CN101844147B - 一种利用豆科植物修复受石油污染土

 

2018-11-24 14:09

  CN101844147B - 一种利用豆科植物修复受石油污染土壤的方法 - Google Patents

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  本发明公开了利用豆科植物修复受石油污染土壤的方法,包括以下步骤:预处理步骤,将所述豆科植物种子进行预处理;培养步骤,将所述豆科植物种子保湿培养至所述种子露白;播种步骤,将所述豆科植物种子播种于所述土壤中;浇水步骤,向播种后的所述土壤中不定期浇水;植株移出步骤,待所述豆科植物种子生长至开花期,将所述豆科植物的植株从所述土壤中整颗移出;重复上述步骤至土壤中石油烃含量达到环境安全的国家标准。具有处理费用低,速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和,以及无二次污染,减少场地破坏,能很好适应大面积石油污染土壤的原位修复。

  [0001] 本发明属于生物修复技术领域,具体涉及一种利用豆科植物修复受石油污染的土壤的方法。

  [0002] 我国每年石油消耗量达到4. 5亿吨,其中需进口约1亿吨。石油资源匮乏、石油价格猛涨,给我国经济带来很大压力。大力发展循环经济,实现资源的高效利用和循环使用, 是实现可持续发展的重要途径,也是从中国国情出发的必然选择,也是企业顺应形势要求的重大决策。生物修复技术就是在这种背景下被开发,并在20世纪90年代得到迅速发展的一项污染治理工程技术。

  [0003] 石油是由上千种化学性质不同的物质组成的复杂混合物,主要包括饱和烃、芳香烃类化合物、浙青质、树脂类等。石油的开采、冶炼、使用和运输过程的污染和遗漏事故,以及含油废水的排放、污水灌溉,各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等引起一系列土壤石油污染问题。特别是石油开采过程产生的落地原油,已成为土壤矿物油污染的重要来源。

  [0004] 许多研究表明,一些石油烃类进入动物体内后,对哺乳类动物及人类有致癌、致畸、致突变的作用。土壤的严重污染会导致石油烃的某些成分在粮食中积累,影响粮食的品质,并通过食物链,危害人类健康。

  [0005] 生物修复技术是在生物降解的基础上发展起来的一种新兴的清洁技术,它是传统的生物处理方法的发展。与物理、化学修复污染土壤技术相比,它具有成本低,不破坏植物生长所需要的土壤环境,污染物氧化安全,无二次污染,处理效果好,操作简单等特点。生物修复可通过环境因素的最优化而加速自然生物降解速率,是一种高效、经济和生态可承受的清洁技术。

  [0006] 治理石油烃类污染土壤的生物修复技术主要有两类:一类是微生物修复技术,按修复的地点又可分为原位生物修复和异位生物修复;另一类是植物修复法。

  [0007] 目前,对土壤有机污染的生物修复研究较多,但是,多集中在微生物作用上。事实上,植物对污染物的去除起着直接和间接的重要作用。植物生物修复是利用植物体内对某些污染物的积累、植物代谢过程对某些污染物的转化和矿化,植物根圈与根茎的共生关系增加微生物的活性的特点,加速土壤污染物降解速度的过程。

  [0008] 植物修复的方式包括植物提取、植物降解和植物稳定化三种。植物提取是指利用植物吸收积累污染物,待收获后才进行处理。收获可以进行热处理,微生物处理和化学处理。植物降解是利用植物及相关微生物区系将污染物转化为无毒物质。植物稳定化是指植物在同土壤的共同作用下,将污染物固定,以减少其对生物与环境的危害。植物对化合物的吸收受三个因素的影响:化合物的化学特性;环境条件;植物种类。因此为了提高植物对环境中有机污染物的去除率,应从这三方面深入研究,提高植物对污染物的吸收。

  [0009] 在植物修复技术的研究和实践中,筛选出能够有效去除土壤中有机污染物的相关植物显得非常关键。豆科植物的独特之处就在于其根上有根瘤菌共生,后者可以把无机氮转化为植物可以利用的形式,根瘤菌与豆科植物形成的共生固氮体系是生物固氮的重要组成部分,对于维持自然界的氮素循环具有积极的意义,对环境的可持续发展具有重要作用。 据统计地球上每年由豆科根瘤菌固氮的氮素每年固氮量约占生物固氮总量的60%,相当于全世界工业合成氮肥量的2倍。如:花生生长所需氮素的1/3-2/3来源于共生固氮作用。 豆科树种具有较高的经济价值,对不良环境抗逆力强,在改良土壤、提高土壤肥力、保持水土和改善生态环境中占有重要地位。能在高温、干旱、盐碱等不利条件下很好的生长繁殖, 表现出对环境的良好适应性。根据报道,全世界豆科植物约为748属,20000种,我国发现的豆科植物有162属,1400多种,所以开发和利用豆科植物作为有效去除土壤中有机污染物的优势和潜力很大,尤其是在西北干旱、贫瘠的石油高产取更有着广阔的应用前景。

  [0010] 但是截至目前,关于豆科植物的生物修复技术尚处于理论研究阶段,现有技术中没有出现在实践中简便可行、成本低廉的应用方法。

  [0012] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种利用豆科植物修复石油污染土壤的方法,去除石油、还原土壤。

  [0013] 为实现上述目的,本发明提供一种利用豆科植物修复受石油污染土壤的方法,其中,包括以下步骤:

  [0015] A2 :培养步骤,将所述豆科植物种子保湿培养至所述种子露白;

  [0018] A4:植株移出步骤,待所述豆科植物种子生长至开花期,将所述豆科植物的植株从所述土壤中整颗移出;

  [0021] 所述的方法,优选的,所述预处理步骤中对豆科植物种子进行预处理的方法为:使用用浓硫酸将所述白刺花种子浸泡10-20分钟,然后再使用5% -10%的次氯酸钠溶液将所述白刺花种子浸泡10-20分钟,最后使用灭菌水将所述白刺花种子冲洗5-8次。

  [0022] 优选的,所述培养步骤中培养所述白刺花种子的方法为:在铺有灭菌滤纸的平板上加入少许灭菌水,将所述白刺花种子置入进行保湿培养,至所述白刺花种子露白。

  [0025] 优选的,所述不定期浇水使所述土壤保持含水量为20% -30%,所用水为曝气M 小时后的自来水。

  [0026] 优选的,在所述播种步骤之前还包括土壤处理步骤,用于将所述受污染土壤进行浇水处理、施肥处理、翻耕处理和覆膜处理。

  [0027] 优选的,所述土壤处理步骤具体方法为:一次性浇透所述土壤,松土并保持湿润; 在所述土壤中按照每亩15_30kg的比例施加复合肥,每10天施加一次液态肥料;用当地地下水调节土层水分至20%左右;进行充分翻耕;最后使用多孔塑料薄膜在所述土壤上覆膜。

  [0028] 本发明中所说白刺花(Sophoradav idi i)为多年生落叶灌木。属于槐属,豆科、 蝶形花科,因其叶片细小,形态酷似槐树而被称为“小叶槐”,此外还有狼牙刺、苦刺花、马蹄针等别名。喜光,耐寒,耐干旱贫瘠。

  [0029] 白刺花植株丛生或单生,株高2至3米,树干深黑褐色,有纵裂,新枝绿色,有短毛, 老枝褐色,枝条有锐利的针状刺;奇数羽状复叶,托叶针刺状,宿存,小叶11至21枚,叶片椭圆形或长倒卵形,长0. 4至1. 2厘米,宽0. 4至0. 7厘米,叶色墨绿,背面颜色稍浅,有短柔毛。总状花序生于老枝顶,花序稍微下垂,有小花6至12朵,花萼紫蓝色,杯形,花蕾白色, 带蓝紫晕,花冠蝶形,白色,有芳香,花期3至5月。荚果念珠形,长3至6厘米,直径约0. 5 厘米,成熟后黄褐色。

  [0030] 白刺花春季开花稠密,颜色素雅,并有淡淡的芳香;夏秋季节绿叶清秀,浓绿苍翠; 冬季落叶后则深黑褐色树干铁骨铮铮,给人以苍老古朴之感。在园林中可做绿篱植物,也可孤植、片植于林地的边缘、草坪等处,还可制作盆景或盆栽观赏。

  [0031] 白刺花原产我国,在华北、西北、西南均有分布,在郑州市周围的登封、巩义等县市有着大量的野生资源,最初郑州市的盆景工作者和爱好者将其做为盆景树种开发利用,后来郑州市人民公园又将其做为观赏植物驯化栽培,并用于园林绿化,收到了很好的效果。

  [0032] 通过在石油污染土壤中栽植豆科植物,例如白刺花,它可以从土壤中直接吸收有机物污染物,然后将没有毒性的代谢中间体储存在植物组织中,化合物被吸收到白刺花体后,白刺花可将其分解,并通过木质化作用使其成为植物体的组成成分,也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成二氧化碳和水,或转化成为无毒性作用的中间代谢物,如木质素, 贮存在植物细胞中,达到去除环境中有机污染物的作用。白刺花可释放一些物质到土壤中, 以利于降解有毒化学物质,并可刺激根区微生物的活性,这些物质包括酶及一些有机酸,它们与脱落的根冠细胞一起为根区的微生物提供重要的营养物质,促进根区微生物的生长和繁殖。白刺花根区的根瘤菌与白刺花形成共生作用,有其独特的酶途径,用以降解不能被细菌单独转化的有机物。植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用,在根区形成了有机碳,根细胞的死亡也增加了土壤有机碳,这些有机碳的增加可阻止有机化合物向地下水转移,也可增加微生物对污染物的矿化作用。其根际使土壤环境发生变化,起到了改善和调节作用,根系上可附着生长着根瘤菌及其它细菌等,不仅可以提供给白刺花丰富的氮素来源,促进其在干旱、贫瘠和含有有机污染物的土壤中生长,是一种高效的修复植物,还可以分解土壤中有机污染物从而有利于污染物的降解。因此通过选择豆科植物白刺花和调控土壤条件等手段,可以实现污染土壤的快速修复。

  具体实施方式[0036] 以下结合附图和具体实施例,对本发明进行详细说明。

  [0038] 本实施例以四个分区的对比试验验证白刺花修复石油污染土壤的功效,方法如下:

  [0039] 试验小区设置为:试验1区及其对照区(对照区不种植白刺花,采用自然降解)、试验2区及其对照区、试验3区及其对照区、试验4区及其对照区。各小区规格为: 1 anX 12m,各小区相间20cm,小区由西向东一字排列。

  [0040] 用当地取得的原油作碳源,即污染物,在试验区土壤表层20cm深均勻混入一定量的石油,试验区试验土壤的石油烃浓度分别设为:1区及其对照区0.5%,2区及其对照区 1.0%, 3区及其对照区2. 0%,4区及其对照区4. 0%。

  [0041] 将白刺花种子按照以下方法进行预处理,先用浓硫酸浸泡20分钟,然后用5%的次氯酸钠溶液浸泡10分钟,再用灭菌水冲洗8次;

  [0042] 将白刺花种子按照以下方法进行保湿培养,在铺有灭菌滤纸的平板上加入少许灭菌水进行保湿培养,至种子露白后,将露白后的白刺花种子点播于上述受石油污染的试验1 区、试验2区、试验3区、试验4区及其对照区中,每亩约600株,采用田间不定期浇水,保持土壤含水量为20% -30,所用水为曝气M小时后的自来水。

  [0043] 在播种白刺花之前,为了提供足够的氧气,有利于白刺花及其根际根瘤菌等微生物的生长和繁殖,优选的,可以一次性浇透土壤,松土并保持湿润;为了提高土壤肥力,增加植株的成活率,每亩可加入20kg复合肥来补充初期营养元素,每10天施加一次液态肥料; 用当地地下水调节土层水分至20%左右;最后进行充分翻耕以便各种试验材料混合均勻, 在试验区覆盖多孔塑料薄膜便于保温、保湿、防雨。阴性对照区不施加任何物质作为监控样品。

  [0044] 当白刺花生长到开花期时,将白刺花整个植株从污染土壤中连根一起移出,之后将上述从种子预处理到移出植株的整个过程重复3遍,测定试验区和其对照区的总石油烃,如图2所示,为本发明中不同总石油烃浓度下白刺花的修复效果,从图2中可以看出,在石油烃浓度为0. 5%的试验1区经过白刺花的三次生物降解以后,石油烃的降解率达到了将近70%,而其对照区未种植白刺花,自然降解率仅为37%左右,显然采用白刺花生物降解土壤中的石油烃取得了满意的效果。

  [0046] 本实施例以2个分区的对比试验验证白刺花修复石油污染土壤的功效,方法如下:

  [0047] 试验小区设置为:试验1区及其对照区(对照区不种植白刺花,采用自然降解)、 试验2区及其对照区。各小区规格为:15mX 15m,各小区相间40cm,小区由西向东一字排列。

  [0048] 用某油井取得的原油作碳源,即污染物,在试验区土壤表层40cm深均勻混入一定量的石油,试验区试验土壤的石油烃浓度分别设为:1区及其对照区5%,2区及其对照区 10%。

  [0049] 将白刺花种子按照以下方法进行预处理,先用浓硫酸浸泡10分钟,然后用10%的次氯酸钠溶液浸泡20分钟,再用灭菌水冲洗5次;

  [0050] 将白刺花种子按照以下方法进行保湿培养,在铺有灭菌滤纸的平板上加入少许灭菌水进行保湿培养,至种子露白后,将露白后的白刺花种子点播于上述受石油污染的试验 1区、试验2区中及其对照区中,每亩约500株,采用田间不定期浇水,保持土壤含水量为 20% -30%,所用水为曝气M小时后的自来水。

  [0051] 在播种白刺花之前,为了提供足够的氧气,有利于白刺花及其根际根瘤菌等微生物的生长和繁殖,优选的,可以一次性浇透土壤,松土并保持湿润;为了提高土壤肥力,增加植株的成活率,每亩可加入15-30kg复合肥来补充初期营养元素,每10天施加一次液态肥料;用当地地下水调节土层水分至20%左右;最后进行充分翻耕以便各种试验材料混合均勻,在试验区覆盖多孔塑料薄膜便于保温、保湿、防雨。对照区不施加任何物质作为监控样品。

  [0052] 当白刺花生长到开花期时,将白刺花整个植株从污染土壤中连根一起移出,之后将上述从种子预处理到移出植株的整个过程重复5遍,测定试验区和其对照区的总石油烃浓度,如图3所示,为本发明中不同总石油烃浓度下白刺花的修复效果,从图3中可以看出, 在石油烃浓度为5%的试验1区经过白刺花的5次生物降解以后,石油烃的降解率达到了将近60%,而其对照区未种植白刺花,自然降解率仅为30%左右,显然采用白刺花生物降解土壤中的石油烃取得了满意的效果。

  [0053] 收获的白刺花植株可以集中处理,如可以用来作为绿肥或者青饲料的原料,从而在修复污染物的同时,又显示了一定的经济效益。白刺花生物修复是一项利用太阳能动力的处理系统,在处理环境污染物方面具有处理费用低,速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和,以及无二次污染,减少场地破坏、并且有助于改善因石油污染物引起的土壤退化和生产量下降,恢复其生物多样性等显著优点,能很好适应大面积石油污染土壤的原位修复。

  [0054] 应当理解的是,本说明书部分采用白刺花为例对本发明进行说明,而对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,例如采用其他豆科类植物进行土壤修复,例如大豆等等,也可达到相同效果,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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