CN102357519B - 一种利用观赏植物大花马齿苋修复石油烃污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机污染土壤的环境修复技术，具体地说是一种利用观赏植物大花马齿苋(Portulaca Grandiflora L.)修复石油烃污染土壤的植物修复方法。本方法利用大花马齿苋植株本身的吸收、根系分泌物及其根际微生物的降解作用，来促进污染土壤中目标污染物石油烃(TPH)的降解。待植株生长成熟后整体将其从土壤中移除并可作为商品出售；也可以不移除。通过反复种植该种植物，重复上述操作，就可以连续减少污染土壤中石油烃污染物，直至其污染物含量达到国家环境标准或生态安全水平。本方法具有对环境美化，不需要处置现场，不破坏土壤的理化性质，无二次污染，费用低且适于大规模操作，在治理污染的同时改善环境等优点。
Description
技术领域
本发明涉及有机污染土壤的环境修复技术，具体地说是一种利用观赏植物大花马齿苋(Portulaca Grandiflora L.)修复石油烃污染土壤的植物修复方法。
背景技术
土壤是人类赖以生存的主要环境资源之一。在过去的几十年里，人们使用有毒有害有机物的种类和数量不断增多，进入土壤环境中的有机污染物日益增加。土壤有机污染物不仅直接导致生活在其中的生物衰亡，而且通过土壤-植物系统经由食物链危及人类的健康甚至整个生态环境的安全，而且通过污染物的迁移引起地表水和地下水的污染，在多个层面上构成对人类生存环境的威胁，使人类暴露于更大的环境风险中[文献1：周启星，孔繁翔，朱琳.生态毒理学.北京：科学出版社：2004，353-386；文献2：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-144；文献3：James C.A.，Strand S.E.，Phytoremediation of smallorganic contaminants using transgenic plants，Current Opinion in Biotechology，2009，20(2)：237-241.]。因此有效治理土壤中的有毒有害有机污染物已经成为国内外土壤和环境科学界共同研究的难点和热点领域之一[文献4：郭婷，张承东，齐建超，张清敏，乔俊，陈威，酵母菌-细菌联合修复石油污染土壤研究，环境科学研究，22(2009)1472-1477；文献5：Agamuthu P.，Abioye O.P.，Aziz A.A.，Phytoremediation of soil contaminated with usedlubricating oil using Jatropha curcas，Journal of hazardous materials，179(2010)891-894；文献6：宋玉芳，许华夏，任丽萍.两种植物条件下土壤中矿物油和多环芳烃(PAHS)的生物修复研究.应用生态学报.2001，12(1)：108-112.]。石油烃是由烷烃，芳烃，沥青质和极性物质四大类物质组成的复合污染物。石油被人们称为“工业的血液”，是社会发展的支柱，现今全球每年石油产量达到37亿吨左右[文献7：Table A1.World total primaryenergy consumption by region，Reference case，2005-2035.U.S.Energy InformationAdministration(EIA)，International Energy Outlook 2010.http://www.eia.gov/oiaf/ieo/ieorefcase.html]。石油在开采、储运过程中出现的含油泥浆、岩屑和落地原油，在炼制过程中出现的不当操作会不可避免的产生石油烃类的排放，从而对油井周围较大面积的土壤产生严重污染。土壤中过量的石油烃导致土壤结构的破坏，分散土粒，影响土壤的通透性，同时被石油烃污染的土壤产生严重的疏水性，导致土壤不能正常吸湿和储存水分从而阻碍植物正常生长[文献8：Liste H.H.Felgentreu D.Crop growth，culturable bacteria，and degradation of petrol hydrocarbons(PHCs)in a long-termcontaminated field soil.Applied Soil Ecology，2006，31：43-52.]；并且可能通过渗透作用污染地下水[文献9：N.Sawatsky，X.Li.Importance of soil-water relations inassessing the endpoint of bioremediated soils.Plant and Soil.1997，192：227-236.]。因而对石油烃污染土壤进行有效治理已经刻不容缓。
土壤石油污染的有效治理手段是学术界和工程界共同面对的一大难点，用以土壤石油污染修复的技术主要有物理化学方法和微生物修复技术。传统的物理化学方法费用高昂，易产生二次污染，不适合大规模应用；值得注意的是微生物修复技术中使用的细菌等微生物可能给土壤和地下水带来生物性污染，并且对于微生物难降解的有机污染物，根本无法使用微生物修复技术。可以预见，安全可靠、经济高效的新技术在有机污染土壤修复中将扮演越来越重要的角色[文献10：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-120]。作为一项新兴的环境修复技术，有机污染土壤的植物修复是指利用植物在生长过程中，吸收、降解、钝化有机污染物的一种原位处理污染土壤的方法[文献11：周启星，宋玉芳.2004.污染土壤修复原理与方法.北京：科学出版社]。与传统方法相比，有机污染土壤的植物修复方法主要优点有：对环境具有改善作用；不需要特别处置现场；具有处理不同种类危险物质的多功能性；费用低，适于大规模操作，一般远低于物理、化学和微生物修复技术；在美学上另人愉悦；公众接受度高[文献12：Macek T.et al.Biotechnology Advances.2000，18：23；文献13：X.Ying，G.Dongmei，L.Judong，W.Zhenyu，Plant-microbe Interactions toImprove Crude Oil Degradation，Energy Procedia，2011，5，844-848；文献14：SchnoorJ L.Phytoremediation Technology Evalution Report，Prepared for GroundwaterRemediation Technologies Analysis Center.http://gwrtac.org.1997.；文献15：戴树桂.环境化学进展.北京：化学工业出版社：2005，119-122.]，因而正逐渐成为石油烃污染修复研究的方向之一。
在植物提取修复技术的研究和实践中，筛选出能够高效降解土壤中过量石油烃的植物是开展工作的必要前提和基础。然而，迄今为止，国内外对能够降解土壤中过量石油烃的植物研究还比较少；我国在这方面的研究还处于起步阶段，而具有我国自主知识产权的用于修复石油烃污染物的植物就更少，加之在农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学方面的研究不完备，严重影响其在实际修复的应用[文献16：S.E.Gaskin，R.H.Bentham，Rhizoremediation of hydrocarbon contaminated soi l using Austral ian native grasses.Science of The Total Environment，2010，408，3683-3688.]。因此，寻找更多更为理想的高效修复石油烃污染土壤的植物仍然是当前植物提取修复研究的一项重要任务。
观赏植物是人类利用历史悠久的一大植物类群，包含40万个以上的栽培品种，种质资源极其丰富，而我国是世界上拥有观赏植物种类最为丰富的国度之一[文献17：郭维明，毛龙生.观赏园艺概论[M].北京：中国农业出版社，2001.]。在观赏植物中筛选具有高效降解有毒有机污染物质的植物并用于修复研究和实践具有以下优点：(1)观赏植物种质资源丰富，既有草本也有木本植物，为筛选工作奠定了坚实的基础；(2)能够在进行治理污染同时美化环境，一举两得；(3)观赏植物一般不会进入食物链，可以减少对人体甚至整个生态安全的威胁；(4)很多观赏植物都有一定的经济价值，修复后植物材料可以作为原材料，以提高修复产出，降低修复成本；(5)人类在长期的农业生产活动中，积累了丰富的观赏植物栽培管理经验，使得观赏植物的修复实践有了充分的农业技术保障[文献18：刘家女，周启星，孙挺，等.花卉植物应用于污染土壤修复的可行性研究.应用生态学报，2006，18：1617-1623.]。因此，从观赏植物中筛选高效降解土壤石油烃植物并用于修复实践是完全可行的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高效修复植物大花马齿苋(Portulaca Grandiflora L.)修复石油烃污染土壤的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
(1)在石油污染土壤中扦插大花马齿苋或播种该种植物的种子；
(2)异位修复时，在石油烃污染土壤中种植的大花马齿苋采用温室栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高；也可以把大花马齿苋直接种植到野外石油烃污染的土壤上，即原位修复；
(3)收获的大花马齿苋可以作为观赏花卉即商品进行出售，或者这些植物也可以不必移除，让其留在田间，通过直接埋在田间的方法；使之降解而作为下茬大花马齿苋种植的有机肥。再扦插大花马齿苋或播种该种植物的种子，重复上述操作，直至土壤中的石油烃含量达到国家环境标准或生态安全水平。
在石油烃污染土壤中种植大花马齿苋，石油烃通过大花马齿苋吸收经体内代谢，降解或者积累在组织内或者经植物的挥发作用；并在根际微生物以及根系分泌物和酶的共同作用下，促进土壤中石油烃污染物的高效降解，因此通过种植大花马齿苋可清除土壤中过量的石油烃，从而达到降低土壤中石油烃污染物的目的，最终使土壤中的石油烃含量达到国家环境标准或生态安全水平。
收获的大花马齿苋可以作为观赏花卉(商品)进行出售，在获得经济效益的同时，自动获得对生物量的处理(千家万户可以把使用过的花卉扔到各自的垃圾箱，随着垃圾的处理，就解决了生物量的处理)。因此，大规模栽培，意味着大规模修复，同时也意味着通过商品交换取得更大的经济效益。当然，这些花卉植物也可以不必移除，让其留在田间，通过直接埋在田间的方法，使之降解而作为下茬大花马齿苋种植的有机肥，从而避免二次污染。
本发明所采用的大花马齿苋(Portulaca Grandiflora L.)为一年生草本花卉，具有较好的观赏价值。其植物分类学特征如下：大花马齿苋株高0-20厘米，枝条倒伏半匐生、肉质。叶互生或散生、肉质，圆柱形。花1-3朵簇生茎顶。花径3-4厘米，碟形、花瓣5枚，有重瓣种。花色有白色、各种黄色、红色、紫色等。花于日出后开放至午后凋谢，阴天至傍晚始凋谢。花期6月下旬至8月。有白、白花红点、雪青、淡黄、深黄、妃红、棕红、大红、深红和紫红；除头三种花色的茎基部为绿色外，余均为浅棕红色。大花马齿苋多单瓣，重瓣的称凤球花。
异位修复种植前，应将盆土浇透水，使其保持湿润，种植大花马齿苋时间宜选在傍晚后。研究表明，大花马齿苋是一种高效修复石油烃污染的植物，对土壤中的中低浓度石油烃污染物具有较强的忍耐、吸收和降解能力。
本发明也可通过大田直接种植大花马齿苋来原位修复石油烃污染土壤。
该方法与传统的污染土壤治理方法相比，具有投资少、工程量小、技术要求不高等优点；而且作为一种绿色修复技术，所收获植株不需要另外进行集中处理，不会造成二次污染，同时修复进程不仅不会破坏土壤生态环境，还有助于改善因石油烃污染而引起的土壤退化和生产力下降等问题，恢复并提高其生物多样性。另外，作为一种观赏植物，种植大花马齿苋在修复污染环境的同时，可以起到美化环境的作用，具有良好的生态效益。
附图说明
图1为不同石油烃处理浓度下大花马齿苋的修复效果，即不同处理组总石油烃(TPH)降解率(％)。
具体实施方式
实施例1：大花马齿苋对石油烃污染土壤的温室盆栽修复试验
本试验地点设在天津市南开大学阳光房内，地处天津市南开区，属温带半湿润大陆性季风气候，年降水量在500～600mm左右。试验用原始石油污染土壤取自山东省东营市胜利油田。原始石油污染土壤和清洁土壤分别过2mm筛后，将其按一定比例均匀混合，配置成不同的浓度梯度。实验共设3个处理，分别为：CK(清洁土壤)、石油烃污染物浓度依次为：土壤A：5,090mg/kg、土壤B：10,278mg/kg，每个处理重复4次。盆栽用花盆各装有不同石油烃浓度土壤1800克。土壤浇透水后，保持湿润，将大花马齿苋枝条用植物营养液水培至根长3cm，大花马齿苋枝条之间保持适当距离扦插于实验用盆栽土壤中，每盆扦插8株。根据土壤水分丰缺状况，不定期浇水，使土壤含水量常保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高。花卉生长期间利用竹片或小铁铲松动表土，竹片或小铁铲的角度应在45°位置左右，松土时不要伤到大花马齿苋的根，从而保证土壤中氧气充足，利于大花马齿苋的生长及其根际微生物的生长繁殖。生长期适时浇水，炎热夏季7-8月份每天浇水2次，但不使盆栽积水，浇水采用根部吸水。
植物生长4个月后收获植株。将收获的植物样品分为地上部分和地下部分，分别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，然后再用去离子水冲洗，沥去水分。分别对株高、根长、植物鲜重进行测定，之后在真空冷冻干燥机中干燥24小时脱去水分使其至恒重测量植物干重。
实验结果如下：
1)不同处理浓度下大花马齿苋对石油烃污染的耐受性
参见表1可知，在不同石油烃浓度处理下，大花马齿苋的生物量不同。当石油烃污染浓度为5,090mg/kg时，大花马齿苋对污染物显示出了较强的耐受性，植株生物量与清洁对照土壤中大花马齿苋相比差异不显著。与清洁土壤中的各项生物指标相比，浓度为5,090mg/kg处理下石油烃污染物对株高及根长植株鲜重的抑制率分别为11.51％，11.32％。在处理浓度为10,278mg/kg时，大花马齿苋植株株高抑制率为28.30％，对根的抑制率为40.93％，远超过20％，抑制作用比较显著；即当土壤中的石油烃浓度达到10,278mg/kg时，石油烃污染物对大花马齿苋的生长抑制作用明显加强。由此可见，大花马齿苋适合修复浓度＜10,278mg/kg左右的中低浓度石油烃污染土壤。
表1不同浓度石油烃污染土壤对大花马齿苋生物量的影响
2)不同处理浓度下总石油烃的降解率
如图1，灰色条状分别代表种植有大花马齿苋的石油烃浓度为5,090mg/kg、10,278mg/kg的土壤，白色条状分别代表未种植大花马齿苋的石油烃浓度为5,090mg/kg、10,278mg/kg的土壤，盆栽修复试验结束后，种植大花马齿苋组的石油烃降解率分别是空白对照组的1.28～1.39倍，尽管土壤石油烃污染物的降低是土壤物理、化学和生物过程共同作用的结果，但在相同处理条件下的空白对照排除了挥发、淋滤和光解等的影响。土壤中石油烃污染物尽管存在着一定程度的降解，但是对比空白对照，大花马齿苋的修复效果比较显著。由于大花马齿苋的须根系可以向土壤环境中释放各类天然有机酸及酶类，从而促进石油烃污染物在植物体外发生生物降解，大花马齿苋根系活动的参与使得根际环境的微生物生物降解作用增强，并通过大花马齿苋吸收后经体内代谢、留在植物组织内或挥发掉，进而提高土壤中石油烃污染物的去除率，从而有利于石油烃的降解和污染土壤的植物修复。
Claims (1)
1.一种利用观赏植物大花马齿苋修复石油烃污染土壤的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
（1）在石油污染土壤中扦插大花马齿苋；
（2）异位修复时，在石油烃污染土壤中种植的大花马齿苋采用温室栽培，定期浇水，使土壤含水量保持在其生物量生长最大、污染物降解率最高；原位修复时，把大花马齿苋直接种植到野外石油烃污染的土壤上；所述的石油烃污染土壤中石油烃浓度小于10278mg/kg；
(3)收获的大花马齿苋作为观赏花卉即商品进行出售，或者这些植物不必移除，直接埋在田间；再扦插大花马齿苋，重复上述操作，直至土壤中的石油烃含量达到国家环境标准或生态安全水平。
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