一种利用湿地克隆植物的克隆性修复重金属镉污染水体的方法

技术领域

本发明属于环境生态学领域，具体涉及一种利用湿地克隆植物的克隆性状以促进其在重金属镉污染水体中快速扩繁以进行植被恢复与重建的方法，该方法能够减缓湿地水体重金属镉污染状况，改善湿地生态环境，美化湿地景观，有效恢复和保护湿地生态和服务功能。

背景技术

湿地被誉为“地球之肾”，具有调节气候、净化水体、涵养水源、美化环境、维持生物多样性等众多的生态和服务功能。但近年来，随着社会经济的快速发展，人类活动对湿地生态系统的干扰日益加剧，工业废水、农业废水及生活污水的过量排放，废水中的重金属离子也随之流入湿地生态系统中，导致湿地水体受到重金属的严重污染。重金属污染水体严重抑制湿地植物生长，破坏湿地植被结构，导致湿地生态和服务功能退化甚至丧失。因此，对重金属污染湿地进行植被的恢复与重建对于有效恢复和保护湿地生态和服务功能具有十分重要的意义。

湿地植被的主体(超过90％)是具有克隆性(自然状况下自发产生遗传结构相同的后代个体的能力)的植物，即克隆植物。克隆性赋予克隆植物一些特有的性状，包括克隆可塑性、克隆整合性和克隆储存性等。国内外大量研究表明，这些克隆性状可以极大地提高克隆植物抗逆、抗干扰的能力，使得克隆植物可以在一些非克隆植物难以生存的极端环境中存活和繁殖。尽管国内外研究大量使用克隆植物进行湿地植被的恢复与重建，但所采用的技术并未充分考虑克隆植物这些特殊的生活史特征，因此其恢复成效并不理想。我们认为，在湿地恢复与重建过程中，充分利用植物的克隆性以提高其耐受胁迫的能力可能是成功实现对污染湿地进行植被恢复与重建的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用湿地克隆植物的克隆性状以促进其在重金属镉污染水体中快速扩繁以进行植被恢复与重建的方法，该方法能够减缓湿地水体重金属镉污染状况，改善湿地生态环境，美化湿地景观，有效恢复和保护湿地生态和服务功能。

实现上述目的的技术方案如下：

一种利用湿地克隆植物的克隆性修复重金属镉污染水体的方法，包括如下步骤：

(1)在镉污染水体岸边(一般指土壤中，下同)种植克隆植物双穗雀稗，待其在岸边定植后将植株先端置于镉污染水体，使其在水面上匍匐生长、分枝形成网状结构；并与岸边土壤的分株形成连接的匍匐茎网络系统；岸边分株和水面分株之间可以通过克隆整合作用进行物质和水分的传输；

(2)定期收割水面的双穗雀稗植株。

收割后的双穗雀稗植株可转移到其它地方集中处理或进行资源化加工处理或无害化处理。

优选地，双穗雀稗在土壤种植间距为10-20cm，更有利于为双穗雀稗大量无性系克隆分株的形成预留足够的空间，有利于克隆分株间网络结构的形成。

优选地，双穗雀稗在土壤种植方式为压条种植，以利于分布在土壤(无镉污染)区域的分株产生庞大的须根系统。庞大的根系一方面可增强对土壤养分的吸收并通过克隆整合向水生分株供给养分，另一方面可通过克隆整合分摊水生分株富集的镉离子以减轻镉污染对水生分株的胁迫。

优选地，在土壤中种植的是双穗雀稗通过无性繁殖产生的分枝。其优点在于获取材料较快，也较为容易。双穗雀稗为田间杂草，无性繁殖能力非常旺盛，在土壤养分条件较差的情况下也能通过无性繁殖产生大量分枝。

优选地，当双穗雀稗在土壤中生长出至少8个成熟节和幼稍先端的匍匐茎片段，每个成熟节间均长出根后再将植株先端置于镉污染水体上生长；进一步优选为8-20个成熟节。在温室实验中保证水生分株的最后两个节均长出根，根据前期实验，确定至少需要8个成熟节。在实际应用中，可增加至20个节左右，以利于植株较快地恢复生长和扩散繁殖。

一般地，在镉污染水体岸边的土壤通常不需要额外施加肥料，双穗雀稗植物即可正常生长。为进一步促进双穗雀稗植株较快生长，可适当堆加河(湖)岸土壤。

优选地，在镉污染水体岸边的土壤可间作种植苍耳、芦苇、水芹、狗尾草、荻、酸模、牛筋草等植物，这些植物对镉的富集量虽然不及雀稗，但是相对其他湿地植物，它们富集镉的能力相对较高；而且这些植物在湿地均自然共存，且可有效抑制外来入侵植物的生长。

优选地，水面上的双穗雀稗生长于网式浮床上，一方面以利于水生分株茎和叶的生长和进行光合作用，另一方面有利于定期收割。

优选地，所述网式浮床使用普通渔网(例如网眼型号：6股2厘米)作为浮床网，浮床框架由硬质pvc管组成，空心且密封；床面的四个角用密封空心塑料浮箱固定，并将浮箱固定在岸桩上。

优选地，在双穗雀稗植株的生长季，首次收割时间为双穗雀稗在水面的分株恢复正常生长2个月后；以后可每间隔2个月定期收割。在双穗雀稗生长季过后，可视植株长势延长收割间隔时间。根据实验结果在少量双穗雀稗水生分株处理2个月后，水体的镉离子浓度已经降低20-30％。如果种植密度合适，生长季每间隔2个月进行收割是非常合适的。

优选地，收割时水面上的双穗雀稗留茎5-10cm，以利于新生分株继续沿水面匍匐生长。

优选地，所述镉污染水体中镉浓度≥4mg>-1，进一步优选为4-12mg>-1。

具体地，上述修复重金属镉污染水体的方法，包括如下步骤：

(1)在镉污染水体岸边的土壤压条种植克隆植物双穗雀稗，种植间距为10-20cm，待其在土壤定植生长出8-20个成熟节和幼稍先端的匍匐茎片段、每个成熟节间均长出根并形成网络结构后将植株先端置于镉污染水体，使其在水面上的网式浮床上匍匐生长、分枝形成网状结构；并与岸边土壤的分株形成连接的匍匐茎网络系统；岸边分株和水面分株之间可以通过克隆整合作用进行物质和水分的传输；

(2)定期收割水面的双穗雀稗植株：首次收割时间为水面的分株恢复正常生长2个月后；以后每间隔2个月定期收割；收割时水面上的双穗雀稗留茎5-10cm。优选地，在镉污染水体岸边的土壤间作种植苍耳、芦苇、水芹、狗尾草、荻、酸模、牛筋草等植物。

本发明还包括双穗雀稗在重金属镉污染水体修复中的应用。所述双穗雀稗包括具有克隆整合的植株和不具有克隆整合的植株，优选为具有克隆整合的植株。

本发明基于克隆植物的克隆整合性状，植株处于良好环境下的分株能极大地缓解处于不良环境下分株所受到的胁迫，进而促进整个植株的生长和繁殖。因此，对于重金属污染的河流或湖泊，我们可以通过在河(湖)岸区域人为构建湿地克隆植物群落，利用克隆植物自身快速的生长和繁衍特性，使其同一植株的分株能在河(湖)岸和浅水区形成巨大的地下根状茎或地上匍匐茎网络系统。该网络系统中分布在河(湖)岸良好环境下的分株能极大地缓解分布在重金属污染水体中的分株所受到的胁迫，并促进其快速扩繁，从而达到恢复和重建湿地植物群落的目的。该植被构建技术的关键在于选择合适的湿地克隆植物中，利用其克隆性，通过克隆整合提供的资源共享支持和克隆可塑性提供的强表型可塑性使得湿地克隆植物可以从河(湖)岸向污染水体区域快速扩散和繁殖。

通过构建植被以修复重金属污染的技术具有费用低、不易造成二次污染、美化环境等优点。已有研究表明，有些湿地植物对水体重金属污染具有一定的富集作用。结合植被修复重金属污染技术，在进行植被构建之前，筛选出对水体重金属具有较强富集能力的湿地克隆植物进行扩繁。我们认为湿地克隆植物的克隆性(克隆整合)不仅能显著提高分布在重金属污染水体分株的扩繁能力，同时，也可能提高其对重金属离子的富集能力。因此，该技术也能在一定程度上减缓湿地水体重金属污染，最终达到恢复湿地植物群落及净化湿地重金属污染的目的。

本发明即可有效去除镉污染水体中的镉离子，并能有效改善河岸带生态环境，美化河岸带景观，有效恢复和保护河流生态和服务功能。

附图说明

图1为温室实验条件下湿地克隆植物基于克隆整合在陆地-重金属污染水体中的扩繁模式图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实验例1目标物种的确定

通过温室控制实验，筛选出一种对水体重金属镉具有较强耐受和富集能力的湿地植物，且该物种在河(湖)岸的浅水区能快速扩散和繁殖。我们通过在北京市典型湿地(北沙河、密云水库、金牛湖等)采集具有广泛自然分布的本地湿地植物共15种，将其带回温室进行培养后，对其进行人为添加镉溶液(4mg>-1)处理，处理时间1个月。处理后，记录各物种的存活率，并测定植物地上部分镉富集量。

实验结果：如表1所示。双穗雀稗、苍耳、芦苇、水芹、狗尾草、荻、酸模、牛筋草等对镉的富集量较高，且在低浓度(4mg>-1)镉处理下，这些物种的存活率均为100％。以上物种对镉的富集量依次降低，因此，双穗雀稗在这些湿地植物中对镉的富集量较高。双穗雀稗为田间杂草，生长能力较为旺盛，对环境条件的要求较低。值得注意的是，该物种是一种典型的湿地克隆植物，能通过无性繁殖产生大量分株，这些分株能在水面匍匐生长，并形成匍匐茎网络系统，有利于其在水面的扩散和繁殖，因此，最终确定目标物种为双穗雀稗。

但是，仍有以下三个关键问题还需要进一步验证：(1)双穗雀稗是否能适应更高浓度(如12mg>-1)的水体镉污染？(2)河(湖)岸分株与镉污染水体分株之间的克隆整合对污染水体中分株扩繁能力的促进作用有多大？(3)河岸带与水体的匍匐茎网络系统对镉富集的促进作用有多大？

表1镉溶液(4mg>-1)处理下湿地植物对镉的富集量和存活率

实验例2

我们进一步开展了如下温室实验，通过合理的实验设计和精确的实验分析测定以回答“实验例1”中的三个关键问题。具体的实验步骤如下：

(1)截取克隆植物双穗雀稗通过无性繁殖形成的分枝，采取压条的方式进行培养，培养出8个成熟节和幼稍先端的匍匐茎片段，使其每个成熟节间均长出根；

(2)构建网式浮床：使用普通渔网(网眼型号：6股2厘米)作为浮床网，浮床框架由孔径1cm的硬质pvc管组成，空心且密封，每浮床单元长32×20cm。在实际大面积的应用中，床面的四个角需用密封空心塑料浮箱固定，并将浮箱固定在岸桩上；

(3)选用102个塑料水箱(40×32cm)，将其用塑料板均匀分隔为土壤(模拟河岸带区域)和镉污染水体(模拟湿地镉污染水体区域)两个区域，将浮床置于塑料箱的镉污染水体水面上；

(4)将压条培养植株基端的4个节种植在土壤基质中，待植物定植后，将先端的4个节向4种不同程度的镉污染水体区域(0,4,8,12mg>-1)中匍匐扩散和繁殖，并在水面上形成匍匐茎网状结构，最终同一植株在土壤和镉污染水体区域的分株形成的河岸带和水面的匍匐茎网络系统(图1)。为了检验河(湖)岸分株与镉污染水体分株之间的克隆整合对污染水体中分株扩繁能力和对镉富集能力的促进作用，我们在水生分株定植后，将另外一组植物陆生和水生分株之间的匍匐茎人为地切断，使陆生和水生分株之间无物质和水分的交换。将两组实验结果进行比较，即可分析具有陆生-水生相连的匍匐茎网络系统对水生分株和整株扩繁能力的促进作用；

(5)在匍匐茎网络系统进行扩繁60天后，测定植物和水体中镉含量；分土壤区域和水体区域对植株的总节数进行测定，并将植株烘干，测定其叶、茎和根生物量；分析克隆整合和重金属处理对植物生长、植物重金属镉离子富集能力及水体重金属镉离子去除能力的影响。温室实验条件下湿地克隆植物基于克隆整合在陆地-重金属污染水体中的扩繁模式如图1所示。

2.1克隆整合显著提高双穗雀稗在镉污染水体中的扩繁能力

实验结果：如表2所示，双穗雀稗植株在土壤和重金属镉污染水体区域初步形成地上匍匐茎网络系统后(实验开始时)，在其水陆连接部位通过切断或保留土壤和镉污染水体分株间的匍匐茎，并在实验结束时分别测定土壤和镉污染水体中分株叶、茎和根生物量以及总节数，以验证克隆整合在不同重金属镉污染下对植株扩繁能力的影响。研究结果发现克隆整合显著提高了双穗雀稗在重金属镉污染水体中的生长和繁殖能力，即具有克隆整合的植株的生长和繁殖能力显著高于不具克隆整合的植株。克隆整合对植株生长的促进作用主要体现在增强了分布在隔污染水体分株(先端)的扩繁能力，即具有克隆整合植株先端分株的叶、茎和根的生物量积累显著高于不具克隆整合的植株，因而，克隆整合提高了先端分株的生长扩散能力。同时，具有克隆整合植株先端分株的总节数显著高于不具克隆整合的植株，因而，克隆整合显著提高了先端分株的繁殖能力(克隆植物的每节间都可作为一个繁殖体)。克隆整合对植株位于镉污染水体分株扩繁能力的促进作用并没有降低其分布在土壤分株的扩繁能力，最终具有克隆整合的整株的总生物量积累和总节数显著高于不具克隆整合的植株。因此，克隆整合显著促进了分布在镉污染水体分株及整个陆生和水生匍匐茎网络系统的扩繁能力。

2.2克隆整合对植株扩繁能力的促进效应随水体镉浓度的提高而增强

为了分析克隆整合对植株扩繁能力的促进效应受水体重金属镉浓度变化的影响，我们计算了不同镉浓度水平下克隆整合对植株扩繁能力的促进效应，即促进效应＝具有克隆整合植株的生长和繁殖指标/不具克隆整合的植株的生长和繁殖指标。实验结果：如表3所示，分析结果表明克隆整合对双穗雀稗分布在镉污染水体分株(先端)和整个陆生和水生匍匐茎网络系统扩繁能力的促进作用总体上随重金属镉浓度的提高而增强，即水体镉污染浓度越高，具有克隆整合和不具克隆整合植株的扩繁能力的差异越大，克隆整合的效应越强。因此，本发明中利用湿地植物的克隆整合以促进其在镉污染水体中快速扩繁的方法不仅适用于轻度重金属镉污染水体下植株的扩繁，也适用于中度及重度镉污染水体。与轻度镉污染水体相比，克隆整合的促进作用在重度镉污染水体中更加显著。

表3不同重金属镉污染水体中克隆整合对双穗雀稗扩繁能力的促进效应

2.3克隆整合提高双穗雀稗对镉污染水体中镉离子的富集能力

通过在实验开始时切断或保留双穗雀稗分布在土壤和镉污染水体分株间的匍匐茎，并在实验结束时分别测定土壤和镉污染水体中分株叶、茎和根的镉离子浓度，以分析克隆整合在不同重金属镉污染下对植株镉离子富集能力的影响。

实验结果：如表4所示。研究结果发现双穗雀稗具有非常高的对重金属镉的富集能力，其对镉的富集能力与已发现的镉超富集植物如东南景天(Sedum alfredii Hance)对镉的富集能力相当。克隆整合降低了双穗雀稗先端对重金属镉污染水体中镉离子的富集能力，即具有克隆整合的植株的先端的镉离子的浓度略低于不具克隆整合的植株。值得注意的是，植株先端将富集的镉通过克隆整合作用传输到了植株的基端，从而，降低了镉胁迫对先端的伤害。然而，不具克隆整合植株的基端不能帮助先端分摊富集的镉离子。因此，从总体上看，虽然具有克隆整合植株(先端+基端)与不具克隆整合植株(仅先端)的镉离子浓度相比在部分器官中略有降低，然而，具有克隆整合植株却通过先端和基端的分摊显著降低了镉胁迫对植株的伤害，从而极大地提高了植株对镉胁迫的耐受能力。同时，由于克隆整合能显著提高水生分株和整株的生长，即具有更高的生物量(如表2所示)，因此，具有克隆整合植株富集的镉总量(即镉离子浓度×生物量)仍显著高于不具克隆整合的植株。因此，双穗雀稗不仅能有效地富集水体中的镉离子，同时其克隆整合显著提高了双穗雀稗植株对镉污染的耐受和富集能力。研究结果表明本发明中利用湿地植物的克隆整合以促进其在镉污染水体中快速扩繁，并在一定程度上富集污染水体镉离子的技术是可行的。

2.4克隆整合对植株富集镉离子能力的促进效应随水体镉浓度的提高而增强

为了分析克隆整合对植株富集镉离子能力的促进效应受水体重金属镉浓度变化的影响，我们计算了不同镉浓度水平下克隆整合对植株富集镉离子能力的促进效应，即促进效应＝具有克隆整合植株的镉离子含量/不具克隆整合的植株的镉离子含量(表5)。分析结果表明克隆整合对双穗雀稗分布在镉污染水体分株(先端)富集镉离子能力的促进作用总体上随重金属镉浓度的提高而增强，即水体镉污染浓度越高，具有克隆整合和不具克隆整合植株的富集镉离子能力的差异越大，克隆整合的效应越强。因此，本发明中利用湿地植物的克隆整合以促进其在镉污染水体中富集镉离子的技术不仅适用于轻度重金属镉污染水体，也适用于中度及重度镉污染水体。与轻度镉污染水体相比，克隆整合的促进作用在重度镉污染水体中更加显著。

表5不同重金属镉污染水体中克隆整合对双穗雀稗富集镉离子能力的促进效应

2.5具有克隆整合的双穗雀稗植株对重金属镉污染水体具有高净化能力

为了分析具有克隆整合条件下双穗雀稗对重金属镉污染水体的净化能力，在实验结束时分别测定不同重金属镉污染水体中镉离子的浓度，并根据实验开始时和结束时水体镉离子浓度计算水体镉离子的去除率(表6)，即水体镉离子去除率＝(实验开始时水体镉离子浓度-实验结束时水体镉离子浓度)/实验开始时水体镉离子浓度。分析结果表明具有克隆整合条件下双穗雀稗对重金属镉污染水体具有较高的净化能力，对轻度和重度镉污染水体的净化能力可达到30％。因此，本发明中利用湿地植物的克隆整合以促进其在镉污染水体中快速扩繁，并缓解水体重金属镉污染状况的技术，不仅适用于轻度重金属镉污染水体，也适用于重度镉污染水体。

表6具有克隆整合条件下不同重金属镉污染水体中镉离子的去除率

实施例1

模拟修复工业排放的镉污染废水实验。使用CdCl₂溶液配置工业废水，将该工业废水隔离成废水池，其中，镉浓度为4mg>-1。

使培养的克隆植物双穗雀稗通过无性繁殖产生大量的分枝；截取分枝，并将其在废水池的池岸按植株间距15cm的方式进行压条种植，待其在池岸定植生长出20个成熟节和幼稍先端的匍匐茎片段，每个成熟节间均长出根并形成网状结构后，引导植株先端往废水池的水面匍匐生长，水面构建网式浮床：使用普通渔网(网眼型号：6股2厘米)作为浮床网，浮床框架由硬质pvc管组成，空心且密封。使植株在水面上匍匐生长，分枝形成网状结构，并与池岸的分株形成连接的匍匐茎网络系统，岸边分株和水面分株之间可以通过克隆整合作用进行物质和水分的传输。

定期对水面的植株进行收割，首次收割时间为双穗雀稗在水面的分株恢复正常生长后2个月，往后，每间隔2个月定期收割。收割时水面上的双穗雀稗留茎5-10cm，以利于新生分株继续沿水面匍匐生长。连续收割至生长季结束后，检测废水中的镉浓度为1.4mg>-1。在处理期间无需额外施加肥料，适当堆加一些湿地土即可。结果表明本发明方法可有效去除废水中的镉离子。

综上，本发明中利用湿地克隆植物的克隆性以促进其在镉污染水体中快速扩繁，并提高其对水体镉离子的富集能力，以缓解水体重金属镉污染状况的技术是可行的。该技术不仅适用于轻度重金属镉污染水体，也适用于中度及重度镉污染水体。与轻度镉污染水体相比，克隆性的促进作用在重度镉污染水体中更加显著。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。