东北地区植物修复镉污染农田土壤主要根/土过程与机理

Cd contaminated farmland soil is one of heavy metal polluted soils needed to be remediated in Northeast China. When a hyperaccumulator and low accumulation crop are co-planted through intercrop or multiple planting, the polluted soil can not only be cleaned but produce safe food. Obviously, this method of simultaneous remediation and safe production is very promissing in science and practice. Rorippa globosa (Turcz.) Thell and Solanum nigrum L. were firstly found and reported as Cd hyperaccumulator by Dr. Wei, which are ideal phytoremediation plants to be used in Northeast China. Based on the last completed science funding, this project will be enlarged and focused on root-soil process and mechanism of phytoremediation. The main contents include: (1). The process and mechanism of translocation for unuseful Cd in soil and its accumulation in plant; (2).Main root-soil process and mechanism of electriful field role on Cd phytoremediation; (3).Interannual root-soil process and mechanism of phytoremediating Cd contaminated soil. Some modern analyze technologies such as ICP-Ms, 109Cd isotopic dilution,16sRNA,PCR and DGGE will be used and the results will be the base of simultaneous remediation and safe production technology.

东北地区农田镉污染土壤是急需修复的重金属污染土壤之一。 利用超富集植物去除土壤中重金属的同时,采取间作或套种等方式种植低积累作物,这一边修复边生产方法既能修复污染土壤还能产生较好的经济效益，对于超富集植物应用于修复实践无疑具有重要意义。球果蔊菜和龙葵是申请人首次发现报道的适合于东北地区修复实践的镉超积累植物。在完成的上一面上基金基础上，本项目进行深入拓展，将重点研究植物修复镉污染农田土壤主要根/土过程与机理，内容主要有：(1). 污染土壤中难利用态镉运移转化和积累过程及机制; (2). 电场作用于植物修复镉污染土壤的主要根/土过程及机理; (3). 超积累植物持续修复镉污染土壤的年际间根/土过程与机理。利用ICP-MS、109Cd稀释、16sRNA、PCR、DGGE等现代分析技术,深入揭示植物修复镉污染农田土壤主要根/土过程与机理,为构建边修复边生产技术提供理论依据。

龙葵(Solanum nigrum L.)、球果蔊菜(Rorppa globosa(Turcz.) Thell.)和三叶鬼针草（Bidens pilosa L.）是较适宜东北地区气候条件的镉超富集植物。以这3种植物为试材，开展“东北地区植物修复镉污染农田土壤主要根/土过程与机理”研究具有重要实践意义。根据研究计划，已完成全部研究任务，超额完成了预期成果指标。发表SCI收录论文16篇，CSCD收录论文5篇，申报发明专利3件。获陕西省科技进步三等奖一项，陕西省教育厅二等奖一项。主要研究内容和结论如下： 1）污染土壤中难利用态镉运移转化和积累过程及机制。 采用盆栽土壤投加相同含量易溶态镉Cd(NO3)2, CdCl2, CdBr2, CdI2和CdSO4，以及难溶态和不溶态镉CdF2, Cd(OH)2, CdCO3, Cd3(PO4)2 和 CdS比较试验。结果表明，龙葵等3种植物对土壤中易溶态镉的耐性较强。虽然土壤中某些Cd化合物的生物有效性较低，但龙葵等3种植物对Cd的富集能力仍很强。超富集植物本身或根部具有某种活化机制，可以利用难利用态镉，并进行充分运移转化和积累。土壤中施加狼把草茎提取液，能显著增加龙葵对Cd的富集。116Cd土壤根箱试验中，龙葵在远离根际的情况下，还可以富集远在4cm处的镉，对土壤中镉的运移能力较强。2）电场作用于植物修复镉污染土壤的主要根/土过程及机理。在龙葵镉积累方面，施加电场的处理显著高于未施加电场的处理，其中不锈钢和石墨电极作用效果最好。电场强度为1 V cm-1处理下，龙葵生物量最高，镉积累量最高。交流电场作用下，龙葵生物量最高，镉积累量最高。在0-10 h d-1的通电时间段内，随着通电时间的增加，龙葵生物量逐渐增大，镉积累量也最高。(3) 超积累植物持续修复镉污染土壤的年际间根/土过程与机理。以采自沈阳张士灌区镉污染土壤为修复对象，利用盆栽试验，连续种植物3年龙葵，不施肥的情况下，镉去除率为11.5%。土壤施加活化剂AS和GSH时，镉去除率为16.4% 和15.3%。开花期收获后再种下一茬，也在开花期收获，3年共6段修复时，与3年连续修复相比，去除率分别提高29.5%，66.9%，71.3%。总的来看，经过第一茬的花期收获后，每一茬的去除率均略有下降。