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第9章环境污染植物修复Phytoremediationofpollutedenvironment第一节概述1植物修复的提出过程==无意识地利用植物处理排泄物==1920年前，有意识地利用植物生态系统处理废弃物和污水无害化==1970s后，发展污水的土地处理系统，成为城市生活废水的处理技术废弃矿山的复垦，污泥的处理和农业应用，植物耐性机理的研究•1980s,RufusLChaney提出利用超积累植物清除土壤重金属污染，形成植物修复概念。Superfund:1,623Sites植物修复的定义•植物修复是利用植物及其根圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解的作用机制来清除环境中的污染物的一种污染环境治理技术。生物修复微生物修复微生物转化作用微生物降解作用植物修复植物去除作用植物稳定作用植物固定植物挥发植物提取植物净化根际圈降解植物降解净化空气净化水体狭义3植物对污染物质的吸收、排泄与积累uptake，excretion，accumulation（1）植物对污染物的吸收特点：==具有广泛性，没有绝对的选择作用，只有吸收能力的大小不同.==影响因素包括遗传、土壤理化性质、根际微生物、污染物的浓度==策略产生耐性•躲避•超积累（2）排泄：包括分泌和挥发•Excretion，exudation，secretion，•volatilization•faeces•分泌的器官包括根系及茎叶表面的分泌腺•挥发是气孔和角质层中的孔隙•根系分泌物（3)积累：进入植物体内的污染物大部分留在植物体内，并在一定时期内不断积累增多而形成富集现象，某些植物还形成超富集（hyperaccumulation）.•通常用富积系数（bioaccumulationfactor）来衡量植物积累污染物资的能力富积系数=植物体内某种元素含量土壤中该种元素含量4超积累植物1）概念：最初由Brooks等（1977）提出，用于命名茎中镍含量大于1000mg/kg的植物。后扩展到所有植物对所有重金属超积累的现象。•Chaney（1997），Salt（1995）和Brooks(1998)定义超积累植物应该具备的3个特征：•A)植物地上部重金属含量一般1,000mg/kg;•但要求锌10,000mg/kg,镉100mg/kg;金1mg/kg.•B）富集系数100；•C）转移系数（translocationfactor）80%转移系数==植物地上部某种元素含量植物该种元素含量•1583年有人在意大利发现一种植物能在“黑色岩石”上生长。•1814年命名为Alyssumbertolonni(庭荠属)•1848年测定叶片含镍量7,900mg/kg超积累植物发现的历史超积累植物发现的历史•早在我国几百年前的古籍中就记载了一种名叫“海州香薷”的植物，是铜矿的指示植物。•这种植物不仅能忍受含铜极高的土壤，并且能吸收很多的铜，在它们根部的干物质里竟含有３％的铜。•当地的人们也把这种植物称为“铜草”。根据这种植物的分布，往往可以找到很好的铜矿。•中国在1950s，在铜矿区发现铜草，海州香薷（ElsholtziaharchowensisSun）•谢学锦、徐邦梁,1953,铜矿指示矿物海州香薷,地质学报,32(4)360-368.超积累植物发现的历史•自然界中，能指示矿藏的植物还有一些，比如喜锌堇菜和喜锌海石竹，它们就偏偏喜欢生长在其他植物感到有毒，生长不好的含锌土壤中，被人称为“锌草”。•示锌植物实际上是人们最早用来探矿的“绿色指示器”，早在罗马帝国时期，开矿者就在今天德国的亚琛附近通过寻找“锌草”而发现锌矿。喜锌堇菜Violaverecunda喜锌海石竹Armeriamaritima目前发现的超积累植物•有超积累植物400多种，其中镍超积累植物占70%。•有20多个科，其中十字花科植物较多。•多数在矿山区，成矿作用带，或富含某种或某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上发现的。•具有较为独特的生态型•超积累研究的遗传机制研究还处于起步阶段。Listofhyperaccumulators•(Brassicajuncea)印度芥菜ThlaspicaerulescensPterisvittata超积累植物Hyperaccumulators遏蓝菜CCAUCAMPUSCCAUCAMPUSCuHyperaccumulator(ElsholziaSpleden)我国发现的超积累植物•我国的研究机构介绍：•浙江大学•中山大学•中科院地理所•中科院沈阳生态所•中科院南土所超积累植物•表2我国发现的超积累植物元素超积累植物发现人及文献Al茶树(CamelliasinensisL.)多花野牡丹(Melas-tomaaffineL.)谢正苗等（2002）As大叶井口边草（PteriscreticaL.）韦朝阳等（2002）As蜈蚣草（PterisvittataL.）Maetal.(2001);Chenetal.(2002)Cd东南景天（SedumalfrediiHance）杨肖娥等（2002）Cd宝山堇菜(Violabaoshanensis)蓝崇钰等（2003）Cd中油杂1号（BrassicanapusZhongyouHybrideNo.1）苏德纯,黄焕忠（2002）Cd蒲公英(Taraxacummongolicum)、龙葵(Solanumnigrum)、小白酒花(Conyzacanadensis)魏树和，周启星等（2003）Cd-Pb-Cu-Zn蒲公英(Taraxacummongolicum)、龙葵(Solanumnigrum)、小白酒花(Conyzacanadensis)魏树和，周启星等（2003）Cu（耐）海洲香薷(Elsholtziasplendens)谢学锦，徐邦梁（1953）Mn商陆（Ethiopianguizotia）薛生国等（2003）Pb杨梅(Myricarubra)何新华等（2004）Zn东南景天（SedumalfrediiHance）杨肖娥等（2002）5排异植物的概念及其应用（1）排异植物的概念•能在高污染土壤上生长，而体内，尤其是地上部污染物含量很低Younginflorescenceofgiantspeargrass,Trachypogonspicatus,菊科婆罗门参属植物fromnearSterkfontein,SouthAfrica.•排异作物•能在高污染土壤上生长，而其有利用价值部分（如根、茎、叶、果实、或者种子）中的污染物含量很低或不超标。•块根作物：红薯•块茎作物：马铃薯（2）排异性与避性、耐性、和抗性的关系•排异性exclusion:能在高污染环境生长，体内污染物含量较低或不超标。•耐性tolerance:能在高污染环境生长并完成生活史。不受抑制或受抑制较少。地上部含量较高•避性avoidance:能在高污染环境生长，不吸收或吸收很少。•抗性resistance:指植物能在高污染环境生长、繁殖，并将这种能力遗传给下一代的能力。抗性排异性耐性避性排异植物排异作物6植物修复的基本类型•大部分植物都具有降解或减少污染物的作用。一些植物，如苜蓿、香根草、白杨及湿地植物水葫芦等对许多污染物都具有显著的降解作用和去除作用。这些植物已被广泛地用作污染环境的修复。POPLARTREESPOPLARTREES•Schnodr等（1995）的工作（栽植杨树降低NO3-污染）•伊乐藻原产美洲，是一种速生高产的沉水高等植物，与我国淡水水域中分布的黑藻、苦草同属水鳖科。1986年经中科院南京地理与湖泊研究所从日本引进。伊乐藻是河蟹优良的天然饵料，不仅含有丰富的蛋白质，大量的氨基酸，而且含有足够的必需矿物质营养元素。用伊乐藻饲喂河蟹，适口性较好、河蟹生长快、饲料系数低，可节约精饲料30％左右，饲喂草食性鱼类（鳊鱼、草鱼等）节约精饲料50％左右。•蟹池种植伊乐藻，还可以净化水质、防止水体富营养化。此外，它还可营造良好的生态环境，供螃蟹活动、隐蔽、脱壳，使其较快地生长，可降低河蟹的发病率。陆生植物野葛豆科植物野葛(pueraria、Lobatawilldohwi葛根的主要有效成分为异黄酮化合物•Kochia(Bassiascoparia)•DeclaredWeed•Whatisit?•Kochiaisasummergrowingannualthatiscloselyrelatedtothecommonweed,fathen.Itgrowsrapidlyandcompetesstronglywithotherplants.Inaddition,itproducesalle’lopathiccompoundsthatinhibitthegrowthofnearbyplants.Kochiaisalsotoxictostock.•Kruger等（1997）工作（利用Kochia吸收阿特拉津）；Kochiascoparia(Linn.)Schrad.地肤（扫帚菜）=11827Allelopathy•Alle’lopathyreferstotheinhi’bitionofgrowthofaplantduetobiomoleculesreleasedbyanother.Itistheoppositeofsymbioticmutualism.•Kochiascopariaisplantedforornamentorerosioncontrol.[2]•ItisaknownhyperaccumulatorofChromium,Lead,Mercury,Selenium,Silver,Zinc,[11],[12]andUranium,[13],andassuchcanbeusedforphytoremediation.•McCutcheon&Schnoor2003,Phytoremediation.NewJersey,JohnWiley&Sons,page898.•Phytoremediation.ByMcCutcheon&Schnoor.2003,NewJersey,JohnWiley&Sonspg19.•EnhancingPhytoextraction:TheEffectofChemicalSoilManipulationonMobility,PlantAccumulation,andLeachingofHeavyMetals.ByUlrichSchmidt.InJ.Environ.Qual.32:1939-1954(2003)Casuarinaequisetifolialittercompletelysuppressesgerminationofunderstoryplantsasshownheredespitetherelativeopennessofthecanopyandamplerainfall(120cm/yr)atthelocation•Itwasusedoverseasasagardenplantduetoitsstrikingfoliagecoloursandquickgrowth.Today,itisoneofthemostwidespreadandtroublesomeweedsofUSagriculture.PopulationsofKochiaintheUShavereportedlydevelopedherbicideresistance.ItwasintroducedtoWesternAustraliain1990asafodderplantforsalt-affectedland,buthassinceescapedcultivationandisnowsubject