爬山虎在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用

摘要

本发明公开了爬山虎在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植爬山虎为研制材料。富集的是堆肥中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn6种重金属。结果表明：堆肥基质上生长的爬山虎根、茎、叶中重金属含量显著高于对照土壤。6种重金属在爬山虎体内的富集与分布因重金属的不同而异。从整体上看，6种重金属在爬山虎体内含量依次为Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd，一般而言，爬山虎对Zn、Pb、Cr3种重金属的富集较大。植物体对重金属的富集主要在地上部分，有利于对堆肥中的重金属进行提取，达到修复重金属的目的。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市生活垃圾堆肥的治理及修复方法。更具体的说是爬山虎在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用。

背景技术

随着我国城市人口的增加和居民生活水平的提高，城市生活垃圾的产生量急剧增加，已成为严重的社会问题。目前，我国城市垃圾的年增长率高达7%～9% , 2000年

清运量为1118亿t，历年堆存量已达60亿t，占地大约5亿m²，城市陷入垃圾围城之中。城市垃圾占用大量土地，影响城市景观，对土地资源造成不可恢复性的破坏；垃圾场产生大量有害生物，威胁人们的健康。城市生活垃圾问题已成为困扰全球各国城市发展的焦点与难点。

目前，垃圾处理以填埋、焚烧和堆肥三种方式为主。我国大部分城市仍然采用集中堆放或简易填埋的方式处理生活垃圾，其中填埋占了处理总量的90%以上，是我国最主要的垃圾处理方式。但这种处理方法有很大的弊端，由于其产生的填埋气体和渗滤液对周围的环境造成了较大的污染，并且会造成二次污染，实际处理量很低。

堆肥化是生活垃圾资源化处理的一种重要途径。将城市生活垃圾收集成堆保温储存发酵，在人工控制条件下，利用微生物的生化作用，将垃圾中的有机物降解转化为稳定的腐殖质的生物化学过程称为垃圾的堆肥处理——堆肥化。其堆肥产品可以成为施于农田果园苗圃的土壤改良剂，改良贫瘠土地的土质，给作物提供生长所需的营养元素。垃圾堆肥能够提高土壤养分，改善土壤理化性质，保护耕层土壤，还可以促进植物产量和品质的提高。垃圾堆肥中含有多种微生物，将含有大量微生物的垃圾堆肥施于土壤，可促进土壤有机质的分解，有效养分的释放，改善土壤的理化性质从而促进植物的生长和品质的提高。马琨等人研究表明每公顷施用150 t垃圾堆肥为小麦提供了适宜的土壤条件，水肥气热得到协调供应，从而改善了小麦的群体结构，增加了小麦的有效穗数和穗粒数而使小麦最终实现高产。李秀文等人研究了连续施用堆肥对大白菜产量有极显著提高，3年试验中各处理经方差分析均达到极显著水平，其产量与垃圾堆肥用量呈正相关。我国在借鉴发达国家城市生活垃圾处理技术的现状后，结合中国城市生活垃圾处理技术的发展经验，已基本上掌握了比较符合我国国情的、适用的垃圾推肥处理技术。然而，近些年来，人们开始意识到垃圾堆肥中含有大量重金属成分，通过作物富集，进入食物链，最终危害人类健康，垃圾堆肥的农用受到了限制。因此，对堆肥中的重金属进行修复将具有特别重要的意义。

目前，植物修复的方法主要有植物挥发、根系滤除和植物稳定和植物提取。其中植物提取作用是利用能耐受并能积累金属的植物吸收环境中的金属离子，并将它们输送并储存在植物的地上部分，最终通过收获，处理上部来达到减少土壤重金属含量的目的。植物修复方面的国内外的研究报道较多，美国俄勒冈州和衣阿华州利用杂交杨树、柳树、玉米等植物混合种植，去除生活垃圾填埋场的重金属及有机物等，获得成功。王长征、李东艳在焦作煤矿周边农田区采集土壤和小麦、玉米等样品，测定土壤和作物中的Cu、Zn、Pb和Cr 4种重金属元素含量。结果土壤中Pb和Cu已开始富集 ，但Cr无富集，甚至亏损。成熟玉米籽粒和茎叶的重金属元素富集顺序分别为：Zn>Cu>Cr>Pb和 Cu>Pb>zn>CT；成熟小麦籽粒、茎叶和根部的富集顺序分别为： Zn>Cu>Cr>Pb，Cu>Pb>zn>Cr和Zn>Pb>Cu>Cr。Pb和 cu在玉米不同部位分布顺序为：茎叶 >籽粒 ；Cr和 zn在玉米中分布为：籽粒>茎叶。Pb在小麦不同部位含量分布为：根部>茎叶>籽粒；Cr和Cu在小麦中分布为：根部>籽粒>茎叶；Zn在小麦中分布为：根部>籽粒>茎叶。韩志萍（2005年）研究了芦竹（Arundo donax linn）对 Cu 、Ni 、Cr 重金属污染湿地的响应和对该污染湿地的影响，结果表明，芦竹对这 3种重金属离子有一定的耐受性，并有不同程度的吸收， Cu 、Ni 和 Cr 去除率分别为 63.18%，42.13%和 34.14%。吴双桃等人（2008）通过盆栽实验，研究了地瓜苗在镉污染土壤中的生长特征及对镉的吸收规律和修复能力，结果表明：随时间延长和土壤镉浓度增大镉对地瓜苗生长的抑制程度增强，地瓜苗对镉的富集规律表现为根＞茎＞叶。

值得一提的是，重金属超富植物是在重金属胁迫环境下长期诱导、驯化的一种适应性突变体，往往生长缓慢，生物量低，生长周期长，植株矮小；这些超富集植物地域性分布较强，对环境条件要求较高，使大面积引种受到严重限制；超富集植物往往只对某种特定重金属表现出超富集，专一性过强，且目前仍处于试验阶段，与实际应用还有一定距离。鉴于垃圾堆肥为一重金属复合污染体系，我们试图找到一种生物量大、金属含量高并且可以修复多种重金属的普通植物。

爬山虎（Parthenocissus tricuspidata）大多生长在阴暗潮湿的环境中，亦不畏强烈阳光，能耐寒冷、干旱，适应性强，一般土壤皆能生长，依靠弱酸性粘性原生质（主要成分可能是粘多糖）使卷须顶端粘于墙面近而形成吸盘而固持于墙面上，常吸附于岩壁、墙垣和树上。茎长10 m～30 m，叶面积大，寿命可达20 年～30 年。爬山虎具有极强的生态适应性并且生长旺盛，生物量大。

发明内容

本发明通过测定生活垃圾堆肥上生长的爬山虎根、茎、叶不同部位重金属的含量，以周边土壤环境中的爬山虎为对照，分析垃圾堆肥中重金属在爬山虎体内的富集与分布情况，对修复堆肥中重金属提供理论依据，也为土壤重金属的修复提供参考。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

爬山虎在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植爬山虎为研制材料。所述的重金属为Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn。2004年进行草坪建植。

本发明所述的应用，其中爬山虎的根部与叶部，Ni的含量增加最大，爬山虎的茎部Zn含量增加最大。

实验地中采集野生植物——爬山虎为实验材料，通过测定爬山虎不同部位Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 6种重金属含量，研究生活垃圾堆肥中重金属在爬山虎体内的富集与分布。结果表明：堆肥基质上生长的爬山虎根、茎、叶中重金属含量显著高于对照土壤。6种重金属在爬山虎体内的富集与分布因重金属的不同而异。从整体上看，6种重金属在爬山虎体内含量依次为：Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd，一般而言，爬山虎对Zn、Pb、Cr 3种重金属的富集较大。除Zn、Cu外，重金属在爬山虎体内不同部位含量普遍遵循：叶﹥茎﹥根的规律，说明重金属在爬山虎体内的迁移能力较强。植物体对重金属的富集主要在地上部分，有利于对堆肥中的重金属进行提取，达到修复重金属的目的。

具体实施方式

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。

实施例1

1 材料

垃圾堆肥来自小淀垃圾处理厂，堆肥基质厚度为20 cm,实验地设在天津师范大学北院，于2004年进行草坪建植；通过镇压使堆肥变的结实平坦，作为修复工程用地；在工程用地上，种植爬山虎为研制材料。分别选取生长在垃圾堆肥上爬山虎植株为实验材料，同时采集周边土壤上的爬山虎为对照。

方法

）样品处理：将采集样品进行清洗，根、茎、叶分段标号，在自然条件下风干，然后在80℃的烘箱中烘干样品至恒重，最后称其重量，记录结果并粉碎样品。

）样品消化：准确称取样品0.200 g放入反应罐中，而后移取浓硝酸4 mL，直接移取6 mL浓硝酸倒入空白的反应罐中。将样品放入微波消解仪中进行消化，微波消解仪的各项性能参数，压强为800 Pa；温度为20 ℃；时间为四分钟。消解结束后，待其温度降到130 ℃左右，可以打开仪器的门，以此来加快仪器内温度的下降，80 ℃左右可以将反应罐拿出，在通风橱内将其打开，待二氧化氮气体挥发完毕并且反应罐内液体的温度降到室温后，再将消解后所得的样品，用1%的稀硝酸溶液定容至25 mL。

）重金属含量的测定:用TAS-990原子吸收分光光度计测定样品中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 6种重金属的含量

实施例2

爬山虎植株的生物量

由表1可知，对照土壤上生长的爬山虎比堆肥上的爬山虎茎、叶有着高的生物量，尤其是叶的量。可能是重金属对爬山虎的生长有抑制作用。随着生长时间的延长，植物体内重金属的含量增大，当超过本身的解毒容量时，多余的重金属毒害并阻碍其生长。

表1 爬山虎植株各部分的质量（g）

基质根茎叶垃圾堆肥0.592.833.07对照土壤0.393.196.26

爬山虎植物体内重金属的含量与分布

）爬山虎的根部重金属的含量分析

比较两种环境中植物根部重金属的富集含量（表2），可以看出，爬山虎体内根部6种重金属的含量均表现为：堆肥>对照土壤。和对照相比，Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn分别增加24.79%，20.97%，64.69%，18.44%，162.14%，86.02%，遵循规律Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb。因此，和对照相比，堆肥中植物根部对不同重金属富集含量增加率不同，其中Ni增加最多。其次，从整体上看，6种重金属在根部的富集含量也不同，遵循规律Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd。

）爬山虎的茎部重金属的含量分析

比较两种环境中植物茎部重金属的富集含量（表2），可以看出：爬山虎体内茎部6种重金属的含量，均表现为：堆肥>对照土壤。和对照相比，Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn分别增加31.14%，81.52%，59.70%，11.70%，83.35%，124.10%。和对照相比，堆肥中的植株茎部Zn的富集增加为最多，其次为Ni和Cd。同根中重金属的含量相同，6种重金属在茎部的富集含量同样遵循Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd的规律。

表2 爬山虎植物体内重金属的含量（μg/g）

爬山虎叶中6种重金属的含量同样表现为：堆肥>对照土壤。和对照相比，Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn分别增加23.95%，21.00%，39.23%，11.73%，54.73%，36.05%，遵循规律Ni>Cu>Zn>Cr>Cd>Pb。和对照相比，堆肥基质上植物叶对不同的重金属富集含量增加不同，其中Ni增加最大，这和根的结果相一致，但比根增加的要少。另外，不同重金属在植物叶中的含量不同，表现为Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd，这与根、茎的结果相一致，可能是堆肥本身重金属的含量不同所致。

整体比较堆肥基质爬山虎根、茎、叶3部位重金属的含量，均表现为：堆肥>对照土壤，这与堆肥中重金属含量较高有关。不同的重金属富集含量增加不同，其中在植物的根部与叶部，Ni的含量增加最大，在植物的茎部，Zn的含量增加最大。另外，不同的重金属在3部位的富集含量也不同，但均遵循Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd的规律。方改霞等人以多年野生艾蒿为试材，采用火焰原子吸收法测定了平顶山矿区与非矿区土壤中Cu、Zn、Mn、Pb和Cr的含量以及这些金属在植物艾蒿根、茎、叶中的含量。结果表明，除Cu、Cr外，矿区土壤和非矿区土壤均受到不同程度的污染；艾蒿根、茎、叶对这几种金属的富集能力和转运能力的分析表明，它们在该植物体的富集系数为：Cr>Cu>Pb>Zn>Mn。通过比较，可以看出植株对重金属的吸收和富集因植株种类、部位及重金属种类的不同而异。

）爬山虎体内根、茎、叶对重金属的迁移能力

比较6种重金属在爬山虎根、茎、叶中的含量，可以得出，Cd、Cr、Ni、Pb 4种重金属的富集均表现为叶>茎>根；Cu的富集表现为叶>根>茎；而Zn为茎>根>叶。说重金属在植物体内的迁移能力很强，Cd、Cr、Ni、Pb 4种重金属通过根的吸收主要被转移到叶部与茎部，Cu主要通过茎部被转运到叶部，茎部含量较少，Zn主要被转运到茎部，往叶部转运的较少。植物将土壤中的重金属离子主要被转运到地上部分，最终通过收获，处理上部来达到减少土壤重金属含量的目的，并有效防止二次污染。

方改霞等研究的艾蒿重金属在根、茎、叶富集情况为：茎>叶>根。对重金属转运能力为茎>叶，其中对Mn的转运能力最强。吴双桃等通过盆栽实验，研究了地瓜苗在镉污染土壤中的生长特征及对镉的吸收规律和修复能，结果表明：地瓜苗对镉的富集规律表现为根＞茎＞叶。不同植物对重金属的迁移能力因植株的种类不同而不同。

研制结论：

(1)实验结果表明，随着生长时间的延长，重金属对植物的生长有一定的抑制作用，所以周边土壤上的植物生物量大于堆肥上的植物生物量。

(2)堆肥爬山虎根、茎、叶三部位重金属的含量，均表现为：堆肥>对照土壤。和对照相比，不同的重金属含量增加不同，其中在植物的根部与叶部，Ni的含量增加最大，在植物的茎部，Zn的含量增加最大。另外，不同重金属在根、茎、叶中的富集含量也不同，但均遵循规律Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>Cd。

(3)除Zn、Cu外，Cd、Cr、Ni、Pb 4种重金属在植物体内的分布均表现为：叶>茎>根，Cu为叶>根>茎；Zn为茎>根>叶，表明重金属在爬山虎中的迁移能力较强，重金属通过根的吸收作用主要被转移到地上部分，这样有利于对重金属的提取和回收。