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《生物物理学》课程论文题目土壤重金属污染生物治理与修复学生姓名王孟孟学号200900803021专业应用物理学指导教师梁国营教学单位物理系土壤重金属污染生物治理与修复摘要:土壤重金属污染的危害问题越来越引起人们的关注，怎样治理与修复被重金属污染的土壤是当今研究的一大课题。土壤重金属污染的治理和修复的基本原理是将重金属清除或改变其在土壤中的存在形态,降低迁移性和生物可利用性。根据土壤的性质和重金属在土壤中的赋存形态不同,目前重金属污染土壤治理和修复方法可分为工程物理化学法、土壤农化调控法和生物学修复法。通过对重金属污染治理与修复方法的综述,得出了生物学修复法的优缺点和适用范围,并对重金属治理的方法进行了展望。关键词:重金属;治理与修复;污染；土壤土壤的正常功能受到障碍即形成土壤污染。土壤污染不但直接表现于土壤生产力的下降,并在农产品中富集,通过食物链影响人体的健康。土壤中的重金属元素按生物化学特性可分为2类:一类是对作物和人畜有害的元素,如汞、镉、铅及类金属砷等,应减少其含量,使其不超过环境容量;另一类是在常量下对作物和人体有益,而过量时则出现危害的元素,如铜、锌、铬、锰及类金属硒等,应控制其含量,使其有益作物生长和人体健康[1]。土壤重金属污染的来源,主要包括工业污染源、农业污染源以及交通运输等造成的土壤污染。工业三废排放是向土壤环境中释放重金属的最主要污染源,通过重金属的扩散、迁移、沉降、累积引起的土壤污染相当严重[2]。生活垃圾渗滤液、污水灌溉、污泥施用等使重金属直接进入土壤[3,4]。某些农药、化肥含有重金属,经常施用亦引起重金属污染[5]。目前,我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近20107hm2，约占总耕地面积的20%[6]。土壤重金属产生危害主要通过雨水淋溶作用向下渗透导致地下水污染含重金属的土壤颗粒直接或间接地为人或动物所吸入,或者通过生态系统食物链影响人体健康。生物学修复法生物学修复法是利用某些特殊的植物、微生物和动物,通过新陈代谢作用,吸收去除土壤中的重金属或使重金属形态转化,降低重金属的毒性,净化土壤。生物学修复法包括植物修复、微生物修复和动物修复等。1植物修复Cunningham等[7]认为植物修复是利用绿色植物来吸收、转移或转化污染物,从而消除其对环境的危害。根据植物修复的机理,修复类型划分为植物萃取、植物挥发和植物固定等方法。1.1植物萃取植物萃取是利用植物对重金属的高富集能力,并通过地上部分的积累和收获来减少土壤重金属含量的方法。植物萃取可分为超量积累和诱导超量积累2类。植物对重金属元素的积累量超过一般植物100倍以上的植物,即为超富集植物[8]。而且对重金属的生物富集系数(植物地上部与其生长的介质中重金属含量之比)以及重金属在植物冠根部的含量比值大于1,植物地上部重金属元素含量大于1000mg/kg[9]。超量积累植物净化重金属污染土壤具有极大的潜力,目前已发现能富集重金属的超积累植物500多种,其中有300多种是富集Ni的植物[10]。诱导超量积累指植物本身不具有超量积累重金属污染物的能力,但通过一些方法诱导植物,从而具有超量积累能力的植物富集重金属污染物的方式。植物超量积累的诱导方式包括添加螯合剂、植物营养物质以及植物基因转换等方式。农作物如玉米和豌豆可大量吸收Pb等重金属,但达不到植物修复的要求。杨智宽等[11]研究发现土壤中加入螯合剂壳聚糖衍生物(SCTA-I)后可增加对Pb的吸收,由于螯合剂能加速Pb在植物体内的传输速度,使植物木质液中金属的质量浓度增大,最大可增加120倍。SCTA-I的加入能增加玉米对Pb的吸收量,其根部和枝叶部分Pb的含量显著增大。促进植物对Pb的累积,提高土壤植物修复的效率。添加强配体如EDTA、EGTA,能提高重金属的迁移性能,重金属可通过淋滤作用扩大污染区域,同时导致大量营养元素流失;但施加弱有机酸及其盐如柠檬酸、苹果酸等能克服上述缺点,被认为是环境友好的修复技术。修复植物的植株矮小,生长速度慢,很难具有实际应用价值,而生长速度快、生物量大的植物往往对重金属忍耐性低。因此可将耐金属基因引入到生物量大的植物体中,就有可能得到适合于植物修复的品种。Rugh等[12]构造了一个诱变merA序列,更改merA基因甚至更进一步优化密码在北美黄杨和鹅掌楸植物体中使用,该植物进行汞污染土壤的植物修复结果表明,转基因植物转换Hg2+为Hg0的总量是对照植物的2—10倍。这种植物对Au3+抗性也得到提高。1.2植物挥发植物挥发是利用植物将污染物吸收后又将其转化为可挥发的气态物质而释放到大气中。对于重金属的治理修复主要为砷、硒和汞及其化合物等具有挥发性的污染土壤。其机理是一些植物在体内能将重金属转化为可挥发的气态。沈振国等[13]研究发现印度芥菜有较高吸收和积累Se的能力,在种植该植物第1年和第2年后,土壤中全Se含量可分别减少48%和13%。一些农作物如水稻、卷心菜、胡萝卜、大麦和苜蓿等及一些水生植物等也具有较强的吸收并挥发Se的能力。利用转基因植物转化Hg,即将细菌体内对Hg的抗性基因(汞还原酶基因)转导至拟南芥属植株中,植株耐汞能力提高,使得植物具有从环境中吸收Hg并还原为HgO的能力[14],然后挥发至植物体外而去除。1.3植物固定植物固定是指植物的新陈代谢活动可改变土壤环境,促进重金属转化为低毒形态,降低生物有效性。如植物枯落分解物、根系分泌物对重金属的固定作用、腐殖质对金属离子的螯合作用等。铅可与磷结合,形成难溶的磷酸铅沉淀在植物根部,减轻铅的毒害,而且植物也可对环境中土壤Pb固定,降低Pb的生物可利用性,缓解Pb对环境中生物的毒害作用[15]。然而植物固定并没有将环境中的重金属离子去除,只是暂时的固定,如果环境条件发生改变,金属的生物可利用性可能又会发生改变,因此,植物固定不是一个很理想的去除环境中重金属的方法。另外,在植物修复的过程中,还存在着植物促进,植物根系过滤等过程。2微生物修复微生物对某些重金属具有吸收、沉积、氧化和还原等作用,影响植物对重金属的摄取量,从而降低重金属的毒性。以铬污染的微生物修复研究较多,微生物催化Cr6+-Cr3+的氧化还原反应,有机污染物如芳香族化合物可以作为Cr6+还原的电子供体[16]。土壤或沉积物中离子态汞在厌氧细菌作用下可转化为毒性很强的甲基汞(MeHg)。利用抗Hg细菌先在污染点存活繁殖,然后通过酶作用将甲基汞和离子态汞转化成毒性小的可挥发元素HgO,已被作为降低Hg毒性的生物有效途径之一[17]。3动物修复土壤动物修复是利用土壤中的某些低等动物（如蚯蚓、鼠类等)吸收重金属在一定程度上降低了污染土壤中重金属的含量。首先,污染区土壤通常具有恶劣的物理、化学性质,而蚯蚓是改善土壤物理结构、改善土壤通气性和透水性、增强土壤肥力的能手,如果将蚯蚓引入土壤中,将有利于退化的污染土壤生态系统的恢复;其次,污染土壤中的微生物数量减少,活性降低。由于蚯蚓体内能携带各种微生物,能提高土壤中活性微生物量,如果将蚯蚓引入污染土壤,随同蚯蚓一起,可以向土壤中引入各种微生物。由于微生物在降解有机污染物中起着举足轻重的作用,所以向污染土壤中引入蚯蚓会有助于有机污染物的降解。Lasat认为研究土壤动物、微生物、植物之间的交互作用,对植物修复技术的进一步发展有重大意义[18]。结语植物修复技术作为一种新兴的、高效的植物修复途径已为人们所接受,并逐步走向商业化。但该技术目前还处于试验和示范阶段,研究是土壤重金属污染修复的重点研究方向。有研究表明,将电化学、土壤淋洗法和植物提取综合应用到土壤修复中,比使用任何单一方法效果都要好。电流能有效地将吸附的重金属从土壤颗粒中释放出来,含配体的溶液能提高土壤溶液中重金属的质量浓度,植物利用根系巨大的表面积将溶液中金属离子或金属配位离子进行吸附、吸收和进一步转运,综合技术可以弥补单一技术的缺陷,有利于在短时间内推上市场。参考文献[1]孟昭福,薛澄泽,张增强等.土壤重金属复合污染的表征[J].农业环境保护,1999,18(02):8791.[2]郑喜坤,鲁安怀,高翔等.土壤重金属污染现状与防治方法[J].土壤与环境,2002,11(01):7984.[3]李芳柏,古国榜,肖锦.城市污水处理与农业回用辨析[J].农业环境保护,1998,17(05):237239.[4]MillerRW,AzzariAS,GardinerDT.Heavymetalsincropsasaffectedbysoiltypesandsewagesludgerates[J].Commun.SoilSc.iPlantAna.l,1995,26:703711.[5]MortvedtJJ.Cadmiumlevelsinsoilsandplantsfrosomelong-termsoilfertilityexperimentsintheUSA[J]JournalofEnvironQua.l,1987,16(02):137142.[6]孙铁珩,周启星,李培军.污染生态学[M].北京:科学出版社,2001.[7]CunninghamSD.Remediationofcontaminatedsolowgreenplants:anoverview.InVitroCellDev.[J].Biolog1993,29:207212.[8]BakerAJM,BrooksRR.Terrestrialhigherplanwhichhyper-accumulatemetallicelements.Areviewtheirdistribution[J].EcologyandPhytochemistryBiorcover,1989,(01):81126.[9]沈振国,陈怀满.土壤重金属污染生物修复的研究进展[J].农村生态环境,2000,16(02):3944.[10]BakerAJM,McGrathSP,ReevesRD,eta1.Metalhyperaccumulatorplants:Areviewoftheecologyandphysiologyofabiologicalresourceforphytoremediationofmetal-pollutedsoils.In:Phytoremediationofcontaminatedsoilandwater;TerryNeds[M].LewisPublishers:BocaRaton,Florida,USA,2000.[11]杨智宽,舒俊林,刘良栋.壳聚糖螯合剂对Pb污染土壤植物修复的促进作用[J].农业环境科学学报,2006,25(01):8689.[12]RughCL,SenecoffJM,AgherRB,eta.lDevelopmentoftransgenicyellowpoplarformercuryphytoremediation[J].NatureBiotechnology,l998,16:925928.[13]沈振国,刘友.重金属超量积累植物研究进展[J].植物生理学通讯,1998,34(02):133139.[14]HeatonACP,RughCL,eta1.Phytoremediationofmercuryandmehylmercurypollutedsoilsusinggeneticallyengineeredplants[J].SoilContam.,l998,7(04):497509.[15]CotterHJD,CapornS.Remediationofcontaminatedlandbyformationofheavymetalsphosphates[J].App.lGeohem.,1996,11:335342.[16]DesjardinV.Effectofmicrobialactivityonthemobilityofchromiuminsoils[J].WasteManag.,2002,22(02)：195200.[17]WcenB.Gene