第9章植物修復1

第9章環(huán)境污染植物修復

Phytoremediationofpollutedenvironment

第一節(jié)概述1植物修復的提出過程==無意識地利用植物處理排泄物==1920年前，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，污泥的處理和農業(yè)應用，植物耐性機理的研究1980s,RufusLChaney提出利用超積累植物清除土壤重金屬污染，形成植物修復概念。Superfund:1,623Sites/superfund/2植物修復的定義植物修復是利用植物及其根圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉化、降解的作用機制來清除環(huán)境中的污染物的一種污染環(huán)境治理技術。生物修復微生物修復微生物轉化作用微生物降解作用植物修復植物去除作用植物穩(wěn)定作用植物固定植物揮發(fā)植物提取植物凈化根際圈降解植物降解凈化空氣凈化水體狹義3植物對污染物質的吸收、排泄與積累

uptake，excretion，accumulation（1）植物對污染物的吸收特點：==具有廣泛性，沒有絕對的選擇作用，只有吸收能力的大小不同.==影響因素包括遺傳、土壤理化性質、根際微生物、污染物的濃度==策略產(chǎn)生耐性躲避超積累

（2）排泄：包括分泌和揮發(fā)Excretion，exudation，secretion，

volatilizationfaeces分泌的器官包括根系及莖葉表面的分泌腺揮發(fā)是氣孔和角質層中的孔隙根系分泌物

（3)積累：進入植物體內的污染物大部分留在植物體內，并在一定時期內不斷積累增多而形成富集現(xiàn)象，某些植物還形成超富集（hyperaccumulation）.通常用富積系數(shù)（bioaccumulationfactor）來衡量植物積累污染物資的能力富積系數(shù)=植物體內某種元素含量土壤中該種元素含量4超積累植物1）概念：最初由Brooks等（1977）提出，用于命名莖中鎳含量大于1000mg/kg的植物。后擴展到所有植物對所有重金屬超積累的現(xiàn)象。

Chaney（1997），Salt（1995）和Brooks(1998)定義超積累植物應該具備的3個特征：A)植物地上部重金屬含量一般>1,000mg/kg;但要求鋅>10,000mg/kg,鎘>100mg/kg;金>1mg/kg.B）富集系數(shù)>100；C）轉移系數(shù)（translocationfactor）>80%轉移系數(shù)==植物地上部某種元素含量植物該種元素含量

1583年有人在意大利發(fā)現(xiàn)一種植物能在“黑色巖石”上生長。1814年命名為Alyssumbertolonni(庭薺屬)1848年測定葉片含鎳量7,900mg/kg超積累植物發(fā)現(xiàn)的歷史超積累植物發(fā)現(xiàn)的歷史早在我國幾百年前的古籍中就記載了一種名叫“海州香薷”的植物，是銅礦的指示植物。這種植物不僅能忍受含銅極高的土壤，并且能吸收很多的銅，在它們根部的干物質里竟含有３％的銅。當?shù)氐娜藗円舶堰@種植物稱為“銅草”。根據(jù)這種植物的分布，往往可以找到很好的銅礦。

中國在1950s，在銅礦區(qū)發(fā)現(xiàn)銅草，海州香薷（ElsholtziaharchowensisSun）謝學錦、徐邦梁,1953,銅礦指示礦物海州香薷,地質學報,32(4)360-368.超積累植物發(fā)現(xiàn)的歷史

自然界中，能指示礦藏的植物還有一些，比如喜鋅堇菜和喜鋅海石竹，它們就偏偏喜歡生長在其他植物感到有毒，生長不好的含鋅土壤中，被人稱為“鋅草”。示鋅植物實際上是人們最早用來探礦的“綠色指示器”，早在羅馬帝國時期，開礦者就在今天德國的亞琛附近通過尋找“鋅草”而發(fā)現(xiàn)鋅礦。喜鋅堇菜Violaverecunda喜鋅海石竹Armeria

maritima目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物有超積累植物400多種，其中鎳超積累植物占70%。有20多個科，其中十字花科植物較多。多數(shù)在礦山區(qū)，成礦作用帶，或富含某種或某些化學元素的巖石風化而成的地表土壤上發(fā)現(xiàn)的。具有較為獨特的生態(tài)型超積累研究的遺傳機制研究還處于起步階段。Listofhyperaccumulators/wiki/List_of_hyperaccumulatorsIndianMustard(Brassicajuncea)印度芥菜ThlaspicaerulescensPterisvittata超積累植物Hyperaccumulators遏藍菜CCAUCAMPUSCCAUCAMPUSCuHyperaccumulator(ElsholziaSpleden)我國發(fā)現(xiàn)的超積累植物我國的研究機構介紹：浙江大學中山大學中科院地理所中科院沈陽生態(tài)所中科院南土所超積累植物

5排異植物的概念及其應用（1）排異植物的概念能在高污染土壤上生長，而體內，尤其是地上部污染物含量很低Younginflorescenceofgiantspeargrass,Trachypogonspicatus,菊科婆羅門參屬植物fromnearSterkfontein,SouthAfrica.

排異作物能在高污染土壤上生長，而其有利用價值部分（如根、莖、葉、果實、或者種子）中的污染物含量很低或不超標。塊根作物：紅薯塊莖作物：馬鈴薯

（2）排異性與避性、耐性、和抗性的關系排異性exclusion:能在高污染環(huán)境生長，體內污染物含量較低或不超標。耐性tolerance:能在高污染環(huán)境生長并完成生活史。不受抑制或受抑制較少。地上部含量較高避性avoidance:能在高污染環(huán)境生長，不吸收或吸收很少?？剐詒esistance:指植物能在高污染環(huán)境生長、繁殖，并將這種能力遺傳給下一代的能力?？剐耘女愋阅托员苄耘女愔参锱女愖魑?植物修復的基本類型

大部分植物都具有降解或減少污染物的作用。一些植物，如苜蓿、香根草、白楊及濕地植物水葫蘆等對許多污染物都具有顯著的降解作用和去除作用。這些植物已被廣泛地用作污染環(huán)境的修復。POPLARTREESPOPLARTREESSchnodr等（1995）的工作（栽植楊樹降低NO3-污染）

伊樂藻原產(chǎn)美洲，是一種速生高產(chǎn)的沉水高等植物，與我國淡水水域中分布的黑藻、苦草同屬水鱉科。1986年經(jīng)中科院南京地理與湖泊研究所從日本引進。伊樂藻是河蟹優(yōu)良的天然餌料，不僅含有豐富的蛋白質，大量的氨基酸，而且含有足夠的必需礦物質營養(yǎng)元素。用伊樂藻飼喂河蟹，適口性較好、河蟹生長快、飼料系數(shù)低，可節(jié)約精飼料30％左右，飼喂草食性魚類（鳊魚、草魚等）節(jié)約精飼料50％左右。蟹池種植伊樂藻，還可以凈化水質、防止水體富營養(yǎng)化。此外，它還可營造良好的生態(tài)環(huán)境，供螃蟹活動、隱蔽、脫殼，使其較快地生長，可降低河蟹的發(fā)病率。陸生植物野葛豆科植物野葛(pueraria、Lobatawilldohwi葛根的主要有效成分為異黃酮化合物

Kochia(Bassiascoparia)DeclaredWeed

Whatisit?Kochiaisasummergrowingannualthatiscloselyrelatedtothecommonweed,fathen.Itgrowsrapidlyandcompetesstronglywithotherplants.Inaddition,itproducesalle’lopathiccompoundsthatinhibitthegrowthofnearbyplants.Kochiaisalsotoxictostock.

Kruger等（1997）工作（利用Kochia吸收阿特拉津）；Kochiascoparia

(Linn.)Schrad.

地膚（掃帚菜）/album/ShowSpAlbum.aspx?spid=11827AllelopathyAlle’lopathyreferstotheinhi’bitionofgrowthofaplantduetobiomoleculesreleasedbyanother.Itistheoppositeofsymbioticmutualism.Kochiascopariaisplantedforornamentorerosioncontrol.[2]ItisaknownhyperaccumulatorofChromium,Lead,Mercury,Selenium,Silver,Zinc,[11],[12]andUranium,[13],andassuchcanbeusedforphytoremediation.McCutcheon&Schnoor2003,Phytoremediation.NewJersey,JohnWiley&Sons,page898.Phytoremediation.ByMcCutcheon&Schnoor.2003,NewJersey,JohnWiley&Sonspg19.EnhancingPhytoextraction:TheEffectofChemicalSoilManipulationonMobility,PlantAccumulation,andLeachingofHeavyMetals.ByUlrichSchmidt.InJ.Environ.Qual.32:1939-1954(2003)Casuarinaequisetifolialittercompletelysuppressesgerminationofunderstoryplantsasshownheredespitetherelativeopennessofthecanopyandamplerainfall(>120cm/yr)atthelocation

Itwasusedoverseasasagardenplantduetoitsstrikingfoliagecoloursandquickgrowth.Today,itisoneofthemostwidespreadandtroublesomeweedsofUSagriculture.PopulationsofKochiaintheUShavereportedlydevelopedherbicideresistance.ItwasintroducedtoWesternAustraliain1990asafodderplantforsalt-affectedland,buthassinceescapedcultivationandisnowsubjecttoaneradicationplan.

植物修復機理之一

植物穩(wěn)定(phytostabilization)Phytostabilizationistheuseofplantstostabilizethesoilmatrixitselfandimmobilizethecontaminantfromfuturemigration.穩(wěn)定土壤介質本身，防止污染物移動

植物降解（Rhizospheredegradation:）Phytodegradationorphytotransformationisthebreakdownofcontaminantstakenupbyplantsbymetabolicprocesseswithintheplant.

應用植物體內或植物分泌的化合物和酶降解污染物質Alternatively,thebreakdownofcontaminant,externaltotheplant,bycompoundsorenzymesproducedby,andreleasedfrom,theplant.植物修復機理之二植物揮發(fā)（Phytovolatilisation）Phytovolatilisationistheuptakeandtranspirationofcontaminantbyaplant.Thisprocessresultsinthereleaseofthecontaminantfromtheplant,inamodifiedformofthecontaminanttotheatmospherefromtheplant.植物修復機理之三植物提取或植物吸收Phytoextractionandphytoaccumulation植物修復機理之四7植物修復的優(yōu)點和缺點相對于傳統(tǒng)方法，生物修復成本低廉每年每立方米的處理費為0.02~1.00美元，比物理化學處理的費用低幾個數(shù)量級易于管理和監(jiān)測不造成二次污染植物修復富集的貴金屬還可以再利用公眾易于接受優(yōu)點限制（植物修復）僅限于植物根系能夠達到的地方.生長速率相對較慢==需要較長時間不能完全防止污染物進入地下水若有毒物含量太高，可能對植物產(chǎn)生毒害生物富集的重金屬有可能進入食物鏈1植物對污染物的忍耐有限，超過忍耐范圍就不能進行植物修復2污染往往是復合的，一種植物往往不能適應多種污染的修復3植物根系多數(shù)在50cm以內。超過了或者在不適于生長的土壤上不宜用植物修復4植物生長對季節(jié)有要求(溫度，光照)5修復周期可能很長6植物多樣性的問題植物修復局限性1對難以吸收的重金屬活化導致次生污染2植物生物量的處理3揮發(fā)植物對大氣安全性4食物鏈的問題5運行機制和管理標準6評價標準植物修復尚待解決的問題第二節(jié)植物修復技術可行性研究

1、一般性分析①土壤中重金屬的水溶性與生物有效性植物可以，并且能夠吸收重金屬

②土壤有機污染物的可生物降解性容易降解：如醇酚類難降解：農藥和石油類不降解：高分子合成化合物，如尼龍有機污染物能夠被植物降解。

③植物和微生物的資源潛力植物有50多萬種微生物有100多萬種結合點：根圈作用形式：共生體吸收，降解，屏障污染物質學科：微生物學，植物學，生理生化，分子生物學，遺傳學，土壤學，生態(tài)學

2生物量處理農業(yè)應用：還田？飼料？種子工業(yè)應用：造紙，板材，能源提取，木材提取礦物元素：薪柴儲存

3提高修復效率的技術措施①污染土壤的耕作對于重金屬污染土壤，以撒播為好，這樣可擴大植物根與重金屬的接觸。對于有機污染物土壤，以壟式栽培為好，這樣可以增加光降解和熱降解適當中耕，改善根際環(huán)境，促進降解和吸收

②合理水肥管理灌水和施肥是促進植物生長的主要因素。因作物施肥因土壤施肥因肥料施肥

③采用高效栽培技術措施種子包衣技術控制溫度、光照、土壤空氣、熱量等環(huán)境因素。在重金屬含量高峰期，收獲作物，達到最佳的去除效果。

④病蟲害防治⑤修復植物的套作和混作Co-cropoflow-accumulatingcornandSedumalfediiinfieldexperimentonPb/Znminingwastewatercontaminatedsoil⑥施用土壤重金屬活化劑==降低土壤pH酸度降低，重金屬離子解吸增加，濃度加大。方式：直接加酸；肥料==提高土壤Eh提高Eh,Cr,As濃度增加，硫化物中的重金屬也釋放出來；調節(jié)Eh方式：灌水和晾曬，增加有機質==施用螯合劑促進土壤固相中重金屬的釋放。常用螯合劑：HEDTA(羥乙基乙二胺三乙酸)，EDTA，DTPA二乙烯三胺五乙酸，EGTA，EDDHA，citricacid,