礦山生態(tài)環(huán)境修復技術(shù)

1、礦山生態(tài)環(huán)境修復技術(shù)摘要：環(huán)境可以成為污染從人的活動無論是通過無意釋放事件，如今工業(yè)，如工業(yè)生產(chǎn)過程控制紫金山銅礦濕法廠發(fā)生銅酸水滲漏。這產(chǎn)生了既要限制進入環(huán)境的污染物排放量，而且要修復現(xiàn)有污染的熱點地區(qū)。整治是長期給予了一個特定環(huán)境清潔車廂（如土壤或水體），以減少特定污染物的水平，到可接受的濃度。植物修復是一個補救機制，可以用來清理環(huán)境污染物的范圍它涉及到土地用途的植物，可以容忍和污染，甚至在某些類型的茁壯成長環(huán)境，以減輕負擔的具體污染。關(guān)鍵詞：礦區(qū)；土壤重金屬污染；植物修復0引言礦產(chǎn)資源的開發(fā)在為國家提供重要戰(zhàn)略資源的同時也造成了環(huán)境污染、地質(zhì)災害、生態(tài)破壞等嚴重后果。礦冶活動是重金屬污染

2、的主要來源，我國因采礦累計占用、破壞土地達743萬hm2，且每年仍以4萬hm2的速度遞增，而全國受礦業(yè)影響的土地復墾率卻只有13.3，且其中主要是煤礦山相對較高的復墾率貢獻，而金屬礦山的復墾率相對較低，這與發(fā)達國家75的復墾率相差甚遠。此外，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用所造成的土壤重金屬污染由地球化學鏈、食物鏈進入生物體，給礦山及其周邊地區(qū)居民的食品安全、生態(tài)安全甚至社會和諧帶來嚴重隱患，因此對礦區(qū)污染土壤的生態(tài)恢復就顯得十分重要。1礦山廢棄地生態(tài)重建的實踐1.1礦山廢棄地復墾我國人多地少，土地資源嚴重不足，在經(jīng)濟較發(fā)達的東部地區(qū)，礦山廢棄地的復墾利用已經(jīng)受到了普遍關(guān)注。礦山廢棄地分布廣，環(huán)境污染嚴重，

3、它在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究和實踐中具有特殊的重要性。礦山廢棄地生態(tài)環(huán)境恢復與重建的關(guān)鍵是在正確評價廢棄地類型和特征的基礎上進行植被的恢復與重建進而使生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)自行恢復并達到良性循環(huán)。礦山廢棄地隸屬各種尺度的景觀類型，不同類型礦山廢棄地具有不同的生態(tài)重建途徑。影響礦山廢棄土地復墾潛力的自然和社會經(jīng)濟條件方面的4類14個亞類因子并劃分為6個等級對平朔安太堡露天煤礦土地復墾系統(tǒng)開展了以下幾個方面的研究：礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變的階段、類型、過程對效益的影響；礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整及耕地總量動態(tài)平衡；礦區(qū)未來空間待復墾土地適宜性評價單元類型的劃分；礦區(qū)時空變動地貌的水土保持布局模式；礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建規(guī)劃的方

4、法。在廢棄地上鋪蓋厚約20cm垃圾及20kgm石灰提高了尾礦pH值并降低了電導率，而且較有效地防止了下層尾礦的酸化，植物生長也較好。煤礦煤矸石可作為廢棄地的充填復墾材料，風化煤矸石的礦物化學組成與礦區(qū)黃土相近煤矸石的汞、鎘、鉛、砷、氟等有毒元素的含量不超標，可利用進行復墾，治理廢棄地惡化的生態(tài)環(huán)境。2礦區(qū)多金屬污染土壤植物修復技術(shù)與機理研究動態(tài)2.1植物修復技術(shù)與傳統(tǒng)的化學和物理治理技術(shù)相比，植物修復（phytoremediation）具有經(jīng)濟、對環(huán)境友好、能保持土壤生產(chǎn)力和無二次污染等優(yōu)點，近年來一直是國內(nèi)外重金屬污染礦山修復的研究熱點。植物修復技術(shù)是利用自然生長植物或者遺傳工程培育植物體系

5、來吸收、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境污染物的技術(shù)總稱。重金屬污染土壤的植物修復技術(shù)包括植物提取技術(shù)（采用重金屬超富集植物將土壤中的重金屬富集到植物地上部分，然后采用常規(guī)農(nóng)業(yè)方法收獲后進一步處理）、植物穩(wěn)定技術(shù)（利用植物根系代謝活動將土壤活性重金屬沉淀在土壤中或?qū)⑼寥乐械闹亟饘傥崭患谥参锔?，從而降低重金屬在土壤中的遷移性能，減少其環(huán)境危害）和植物揮發(fā)技術(shù)（利用植物從土壤中吸收揮發(fā)性重金屬元素，然后通過葉片揮發(fā)到大氣中）等。2.2礦區(qū)周邊重金屬中低污染土壤的植物提取技術(shù)的研究與應用首先取決于超富集植物的發(fā)現(xiàn)和篩選。目前，世界上共發(fā)現(xiàn)超富集植物有400多種，但通常只能對一種重金屬元素表現(xiàn)出富集能力，僅少

6、部分可以超富集吸收兩種或兩種以上的重金屬。近年來我國科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Zn、Cd、As、Mn的超富集植物多種，但能用于復合污染土壤修復的多金屬超富集植物尚不多見。目前，國內(nèi)外關(guān)于超富集植物吸收重金屬的機理研究取得了一定進展，主要涉及以下過程：（1）超富集植物根系對重金屬的活化。一般認為超富集植物的根系可以分泌質(zhì)子和其他特異性小分子有機物，且根際分泌物的種類和性質(zhì)會因為重金屬類型與濃度的變化會改變，從而促進植物對土壤中特定重金屬元素的活化和吸收。但也有研究發(fā)現(xiàn)超富集植物的根際酸度與非富集植物沒有顯著差異，可能在土壤重金屬的活化過程中根系分泌物的作用有限。（2）植物體內(nèi)重金屬的賦存形態(tài)與吸收轉(zhuǎn)運過程

7、2.3礦山廢棄地重金屬的植物修復在鉛鋅尾礦上定居的雀稗、雙穗雀稗、黃花稔和銀合歡對鉛(Pb)的吸收表現(xiàn)出不同的模式：雀稗所吸收的Pb大部分被滯留在根部使之較少影響到地上部莖葉的光合作用功能及生長，從而使植物對重金屬Pb環(huán)境更具耐性；雙穗雀稗和黃花稔所吸收的Pb較多地被轉(zhuǎn)移到便于收獲移走的地上部分，因而具有較大的植物修復潛力；木本植物銀合歡所吸收的重金屬Pb總量的8O以上是積累在根、莖的皮和木質(zhì)部及枝條部分，只有15左右分布在葉片中。因此，在利用植物修復重金屬污染土壤的實踐中，這是一個特別值得利用的優(yōu)點。重金屬Pb、Zn、Cu和Cd的全量和有效態(tài)重金屬含量都隨土壤深度的增加而遞減。寬葉香蒲等四種

8、植物都具有較強的吸收和富集重金屬的能力，且主要富集在植物的地下部分。在廢棄3000余年的湖北銅綠山古冶煉渣已形成了以草本植物為主體的植被，其中，鴨跖草是Cu的超富集植物，可用于Cu污染土壤的植物修復與重建。最近發(fā)現(xiàn)蚯蚓對銅礦中的銅元素富集能力很強可達體內(nèi)組織的82512184mg/kg；由此，還進一步討論了礦山廢棄地生態(tài)恢復的生物(蚯蚓)技術(shù)理論和方法。利用現(xiàn)代生物技術(shù)探索解決礦山廢棄地重金屬污染我國也取得了新的進展。王劍虹和麻密已構(gòu)建了紫羊茅(Festucarubra)重金屬抗性品種Merlin的cDNA文庫，篩選出了在重金屬脅迫下表達的兩個基mcMT1和mc733。構(gòu)建了mcMT1的酵母表

9、達載體，通過轉(zhuǎn)化酵母基因組單一基因突變株ABDE1(對重金屬敏感)及互補實驗對mcMT1的功能進行了分析，證實了該基因具有重金屬抗性功能。利用RACE方法從大蒜(Alliunsativum)中克隆了植物絡合素合酶的全長DNA通過對鎘敏感裂殖酵母M379和砷敏感裂殖酵母的轉(zhuǎn)化，證實該基因的表達可以提高酵母對重金屬鎘和砷的抗性。有關(guān)強化植物修復技術(shù)的研究最初由Wallace等(1974)報告，他們提出了在重金屬污染土壤上施用EDTA時與重金屬形成絡合物(metal-EDTA)提高了重金屬的溶解度促進植物吸收。之后Blayllock等(1997)也陸續(xù)發(fā)表了EDTA能促進植物吸收重金屬的觀點。把人為

10、重金屬污染土壤和礦山地區(qū)土壤作為供試土壤，EDTA作絡合劑；艾蒿作為供試植物，進行植物吸收鎘的調(diào)查研究顯示，施用EDTA的試驗區(qū)與未施用EDTA的對照相比艾蒿體內(nèi)的鎘含量明顯升高，其中從礦山土壤中鎘的吸收量增加2倍以上，人為污染土壤中鎘的吸收量增加1.5倍以上。施用EDTA后，植物從人為污染土壤中吸收的重金屬增加量小于礦山土壤中吸收的重金屬增加量的原因是：雖然兩個區(qū)鎘濃度一樣，但是人為污染土壤中鎘的有效度相對高的結(jié)果，這種現(xiàn)象在其他土壤栽培中也得到證實。被鉛污染的土壤中EDTA處理的效果也很顯著，EDTA施用以后栽培植物前后土壤中可提取的有效態(tài)鉛從栽培前的1700mg/kg下降到栽培后的350

11、mg/kg，植物不能吸收利用的殘留態(tài)Pb含量是EDTA處理前后幾乎沒有變化(90mg/kg)。以上結(jié)果表明，EDTA作為改良劑使用后可以提高土壤中有效態(tài)鉛含量，從而顯著提高強化植物修復技術(shù)效率。另一方面，植物根系分泌的低分子有機酸可以提高根際土壤中金屬離子的溶解度和根際微生物的活動以及促進根系發(fā)育來促進植物的重金屬吸收。還有，有機酸與土壤直接接觸通過酸性化、絡合、沉淀及氧化還原反應來促進植物的重金屬吸收。Krishnamurti等通過施用不同低分子質(zhì)量有機酸(LMW0A)的試驗，證明了與土壤中鎘形成Cd-LMW0A絡合物提高了土壤中鎘的有效度。但是，利用化學改良劑的植物修復技術(shù)施用了螯合劑而形

12、成的溶解性金屬絡合物(metal-chelate)本身具有對生物體的潛在毒性，還可以引發(fā)施用螯合劑后重金屬溶脫引起的地下水污染，所以使用螯合劑時要慎重考慮。特別是EDTA在自然環(huán)境中抗分解性強，土壤中的殘留時間比較長，一部分EDTA流入地下水而污染水質(zhì)。以畜禽糞尿作為原料堆制而成的堆漚肥中含有豐富的腐殖質(zhì)和植物需要的無機養(yǎng)分。當這些肥料施用在重金屬污染土壤中，既可提高土壤中的重金屬溶解度充當螯合劑的作用，又可供應植物需要的養(yǎng)分，今后作為強化植物修復技術(shù)中的環(huán)境親和性化學改良劑，其應用前景廣泛。2.3.2礦山廢棄地的土壤肥力我國礦區(qū)常見廢棄地進行植被恢復與重建工程中的首要問題，在于立地條件的分析

13、評價與改良。陽承勝等發(fā)現(xiàn)土壤生物肥力水平是成功地進行礦業(yè)廢棄地土地管理的關(guān)鍵因素之一，是礦業(yè)廢棄地生態(tài)恢復和治理的重要指標。他們系統(tǒng)地介紹了礦業(yè)廢棄地的土壤生物群落組成及功能，礦業(yè)廢棄地特殊的生境對土壤生物群落的影響并討論了礦業(yè)廢棄地生態(tài)恢復中的土壤生物的管理問題。戈峰等探討蚯蚓對銅離子富集區(qū)植物生長影響時發(fā)現(xiàn)：銅礦尾砂土和復墾土中加入蚯蚓和蚓糞后，西紅柿的莖長、根長和干重均明顯高于對照。龍健等通過對浙江哩鋪銅礦廢棄地復墾土壤的微生物特征的觀察發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)復墾土壤微生物區(qū)系發(fā)生明顯改變。礦區(qū)土壤在重金屬脅迫下，土壤中C、N營養(yǎng)元素循環(huán)速率和能量流動被削弱了。3植物修復技術(shù)的局限性雖然植物修復技術(shù)

14、與理化學修復技術(shù)相比有很多優(yōu)點，但是人們對它的污染土壤凈化作用的可信度不高。其原因是：第一，修復污染土壤需要很長時間。第二，高濃度污染地區(qū)很難適用。第三，大多數(shù)植物的根圈范圍有限，只能修復土壤淺層。第四，根系供養(yǎng)不足的地區(qū)，根系發(fā)育不良隨之效果也降低。超積累植物雖然體內(nèi)能富集高濃度重金屬，但是它的生長速度緩慢、生物量低，很難實際應用。利用生物量多的作物情況下與超積累植物相比體內(nèi)的重金屬濃度低，所以必須配合使用化學改良劑，并且利用食用作物容易引起排斥心理。還有在特定土壤上施用EDTA時，土壤中重金屬的溶解速度超過植物吸收重金屬的速度會發(fā)生二次環(huán)境污染。利用轉(zhuǎn)基因植物的污染土壤的凈化技術(shù)彌補了以往

15、的植物修復技術(shù)的缺點，目前正在大力開展相關(guān)研究。但是利用轉(zhuǎn)基因植物的植物修復技術(shù)工作應該并行有關(guān)的生理或生態(tài)安全性的研究。4研究展望金屬礦山及周邊地區(qū)污染環(huán)境獨特，由于較強酸性、高重金屬濃度和土壤物理化學性質(zhì)不良等因素導致修復困難，單一修復手段難以取得滿意修復效果。綜合利用植物、微生物、化學等修復方法，開展多金屬污染土壤聯(lián)合修復技術(shù)與機理研究既具有理論意義，又可為實際應用提供科學依據(jù)。針對礦山和周邊地區(qū)多金屬污染土壤的不同特點，目前在以下幾方面需要開展更為深入和系統(tǒng)的研究。（1）應繼續(xù)尋找和發(fā)現(xiàn)多金屬超富集植物與耐性植物，并以已發(fā)現(xiàn)植物種質(zhì)資源為研究對象，加強多金屬復合污染土壤的植物提取與植物

16、穩(wěn)定修復機理研究。同時土壤復合污染條件下對植物脅迫過程與機理更為復雜,如何通過物理化學調(diào)控手段提高植物生態(tài)適應能力，以指導根際土壤處理和調(diào)控技術(shù)、合理耕作技術(shù)、基因工程技術(shù)的應用，并應用于田間實踐中，值得深入研究。（2）對于多金屬污染體系而言,不同類型重金屬在不同土壤-植物系統(tǒng)中的吸附，遷移轉(zhuǎn)化行為，相互作用規(guī)律以及交互作用機理研究有待深入。應分別從化學、微生物和植物等相關(guān)方向比較不同類型重金屬固定、活化、穩(wěn)定和吸收的機理，結(jié)合重金屬特異性吸收與富集機制以及多種重金屬之間的交互作用，闡明復合污染情況下超富集植物對多金屬的吸收、富集、解毒等生理生化機制。同時涉及土壤重金屬的植物根-土-微生物界面反應的一系列基礎理論問題如植物根部吸收/耐受重金屬的機制、根際作用及根際微生物群