受到抑制，同時花卉紫松果菊利用其發(fā)達的根系及根系微生物聯(lián)合作用有效的降解了污染土壤中多環(huán)芳烴的含量。四環(huán)PAHs包括(熒蒽、芘、苯并(a)蒽、屈)降解率分別為78. 47%,75. 70%,41. 35%,45. 22% ；五環(huán)PAHs包括(苯并(b)熒蒽，苯并(k)熒蒽，苯并(a)芘，二苯并(a，h))也都有較高的降解率，分別為 41. 89%,94. 48%,80. 87%, 76. 09%。實驗證明，紫松果菊利用其發(fā)達的根系及根系微生物聯(lián)合作用有效的降解了污染土壤中多環(huán)芳烴的含量。種植紫松果菊60天后其污染土壤中多環(huán)芳烴(四環(huán)和五環(huán))總量降解率可達64. 16%，遠遠高于其對照組降解率(31. 17% ), 說明了紫松果菊對多環(huán)芳烴污染具有較強的耐性和有較高的降解能力。3、本發(fā)明利用花卉植物修復降解多環(huán)芳烴污染土壤，其不僅可以有效改善污染土壤的土質(zhì)，降低多環(huán)芳烴污染濃度，而且還能起到實現(xiàn)美化環(huán)境的作用，更重要的是用于修復土壤的花卉植物有效避免了污染物再次進入食物鏈，最大限度的減少了修復土壤中可引起的二次污染。與其他修復技術(shù)相比，具有成本低、對環(huán)境影響小、能使地表長期穩(wěn)定，并且在消除土壤污染的同時，消除污染土壤周圍的大氣和水體中的污染物，有利于改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點。因此，從花卉植物中篩選能降解多環(huán)芳烴植物并將其推廣應用是切實可行的?？傊景l(fā)明將紫松果菊種植在多環(huán)芳烴污染土壤中，通過植物的生長過程及其根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈微生物的聯(lián)合作用，可達到有效除去土壤中多環(huán)芳烴的目的。通過連續(xù)種植該種植物，重復上述步驟，就可連續(xù)降解污染土壤中多環(huán)芳烴， 直到其含量達到環(huán)境安全標準。該方法具有工程量小，不破壞土壤的理化性質(zhì)，無二次污染，且可以在治理污染土壤的同時美化環(huán)境等優(yōu)點。


圖1.紫松果菊種植60d后其根際土壤中四環(huán)多環(huán)芳烴和五環(huán)多環(huán)芳烴分別的降解率情況。圖中，F(xiàn)L表示熒蒽，Pyr表示芘，BaA表示苯并(a)蒽，CHR表示屈，BbF表示苯并(b)熒蒽，BkF表示苯并(k)熒蒽，Bap表示苯并(a)芘，DBA表示二苯并(a，h)。圖2.紫松果菊種植60d后其根際土壤中多環(huán)芳烴總量(包括四環(huán)和五環(huán))降解率情況。圖中，1為植物種植前PAHs含量(mg/kg) ；2為植物種植后PAHs含量(mg/kg) ；3 為植物種植后多環(huán)芳烴降解率(％ )。
具體實施例方式實驗地點設在中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所網(wǎng)室內(nèi)，盆栽實驗土壤采用配制后多環(huán)芳烴污染土壤，即為山東省東營市勝利油田采集的原多環(huán)芳烴污染土壤(0-20cm)與沈陽市萬柳塘公園內(nèi)采集的自然無污染土壤(0-20cm)、沙土，通過重量配比(1 1 1)成 PAHs濃度為5000-9000 μ g/kg的配制后多環(huán)芳烴污染土壤，土壤理化指標見表1。當紫松果菊在自然無污染土壤種植15天后或植株高7-9cm時，將其幼苗移栽到配制后多環(huán)芳烴污染土壤中(多環(huán)芳烴濃度為8760 μ g/kg)。實驗同時設有對照組(即沒有種植植物的配制后多環(huán)芳烴污染土壤樣品)。實驗用盆是高14cm、直徑為16cm的圓形塑料盆，每盆土的質(zhì)量為2. 5kg,實驗每盆種植6株幼苗，待其生長穩(wěn)定后間苗為3株/盆，生長期間用自來水澆灌，每個處理水平做3個重復。在實驗過程中控制澆灌頻率和澆灌水量，以防止土壤中PAHs 污染物流失。同時，設置3盆未種植物對照盆，平時施予同樣澆灌操作。植物移栽種植后60 天后，分別采集植物根際土壤測定其多環(huán)芳烴(包括四環(huán)和五環(huán))含量及其降解情況。參照宋玉芳等的方法宋玉芳，許華夏，任麗萍等.土壤中石油及難降解組分菲、 芘的植物修復調(diào)控研究.應用生態(tài)學報，2000，11(增刊)91-94，采用超聲提取，高效液相色譜儀(HPLC)熒光檢測器進行測定土壤中PAHs的含量。取5g經(jīng)研磨過Imm篩土壤樣品于25ml玻璃離心管中，加入20ml有機提取劑(按體積比，丙酮/ 二氯甲烷=1 1)并蓋緊，分2次于超聲水浴中提取，每次30min，超聲水浴中的溫度控制在40°C以下。提取后， 將離心管放在離心機內(nèi)，以4000轉(zhuǎn)/min離心lOmin。記下提取液體積，將上清液轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)瓶中，于旋轉(zhuǎn)濃縮蒸發(fā)儀上在30°C、135m bar真空條件下將樣品濃縮至干。用環(huán)己烷定容至1ml，將定溶液轉(zhuǎn)移至裝有l(wèi).Og硅膠的預處理柱中，再用正己烷/ 二氯甲烷(體積比 1 1)混合液洗脫，棄去第1組份5ml洗脫液，收集到的洗脫液再以氮氣吹脫，乙腈定容至 lml，待液相色譜(HPLC)分析測定。表1.山東采集原多環(huán)芳烴污染土壤及配制后多環(huán)芳烴污染土壤理化指標
PAHs (四環(huán)和五環(huán)) Wg)pHC(g/kg)N(g/kg)P(^kg)速效 P(g/kg)原土壤251408.4145.770.730.650.002配制后土壤87608.5630.761.501.080.36 從圖1中可以看出，紫松果菊種植60d(天)后其根際土壤中四環(huán)多環(huán)芳烴和五環(huán)多環(huán)芳烴的降解率情況。對于五環(huán)PAHs，其中苯并(k)熒蒽的降解率最高，可達94. 48%， 濃度已降至lOOng/g，已達到加拿大農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤PAHs治理標準值(< lOOng/g)。對于毒性最強的苯并(a)芘，其60d后的降解率也已達到80. 87%。從圖1也可以看出，對于四環(huán)PAHs，苯并(a)蒽和屈降解率并不很理想，只有41. 35%和45. 22%，這原因可能是由于根際土壤中的高分子大環(huán)PAHs在植物和微生物聯(lián)合作用下，部分分解成低分子小環(huán)的PAHs，所以從表面上觀察對于四環(huán)PAHs的降解率并不是很理想。從以上實驗可以看出，種植紫松果菊對PAHs污染土壤還是具有良好的修復效果，且應用潛能較大。從圖2中可以看出，紫松果菊種植60d后其根際土壤中多環(huán)芳烴總量(包括四環(huán)和五環(huán))降解率情況。與對照組比較，可以明顯看出，種植紫松果菊，根際土壤中的PAHs總量(包括四環(huán)和五環(huán))的降解率為64. 16%，遠高于對照組(31. 17%)。種植組，經(jīng)60d后， 使根際土壤中的PAHs總量(四環(huán)和五環(huán))從8760ng/g降至3140ng/g，表現(xiàn)出很強的修復土壤PAHs污染的能力，說明了紫松果菊對多環(huán)芳烴污染具有較強的耐性和有較高的降解能力，在多環(huán)芳烴污染土壤中種植或連續(xù)種植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生長過程、 根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈共存微生物體系聯(lián)合降解、修復或去除土壤中多環(huán)芳烴含量，直至土壤中的多環(huán)芳烴含量達到環(huán)境安全標準。上述實驗結(jié)果表明，紫松果菊對中低濃度的PAHs污染土壤有較好的耐受能力，當 PAHs (四環(huán)和五環(huán))濃度為5000-9000ng/g時，植物的生長沒有明顯受到毒害，其種植后植物生物量基本沒有變化，其60天的PAHs總量降解率可達64. 16%，同時四環(huán)PAHs中熒蒽、 芘、苯并(a)蒽、屈降解率分別為78. 47%,75. 70%,41. 35%,45. 22% ；五環(huán)PAHs中苯并 (b)熒蒽，苯并(k)熒蒽，苯并(a)芘，二苯并(a,h)也都有較高的降解率，分別為41. 89%， 94. 48%,80. 87%, 76. 09%。這些特征證明了紫松果菊在治理及修復多環(huán)芳烴污染土壤中具有較好的應用潛力。
權(quán)利要求
1.一種利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，其特征在于在多環(huán)芳烴污染土壤中種植植物，促使該植物在生長至開花或成熟過程中，降解、除去或顯著降低土壤中的PAHs，該所述植物為紫松果菊，屬菊科植物。
2.按權(quán)利要求1所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，其特征在于用于種植紫松果菊的污染土壤為多環(huán)芳烴濃度為5000-9000 μ g/kg的污染土壤。
3.按權(quán)利要求1所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，其特征在于種植植物是將在自然無污染土壤種植15天后或植株高7-9cm的紫松果菊幼苗移栽到多環(huán)芳烴污染土壤中。
4.按權(quán)利要求1所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，其特征在于在多環(huán)芳烴污染土壤中種植的紫松果菊采用在網(wǎng)室中栽培，不定期澆水，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的30-40 %。
5.按權(quán)利要求1所述的利用花卉紫松果菊修復多環(huán)芳烴污染土壤的方法，其特征在于在多環(huán)芳烴污染土壤中種植或連續(xù)種植紫松果菊，紫松果菊利用其自身的生長過程、根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈共存微生物體系聯(lián)合降解、修復或去除土壤中多環(huán)芳烴含量，直至土壤中的多環(huán)芳烴含量達到環(huán)境安全標準。
全文摘要
本發(fā)明涉及多環(huán)芳烴污染土壤植物修復技術(shù)領域，具體地說是一種利用花卉紫松果菊(Echinacea purpurea)治理并修復多環(huán)芳烴(PAHs)污染土壤的方法。在多環(huán)芳烴污染土壤中種植植物，促使該植物在生長至開花或成熟過程中，通過植物的生長過程及其根系分泌的酶、小分子有機酸以及根際圈微生物的聯(lián)合作用，從而降解、除去或顯著降低土壤中的PAHs，該所述植物為紫松果菊，屬菊科植物。實驗證明，紫松果菊利用其發(fā)達的根系及根系微生物聯(lián)合作用有效的降解了污染土壤中多環(huán)芳烴的含量。本發(fā)明可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在技術(shù)難度大、花費高、工程量大和易造成二次污染等問題。該方法操作性強、費用低廉、不破壞土壤理化性質(zhì)，同時還能凈化、美化環(huán)境。
文檔編號B09C1/00GK102553899SQ20101058159
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者劉睿, 周啟星, 魏樹和 申請人:中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所