第六章污染土壤的植物修复

第六章污染土壤的植物修复1生物修复微生物修复植物修复微生物转化作用微生物降解作用植物去除作用植物稳定作用植物净化植物提取植物挥发植物降解根际圈生物降解植物固定净化空气净化水体狭义根际滤除2水体环境大气环境修复植物游离离子水溶性螯合物交换态污染物难吸收态污染物挥发吸收吸收排泄排泄吸收分泌根圈植物对根际圈污染物吸收、排泄与积累的关系3植物修复（Phytoremediation）是指利用绿色植物移除环境中的污染物或使这些污染物变为无害。近年来，一系列的研究发现以及各学科的交叉研究使得植物修复这一研究领域发展成为一种潜在的、低费用和无污染的治理环境污染的新途径植物修复能够治理包括土壤、水体、大气中的有机和无机污染物。主要分为：植物提取、植物稳定、植物挥发、植物降解、根际滤除4植物提取（phytoextraction）利用能耐受并能积累污染物的植物吸收土壤环境中的污染物，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。是目前研究最多并且最有发展前景的植物修复技术。5植物稳定（phytostabilization）植物稳定：利用耐污染物植物降低土壤中有毒污染物的移动性，从而减少污染物被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。如Cunningham等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。6植物挥发（phytovolatilization）•利用植物去除环境中的一些挥发性污染物，即植物将污染物吸收、积累到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。•有人研究了利用植物挥发去除土壤环境中的Hg，即将细菌体内的汞还原酶基因转入模式植物拟南芥（Arabidopsis）中，这一基因在该植物体内表达后，将植物从土壤环境中吸收的汞（Hg2+）还原为Hg0，使其成为气体而挥发。另有研究表明利用植物也可将环境中的Se转化为气态形式（二甲基硒和二甲基二硒）7植物降解（Phytodegradation）利用植物或植物和微生物共同作用降解土壤有机污染物8根际滤除（Rhizofiltration）利用植物根系吸收、吸附污染水体中的重金属）9植物修复研究的内容超富集(积累)植物和耐性植物的筛选及其在污染土壤和水体修复方面的应用潜力评估各种物理的、化学的和生物的因素对植物修复污染土壤和水体的影响研究，包括土壤学、土壤化学、土壤微生物学、农业化学、气候、灌溉及病虫害等因素对植物修复技术的影响10超富集(积累)植物（或富集(积累)植物）-微生物共存体系研究根际微生态特征及其对植物修复效率的影响植物积累土壤和水体中污染物的生物学机制研究：根部吸收机制、体内运输机制、抗性机制等农业生物环境工程措施在污染土壤和水体植物修复中的应用分子生物学及基因工程技术对植物生物学性状的改良及其应用物理、化学分析手段的应用植物系统发育特征的探讨与生物多样性的应用11植物修复的优势与特点利用植物提取、挥发、降解作用可以永久性地解决土壤污染问题修复植物的稳定作用可以绿化污染土壤，使地表稳定，防止污染土壤因风蚀或水土流失而带来的污染扩散问题修复植物的蒸腾作用可以防止污染物质对地下水的二次污染可以尽可能少的减少由于土壤清洁造成的土壤破坏，对环境扰动少，减少来自公众的关注和担心经植物修复的土壤，其有机质含量和土壤肥力都会增加，一般适于农作物种植，符合可持续发展战略12重金属超积累植物所积累的重金属在技术成熟时可进行回收，从而也能创造一些经济效益植物修复的过程也是绿化环境的过程，易于被社会所接受植物修复成本低，可以在大面积污染土壤上使用从技术应用过程来看，植物修复是可靠的、环境相对安全的技术植物修复过程依靠修复植物的新陈代谢活动来治理污染土壤，技术操作比较简单，容易在大范围实施。13植物修复的局限性修复植物对污染物质的耐性是有限的，超过其忍耐限度的污染土壤并不适合植物修复污染土壤往往是有机、无机污染物共同作用的复合污染，一种或几种修复植物往往难以满足修复要求虽然有的植物根系最深处可达地面以下几米，但是大多数植物根系的大部分集中在土壤表层，对于超过修复植物根系作用范围的污染土壤或不利于修复植物生长的土层，修复难以奏效14植物的生长需要适宜的环境，多数植物具有光周期反应或对生长环境有特殊要求，在世界范围内引种修复植物比较困难修复植物的生长周期一般较长，难以满足快速修复污染土壤的需求修复植物多数为野生植物，种子小、采集难缺乏行之有效的筛选植物的方法15植物修复过程中的产生一些问题植物难以吸收的重金属的活化和次生污染问题提取植物生物量如何处理才更经济的问题挥发植物对大气的安全性问题动物对修复植物的取食等行为对植物-动物-人系统产生的影响问题在从小试到中试，再到实用型处理系统的放大过程中，制定什么样的运行机制和实际管理问题开发时间和运行费用标准问题16植物修复的概念发展土壤重金属超富集植物的研究可以追溯到19世纪。Baumann早在1885年就报道了遏蓝菜属(Thlaspicalaminare)植物茎叶灰分中的ZnO含量达17%。Minguzzi和Vergnano在1948年报道,一种庭荠属植物(Alyssumberbolonii)干物质中含Ni量达1%,而灰分中达10%。早期的探矿者曾利用寻找指示植物的方法比地质学家更早发现特定的矿床所在。而植物指示法在美国和俄罗斯发现铀矿中曾起着重要作用。17植物修复的对象植物修复主要针对土壤或水体中的无机和有机污染物，这些污染物包括重金属（Cd、Cr(Ⅵ)、Pb、Co、Cu、Ni、Zn、As）有机污染物放射性元素（Sr、Ur、Cs）硝酸盐，铵盐，磷酸盐18植物修复的途径直接选用超富集植物（hyperaccumulator）对污染土壤进行修复的方法（持续性植物提取）利用超富集植物结合其它强化技术（诱导型植物提取）一般具有一些特点的植物（如对重金属的吸收总量多的植物）结合其它强化技术（诱导型植物提取）19超富集植物一般具有植物地上部富集的重金属含量达到一定的量和地上部的重金属含量高于根部的含量的特点。一般将其定义为在地上部能够较普通作物积累10～500倍以上某种重金属的植物。20不同重金属超积累体的分类标准常因重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大的差异而不同。一般认为对于Hg的超富集体地上部汞含量应大于10mgkg-1，Cd应大于100mgkg-1，Co，Cr，Cu，Pb，Ni（也有学者认为大于10000mgkg-1）应大于1000mgkg-1，Zn，应大于10000mgkg-1，同时这些植物还应该满足S/R1的条件（S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量）21目前，世界上共发现超富集植物有400余种。这些超积累植物大部分集中于对几种重金属元素的超积累（如400余种超积累植物中，Ni的超积累植物就近300种），该类植物通常因生物量小，吸收累积到地上部的重金属总量并不多。一些生物量较大的植物，却又不是超积累植物2223Thlaspicaerulescens24蜈蚣草25印度芥菜26龙葵27282930植物吸收重金属的机理包括植物对重金属的吸收、运输与转移过程，污染土壤中重金属的化学行为与影响因素、重金属在植物体内的累积与忍耐机制31植物对重金属的吸收过程植物可以活化土壤中不溶态重金属重金属只有溶解在溶液中，才有可能被植物所吸收利用。根际土壤中重金属的活性与生物有效性的研究非常重要。根际土壤中的重金属的活性与生物有效性与根际环境中pH、Eh、根系分泌物、微生物以及土壤本身的理化性质等有关。32主要体现在植物根系分泌物方面植物根分泌物特别是有机酸可能主要是为了增加对金属污染物的吸收与运输。新鲜根系分泌物还可减少土壤对重金属吸持，因而在根系伸长区主要分泌小分子分泌物，它可能增加重金属的水溶性与扩散性；根冠部分分泌的大分子有机物较多，它能络合重金属，从而对根尖生长点可能起某种保护作用。33可能存在主动吸收机制超积累植物对土壤溶液的金属离子的吸收可能存在主动吸收的过程。例如：超积累植物T.caerulescens在1000μmol/LZn和200μmol/LCd处理下，植物地上部Zn和Cd的浓度分别达到33600mg/kg和1140mg/kg；Knight等在7种被重金属污染的欧洲土壤上种植超积累植物T.caerulescens，当土壤溶液中Zn的浓度低时(0.1mg/L)，植物地上部积累的Zn随土壤溶液中Zn浓度的增加而迅速增加；但当土壤溶液中Zn浓度较大时(0.1mg/L)，增加土壤溶液中Zn的浓度并不能增加植物对Zn的吸收。这种现象符合主动吸收的载体学说，离子载体与离子的结合未达到饱和，所以吸收离子的速率随外界溶液浓度的增加而增加；但当外界溶液浓度高时，离子载体容易饱和，所以提高外界溶液浓度，离子吸收也不会随之增加。34更多的传输位点与通道如Lasat等发现T.caerulescen与非超积累植物T.arvense根系对Zn2+吸收具有相似的米氏常数(Km),但两者的最大速度（Vmax）分别为0.27和0.06μmolg-1h-1，前者是后者的4.5倍，说明T.caerulescens在根细胞膜中具有更多的传输位点，根系从土壤溶液中吸收Zn的能力更强；两种植物对Zn的吸收动力学分为两个阶段，开始是快速的线性动力学阶段，与根细胞壁吸附Zn有关；随后是较缓慢的饱和吸附阶段，与Zn穿过根细胞原生质膜有关。35植物对重金属的运输与转运从植物修复的实际应用角度，植物根部吸收污染土壤中重金属后，以更多地从地下部转运至茎叶等地上易收割部分为佳。目前人们关注较多的是关于植株体内重金属以何种形态存在，何种重金属更易为植株转运到地上部分等机制36植物对重金属胁迫的响应机制排斥、排出作用抗氧化胁迫络合解毒机制区隔化作用重金属与细胞壁的结合37植物对重金属胁迫的响应一个重要的机制就是阻止重金属进入植物细胞或将进入的重金属排出。Nies和Silver研究了不同耐性植物的金属离子吸收与代谢的关系，认为植物原生质膜有主动排出金属离子的作用。不同种类植物的耐性和非耐性植物对不同的重金属的响应不同植物可以通过老叶富集较多的重金属，然后通过老叶的脱落把金属离子排出体外。排斥、排出作用38重金属的胁迫能导致细胞产生大量的活性氧，包括过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH)、单线态氧(1O2)、超氧物阴离子自由基(O2-)、氧烷基(RO)、过氧基(ROO)、氧化氮等。抗氧化胁迫39螯合（络合）是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一，谷胱甘肽（GSH）、草酸、组氨酸和柠檬酸盐等小分子物质及金属螯合蛋白（如金属硫蛋白（MT）和植物络合素（PCs）等）都能与重金属形成螯合物，从而降低重金属对植物体的毒性。螯合（络合）作用40植物络合素(PCs)植物络合素由植物体内一系列低分子量、能够结合金属离子的多肽组成，其结构通式为(γ-Glu-Cys)n-G1y，一般来讲，n为2～11。PCs广泛分布于单子叶植物、双子叶植物、棵子植物、藻类及真菌中。不同重金属离子诱导植物络合素合成能力有很大的差别，一般为Cd2+Pb2+Zn2+Sb3+Ag+Hg2+As5-Cu2+Sn2+Au3+Bi3+41PCs不能由基因直接编码，必须在PCs合成酶的催化下完成。同时，研究表明不同重金属离子诱导植物络合素合成酶活性的能力与诱导植物络合素合成的能力稍有不同：Cd2+Ag+Pb2+Cu2+Hg2+Zn2+Sn2+Au3+Sb3+As5-In3+Tl3+Ge4+Bi3+Ga3+42金属硫蛋白（MT）金属硫蛋白是自然界中普遍存在的一种低分子量、富含半胱氨酸的蛋白质。通常有61个氨基酸残基组成，分子量为6000-7000D。它与PCs的本质区别在于MT由基因直接编码，而PCs在PCs合成酶的催化下完成。与PCs一样，金属硫蛋白能够通过巯基与金属离子结合，从而降低重金属离子的毒