植物修复技术

土壤重金属污染的植物修复技术张宇2111704034杜勇明2111704017目录（contents）1重金属植物修复技术机理概述2重金属污染修复植物种类及超累积/富集植物生理机制3重金属植物修复技术的研究和应用现状4重金属污染植物修复技术案例分析5重金属植物修复技术现存问题及改善措施重金属植物修复技术重金属植物修复技术重金属植物修复技术机理概述重金属植物修复技术术土壤重金属污染植物修复技术植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系消除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。与传统修复方法相比，该技术成本低、过程简单，且环境友好。植物修复一般针对污染环境的重金属。技术研究发展历程简述a.50-70年代开始植物修复技术理论研究这一阶段的研究工作使人们初步认识了植物忍耐重金属的机理，提出了回避机制、排除机制、细胞壁作用机制、重金属进入细胞质机制、重金属与各种有机酸结合机制、酶适应机制、渗透调节机制等。这些“机制”的提出，使人们对植物忍耐重金属的机理有了一个较为全面的认识。b.70年代至90年代初对超积累植物的研究1977年Brooks提出了超积累植物的概念，1983年haney提出了利用超积累植物消除土壤重金属污染的思想。随后,有关耐重金属植物与超积累植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种安全、廉价的污染土壤的治理技术被提出，并成为研究和开发的热点。c.90年代后，利用基因工程改造超级累植物20世纪90年代至今，转基因技术在植物修复中的应用日臻成熟。鉴别和分离出的基因种类有所增加，应用范围不断扩大，科技手段和技术水平不断提高，逐步形成了一套比较完善的理论和技术体系。在理论研究的同时，国外在植物修复技术的开发与推广方面也做了大量的开创性工作。技术研究发展历程简述重金属植物修复技术•1植物修复技术分类•2植物与重金属污染物作用机理•3植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术1、植物修复几种模式植物挥发：植物过滤：植物稳定：植物提取：植物转化：植物辅助生物修复植物将挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为气态物质，释放到大气中。二甲基硒、二甲基二硒指污染物被植物根系吸收后通过体内代谢活动来过滤、降解污染物质的毒性。Cr6+Cr3+利用特定植物的根或植物的分泌物固定重金，以降低其生物有效性。不易移动的物质利用植物对重金属的吸收，通过收获地上部来达到减少土壤重金属的目的。植物吸收污染物后，在体内同化污染物或释放出某种酶，将有毒物质降解为无毒物质通过土壤中植物根系及其周围微生物的活动，把有机污染物分解为小分子产物，或完全矿化为CO2.H2O，去除其毒性植物提取01植物挥发02植物稳定03根系过滤04植物修复技术分类01植物提取重金属植物修复技术植物的提取•利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属萃取出来，富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位。•适合植物萃取的理想植物应具有忍耐和积累高含量污染物；生长速度快、周期短、生物量高、个体高大；植物对农业措施如施肥等产生积极的反应，利于反复种植，多次收割。•目前常用植物有：芸苔属植物（印度芥菜等）、油菜、工业用的大麻等。印度芥菜在高浓度可溶性Pb营养液中培养一段时间后,茎中Pb含量达到1.5％；印度芥菜还能吸收积累Cr、Cu、Zn、Cd、Ni等重金属．植物提取应用重金属植物修复技术重金属植物修复技术蜈蚣草，学名肾蕨，是一种多年生草本植物，在长江以南地区分布广泛。在湖南各地，漫山遍野的蜈蚣草展现出顽强的生命力。它可吸附砷、铅等重金属并转移到地面的枝叶里，其中它吸收土壤中砷的能力超过普通植物20万倍。蜈蚣草重金属植物修复技术东南景天(SedumalfrediiH)——由杨肖娥等发现的第一种Zn超富集植物。地上部的Zn含量达5000ppm.富集系数达1.9以上。即利用鳌合剂,通过施用鳌合剂使土壤固相键合的金属释放，增加土壤溶液中的重金属浓度，大幅度提高植物对重金属的吸收和富集能力。适用于在土壤中极难移动的污染元素印度芥菜、玉米、向日葵、蚕豆螯合剂（EDTA、HEDTA和CDTA）对铅、锌、镉和铜的富集增加诱导植物提取技术鳌合剂的施用可使玉米、豌豆地上部Pb含量从小于5OOmg/kg增加到大于10000mg/kg。玉米、豌豆地上部分的Pb含量原始5007010000mg/kg诱导植物提取技术02植物挥发植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物（主要是Hg、Se、As）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质，以减轻环境危害。重金属植物修复技术其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。目前研究较多的是Hg和Se.Hg2+Se3+Hg2+CH3SeCH3+CH3Se2CH3（气态）洋麻、紫云英、印度芥菜Hg2+Hg携有细菌Hg还原酶基因merA的植物低毒Se3+Se3+ATP硫化酶植物挥发技术植物挥发为环境中具有生物毒性汞的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发时将环境中的重金属转移至大气，若从区域整体环境质量考虑，利用植物挥发修复重金属污染，应以不损害大气质量为前提。植物挥发技术重金属植物修复技术植物与重金属污染物作用机理植物挥发植物的挥发与植物吸收是相连的。它是利用植物的吸取、积累、挥发而减少土壤污染物，即利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，并将之挥发出土壤或植物表面。目前这方面研究最多的是类金属元素Hg和非金属元素Se。以汞的去除为例：植物吸收Hg(Ⅱ)植物体内Hg(Ⅱ)merAMerA甲基汞(MeHg厌氧菌植物吸收植物体内MeHgMerBHg(Ⅱ)+CH4基因导入merB03植物固定是指利用一些植物来促进重金属转变为低毒性形态的过程。在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。分解、沉淀、螯合、氧化还原等过程土壤PbPbPbPb植物根系惰性Pb土壤Cr6+Cr3+Kumar等在含铅625mg/kg的土壤盆栽处理中种植印度芥菜,3个星期后使淋溶液中的铅含量由740µg/mL下降到22µg/mL。生物有效性最强毒性减弱印度芥菜植物固定技术•植物稳定功能(1)保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移；(2)通过在根部累积和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定。此外，植物还可以通过改变根际环境（PH，PE）来改变污染物的化学形态。在这个过程中根际微生物（细菌和真菌）也可能发挥重要作用。例如Cr6+具有较高的毒性，而通过转化形成的Cr3+溶解性很低，基本没有毒性。Cunningham等研究了植物对环境中土壤Pb的固定，发现一些植物可降低Pb的生物可利用性，缓解Pb对环境中生物的毒害作用。重金属植物修复技术缺点：植物稳定并没有彻底清除土壤中的重金属只是将其固定，使其对环境中的生物暂时不产生毒害作用，没有从根本上解决重金属的污染问题。如果环境条件发生变化，重金属的生物有效性又会发生改变。因此植物稳定的持久性令人怀疑。植物固定技术04根系过滤•指利用植物根部过滤、沉淀土壤、富集污染物。•适用于根际过滤技术的植物必须有较大的根系生物量，最好是须根植物•目前用于根系过滤的植物有向日葵、印度芥菜、宽叶、香蒲及烟草等。根系过滤主要用于重金属污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr污染的水体。水科植物浮萍和水葫芦可有效吸收清除水体中的Cd，Cu和As等重金属。根系过滤技术重金属植物修复技术植物积累重金属污染物的环境因素作用机理从环境条件的角度看，污染物的可修复性并不是污染物本身固有的，而是环境状态表现的结果改变了环境状态，本来难以修复的污染物可能变得易修复了。影响植物修复的因素PH值Eh（氧化还原电位）共存物质污染物的交互作用生物因子重金属植物修复技术植物积累重金属污染物的环境因素作用机理•PH值土壤酸度对重金属化合物的溶解与沉淀平衡的影响较为复杂。土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的，其可溶性受PH值控制，即土壤重金属随着PH值增加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。首先，大多数重金属元素（Cd、Zn、Cu等）随土壤溶液PH值降低，其在土壤液相中的浓度就会增加，从而有利于植物吸收重金属。例如：超积累植物Caerulescens吸收Zn、Cd量的大小是随土壤PH值下降而增加。其次，重金属元素的离子活度随土壤溶液PH值的降低而增加。例如，当土壤溶液PH值由6.6降低到3.9时，溶液中的有机Cu几乎由99%降低至30%，极大地增加了Cu2+离子的活度。此外，对类金属性As等，因其在土壤中以阴离子形式存在，提高PH值将使土壤颗粒表面的负电荷增多，从而减弱As在土壤颗粒上的吸附作用，增大土壤溶液中的As含量，植物对As的吸收增加。重金属植物修复技术植物积累重金属污染物的环境因素作用机理•Eh（氧化还原电位）重金属在不同的氧化还原状态下，有不同的形态且可互相转化。例如，在还原条件下，有机结合态Cd最稳定，但在氧化条件下，有机结合态镉则被转化为生物可利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到水体中，并随Eh增大，其释放量增多。植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术•共存物质1.络合——螯合剂•植物对金属离子的吸收与离子在溶液中的活度有关，螯合剂可增加金属离子的溶解度但降低离子的活度。•络合剂首先与土壤溶液中的可溶性金属离子结合，以防止金属沉淀或吸附在土壤上。随着自由离子的减少，被吸附态或结合态的金属离子开始溶解，以补偿平衡的移动。•例如，EDTA和DTPA在增加植物吸收Pb方面有效，而EGTA则对Cd最有效。植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术2表面活性剂表面活性剂对土壤中微量重金属阳离子具有增溶作用和增流作用，而且表面活性剂的链越长，其效应越高。表面活性剂对土壤重金属具有解吸作用，而且当有重金属存在的情况下，表面活性剂本身在土壤上的被吸附较弱。例如，用LAS、CTAB、Tween—80等三类表面活性剂与镉的复合污染对小麦生理状态的影响，发现三种表面活性剂都能促进小麦对镉的吸收，其作用顺序为CTAB＞LAS＞Tween—80；使用阴离子型SDS、阳离子型CTAB、非离子型TX100等三种表面活性剂以及EDTA和DPC（二苯基硫卡巴腙）等两种螯合剂修复Cd、Pb、Zn污染土壤，发现SDS、TX100能显著促进重金属的解吸，而CTAB则相反。植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术•污染物的交互作用在现实环境中，往往有多种化学物质同时存在，它们对环境产生的生物学作用与任何单独化学物质作用于环境所产生的生物学作用完全不同。通常情况下，单种污染物对环境的孤立影响比较少见；在大多数情况下，往往是多种污染物对环境产生复合污染。污染物的联合作用方式有下面四种类型：（1）协同作同：是指两种或两种以上化学物质同时或数分钟内先后与机体接触，多种化学物质联合作用的毒性，大于各单个物质毒性的总和。（2）相加作用：指多种化学物质的混合物，其污染物的联合作用所产生的毒性为各单个物质产生毒性的总和。（3）独立作用：指多种化学物质各自对机体产生毒性作用机理各不相同、互不影响，独立作用产生的总效应低于相加作用，但不低于其中活性最强者。（4）拮抗作用：指两种或两种以上化学物质同时作用于生物体，其中一种化学物质可干扰另一种化学物质原有的生物学作用，并使其减弱，其联合作用的毒性小于单个化学物质毒性的总和。植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术•生物因子•菌根真菌作为植物根系与土壤的微生物，能够把重金属固定积聚在菌根内，致使植物吸收大量重金属而又不受生理毒害。•许多植物修复需要多种微生物的协同作用。这种协同有不同的类型，一种情况是单一菌种不能降解，混合后可以降解；另一种情况是单一菌种都可以降解，但混合后降解的速率超过单一菌种的降解速率之和。植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术♫活化：根系通过改变根系环境如分泌有机酸，