重金屬污染水域的植物修復(fù)

1、重金屬污染水域的植物修復(fù)         一、植物修復(fù)概述植物修復(fù)()是利用綠色植物來(lái)轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對(duì)環(huán)境無(wú)害。植物修復(fù)的對(duì)象是重金屬、有機(jī)物或放射性元素污染的土壤及水體。研究表明,通過植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用,可以凈化土壤或水體中的污染物,達(dá)到凈化環(huán)境的目的,因而植物修復(fù)是一種很有潛力、正在發(fā)展的清除環(huán)境污染的綠色技術(shù),也是一門正在崛起并涉及土壤學(xué)、植物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)、環(huán)境工程等多門學(xué)科的新興邊緣學(xué)科。它具有成本低、不破壞土壤和河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)

2、90年代以來(lái),植物修復(fù)成為環(huán)境污染治理研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性課題。2二、植物修復(fù)機(jī)理1、修復(fù)類型重金屬污染水體的植物修復(fù)是指通過植物系統(tǒng)及其根系移去、揮發(fā)或穩(wěn)定水體環(huán)境中的重金屬污染物，或降低污染物中的重金屬毒性，以期達(dá)到清除污染、修復(fù)或治理水體為目的的一種技術(shù)。目前按其機(jī)理可分為植物揮發(fā)、植物吸收和植物吸附。3（1）植物揮發(fā)植物揮發(fā)是指重金屬通過植物作用產(chǎn)生毒性小的揮發(fā)態(tài)物質(zhì)。目前在這方面研究最多的是金屬元素汞和重金屬元素硒。在過去的半個(gè)世紀(jì)中汞污染被認(rèn)為是一種危害很大的環(huán)境災(zāi)難。工業(yè)產(chǎn)生的典型含汞廢棄物中，都具有生物毒性4，例如，離子態(tài)汞(Hg2 )，它在厭氧細(xì)菌的作用下可以轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境危害

3、極大的甲基汞(MeHg )。利用細(xì)菌先在污染位點(diǎn)存活繁衍，然后通過酶的作用將甲基汞和離子態(tài)汞轉(zhuǎn)化成毒性小得多、可揮發(fā)的單質(zhì)汞Hg(0)，己被作為一種降低汞毒性的生物途徑之一。當(dāng)今的研究目標(biāo)是利用轉(zhuǎn)基因植物降解生物毒性汞，即運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)將細(xì)菌體內(nèi)對(duì)汞的抗性基因(汞還原酶基因)轉(zhuǎn)導(dǎo)到植物(如煙草和郁金香)中，進(jìn)行汞污染的植物修復(fù)。研究證實(shí)，將來(lái)源于細(xì)菌中的汞的抗性基因轉(zhuǎn)導(dǎo)入植物中，可以使其具有在通常生物中毒的汞濃度條件下生長(zhǎng)的能力，而且還能將從水體中吸取的汞還原成揮發(fā)性的單質(zhì)汞。植物揮發(fā)為水體環(huán)境中具有生物毒性汞的去除提供了一種潛在可能性。誠(chéng)然，植物揮發(fā)時(shí)將水域中的重金屬轉(zhuǎn)移至大氣，若從區(qū)域

4、整體環(huán)境質(zhì)量考慮，利用植物揮發(fā)修復(fù)水與重金屬，應(yīng)以不損害大氣質(zhì)量為前提。（2）植物吸收植物吸收也稱植物過濾或植物萃取，它是一種具永久性和廣域性于一體的植物修復(fù)途徑，已成為眾人矚目、風(fēng)靡全球的一種植物去除環(huán)境污染元素(非凡是重金屬)的方法。它是利用專性植物5根、莖吸收一種或幾種污染物，尤其是重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存到植物莖葉，然后收割莖葉離地處理。這其中專性植物是特指超積累植物。超積累植物是指對(duì)重金屬元素的吸收量超過一般植物100倍以上的植物，它積累的Cr, Co, Ni, Ca, Pb的含量一般在0.1%(干重)以上，積累的Mn, Zn含量一般在1%(干重)以上。在受重金屬污染的水體中，連續(xù)放

5、養(yǎng)幾次超積累植物就有可能去除有毒金屬。植物吸收的過程如下：根系對(duì)重金屬的吸收植物可通過根部直接吸收水溶性重金屬。重金屬在水體中向植物根部的遷移途徑有3種：質(zhì)體流作用。在植物吸收水分時(shí)，重金屬隨溶液向根系流動(dòng)到根部; 擴(kuò)散作用。由于根表面吸收離子，降低根系四周水溶液離子濃度，引起離子向根部擴(kuò)散; 重金屬隨水體流動(dòng)靠近植物根部。第三種途徑能促進(jìn)前兩種途徑的發(fā)生，從而加速重金屬向植物根系的遷移。到達(dá)植物根系表面的金屬離子不一定能被植物吸收。植物吸收重金屬的生理過程可能為兩種方式：一種是細(xì)胞壁質(zhì)外空間對(duì)重金屬的吸收；另一種是重金屬透過細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)人植物細(xì)胞。植物的細(xì)胞壁是污染物進(jìn)人植物細(xì)胞的第一道屏障。

6、當(dāng)重金屬濃度較低時(shí)和在吸收的開始階段，重金屬首先被細(xì)胞壁吸附，只有當(dāng)外界污染物濃度相當(dāng)大時(shí)，打破了這種平衡，才有部分細(xì)顆粒重金屬透過細(xì)胞壁，穿過質(zhì)膜進(jìn)人細(xì)胞。重金屬通過細(xì)胞膜進(jìn)人細(xì)胞有兩種方式：被動(dòng)擴(kuò)散，物質(zhì)順著本身的濃度梯度或細(xì)胞膜的電化學(xué)勢(shì)流動(dòng)；主動(dòng)傳遞，這種傳遞過程需要能量。重金屬離子可以在膜內(nèi)以較高的濃度存在，這與蛋白質(zhì)與重金屬離子的親合性很強(qiáng)有關(guān)，同時(shí)也取決于膜內(nèi)的電負(fù)性。通常膜內(nèi)外的電位差可達(dá)50一100mV，這就可使Cu, Zn, Mn等二價(jià)離子因離子電位差而被濃縮100倍以上。這種機(jī)制，就可以使植物非常有效地吸收、富集重金屬。重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)金屬離子進(jìn)人根部后，要么被貯存

7、，要么被轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉部分。盡管很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)重金屬主要分布在植物根部，但一些流動(dòng)性較大的元素還是可以通過導(dǎo)管向上遷移到葉片。重金屬進(jìn)人根細(xì)胞質(zhì)后，可以游離金屬離子形態(tài)存在，但細(xì)胞質(zhì)中游離金屬離子過多，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，干擾細(xì)胞的正常代謝，因而細(xì)胞質(zhì)中金屬可能與細(xì)胞質(zhì)中的有機(jī)酸、氨基酸、多肽和無(wú)機(jī)物等結(jié)合，通過液泡膜上的運(yùn)輸體或通道蛋白轉(zhuǎn)人液泡中。金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉部分可能發(fā)生在木質(zhì)部，其主要受兩個(gè)過程的控制：從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)載到導(dǎo)管和在導(dǎo)管中運(yùn)輸，后者主要受根壓和蒸騰流的影響。目前對(duì)于陽(yáng)離子在木質(zhì)部的裝載過程還不十分明確，但研究者一致認(rèn)為，它是與根細(xì)胞吸收離子相獨(dú)立的一個(gè)過程。有資料表明，木質(zhì)部裝

8、載過程的能量來(lái)自木質(zhì)部薄壁細(xì)胞膜上的H一ATPase產(chǎn)生的負(fù)性跨膜電勢(shì)。陽(yáng)離子在木質(zhì)部的裝載可能通過陽(yáng)離子質(zhì)子反向運(yùn)輸體、陽(yáng)離子-ATPase和離子通道。在超積累植物中，可能存在更多的離子運(yùn)輸體或通道蛋白，從而促進(jìn)重金屬向木質(zhì)部裝載，但目前還缺乏直接證據(jù)。（3）植物吸附植物吸附直接發(fā)生在植物根(或莖葉)部表面。表面吸附可能是去除水體重金屬最快的一步。它是由螯合離子交換和選擇性吸收等物理和化學(xué)過程共同作用的結(jié)果6，且不要求生物活性，在死去的植物體表面也可以發(fā)生。對(duì)于沉水植物和浮葉根生植物7而言，植物吸附是他們?nèi)コ亟饘俚闹饕绞?。三、植物修?fù)的影響因素影響植物吸收、遷移重金屬的因素很多，主要取決

9、于重金屬的種類及其形態(tài)差異，以及一些外部因素如溫度、水體pH值、營(yíng)養(yǎng)元素的競(jìng)爭(zhēng)等。1    2007-12-15        、重金屬的種類及其形態(tài)差異植物對(duì)有些元素輕易吸收而對(duì)另一些元素很難吸收，通過植物對(duì)Cr, Hg, As, Cd的吸收比較發(fā)現(xiàn)植物最輕易吸收Cd和As，而對(duì)Cr的吸附量就很少。同一元素的不同價(jià)態(tài)吸收系數(shù)差別很大，如水稻對(duì)Cr3 的吸收系數(shù)平均值為0.032，而對(duì)Cr6 則為0.056，可見Cr6 的吸收系數(shù)大于Cr3 。用同樣濃度的CdS, CdSO4

10、, CdI2和CdCl2澆灌水稻，這些化合物在糙米中積累率之比分別為1:1, 9:3, 7:3.9，因?yàn)樯鲜龌衔镌谒械慕怆x常數(shù)關(guān)系是CdS<CdSO4,<CdI2<CdCl28 。2、pH值以Cd、Zn為例，隨pH升高，Cd、Zn趨于穩(wěn)定; 在低pH時(shí)，沉積物中生物可給態(tài)的水溶液和可交換態(tài)Cd、Zn的濃度有明顯增加。不同的是還原態(tài)Cd含量相對(duì)減少，且不受pH變化的影響。在酸性氧化條件下，Cd的釋放量遠(yuǎn)高于其他重金屬的釋放量。研究還指出，天然水體中膠體水合氧化物的吸附、共沉淀是控制沉積物中Pb、Zn釋放的主要機(jī)制; 而硫化物、有機(jī)物和碳酸鹽結(jié)合態(tài)是控制Hg、Cd釋放的重要機(jī)

11、制。在低pH值的氧化性水體中，這些組分結(jié)合的金屬都易被釋放，因此，也直接影響植物對(duì)金屬的吸收。3、溫度溫度首先會(huì)影響水生植物的生長(zhǎng)，水葫蘆能耐5左右的低氣溫，也能耐短期0的低氣溫。氣溫13左右時(shí)開始生長(zhǎng)，25以上時(shí)生長(zhǎng)較快，30左右時(shí)生長(zhǎng)最快(此時(shí)對(duì)重金屬的吸收能力是最強(qiáng)的)。直至39時(shí)仍能正常生長(zhǎng)。水溫保持在7以上就能安全越冬，但水溫保持34以上時(shí)僅可存活很短時(shí)間。9溫度還會(huì)影響水體重金屬離子的活性，以及水體懸浮泥沙、底泥對(duì)重金屬的吸附，進(jìn)而影響植物的吸收。4、重金屬與養(yǎng)分元素的交互作用重金屬與養(yǎng)分元素的交互作用養(yǎng)分是影響植物吸收重金屬的重要因素，有些已成為調(diào)控金屬植物毒性的途徑和措施。施加

12、氮肥能夠促進(jìn)植物對(duì)水體中錫的吸收，重金屬作為一種離子或者與養(yǎng)分元素競(jìng)爭(zhēng)植物根系吸收位，或者影響植物生理生化過程，從而引起植物對(duì)養(yǎng)分吸收性能及轉(zhuǎn)運(yùn)特征的改變。Ca、Mg離子能降低植物對(duì)Zn、Cu的吸附，施磷肥通常降低植物體內(nèi)重金屬的含量。因此利用此特性能調(diào)控植物對(duì)重金屬的吸收。四、修復(fù)工程的應(yīng)用利用水生植物凈化重金屬污水，目前應(yīng)用得較多的是人工濕地技術(shù)和生物塘工程。1、人工濕地技術(shù)10，11濕地處理系統(tǒng)是一種利用低洼濕地和沼澤地處理污水的方法。人工濕地是在一定長(zhǎng)寬比及底面坡降的洼地中，按一定的坡度填充一定規(guī)格的填料，如礫石。在填料表層土壤中種植一些處理性能良好，成活率高，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，美觀及有經(jīng)濟(jì)

13、價(jià)值的植物，構(gòu)成一個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)。在運(yùn)行中含重金屬的污水緩慢流過生長(zhǎng)植物的土壤表面，在耐水性植物和土壤共同作用下得以凈化。目前人工濕地常用的植物為水生或半水生的維管植物，如破銅錢、水芹菜等。它們能在水中長(zhǎng)期的吸收鉛、銅和鎘等金屬。人工濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且收獲富含金屬殘?bào)w的難度大。針對(duì)于此，Salt等發(fā)現(xiàn)在通氣良好的水中，印度葵幼苗能從人造污水中積累不同的金屬?；诖擞籽康娜斯竦叵到y(tǒng)，不僅可以迅速建立，還易于收獲富含金屬的殘?bào)w。2、氧化塘12氧化塘又稱穩(wěn)定塘或生物塘。它是利用庫(kù)塘等水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污水的凈化作用，進(jìn)行污水原位處理的工程措施。通過向池塘內(nèi)投放對(duì)重金屬有富集作用的植物，如水葫蘆，水芹菜

14、，黑麥草、香蒲等，然后定期收割，達(dá)到去除重金屬的目的。如水葫蘆，1 hm2葫蘆一晝夜就能從水中吸收錳4 kg、汞89g、鎳297 g、鉛104 g，并能從低于1×10-6的含鎘廢水中，除去97%的鎘。污水中的砷對(duì)它生長(zhǎng)有抑制的作用，但它仍然能富集砷，使體內(nèi)砷的含量達(dá)到水中砷濃度的幾十倍。戴全裕通過黑麥草對(duì)黃金廢水的凈化實(shí)驗(yàn)13表明: 黑麥草對(duì)黃金廢水不僅有很強(qiáng)的凈化能力，而且也具有很高的富集功能，其根部的含金量最高可達(dá)784 g/t(干重)。而且黑麥草對(duì)其它重金屬也有良好的富集作用，從而展示了它的廣闊開發(fā)應(yīng)用前景。不同于鳳眼蓮的是它比較耐寒，只要10以上就能生長(zhǎng)良好。這正好在凈化處理

15、廢水時(shí)與鳳眼蓮進(jìn)行交替使用。其他植物還有如香蒲，我國(guó)韶關(guān)凡口鉛鋅礦廢水香蒲凈化塘系統(tǒng)最新研究發(fā)現(xiàn)，該廢水凈化系統(tǒng)對(duì)鉛、鋅、銅、鎘的去除率分別為93.98%、 97.02%、96.87% 、96.39%，凈化后的廢水其重金屬含量達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然由于植物生長(zhǎng)受季節(jié)控制，而且重金屬累積過多，會(huì)對(duì)植物造成毒害，假如采用氧化塘和人工濕地結(jié)合處理的方法，可以利用多種植物，在不同季節(jié)對(duì)污水進(jìn)行凈化，達(dá)到更好的凈化效果。五、超積累植物及新技術(shù)的研究重金屬超量積累植物14(hyperaccumulator)的概念在1977年首先由Brooks15提出后,經(jīng)過科學(xué)家們不懈的努力，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了360多種植物

16、能夠超量積累各種重金屬。這些超量積累植物具有較高的重金屬臨界濃度，在重金屬污染環(huán)境中能夠良好地生長(zhǎng)。但是，由于超量積累植物生長(zhǎng)緩慢、生物量小，又極大地限制了其在環(huán)境治理中的應(yīng)用價(jià)值。如文獻(xiàn)報(bào)道十字花科遏藍(lán)萊屬植物Thlaspi rotundifolium植株內(nèi)Pb積累可高達(dá)8200mg·kg-1干重，但經(jīng)5個(gè)月生長(zhǎng)期后，每株干重只有550mg，照此計(jì)算每株中Pb積累總量只有41410g，低于我們實(shí)驗(yàn)中生長(zhǎng)僅十幾天的向日葵或蓖麻幼苗根部Pb的積累總量。1997年11ya Raskin曾指出種苗過濾(B1astoflltration)代表了植物修復(fù)技術(shù)用于含重金屬?gòu)U水處理的發(fā)展方向，本研究工作的目的是在現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上，通過考察種苗過濾法的規(guī)律，探索該方法在含重金屬?gòu)U水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用可行性。1、種苗過濾去除水中重金屬鉛實(shí)驗(yàn)16表明，種苗過濾去除水中Pb的生態(tài)效應(yīng)與植物種類有關(guān)。在不同種類植物之間以及在相同植物的不同亞種之間，存在著對(duì)比積累程度上較明顯的差異。在相同體積(100mL)、相同濃度(100mg·L-1)的Pb溶液