8章 污染土壤的植物修复解析

第八章污染土壤的植物修复植物修复(phytoremediation):利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解等作用来清除污染环境中的污染物质。第一节基本概念和修复机理植物修复发展历程•无意识地利用植物处理排泄物•20世纪初，有意识地利用植物生态系统处理废弃物和污水无害化•1970s后，发展污水的土地处理系统，成为城市生活废水的处理技术；废弃矿山的复垦，污泥的处理和农业应用，植物耐性机理的研究•1980s,Chaney提出利用超积累植物清除土壤重金属污染，形成植物修复概念。植物对污染物的修复机理-有机物的吸收积累和代谢某些植物能在体内代谢或矿化有机物，使其失活；但多数研究只证明了植物仅能通过酶催化氧化降解有机物；降解产物的进一步深度氧化过程研究还很缺乏；为提高植物修复效率，可利用基因工程技术增强植物的降解能力．植物对有机污染物的吸收途径对气态污染物的粘附和吸收对水溶态污染物的吸收植物粘附污染物的数量,主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度,某些植物还可分泌油脂、黏液,如去杉、油松等;气孔是叶片吸收污染物的主要部位,但高浓度污染物可对叶片造成损害,如二氧化硫可导致植物气孔张开和关闭的机能瘫痪,臭氧可损害叶片的栅栏组织.气态污染物水溶态污染物主要通过根吸收叶片也能吸收水溶态物质水溶态的污染物到达根表面，主要有两条途径：一条是质体流途径(massflow)，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另一条是扩散途径(diffusion)，即通过扩散到达根表面。叶片对农药通过气孔吸收与角质层吸收。附着性能是影响药效的重要因素。表面活性剂能显著降低表面张力，改善药液在叶面的附着性,从而提高吸收。如:刘支前等发现不加任何表面活性剂时，草甘膦药液不能直接经蚕豆叶面气孔吸收；添加0.5％的有机硅表面活性剂后，气孔吸收率可达85.4％。自然来源：工业矿床和岩石风化而成的地表土壤．重金属来源人为来源•生产活动•农药肥料•交通运输•废弃物•废水废气植物对重金属吸收积累土壤中重金属本身所存在的形态可分为：水溶态、有机质结合态、碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化物结合态以及包含于矿物晶格中的残渣态。从植物的可利用性可分为可吸收态、交换态、难吸收态。重金属的游离离子及螯合离子易被植物所吸收，残渣态的难被植物吸收，介于两者之间的则为交换态。物理化学法重金属污染土壤恢复方法生物修复法微生物修复植物修复物理化学修复类型：客土法、化学固化、电化学、土壤淋洗等．缺点：易引起二次污染、土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化，修复成本过高。小结-植物修复的优点适用污染因子广泛，不仅适合重金属，同时可治理有机物污染。从生态学角度看，有利于污染地生态恢复，美化环境。以太阳能为动力，成本低，适合大面积修复推广。修复费用约为5～40美元／吨，而填埋的费用为100～500美元／吨。尤其适于低浓度条件。不会引起二次污染，特别是不会对地下水构成污染。修复模式植物提取(phytoextraction)植物挥发(phytovolatilization)植物稳定(phytostabilization)植物降解(phytodegradation)第二节污染土壤修复模式植物提取:利用植物根系吸收重金属元素，并经过植物体内一系列复杂的生理生化过程，将重金属元素从根部转运至植物地上部分，再进行收割处理。根据实施的策略不同，植物提取技术可分为连续植物提取和诱导植物提取。植物提取♫第一种情况（连续植物提取）：植物在整个生命周期中都能吸收、转运、积累和忍耐高含量的重金属．♫第二种情况：某些植物只能在一段时期内吸收重金属，或整个生命期中都吸收但吸收量很低．第二种情况下，人们辅以络合剂等理化措施诱导植物积累更多金属元素，这就是诱导植物提取。诱导植物提取举例：在芥菜营养生长旺盛期施用ＥＤＴＡ络合剂可显著提高土壤中植物有效态Cu，使土壤水浸提态Cu和交换态Cu显著上升，从而芥菜中Cu的含量明显增加♫植物提取技术与其他修复模式的区别之处在于重金属地上部分含量的不同。♫因而植物提取技术要求植物能从根部吸收重金属离子，还能有较高的地上部分转运能力。♫金属离子首先进入根部细胞，通过共质体的运输穿越根内皮层中的凯氏带，进入中柱送达木质部，再与木质部中大量存在的有机酸和氨基酸结合运往地上部分．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/例子为植物修复的核心部分，最早的概念于1977年Brooks提出，现在接近成熟．重金属超积累植物东南景天(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。蜈蚣草（PterisvittataLinn.）——第一种在我国发现的As超富集植物，由陈同斌等发现．*超积累植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其他普通植物含量的100倍以上；*在污染地生长旺盛，生物量大，能正常完成生活史；*富集系数(BCF)和转运系数(TF)都大于l。一般而言，植物体内重金属临界含量为Zn:l0000mg／kg,Cd:l00mg／kg,Au:lmg／kg,Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg／kg.超积累植物特征富集系数＝地上部器官中重金属含量土壤中重金属含量％转运系数＝茎叶中重金属含量根部重金属含量％过渡类型有一些植物虽然达不到上述各项指标，但比起一般的植物能忍耐一定程度的重金属，文献资料上多称为富集植物．长期生长于污染土壤中的植物对环境胁迫往往形成了三类适应模式，各自特点为:抵御：与根际周围的各类真、细菌组成菌根，形成防御体系共同抵制外界污染物质的侵害。忍耐：无法构建防御体系，但可形成一定的忍耐特性，体内重金属含量高于普通植物，即使脱离重金属污染土壤仍能自然成活，称为富集植物。利用：因为自身生理的需要，土壤中污染物质含量要达到一定数值才能成活，称为超积累植物。如比苏草在Cu含量小于100μg／kg的土壤中不能正常生长。根据其这一特性，某种重金属的超积累植物往往还能成为金属矿藏的指示植物。植物对污染环境的适应模式۩地域来看，多分布于富含重金属的矿区；۩植物分类来看，多位于几个类别之内，如Ni主要颁布于“五科”、“十属”；۩农田杂草也可能是超积累植物的一个重要来源库。如魏树和等发现了8种对Cd具有超积累性的杂草．超积累植物分布♫首先，大部分植物植株矮小，生长缓慢，且不易机械化作业；♫其次，多为野生型植物，对生物气候条件的要求也比较严格，区域性分布较强，引种受到严重限制；♫再次，专一性强，只作用于一种或两种特定的重金属元素，对土壤中其他含量较高的重金属表现出中毒症状；♫最后，植物器官往往会腐烂、落叶，最终重金属重返土壤。超积累植物的局限性植物吸收重金属本质上是否为植物在特定环境下的特定生理生化反应．植物耐重金属毒害的机制包括：细胞区域化作用；主动外排；螯合作用．目前诱导植物生成配位体是其研究热点．另外还可通过基因手段，促进植物基因改良，提高积累量．植物积累重金属的分子生物学研究I.寻找更多超积累植物，尤其能同时富集不同重金属元素的植物的寻找，加强对现有野生超积累植物的人工引种、驯化研究；II.分子水平上的植物耐金属性研究，从基因水平上探明植物对重金属耐性的根源所在；III.各种重金属元素在不同植物体内的储存及分布特征研究；IV.超积累植物根际环境对重金属吸收作用的影响．超积累植物研究展望♫含义：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。♫植物挥发和土壤根际微生物的活动密切相关．♫缺点：挥发性重金属经植物体进人大气最终沉入土壤或水体，会产生二次污染．♫挥发举例：植物从土壤吸收汞再向大气挥发；硒以二甲基硒和二甲基二硒挥发。植物挥发♫含义：利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒重金属，以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链，从而减少环境和人类健康的污染风险。♫适用于相对不易移动的物质。♫主要应用在采矿、废气干沉降、污泥处置。♫缺点：并未将重金属从土壤中彻底清除，当土壤环境发生变化时仍可能重新活化恢复毒性。植物稳定♫含义：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。♫如六价Cr生物有效性最强，通过植物根系的降解作用后变成低价态的三价Cr，毒性大大减弱．♫植物的降解作用与根际土壤环境密切相关。根际分泌物的存在，使土壤理化性质，如pH值、氧化还原电位、微生物组成等显著改变．植物降解过滤植物修复有机污染的三种机制①直接吸收并积累非植物毒性的代谢物；②释放促进生物化学反应的酶；③强化根际降解作用.۩植物可在新的植物结构中贮藏，可使其代谢或矿化，还可使其挥发;۩去毒作用可将原来的化学品转化为对植物无毒的代谢物如木质素等，贮藏于植物细胞内。♫影响因素:土壤水中的浓度和植物的吸收率、蒸腾率。植物的吸收率取决于污染物的物化特性和植物本身;蒸腾作用是决定污染物吸收速率的关键变量，它又与多种条件相关.直接吸收۞与植物酶有关的有机物降解非常快，致使化学污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤.۞植物死亡后，酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用;۞但游离的酶系在低pH值、高金属浓度和细菌毒性下会被摧毁或钝化，而植物体内的酶则可得到保护.释放酶Ө污染物通过根际吸附／吸收而进入植物体内；Ө植物通过向根际分泌氨基酸、糖类等小分子有机物而刺激微生物的大量繁殖，可间接促进污染物的根际微生物降解；Ө植物还可通过根际向土壤输氧，改变根际周围的氧化还原条件．强化根际降解我国生态学家从杂草中筛选出重金属超富集植物•本报讯中国科学院沈阳应用生态研究所周启星、魏树和等研究人员，以杂草为筛选对象，通过室外盆栽试验发现，蒲公英、龙葵等几种植物具有重金属超积累，即超富集特征。所采用的研究方法，打开了从几十万种植物中筛选超富集植物的突破口。•周启星带领课题组通过大量文献调研，最终确定以杂草特别是农田杂草为研究对象利用室外盆栽试验筛选超富集植物的方法。这一筛选方法在世界范围内都未见报道，创新性较为显著。周启星表示，以杂草为筛选对象，是因为它们具有顽强的生命力金属的积累，已报道的超富集植物，许多也是杂草或具有明显的“杂草性”；而利用室外盆栽试验且以未受污染的杂草植物为筛选对象,既利于植物种的识别，也可弥补野外采样筛选方法物种少或污染程度不够的不足。•利用这一方法，研究者对东北沈阳地区２０科５４种田间杂草植物进行了重金属耐性及积累能力的初步系统研究，结果发现蒲公英、龙葵和小白酒花对镉单一及镉—铅—铜—锌复合污染耐性均较强，对镉有较高的积累能力，具有超富集植物的基本特征，进一步研究的价值很大。更为系统的理论及方法，已经申报国家发明专利。同时取得了重金属污染土壤植物修复理论上一个较大的突破，即发现未污染区也有存在超富集植物的可能性。(记者刘英楠)