植物学与发育生物学研究进展

植物学与发育生物学研究进展课程论文题目:重金属污染土壤的修复姓名:尹新强学院:生命科学学院专业:植物学班级:一班学号:2014116001电话:159962676332015年1月8日重金属污染土壤的修复摘要：我国工业化的迅速发展和农业生产中化肥农药的广泛使用，大量重金属污染物通过各种途径进入土壤环境，导致我国土壤污染形势不断加剧。土壤中重金属污染不仅影响植物的生长发育及农产品的数量和质量，还会通过食物链影响人类的身体健康和生命安全。土壤重金属污染已成为我国亟待解决的重要环境问题之一。目前，国内外针对土壤中重金属污染已经研发了一系列的修复技术。主要有物理修复、化学修复、生物修复、联合修复。其中，生物修复技术是近年发展起来的一项用于污染土壤治理的绿色修复技术，主要是通过综合利用动物、植物或微生物的生命代谢活动，使土壤中的重金属得以去除化或稳定化，土壤质量得以提高或改善的过程，是一类具有广阔的前景修复手段。关键字：重金属土壤污染物理修复化学修复生物修复联合修复一、土壤重金属污染物的来源土壤作为人类生存所必须的自然资源之一，同时担负着为人类提供食物和其他再生资源的重担[1]。但是，随着工农业生产的发展和现代化技术的进步，重金属污染尤其是土壤重金属污染问题已成为危害全球环境质量以及人类生存和发展的主要问题之一[2]。近年来，重金属污染土壤的修复研究一度成为国内外研究的热点[3-7]。土壤中的重金属来源广泛，除了与成土母质、成土过程、火山活动等自然因素有关外，人类活动的影响则是造成土壤重金属污染的最主要原因[8]。污水灌溉是解决干旱地区作物需水问题的一条可行途径，然而，不正当的灌溉措施以及大量重金属超标污水的引入，给农业土壤造成了严重污染[9]；采矿冶炼等工业过程中产生大量的重金属元素，一些企业将未经达标处理的三废直接排放到环境中，使其附近的土壤富集了大量的重金属[10-11]；有机肥料和化肥的长期施用引起的土壤重金属污染问题也越来越得到重视，研究发现，有机肥和磷肥中含有较高的重金属，长期施用磷肥是土壤中重金属积累的主要影响因素[12-13]。土壤重金属污染会对生态系统稳定以及人类健康产生严重影响。土壤重金属污染会阻碍作物的生长和发育，进而降低作物产量和质量[14]。二、土壤重金属污染物的修复根据当前的研究，重金属污染土壤的修复方法主要有：物理修复、化学修复、生物修复、联合修复。单一的物理化学修复成本高，而且有可能会造成二次污染，在大范围的土壤修复工程中难以实现，而生物修复作为一种新兴的修复技术，具有成本低、效果好、对环境的扰动小、不破坏景观生态等优点，受到了较多的关注和应用[15]。联合修复技术即将物理、化学、生物修复中的2个或者3个结合应用，以达到修复土壤，恢复生态的效果，在今后的应用和研究中具有广阔的前景。1物理修复重金属污染土壤的物理修复是指应用单一的物理方法进行改良，以达到消减和固化土壤中重金属的目标，常用的方法有客土法、淋洗、固化填埋、热处理和电动修复等[16]。翻土与客土法翻土就是通过机械深翻土壤，使聚集在表层的重金属分散和转移到更深的层次，从而达到稀释的目的，而客土就是将大量干净的土壤加入污染土中，与原来的土壤混合，使污染物浓度降低到临界危害浓度以下。翻土和客土法治理轻污染土壤的效果显著，可以在短期内达到既定的修复目标，但需要大量的人力、物力，投资大，而且土壤肥力和初级生产力会有所降低，因此不适合大面积推广[17]。热处理高温热处理技术是指通过加热的方式，将Hg、As等一些具有挥发性的重金属从土壤中解析出来的方法。此种方法可以除去土壤中99%的多环芳烃（PAHs）和挥发性污染物[18]，同时对一些非挥发性重金属和放射性元素也有一定的固定作用，可以降低它们的环境风险[19-20]。但是，高温热解法会破坏土壤有机质和结构水，同时需要消耗大量的能量，在实际操作中应用较少。固化法是指在重金属污染土壤中加入固化剂以改变土壤的理化性质，通过重金属的吸附、共沉淀等作用降低其迁移性和生物有效性。固化剂有单一固化剂如石灰、水泥、粉煤灰等，也有复合固化剂，即将多种材料配比混合，以改善和提高工程技术性能[21]。固化后的土壤不仅可以降低重金属的移动性和生物有效性，还可以应用于建筑材料和路基的铺设，可谓一举两得。但是，固化技术存在着要破坏土壤，对生态系统的扰动较大，同时还要使用大量的固化剂，成本较高等先天性的不足。因此，只适用于小面积的污染治理，大面积的应用还有待于进一步研究。2化学修复化学修复属于一种原位修复技术，它是一种通过向土壤中添加改良剂或者抑制剂，使重金属发生一系列的化学反应，以降低土壤重金属的水溶性、移动性和有效性，从而达到治理和修复目的的方法[22]。目前应用较多的是向土壤中加入改良剂，理想的改良剂应具有自身无污染、成本低、效果好、持续性强的特点。常用的改良剂，如石灰、石灰石粉、磷灰石、羟基磷灰石、钙镁磷肥等对土壤都有一定的修复效果。同时，还可以通过加入表面活性剂、重金属螯合剂，达到改良的效果。杜志敏等[23]研究结果表明，向土壤中加入石灰、磷灰石、蒙脱石、凹凸棒石提高了土壤pH，并使土壤Cu由对植物有效性大的可交换态向对植物有效性小的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态转化，高剂量石灰和高剂量磷灰石处理分别使可交换态Cu降低了95.9%、94.6%。利用土壤环境中重金属间的拮抗作用，也可以降低重金属的毒性。如提高Ca的供应水平降低植物对重金属Cd、Ni、Pb、Zn、Cr的吸收或缓解重金属的毒害[24]。因此，通过向土壤中添加含钙物质也可以降低部分重金属的有效性。化学修复简单易行，而且修复过程中可以将工业副产品作为改良剂，因此成本相对较低，适用于大面积污染土壤的修复工作。但是，单一的化学修复不能将土壤中的重金属根除，当环境条件改变时，可能再次释放到土壤中，同时可能对土壤中的微生物造成一定的影响，存在着一定的安全隐患。因此，在应用化学修复的过程中应该考虑应用稳定效果好，对土壤生态系统影响较小的材料作为改良剂。3生物修复生物修复(Bioremediation)有广义和狭义之分，人们通常所说的生物修复是指广义的生物修复，即应用生物为主体的重金属污染修复技术，通过它们的代谢活动降低土壤重金属的含量或通过改变其形态而降低毒性，以达到修复目的的修复技术。常用的生物修复技术有：植物修复、动物修复和微生物修复。植物修复是1983年美国科学家Chaney首次提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想[25]。植物修复是指利用植物及其根对土壤污染物提取、吸收、挥发、转化、降解、固定等作用而去除土壤中污染物的修复技术[26]。植物修复机理包括：植物提取、根际降解、植物降解、植物稳定化和植物挥发[27]。其中，植物提取是利用某些超积累植物对重金属的吸收，通过妥善处理收获的地上部分将重金属带出土壤，达到降低污染消除毒性的目的[28]。此技术在目前重金属污染土壤的植物修复研究中应用较多。在进行污染修复时，选择合适的植物至关重要。尽管目前世界上已经发现了大量的重金属超富集植物，但这些植物普遍存在生物量低、生长缓慢、地域性较强和修复时间较长等缺陷[29]。因此，国内外学者在寻找超富集植物的同时也开始关注对重金属具有耐性、适应性强、分布广泛和生物量高的一些能源作物和园林花卉等常见植物。这些植物与超富集植物相比体内重金属富集量很低，但因植物生物量及生长速度都远远大于超富集植物，即使体内重金属含量未达到临界含量标准，同样时间内所积累的重金属绝对量反而比超富集植物积累的绝对量大，对重金属污染土壤的修复作用更大。与传统的物化修复方法相比，植物修复具有运行费用低、减少土壤侵蚀、也增加了土壤有机质含量和土壤肥力，不造成二次污染，地表植被覆盖的增加有利于生态环境的改善。因此，如何利用生物技术培育新的超富集植物已成为植物修复研究的一个热点。但是植物修复技术也尚存在一些缺点，如植物对重金属污染物的耐性有限、修复耗时长，因此植物修复只适用于中低污染程度的重金属修复；对于多种重金属和有机物造成的土壤复合污染，单一的植物往往不能取得理想的修复效果等。动物修复土壤动物修复狭义的土壤动物是指整个生活史都在土壤中的动物，而广义的土壤动物是生活史中的一个时期（或季节中某一时期）接触土壤表面或者在土壤中生活的动物[30]。通常所说的土壤动物修复技术就是利用广义的土壤动物进行，它是指利用土壤动物及其肠道微生物在人工控制或自然条件下，在污染土壤中生长、繁殖、穿插等活动过程中对污染物进行分解、消化和富集的作用,从而使污染物降低或消除的一种生物修复技术[31]。动物修复的机理大致有以下几个方面：土壤动物吸收重金属并形成金属硫蛋白；通过代谢产生的多肽，与重金属通过螯合作用降低其活性；在重金属胁迫下产生多种重金属转运蛋白基因，以提高对重金属的抗性[32]。蚯蚓属是目前国内外污染土壤动物修复技术的主要研究对象。Langdon等[33]研究发现在砷（As）污染土壤中长期生活的蚯蚓会对As产生一定的抗性，具有修复As污染土壤的潜力；戈峰等[34]将蚯蚓用于铜矿区废弃场地的生态恢复中发现，蚯蚓对铜矿土壤中的铜（Cu）富集能力很强，体内组织的富集量可达82.5-1218.4mg/kg；戈峰等[35]又通过进一步的试验发现，蚯蚓对Se也具有很强的富集能力，其体内组织最高硒富集量为332.5mg/kg。此外，Singer等[36]在多氯联苯（PCBs）污染土壤中也引入蚯蚓培养，结果发现土壤中PCBs的降解率为55%，而在未培养蚯蚓的污染土壤中，PCBs的降解率仅为39%。除针对蚯蚓的研究外，王一华和张薇等[37,38]分别对甲螨、线虫等土壤动物生物指示作用进行研究发现，这些土壤动物对农药的富集作用比较明显，具有应用于农药污染土壤修复的潜力。但是与植物修复相比动物修复的研究相对较少，有待进一步探索。微生物修复，某些微生物如细菌和真菌等对重金属具有吸附、沉淀、氧化还原等作用，从而可降低污染土壤中重金属的生物有效性，达到修复污染的目的。微生物修复重金属污染的机制主要有生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。Cernansky等[39]在高As含量的沉积物中分离得到一株As吸收能力较强的耐高温真菌，发现该真菌几乎能将所吸收的As全部以气态形式释放到体外；Srivastava等[40]研究发现了4种菌株在10mg/L的As污染介质中培养21d之后可将22.31%-29.86%的As通过挥发而去除。Desjardin等[41]发现Cr污染土壤中存在的Cr还原菌株能将Cr6+还原成低迁移率的Cr3+，显著降低Cr的生物有效性；Chai等[42]也发现了一种土著菌可有效去除土壤中的总Cr6+，去除率高达98%。此外，Tiwari等[43]从香蒲根际中分离出了一些菌株能有效钝化固定土壤中的Cu和Cd；肖根林等[44]发现一种光合细菌——球形红细菌（Rhodobactersphaeroides）能使土壤中可交换态和碳酸盐结合态Cd含量降低，显著降低Cd的生物有效性。微生物修复是一种低成本、高效能的利用生物技术治理土壤污染的绿色修复方法，具有效果好、易操作、无二次污染等特点。但是，应用微生物修复也存在诸多问题，如加入的微生物可能不适应环境或者可能与环境中的其他微生物竞争而不能生存，受环境条件的影响较大等。因此，通过现代生物技术培育具有强适应性、广谱性的微生物并应用于污染治理，将成为环境修复研究的趋势。目前该技术处于实验室或模拟试验阶段的研究成果较多，商业化应用则有待该技术的进一步成熟和创新性技术的开发。4联合修复技术由于土壤污染越来越呈现出复合性，并且不同地区在污染程度、土壤类型、区域条件、再利用要求方面都存在较大差异。因此，单一的修复方法已经不能达到既定的修复效果。协同两种或两种以上修复方法，形成联合修复技术，不仅可以提高污染土壤的修复速率与效率，而且可以克服单项修复技术的局限性，实现对多种污染物复合污染土壤的修复。如何因地制宜地开发联合修复，成为土壤重金属修复研究的方向[45]。目前，应用较多