第五章4污染土壤修復(fù)技術(shù)

第五章Ⅳ污染土壤修復(fù)技術(shù)

土壤環(huán)境學(xué)目錄5.1物理修復(fù)技術(shù)5.2化學(xué)修復(fù)技術(shù)5.3植物修復(fù)技術(shù)5.4微生物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ),利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中的污染物的一門新興起的環(huán)境污染治理技術(shù)。廣義的植物修復(fù)技術(shù)包括利用植物修復(fù)重金屬污染的土壤、利用植物凈化空氣、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根際微生物共存體系凈化土壤中有機(jī)污染物4個方面。狹義的植物修復(fù)技術(shù)主要指利用植物清潔污染土壤中的重金屬。

5.3植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)植物修復(fù)(Phytoremediation)自然植物遺傳工程培育植物植物系統(tǒng)根際微生物去除降解穩(wěn)定重金屬、放射性核素、有機(jī)化合物(1)植物提取修復(fù)利用重金屬超積累植物從污染土壤中超量吸收、積累一種或幾種重金屬元素，之后將植物整體(包括部分根)收獲并集中處理，然后再繼續(xù)種植超積累植物以使土壤中重金屬含量降低到可接受的水平。植物提取修復(fù)是目前研究最多且最有發(fā)展前途的一種植物修復(fù)技術(shù)。(2)植物揮發(fā)修復(fù)利用植物將土壤中的一些揮發(fā)性污染物吸收到植物體內(nèi)，然后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而對污染土壤起到治理作用。研究主要集中在易揮發(fā)性的重金屬(如汞等)方面，對有機(jī)污染物質(zhì)的治理也具有較好的應(yīng)用前景。(3)植物穩(wěn)定修復(fù)通過耐性植物根系分泌物質(zhì)來積累和沉淀根際圈污染物質(zhì)，使其失去生物有效性，以減少污染物質(zhì)的毒害作用。更重要的是利用耐性植物在污染土壤上的生長來減少污染土壤的風(fēng)蝕和水蝕，防止污染物質(zhì)向下淋移而污染地下水或向四周擴(kuò)散進(jìn)一步污染周圍環(huán)境。該技術(shù)偏重于重金屬污染土壤的穩(wěn)定修復(fù)，如廢棄礦山的復(fù)墾工程，鉛、鋅尾礦庫的植被重建等

(4)植物降解修復(fù)利用修復(fù)植物的轉(zhuǎn)化和降解作用去除土壤中有機(jī)污染物質(zhì)，其修復(fù)途徑包括污染物質(zhì)在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化和分解及在植物根分泌物酶的作用下引起的降解。植物降解一般對某些結(jié)構(gòu)比較簡單的有機(jī)污染物去除效率很高，但對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的污染物質(zhì)則無能為力。(5)根際圈生物降解修復(fù)利用植物根際圈菌根真菌、專性或非專性細(xì)菌等微生物的降解作用來轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物，降低或徹底消除其生物毒性，從而達(dá)到有機(jī)污染土壤修復(fù)的目的。實際上是微生物與植物的聯(lián)合作用過程，只不過微生物在降解過程中起主導(dǎo)作用。實踐證明，根際圈生物降解有機(jī)污染物質(zhì)的效率明顯高于單一利用微生物降解有機(jī)污染物質(zhì)的效率。

5.3.2植物修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理污染土壤植物修復(fù)的作用機(jī)理包括植物提取作用、根際降解作用、植物降解作用、植物穩(wěn)定化作用和植物揮發(fā)作用。植物組織積累植物排斥植物固定植物降解植物揮發(fā)植物修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)理示意圖根際強化生物降解EnhancedRhizosphere

Degradation根際微生物降解(石油烴)植物吸取Phytoextraction轉(zhuǎn)移到植物地上部植物修復(fù)植物過濾Phytofiltration根系濃縮(137Cs)植物揮發(fā)Phytovolatilization植物吸取,積累,揮發(fā)

(Se,Hg)植物降解Phytodegradation植物體內(nèi)部代謝（氯代化合物）植物穩(wěn)定Phytostabilization根系固定(Pb)5.3.2植物修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理

1．植物提取作用

植物提取就是指通過植物根系吸收污染物并將污染物富集于植物體內(nèi)，而后將植物體收獲、集中處置的過程。適合于植物提取技術(shù)的污染物包括：金屬(Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Zn、As、Se)、放射性核素(90Sr、137Cs、239Pu、238U、234U)、非金屬(B)。植物提取修復(fù)也可能適合于有機(jī)污染物，但尚未得到很好的驗證。雖然各種植物都可能或多或少地吸收土壤中的重金屬，但作為植物提取修復(fù)用的植物必須對土壤中的一種或幾種重金屬具有特別強的吸收能力，即所謂超累積植物(hyperaccumulator)超累積植物

20世紀(jì)70年代末至90年代初,人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向?qū)Τ鄯e植物的研究。超累積植物一詞最先是由Brooks等1977年提出的,當(dāng)時用以命名莖中鎳含量(干重)大于1000mg/kg的植物。Minguzzi和Vergnano在意大利Tuscany地區(qū)的富鎳蛇紋石風(fēng)化土壤中找到了一種叫布氏香芥的植物。該植物葉片中Ni的含量極高。Wild在非洲發(fā)現(xiàn)半卡馬菊也是一種Ni超積累植物。Cole在澳大利亞發(fā)現(xiàn)一種叫多花鼠鞭草的Ni超積累植物。Severn和Brooks在其他地方也發(fā)現(xiàn)了相同的Ni超積累植物。其干葉中Ni含量達(dá)1%,葉灰分中Ni含量達(dá)23%。Jaffre報道了另一種Ni超積累植物—塞貝山欖,其汁液中Ni含量可達(dá)25.7%(干重).Brooks等對富Ni地區(qū)的植物標(biāo)本進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),Ni超積累植物主要產(chǎn)于幾個屬,在已鑒別出的168種植物中,有45種Ni超積累植物屬于庭芥屬。在Ni超積累植物研究快速發(fā)展的同時,其他類型的金屬超積累植物如Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd和Zn也相繼被發(fā)現(xiàn)?；咎卣鳜F(xiàn)在超累積植物的概念已經(jīng)擴(kuò)大到植物對所有重金屬元素的超積累現(xiàn)象,即是指超量累積一種或同時累積幾種重金屬元素的植物。超積累植物具備以下3個基本特征:①植物地上部分重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍,其臨界含量分別為鋅10000mg/kg,鎘100mg/kg,鉛、銅、鎳和鈷均為1000mg/kg;②植物地上部分重金屬含量大于根部該種重金屬含量;③植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害特征。目前,世界上已發(fā)現(xiàn)的超累積植物以十字花科植物較多。由于這些超累積植物多數(shù)是在礦山、成礦作用帶或由富含某些化學(xué)元素的巖石風(fēng)化而成的土壤上發(fā)現(xiàn)的,因而常表現(xiàn)出較窄的生態(tài)適應(yīng)性和特有的生態(tài)型。目前發(fā)現(xiàn)的500多種超累積植物主要集中在北美洲、大洋洲和歐洲等發(fā)達(dá)的國家。中國物種資源豐富,但發(fā)現(xiàn)的超累積植物比較少。幾種典型超積累植物Zn超積累植物：Thlaspi

calaminareCd超積累植物：Brassica

junceaNi超積累植物：Thlaspi

goesingenseAs超積累植物：Pteris

vittataThlaspi

calaminareZn超積累植物－遏藍(lán)菜Pteris

vittata

As超積累植物－蜈蚣草鑒別方法簡單有效的方法:到礦區(qū)采集各種植物進(jìn)行分析,如在稀土礦區(qū)、銅礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了各自的超累積植物,但這樣做的缺點是工作量大和可能失去許多潛在的有價值的超累積植物。根毛法：Nedelkosk利用根毛在實驗室內(nèi)確定植物對重金屬的生物吸收能力和長期累積能力的新方法正在被建立,該方法能克服自然條件的限制,加快對超累積植物的篩選速度。多種重金屬超累積植物的尋找是一項有意義的基礎(chǔ)性工作,是超累積機(jī)理研究的前提并為轉(zhuǎn)基因研究提供豐富的基因資源。影響因素超積累植物及其微生物共存體系土壤因子也是影響植物超量積累重金屬的一個重要因素。它關(guān)系到植物修復(fù)的效率,因為土壤環(huán)境參數(shù)的合理調(diào)控,可以增加金屬的植物可利用性。目前,有關(guān)超累積植物積累重金屬的機(jī)理仍然不是十分清楚,人們對于超累積是否存在遺傳機(jī)制,超累積究竟和植物體哪些遺傳基因有關(guān)的研究還處于初始階段,雖然利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制造特定目標(biāo)植物有許多成功的例子,但在轉(zhuǎn)基因超累積植物研究方面進(jìn)展還不是很大?，F(xiàn)狀(1)：國際目前報道的超富集植物有500余種

Ni－－318種 Cu－－25種

Pb－－14種 Zn－－13種

As－－1種已有Pb和Ni污染土壤植物修復(fù)的成功事例開始進(jìn)行資源化綜合利用和工程應(yīng)用研究有100多家企業(yè)已涉足本領(lǐng)域研發(fā)工作市場潛力1998年：1700-3000萬美元2000年：5000萬-1億美元2005年：1.5-3億美元美國為例：國際：環(huán)境污染修復(fù)領(lǐng)域的專利共有300多項，與As、Zn、Cu等植物修復(fù)有關(guān)專利8項國內(nèi)：As污染土壤植物修復(fù)專利

我國面臨知識產(chǎn)權(quán)壟斷的國際威脅現(xiàn)狀(2)：專利現(xiàn)狀(3)：國內(nèi)發(fā)現(xiàn)2種超富集植物和數(shù)十種耐性植物已開展重金屬耐性植物的基因工程研究進(jìn)行了修復(fù)過程的調(diào)控及植物生理研究

國內(nèi)理論研究方面有一定基礎(chǔ)，但實質(zhì)性的高技術(shù)研究不多，離產(chǎn)業(yè)化的要求有較大差距地理所：發(fā)現(xiàn)一種As超富集植物，已成功進(jìn)行人工馴化，申請了國內(nèi)第一項植物修復(fù)技術(shù)方面的發(fā)明專利土壤所：對Zn、Cd、Cu污染土壤的植物修復(fù)及修復(fù)過程中根際重金屬行為的研究具有豐富經(jīng)驗中山大學(xué)：發(fā)現(xiàn)了一批重金屬耐性植物和Cu超富集植物，開展了Ni污染修復(fù)的土壤化學(xué)機(jī)理及微生物制劑研究，具有先進(jìn)的基因篩選與轉(zhuǎn)基因技術(shù)平臺現(xiàn)狀(3)：國內(nèi)植物所：重金屬結(jié)合巰蛋白等分子水平研究，注冊了9個與重金屬相關(guān)的基因生態(tài)中心、中國農(nóng)大：發(fā)現(xiàn)一種Pb超富集植物，在利用菌根-植物組合進(jìn)行土壤修復(fù)方面居國內(nèi)領(lǐng)先浙江大學(xué)：發(fā)現(xiàn)一種Cu超富集植物、一種鉛鋅超富集植物GTTCGAAACCAAAGCTCTTCTTCTCATATTAATCTCAAGTTAGATACAAGATGTCTTGCAMSC

GCTGCGGATCAAGCTGTGGCTGCGGCTCAAACTGCAAGTGCGGGAAGATGTACCCTGACC

SCGSSCGCGSNCKCGKMYPDTGGACGAGCAGGCCAGCACCACCACCCAGGCCGTGGTCGTCGTCGGCGTGGCTCATGAGALDEQASTTTQAVVVVGVAHEACAAGGCTGGACAGTTTGAGATGGCCTCCGGCGAGGGCTGCAAATGCGGCGCCAACTGCANKAGQFEMASGEGCKCGANC

AGTGTGACCCCTGCAACTGCTAAGTTGCACCTGTGGCTGTCTGATGGTGTGAGATTATACKCDPCNC*GGGAATAATGAGCATCCGGTCTGATGGACTCGAGCAAGTGTGTGCGTGTGTGTGTGGGGTTTACTTGCCTCGCTCTGCTATGCTCTGGTCTTGGTGTCCTTGCTTGCCTGTGTGCATGTGTGTCTCTGTAATTGCTTCATCTATGGAGTGATGAATTAATATATAGTACTTAAGAAAAAAAAAAAAAAAAAA現(xiàn)狀：國內(nèi)植物修復(fù)的優(yōu)點①利用修復(fù)植物的提取、揮發(fā)、降解作用可以永久性地解決土壤污染問題;②修復(fù)植物的穩(wěn)定作用可以綠化污染土壤,使地表穩(wěn)定,防止污染土壤因風(fēng)蝕或水土流失而帶來的污染擴(kuò)散問題;③修復(fù)植物的蒸騰作用可以防止污染物對地下水的二次污染;④可以盡可能地減少由于土壤清潔造成的場地破壞,對環(huán)境擾動小,減少來自公眾的關(guān)注和擔(dān)心;⑤經(jīng)過植物修復(fù)過的土壤,其有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力都會增加,一般適合于農(nóng)作物種植,符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;⑥重金屬超積累植物所累積的重金屬在技術(shù)成熟時可進(jìn)行回收,從而也能創(chuàng)造一些經(jīng)濟(jì)價值;⑦植物修復(fù)成本低,可以在大面積污染土壤上使用;⑧從技術(shù)應(yīng)用過程來看,植物修復(fù)是可靠的、環(huán)境相對安全的技術(shù);⑨植物修復(fù)依靠修復(fù)植物的新陳代謝活動來治理污染土壤,技術(shù)操作比較簡單,容易在大范圍實施。植物修復(fù)的優(yōu)點植物修復(fù)技術(shù)的局限性①一種植物往往只是吸收一種或兩種重金屬元素,對土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出某些中毒癥狀,從而限制了植物修復(fù)技術(shù)在多種重金屬污染土壤治理方面的應(yīng)用前景;②植物對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統(tǒng)等自然和人為條件有一定的要求;③多數(shù)植物具有光周期反應(yīng),在世界范圍內(nèi)引種修復(fù)植物可能比較困難;④用于清理重金屬污染土壤的超積累植物通常矮小、生物量低、生長緩慢，生長周期長,因而修復(fù)效率低,不易于機(jī)械化作業(yè);⑤用于清潔重金屬的植物器官往往會通過腐爛、落葉等途徑使重金屬污染物重返土壤。因此,必須在植物落葉前收割并處理植物器官;⑥缺乏行之有效的用于篩選修復(fù)植物的手段,同時對已篩選出來的修復(fù)植物的生活習(xí)性了解很少,這也部分限制了植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用;⑦植物修復(fù)的周期相對較長,因此,不利的氣候或不良的土壤環(huán)境都會間接影響修復(fù)效果植物修復(fù)技術(shù)的局限性植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢目前世界上有許多國家的學(xué)者在從事植物修復(fù)技術(shù)的研究,今后的發(fā)展趨勢大致有如下幾個方面:①尋找更多的野生超積累植物,并將它們應(yīng)用于礦山復(fù)墾,改良重金屬污染的土壤、凈化污水和固化污染物。②建立更多的應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)的示范性基地,獲得經(jīng)驗后加以推廣③在應(yīng)用研究的同時,深化應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究,包括植物中金屬的存在形④耐重金屬和超積累植物及