章_污染土壤的植物修復

1、第八章 污染土壤的植物修復u植物修復植物修復(phytoremediation): 利用植物及利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉化、其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉化、降解等作用來清除污染環(huán)境中的污染物質。降解等作用來清除污染環(huán)境中的污染物質。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念和修復機理基本概念和修復機理p植物修復發(fā)展歷程 無意識地利用植物處理排泄物 20世紀初，有意識地利用植物生態(tài)系統(tǒng)處理廢棄物和污水無害化 1970s后，發(fā)展污水的土地處理系統(tǒng)，成為城市生活廢水的處理技術；廢棄礦山的復墾，污泥的處理和農(nóng)業(yè)應用，植物耐性機理的研究 1980s, Chaney 提出利用超積累植物清除土壤重金屬污

2、染，形成植物修復概念。植物對污染物的修復機理植物對污染物的修復機理-有機物的吸收積累和代謝有機物的吸收積累和代謝l某些植物能在體內(nèi)代謝或礦化有機物，使某些植物能在體內(nèi)代謝或礦化有機物，使其失活；其失活；l但多數(shù)但多數(shù)研究只證明了植物僅能通過酶催化研究只證明了植物僅能通過酶催化氧化降解有機物；氧化降解有機物；l降解產(chǎn)物的進一步降解產(chǎn)物的進一步深度氧化過程深度氧化過程研究還很研究還很缺乏；缺乏；l為提高植物修復效率，可利用為提高植物修復效率，可利用基因工程基因工程技技術增強植物的降解能力術增強植物的降解能力植物對有機污染物的吸收途徑植物對有機污染物的吸收途徑對氣態(tài)污染物的粘附和吸收對氣態(tài)污染物的粘

3、附和吸收對水溶態(tài)污染物的吸收對水溶態(tài)污染物的吸收p植物粘附污染物的數(shù)量植物粘附污染物的數(shù)量, 主要決定于植物表主要決定于植物表面積的大小和粗糙程度面積的大小和粗糙程度, 某些植物還可分泌某些植物還可分泌油脂、黏液油脂、黏液, 如去杉、油松等如去杉、油松等;p氣孔是葉片吸收污染物的主要部位氣孔是葉片吸收污染物的主要部位, 但高濃但高濃度污染物可對葉片造成損害度污染物可對葉片造成損害, 如二氧化硫可如二氧化硫可導致植物氣孔張開和關閉的機能癱瘓導致植物氣孔張開和關閉的機能癱瘓, 臭氧臭氧可損害葉片的柵欄組織可損害葉片的柵欄組織.氣態(tài)污染物氣態(tài)污染物水溶態(tài)污染物水溶態(tài)污染物主要通過根吸收主要通過根吸收

4、葉片也能吸收水溶態(tài)物質葉片也能吸收水溶態(tài)物質F水溶態(tài)的污染物到達根表面，主要有兩水溶態(tài)的污染物到達根表面，主要有兩條途徑：條途徑：一條是質體流途徑一條是質體流途徑(massflow)，即污染，即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水一起到達植物根部；一起到達植物根部；另一條是擴散途徑另一條是擴散途徑(diffusion)，即通過，即通過擴散到達根表面。擴散到達根表面。F葉片對農(nóng)藥通過氣孔吸收與角質層吸收。葉片對農(nóng)藥通過氣孔吸收與角質層吸收。附著性能是影響藥效的重要因素。表面活性附著性能是影響藥效的重要因素。表面活性劑能顯著降低表面張力，改善藥液在葉面的劑能顯著

5、降低表面張力，改善藥液在葉面的附著性附著性, 從而提高吸收。從而提高吸收。如如: 劉支前等發(fā)現(xiàn)不加任何表面活性劑時，劉支前等發(fā)現(xiàn)不加任何表面活性劑時，草甘膦藥液不能直接經(jīng)蠶豆葉面氣孔吸收；草甘膦藥液不能直接經(jīng)蠶豆葉面氣孔吸收；添加添加0.5的有機硅表面活性劑后，氣孔吸的有機硅表面活性劑后，氣孔吸收率可達收率可達85.4。自然來源：自然來源：工業(yè)礦床和巖石風化而工業(yè)礦床和巖石風化而成的地表土壤成的地表土壤重重金金屬屬來來源源人為來源人為來源 生產(chǎn)活動生產(chǎn)活動 農(nóng)藥肥料農(nóng)藥肥料 交通運輸交通運輸 廢棄物廢棄物 廢水廢氣廢水廢氣植物對重金屬吸收積累植物對重金屬吸收積累土壤中重金屬土壤中重金屬本身所存

6、在的形態(tài)本身所存在的形態(tài)可分為：水可分為：水溶態(tài)、有機質結合態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、溶態(tài)、有機質結合態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、Fe-Mn氧化物結合態(tài)以及包含于礦物晶格中的殘氧化物結合態(tài)以及包含于礦物晶格中的殘渣態(tài)。渣態(tài)。從植物的從植物的可利用性可利用性可分為可吸收態(tài)、交換態(tài)、可分為可吸收態(tài)、交換態(tài)、難吸收態(tài)。難吸收態(tài)。重金屬的游離離子及螯合離子易被植物所吸重金屬的游離離子及螯合離子易被植物所吸收，殘渣態(tài)的難被植物吸收，收，殘渣態(tài)的難被植物吸收，介于兩者介于兩者之間之間的則為交換態(tài)。的則為交換態(tài)。物理化學法物理化學法重金屬污重金屬污染土壤恢染土壤恢復方法復方法生物修復法生物修復法微生物修復微生物修復植物修復植

7、物修復p物理化學修復類型物理化學修復類型：客土法、化學固化、：客土法、化學固化、電化學、土壤淋洗等電化學、土壤淋洗等p缺點：缺點：易引起二次污染、土壤結構破壞、易引起二次污染、土壤結構破壞、生物活性下降和肥力退化，修復成本過生物活性下降和肥力退化，修復成本過高。高。小結小結-植物修復的優(yōu)點植物修復的優(yōu)點適用污染因子適用污染因子廣泛廣泛，不僅適合重金屬，同，不僅適合重金屬，同時可治理有機物污染。時可治理有機物污染。從生態(tài)學角度看，有利于污染地生態(tài)恢復，從生態(tài)學角度看，有利于污染地生態(tài)恢復，美化環(huán)境。美化環(huán)境。以以太陽能太陽能為動力，成本低，適合大面積修為動力，成本低，適合大面積修復推廣。復推廣。

8、修復費用約為修復費用約為540美元噸，而填埋美元噸，而填埋的費用為的費用為100500美元噸。尤其適于低濃度條美元噸。尤其適于低濃度條件。件。不會引起二次污染不會引起二次污染，特別是不會對地下水，特別是不會對地下水構成污染。構成污染。修修復復模模式式植物提取植物提取 (phytoextraction)植物揮發(fā)植物揮發(fā)(phytovolatilization)植物穩(wěn)定植物穩(wěn)定(phytostabilization)植物降解植物降解(phytodegradation)第二節(jié)第二節(jié) 污染土壤修復模式污染土壤修復模式p植物提取植物提取:利用植物根系吸收重金屬元素，利用植物根系吸收重金屬元素，并經(jīng)過植物

9、體內(nèi)一系列復雜的生理生化過并經(jīng)過植物體內(nèi)一系列復雜的生理生化過程，將重金屬元素程，將重金屬元素從從根部轉運至植物地上根部轉運至植物地上部分部分，再進行收割處理。，再進行收割處理。p根據(jù)實施的策略不同，植物提取技術可分根據(jù)實施的策略不同，植物提取技術可分為為連續(xù)植物提取連續(xù)植物提取和和誘導植物誘導植物提取。提取。植物提取植物提取第一種情況第一種情況（連續(xù)植物提取）：植物在整個生命（連續(xù)植物提?。褐参镌谡麄€生命周期中都能吸收、轉運、積累和忍耐高含量的重金周期中都能吸收、轉運、積累和忍耐高含量的重金屬屬第二種情況第二種情況：某些植物只能在某些植物只能在一段時期一段時期內(nèi)吸收重內(nèi)吸收重金屬，或整個生

10、命期中都吸收但吸收量很低金屬，或整個生命期中都吸收但吸收量很低第二種情況下，人們輔以絡合劑等理化措施誘導植第二種情況下，人們輔以絡合劑等理化措施誘導植物積累更多金屬元素，這就是誘導植物提取。物積累更多金屬元素，這就是誘導植物提取。誘導植物提取舉例：在芥菜營養(yǎng)生長旺盛期施用誘導植物提取舉例：在芥菜營養(yǎng)生長旺盛期施用絡合劑可顯著提高土壤中植物有效態(tài)絡合劑可顯著提高土壤中植物有效態(tài)Cu，使土壤水浸提態(tài)使土壤水浸提態(tài)Cu和交換態(tài)和交換態(tài)Cu顯著上升，從而芥顯著上升，從而芥菜中菜中Cu的含量明顯增加的含量明顯增加植物提取技術與其他修復模式的植物提取技術與其他修復模式的區(qū)別之處區(qū)別之處在于重金屬地上部分含

11、量的不同。在于重金屬地上部分含量的不同。因而植物提取技術要求植物能從根部吸收因而植物提取技術要求植物能從根部吸收重金屬離子，還能有較高的重金屬離子，還能有較高的地上部分轉運地上部分轉運能力能力。金屬離子首先進入根部細胞，通過共質體金屬離子首先進入根部細胞，通過共質體的運輸穿越根內(nèi)皮層中的凱氏帶，進入中的運輸穿越根內(nèi)皮層中的凱氏帶，進入中柱送達木質部，再與木質部中大量存在的柱送達木質部，再與木質部中大量存在的有機酸和氨基酸結合運往地上部分有機酸和氨基酸結合運往地上部分印度芥菜在高濃度可溶性印度芥菜在高濃度可溶性Pb營養(yǎng)液中培養(yǎng)營養(yǎng)液中培養(yǎng)一段時間后一段時間后,莖中莖中Pb含量達到含量達到1.5；

12、印度芥菜還能吸收積累印度芥菜還能吸收積累Cr、Cu、Zn、Cd 、Ni等重金屬等重金屬植物提取植物提取/例子例子 為植物修復的核心部分，最早的概念于為植物修復的核心部分，最早的概念于1977年年Brooks提出，現(xiàn)在接近成熟提出，現(xiàn)在接近成熟重金屬超積累植物重金屬超積累植物東南景天東南景天(Sedum alfredii H)由楊肖娥由楊肖娥等發(fā)現(xiàn)的第一種等發(fā)現(xiàn)的第一種Zn 超富集植物。超富集植物。地上部的地上部的Zn含量含量達達5000ppm.富富集系數(shù)達集系數(shù)達1.9以上。以上。 蜈蚣草（蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）第一種在第一種在我國發(fā)現(xiàn)的我國發(fā)現(xiàn)的As超富集植物，由

13、陳同斌等發(fā)超富集植物，由陳同斌等發(fā)現(xiàn)現(xiàn)* 超積累植物地上部分的重金屬含量是同等生超積累植物地上部分的重金屬含量是同等生境條件下其他普通植物含量的境條件下其他普通植物含量的100倍倍以上；以上；* 在污染地生長旺盛，生物量大，能在污染地生長旺盛，生物量大，能正常正常完成完成生活史；生活史；* 富集系數(shù)富集系數(shù)(BCF)和轉運系數(shù)和轉運系數(shù)(TF)都都大于大于l。一。一般而言，植物體內(nèi)重金屬臨界含量為般而言，植物體內(nèi)重金屬臨界含量為Zn:l0000mgkg, Cd:l00mgkg, Au:lmgkg, Pb、Cu、Ni、Co均為均為1000mgkg. 超積累植物特征超積累植物特征富集系數(shù)富集系數(shù)地

14、上部器官中重金屬含量地上部器官中重金屬含量土壤中重金屬含量土壤中重金屬含量轉運系數(shù)轉運系數(shù)莖葉中重金屬含量莖葉中重金屬含量根部重金屬含量根部重金屬含量過渡類型過渡類型有一些植物雖然達不到上述各項指標，有一些植物雖然達不到上述各項指標，但比起一般的植物能忍耐一定程度的但比起一般的植物能忍耐一定程度的重金重金 屬，文獻資料上多稱為屬，文獻資料上多稱為富集植富集植物物p長期生長于污染土壤中的植物對環(huán)境脅迫往往形長期生長于污染土壤中的植物對環(huán)境脅迫往往形成了三類適應模式，各自特點為成了三類適應模式，各自特點為:F抵御：抵御：與根際周圍的各類真、細菌組成菌根，形與根際周圍的各類真、細菌組成菌根，形成防御

15、體系共同抵制外界污染物質的侵害。成防御體系共同抵制外界污染物質的侵害。F忍耐：忍耐：無法構建防御體系，但可形成一定的忍耐無法構建防御體系，但可形成一定的忍耐特性，體內(nèi)重金屬含量高于普通植物，即使脫離特性，體內(nèi)重金屬含量高于普通植物，即使脫離重金屬污染土壤仍能自然成活，稱為富集植物。重金屬污染土壤仍能自然成活，稱為富集植物。F利用：利用：因為自身生理的需要，土壤中污染物質含因為自身生理的需要，土壤中污染物質含量要達到一定數(shù)值才能成活，稱為超積累植物。量要達到一定數(shù)值才能成活，稱為超積累植物。 如比蘇草在如比蘇草在Cu含量小于含量小于100gkg的土壤中不的土壤中不能正常生長。根據(jù)其這一特性，某種

16、重金屬的超能正常生長。根據(jù)其這一特性，某種重金屬的超積累植物往往還能成為金屬礦藏的指示植物。積累植物往往還能成為金屬礦藏的指示植物。植物對污染環(huán)境的適應模式植物對污染環(huán)境的適應模式地域來看地域來看，多分布于富含重金屬的礦區(qū)；多分布于富含重金屬的礦區(qū)；植物分類植物分類來看，多位于幾個類別之內(nèi)，如來看，多位于幾個類別之內(nèi)，如Ni主要頒布于主要頒布于“五科五科” 、“十屬十屬”； 農(nóng)田雜草也可能是超積累植物的一個重要來農(nóng)田雜草也可能是超積累植物的一個重要來源庫。如魏樹和等發(fā)現(xiàn)了源庫。如魏樹和等發(fā)現(xiàn)了8種對種對Cd具有超積具有超積累性的雜草累性的雜草超積累植物分布超積累植物分布首先，首先，大部分植物植

17、株矮小，生長緩慢，且不易機大部分植物植株矮小，生長緩慢，且不易機械化作業(yè)；械化作業(yè)；其次，其次，多為野生型植物，對生物氣候條件的要求也多為野生型植物，對生物氣候條件的要求也比較嚴格，區(qū)域性分布較強，引種受到嚴重限制；比較嚴格，區(qū)域性分布較強，引種受到嚴重限制；再次，再次，專一性強，只作用于一種或兩種特定的重金專一性強，只作用于一種或兩種特定的重金屬元素，對土壤中其他含量較高的重金屬表現(xiàn)出中屬元素，對土壤中其他含量較高的重金屬表現(xiàn)出中毒癥狀；毒癥狀；最后，最后，植物器官往往會腐爛、落葉，最終重金屬重植物器官往往會腐爛、落葉，最終重金屬重返土壤。返土壤。超積累植物的局限性超積累植物的局限性p植物吸

18、收重金屬植物吸收重金屬本質上本質上是否為植物在特定是否為植物在特定環(huán)境下的特定生理生化反應環(huán)境下的特定生理生化反應p植物耐重金屬毒害的植物耐重金屬毒害的機制機制包括：細胞區(qū)域包括：細胞區(qū)域化作用；主動外排；螯合作用目前誘導化作用；主動外排；螯合作用目前誘導植物生成配位體是其研究熱點植物生成配位體是其研究熱點p另外還可通過另外還可通過基因手段基因手段，促進植物基因改，促進植物基因改良，提高積累量良，提高積累量植物積累重金屬的分子生物學研究植物積累重金屬的分子生物學研究I.尋找更多超積累植物，尤其能同時富集不同重金尋找更多超積累植物，尤其能同時富集不同重金屬元素的植物的尋找，加強對現(xiàn)有野生超積累植

19、屬元素的植物的尋找，加強對現(xiàn)有野生超積累植物的人工引種、馴化研究；物的人工引種、馴化研究； II.分子水平上的植物耐金屬性研究，從基因水平上分子水平上的植物耐金屬性研究，從基因水平上探明植物對重金屬耐性的根源所在；探明植物對重金屬耐性的根源所在；III.各種重金屬元素在不同植物體內(nèi)的儲存及分布特各種重金屬元素在不同植物體內(nèi)的儲存及分布特征研究；征研究；IV. 超積累植物根際環(huán)境對重金屬吸收作用的影響超積累植物根際環(huán)境對重金屬吸收作用的影響超積累植物研究展望超積累植物研究展望含義：含義：植物將揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將植物將揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將其轉化為氣態(tài)物質，釋放到大氣中。其轉化為氣

20、態(tài)物質，釋放到大氣中。 植物揮發(fā)和土壤根際微生物的活動密切相關植物揮發(fā)和土壤根際微生物的活動密切相關缺點：缺點：揮發(fā)性重金屬經(jīng)植物體進人大氣最終沉揮發(fā)性重金屬經(jīng)植物體進人大氣最終沉入土壤或水體，會產(chǎn)生二次污染入土壤或水體，會產(chǎn)生二次污染揮發(fā)舉例：植物從土壤吸收汞再向大氣揮發(fā)；揮發(fā)舉例：植物從土壤吸收汞再向大氣揮發(fā)；硒以二甲基硒和二甲基二硒揮發(fā)。硒以二甲基硒和二甲基二硒揮發(fā)。植物揮發(fā)植物揮發(fā)含義：含義：利用植物吸收和沉淀來固定土壤中利用植物吸收和沉淀來固定土壤中的大量有毒重金屬，以降低其生物有效性的大量有毒重金屬，以降低其生物有效性并防止其進入地下水和食物鏈，從而減少并防止其進入地下水和食物鏈，

21、從而減少環(huán)境和人類健康的污染風險。環(huán)境和人類健康的污染風險。 適用于相對不易移動的物質。適用于相對不易移動的物質。主要應用在采礦、廢氣干沉降、污泥處置。主要應用在采礦、廢氣干沉降、污泥處置。缺點：缺點：并未將重金屬從土壤中徹底清除，并未將重金屬從土壤中徹底清除，當土壤環(huán)境發(fā)生變化時仍可能重新活化恢當土壤環(huán)境發(fā)生變化時仍可能重新活化恢復毒性。復毒性。植物穩(wěn)定植物穩(wěn)定含義：含義：指污染物被植物根系吸收后通過指污染物被植物根系吸收后通過體內(nèi)代謝活動來過濾、降解污染物質的體內(nèi)代謝活動來過濾、降解污染物質的毒性。毒性。如六價如六價Cr生物有效性最強，通過植物根生物有效性最強，通過植物根系的降解作用后變成

22、低價態(tài)的三價系的降解作用后變成低價態(tài)的三價Cr，毒性大大減弱毒性大大減弱植物的降解作用與植物的降解作用與根際土壤環(huán)境根際土壤環(huán)境密切相密切相關。根際分泌物的存在，使土壤理化性關。根際分泌物的存在，使土壤理化性質，如質，如pH值、氧化還原電位、微生物組值、氧化還原電位、微生物組成等顯著改變成等顯著改變植物降解過濾植物降解過濾植物修復有機污染的三種機制植物修復有機污染的三種機制直接吸收并積累非植物毒性直接吸收并積累非植物毒性的代謝物的代謝物；釋放促進生物化學反應的酶釋放促進生物化學反應的酶；強化根際降解作用強化根際降解作用. 植物可在新的植物結構中貯藏，可使其代謝植物可在新的植物結構中貯藏，可使其

23、代謝或礦化，還可使其揮發(fā)或礦化，還可使其揮發(fā); 去毒作用可將原來的化學品轉化為對植物無去毒作用可將原來的化學品轉化為對植物無毒的代謝物如木質素等，貯藏于植物細胞內(nèi)。毒的代謝物如木質素等，貯藏于植物細胞內(nèi)。影響因素影響因素: 土壤水中的濃度和植物的吸收率、土壤水中的濃度和植物的吸收率、蒸騰率。蒸騰率。植物的吸收率取決于污染物的物化植物的吸收率取決于污染物的物化特性和植物本身特性和植物本身; 蒸騰作用是決定污染物吸蒸騰作用是決定污染物吸收速率的關鍵變量，它又與多種條件相關收速率的關鍵變量，它又與多種條件相關.直接吸收直接吸收與植物酶有關的有機物降解非?？欤屡c植物酶有關的有機物降解非?？欤率够瘜W

24、污染物從土壤中的解吸和質量轉移使化學污染物從土壤中的解吸和質量轉移成為成為限速步驟限速步驟.植物死亡后，酶釋放到環(huán)境中還可以植物死亡后，酶釋放到環(huán)境中還可以繼繼續(xù)發(fā)揮分解續(xù)發(fā)揮分解作用作用;但但游離的酶系在低游離的酶系在低pH值、高金屬濃度和值、高金屬濃度和細菌毒性下會被摧毀或鈍化，而植物體內(nèi)細菌毒性下會被摧毀或鈍化，而植物體內(nèi)的酶則可得到保護的酶則可得到保護.釋放酶釋放酶污染物通過根際污染物通過根際吸附吸收吸附吸收而進入植物體而進入植物體內(nèi)；內(nèi)；植物通過向根際分泌氨基酸、糖類等小分植物通過向根際分泌氨基酸、糖類等小分子子有機物有機物而刺激微生物的大量繁殖，可間而刺激微生物的大量繁殖，可間接促

25、進污染物的根際微生物降解；接促進污染物的根際微生物降解；植物還可通過根際植物還可通過根際向土壤輸氧向土壤輸氧，改變根際，改變根際周圍的氧化還原條件周圍的氧化還原條件強化根際降解強化根際降解我國生態(tài)學家從雜草中篩選出重金我國生態(tài)學家從雜草中篩選出重金屬超富集植物屬超富集植物 本報訊本報訊 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所周中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所周啟星、魏樹和等研究人員，以雜草為篩選啟星、魏樹和等研究人員，以雜草為篩選對象，通過室外盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，蒲公英、對象，通過室外盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，蒲公英、龍葵等幾種植物具有重金屬超積累，即超龍葵等幾種植物具有重金屬超積累，即超富集特征。所采用的研究方法，打開了從富集特征。所采用的研究方法，打開了從幾十萬種植物中篩選超富集植物的突破口。幾十萬種植物中篩