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第五章污染环境的植物修复原理邓欢欢1ppt课件主要内容概述植物对污染物的修复作用影响植物修复的环境因子有机污染物的植物修复重金属的植物修复2ppt课件一、植物修复的概念和类型P109物理、化学方法修复的缺点：成本昂贵，易导致土壤结构破坏、土壤肥力退化。纯微生物方法在土壤重金属污染治理上无用武之地。植物修复技术应运而生。第一节概述3ppt课件1.植物修复的概念定义：以植物忍耐和超量富集某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中污染物质的技术。广义；重金属、放射性核素、有机物；土壤、空气、水体狭义：利用植物清除或固定污染土壤中的重金属。4ppt课件2.植物修复的分类植物提取修复：利用重金属超积累的植物从污染土壤中超量吸收、积累一种或集中重金属元素，并富集运输到植物根部可收割部分和地上部分；后续进行收割、热处理、化学处理等等。循环工作至重金属含量降低至可接受水平。也是目前研究最多且最有发展前途的技术。植物挥发技术；利用植物将土壤中的一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后再将其转化为气态物质释放到大气中，从而对污染土壤起到治理作用。易挥发的重金属包括汞、硒、砷等污染以及一些有机物。5ppt课件植物降解技术：利用植物特有的转化和降解作用去除水体和土壤中有机污染物。一种形式是植物吸收污染物后通过木质化作用储存在植物体内或者将污染物转化为毒性小或无毒物质。另一种形式是植物根系分泌的降解酶可直接降解植物根际的有机污染物。根际圈生物降解技术；利用植物根际圈菌根真菌、细菌、放线菌等微生物的降解作用来转化有机污染物。植物固定化/稳定化技术：一是通过耐性植物根系分泌物来积累和沉淀根际圈附近的污染物，使其失去生物有效性，以减少毒害作用；一是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀，防止污染物向下迁移或向四周扩散污染地下水和周围环境。6ppt课件植物根际生物降解用细菌武装植物吸收分解土壤中的多环芳烃类（蒽）污染物在香港浸会大学裘槎环境研究所做的植物－外源菌耦合系统净化实验7ppt课件二、植物修复的优缺点应用广泛：土壤、水体、空气环境兼容性好：修复同时也是美化环境，易被社会大众接受对环境扰动小，基本都是原位修复，特别是土壤植物修复的过程也是土壤有机质含量和肥力增加的过程，修复后的土壤农业利用能力增强植物固定化技术使地表长期稳定，有利于生态环境改善和生物生存成本低植物修复的优点8ppt课件植物修复的局限性植物耐受能力的选择性，通常一种植物针对一、两种植物缓慢，周期长－－相对与物理、化学方法植物生长对土壤肥力、气候等自然条件和人工条件有一定的要求，植物本身会受病虫害影响植物衰亡会导致二次污染，必需收割，并对收割部分进行后续无害化处理9ppt课件1.植物修复的原理总论通过植物自身的光合作用、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应，从而通过吸收、分解、挥发、固定化等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。第二节植物对污染物的修复作用10ppt课件2.植物修复土壤污染的主要手段－－吸收、排泄和积累植物吸收：植物生长就必需从环境中吸收物质，除对少数几种元素表现出选择性吸收外，对大多数物质没有绝对严格的选择作用，只是吸收能力大小而已。三种情形：（1）植物通过适应性调节后对污染物产生耐性，可以吸收，但是植物受伤害，器官和细胞器受损，生物量下降；（2）完全的“免疫”作用，无论根际圈内污染物浓度高低，植物依靠自身调节功能完成自我保护，不受伤害，这种情形极少；（3）植物能够在土壤污染物含量很高的情况下正常生长且生物量不下降，如重金属超量积累植物和某些耐性植物等。研究中通常在污染地带或矿山直接寻找这类植物。11ppt课件植物排泄：植物也像动物一样需要不断向外排泄体内多余的物质和代谢废物，常以分泌物和挥发的形式进行。分泌：细胞将某些物质从原生质体分离或将原生质体的一部分分开的现象。分泌的器官主要是根系和茎叶的分泌腺。挥发：挥发物除随分泌器官的分泌活动排除外，主要随水分的蒸腾作用从气孔和角质层中间的孔隙扩散到大气中。植物排泄的途径：（1）根吸收后经叶片或茎等地上器官排出。如某些植物将羟基卤素、汞、硒等从土壤溶液中吸收后从叶片排出。（2）叶片吸收大气或降雨中污染物再经根分泌排泄。如卤代烃、酚类、苯化合物都可从叶片被植物吸收后通过根排泄到土壤。（3）植物根吸收污染物后，转移到各个器官中，当污染物含量超过临界值后，会对植物造成毒害作用。一些植物会分泌激素（如脱落酸）促使积累高含量污染物质的器官（如老叶）加快衰老速度而脱落，重新长出新叶生长，进而排出体内毒素。－－－－－去旧生新12ppt课件植物积累：植物吸收的污染物除了部分能被代谢转化去除外，大部分污染物质因与蛋白质或多肽具有较高的亲和性而长期存留在植物体内，在一定时期内表现为不断积累增多而形成富集现象，还可在某些植物体内形成超富集（hyperaccumulation）。－植物修复的理论基础之一（1）富集系数（bioaccumulationfactor，BCF）－表征植物对元素或化合物的积累能力：富集系数＝植物体内某种物质含量/土壤中该物质的含量（2）位移系数（translocationfactor，TF）－表征某种物质从植物根部到植物地上部分的转移能力：位移系数＝植物地上部分某种物质含量/植物根部该物质含量显然都是越大说明这种植物的积累能力和修复能力越强（3）平衡富集系数：植物吸收和排泄呈动态平衡，植物虽然仍然吸收，但体内积累量不再增加，达到一个极限值（临界含量），此时的富集系数称为平衡富集系数。13ppt课件植物吸收、排泄和积累间的关系：三个过程是一个动态过程，在植物生长的某个时期达到平衡，受土壤、水分、光照及植物本身因素影响会打破然后建立新的平衡，直到植物体内污染物含量达到临界值，积累才基本不再增加。土壤中污染物状态：（1）可吸收态：游离离子、螯合离子（2）难吸收态：残渣态及完全不可利用的物质（3）交换态：主要是被黏土和腐殖质吸附的污染物三种状态经常处于动态平衡但随环境条件改变而不断变化14ppt课件植物组织积累植物吸收植物固定植物排泄植物挥发植物修复重金属污染土壤的机理示意图15ppt课件3.植物根系的生理作用基本作用：固定植物、吸收水分和营养、合成和分泌有机物。根系深纤维根效应；打破土壤的物理化学结构，产生裂缝和根槽，强化土壤通风，挥发物可排出；另外根系增大植物接触吸收面积等等根系可通过吸收和吸附作用在根部积累大量污染物，加强对污染物的固定作用生物合成作用：合成大量有机物，降低根际圈内污染物的可移动性和生物有效性植物具有多种物理和生化翻翻功能阻止有毒物质进入，与植物组分络合或键合为结构聚合物的方式固定下来16ppt课件•植物根际圈：提供微生物和其它生物良好环境，形成生态修复单元•植物－微生物－污染物在根际圈的相互作用:植物与微生物互生、共生、协同和寄生关系，对污染物的响应•植物根际圈的生物降解4.植物根际圈生态环境对污染修复的作用17ppt课件•酸碱度：重金属的状态和可利用性•氧化还原电位：作用同上•共存物质：作用同上a.络合－螯合剂b.表面活性剂•污染物间的复合效应：拮抗作用和促进作用•植物营养物质：污染物的状态和植物修复能力•植物激素：调节植物生长发育•生物因子：主要是与微生物的互利互惠共生关系第三节影响植物修复的环境因子18ppt课件1.植物对有机污染物的修复作用三种机制有机污染物的直接吸收和降解根系释放到土壤中酶的直接降解作用根际的生物降解，植物根系提供了微生物生长的生境，根际微生物密度远大于非根系第四节有机污染的植物修复2.植物对典型有机污染物的修复植物对农药的分解转化－农药的氧化与水解作用植物对其他有机污染的分解转化作用，特别是藻类等水生植物的研究较多19ppt课件构建植物－微生物耦合降解系统的初步研究研究生姓名：邓欢欢指导教师：张甲耀教授专业名称：环境科学研究方向：环境生物土壤有机污染物生物修复实例研究20ppt课件植物体内吸收转运木质化代谢挥发污染物代谢物CO2、VOCVOC植物根际根际吸附根际微生物降解CO2、VOC土壤土壤溶液中有机污染物土壤吸附（可解吸）土壤固定（不可解吸）大气土壤有机污染植物－微生物联合修复主要机理（引自张甲耀等，环境微生物学，2004.6）21ppt课件一、概叙多环芳烃（PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs）是环境中普遍存在的含有两个或两个以上苯环的有机化合污染物。生物修复技术具有成本低、无二次污染、可大面积应用等独特优点。植物-微生物联合生物修复被认为是土壤修复中有着良好前景的研究方向。22ppt课件1.多环芳烃（PAHs）污染的生物修复许多细菌、真菌及藻类都具有降解多环芳烃的能力。原核生物和真核生物对多环芳烃的微生物降解都需要氧气的参与，产生氧化酶，使苯环结构降解（参见图1-1）降解多环芳烃的微生物及降解机制23ppt课件多环芳烃苯环结构的主要降解机理（引自刘世亮、骆永明等，土壤，2002.5）24ppt课件多环芳烃污染土壤的植物-微生物联合修复植物-微生物联合体系能促进有机污染物的快速降解、矿化。其基本原理为：（1）植物根系的菌根真菌与植物形成共生作用，并有着独特的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的有机物；（2）植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用；（3）植物还可以微生物提供生存场所并可转移氧化使根系的好氧转化作用能够正常进行。25ppt课件植物-微生物生物修复中的生物强化生物强化技术（bioaugmentation）是指在生物处理体系中投加具有特定功能的外源微生物来改善原有处理体系的处理效果，充分发挥微生物的潜力。外源微生物是通过实验室驯化，修饰提高降解能力或带有某种特性后再施用于污染土壤的微生物，其相对于土壤的土著微生物而言是外来的微生物。在实际应用中由于环境因子的复杂性和土著微生物的作用。其应用问题主要集中在高效菌的存活，繁殖及降解活性的保持和生态安全，以及细菌-植物根系系统和基因工程菌的结合。26ppt课件2外源菌的绿色荧光蛋白标记来源于水母的绿色荧光蛋白（GreenFluorescentProtein,GFP）基因是一种全新的标记基因，GFP稳定、灵敏度高，无生物毒性、荧光反应不需要任何外源反应底物及表达无物种或细胞组织的专一性，因此它是一种独特的标记蛋白，因而能方便可靠地用于转基因表达的检测。27ppt课件3．获取高效外源性降解菌原生质体融合是获得具有良好特性的高效外源降解菌的重要方法之一。电融合技术其原理是：在短时间强电场的作用下。细胞膜发生可逆性电击穿，瞬时地失去其高电阻和低通透性，然后在数分钟内恢复原状。当可逆电击穿发生在两个相邻细胞的接触区时，即可诱导它们的膜相互融合，从而导致细胞融合。28ppt课件4．微生物根部定殖的定义、机理及影响因素根部定殖（rootcolonization）也有人称为根圈定殖（rhizospherecolonization），最先用于描述接种至土豆种块上的促长根圈（PGPR）在土豆根部建立种群的能力。现在一般认为:根部定殖是指在有土著微生物存在的情况下,接种到种子或植物无性繁殖体部的微生物在根部繁殖并保持其种群的能力。根部定殖的定义29ppt课件根部定殖的机理“双相”模式第一相被称为散布相(dispersalphase)第二相为增殖相(proliferationphase)根部定殖的机制微生物的运动性(motility)生长根带动细菌分布的作用(bacterialdistributionbythegrowingroot)植物根系内真菌菌丝转运作用(translocation)30ppt课件5.研究内容获取构建菌株构建耦合系统耦合系统中外源菌株生长与植物生长耦合系统的修复效果31ppt课件二、融合子构建菌株及筛选降蒽菌的分离土生优势菌的分离出发菌株的生长特性融合子的筛选32