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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流植物修复技术.精品文档.土壤重金属污染植物修复技术一：土壤的基本概念：土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层。土壤不但为植物生长发育提供有力的机械支撑，而且为植物生长发育提供水、肥、气、热等肥力要素。随着人口快速增长、工业生产规模不断扩大、城镇化的快速发展、农业生产大量施用化肥农药以及污水灌溉等，许多有害物质进入土壤系统，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重环境问题。土壤重金属污染会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤一植物一人体”或“土壤一水一人体”间接被人体吸收
2、，危害人体健康。1二、 重金属的概念 重金属是在工业生产和生物学效应方面均具有重要意义的一大类元素，在化学概念上，还没有明确的的定义，但是目前还是有了广为接受的概念,那就是元素的密度大于6g/cm3，具有金属性质(延展性、导电性、稳定性、配位特性等，且原子数目大于20的元素)。其中常见的重金属有镉、铬、汞、铅、铜、锌、银、锡等。重金属离子(如Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+和Co2+等)是植物代谢必需的微量元素，但如果它们过量则具有相当毒性。环境污染方面所涉及的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等。土壤一旦受到外
3、界污染就相当难治理，通常具有以下几个特点:累积性；隐蔽性和滞后性；不可逆转性。2三、 我国重金属污染现状 当前我国区域农业环境恶化与农产品重金属污染现象十分严重,特别是在一些经济发达地区。据统计,1980 年我国工业三废污染耕地面积267 万hm2 ,1988 年增加到667 万hm2 ,1992 年增加到1 000 万hm23 。目前全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2 000 万hm2 ,约占耕地面积的1/ 5 ,每年因重金属污染导致的粮食经济损失至少200 亿元。据农业部环境监测系统调查表明,我国24个省(市) 城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中,污染超标的
4、大田农作物种植面积为61 万hm2 ,占调查总面积的20 %,其中重金属含量超标的农作物种植面积约占污染物超标农作物种植积的80 %以上,尤其是铅、镉、汞、铜及其复合污染最为突出4 。当前我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染,其中镉污染较普遍,污染面积近1 000 万hm2 ,其次是铅、镉、铜、汞等;有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量接近临界值和超标,其中多数是由于工业污水灌溉造成的5 ,如广州郊区老污灌区,土壤中镉的含量最高达228. 0 mg/ kg ,平均含量为6. 7 mg/ kg ;沈阳张士灌区有2 533 hm2 土地遭受镉的污染,其中严重污染的占
5、13 %6 。湖南省株洲市清水塘地区农田土壤镉平均超标25. 7 倍,最高135. 3 倍;汞平均超标2. 6 倍,最高达8. 4 倍7 。四、 土壤金属污染的危害 1、重金属污染对对作物的危害 重金属在土壤- 植物系统中的迁移直接影响到植物的生理生化和生长发育, 从而影响作物的产量和质量.镉是危害植物生长的有毒元素, 土壤中如果镉含量过高, 会破坏植物叶片的叶绿素结构, 减少根系对水分和养分的吸收, 抑制根系生长, 造成植物生理障碍而降低产量. 刘云国等人的研究表明,Cd 污染对土壤脲酶活性的影响很大, 随土壤Cd 浓度的增加, 脲酶活性下降趋势明显, 如在金盏菊中, 脲酶活性下降幅度为51
6、% 88% , 在月季中, 脲酶活性下降幅度为36% 78% , 故可用土壤脲酶活性变化来表示土壤受Cd 污染程度8. 土壤中的铅在植物组织中的累积可导致氧化过程、光合过程以及脂肪代谢过程强度减弱, 同时可促使对水的吸收量减少、耗氧量增大, 从而阻碍植物生长, 甚至引起植物死亡9. 铜、锌是植物生长必需的微量元素, 但在土壤中含量超过一定限度时, 作物根部会受到严重损害, 根部的破坏使植物对水分和养分的吸收受到影响, 造成生长不良, 甚至死亡10. 若土壤生态系统中同时存在多种污染物, 则会造成复合污染, 如宋良纲等研究表明, 重金属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移动态要比单一元
7、素的污染复杂、严重得多11. 铜、锌、铅、镉单一污染或复合污染对白菜种子的发芽与根伸长均有抑制作用, 复污染产生明显的协同作用, 对白菜根伸长的抑制效应阈值明显降低12 . 我国每年因重金属污染而减产粮食超过1 000 万t, 另外被重金属污染的粮食每年也多达1 200 万t, 合计经济损失至少200 亿元13. 2、重金属污染对人类的污染 土壤被重金属污染后, 很难修复, 进入土壤中的重金属会在土壤中积累, 当其积累到一定程度便会对作物产生不良影响, 不仅影响作物的产量和品质, 而且进入食物链影响人类健康, 如铅能伤害人的神经系统, 特别是对幼儿的智力发育有极其不良的影响; 镉的毒性很大,
8、在人体内蓄积, 会引起泌尿系统功能变化, 还会影响骨骼发育, 如1955 年发生的震惊世界的日本神通川地区的“痛痛病”, 就是因为该地区的土壤植物系统受到重金属镉的污染, 1953 年日本水俣氮肥厂乙酸乙醛反应管排出的含有氯化甲基汞的汞渣流入水体, 鱼、虾、贝类食入后通过食物链进入人体, 乃至发生了震惊世界的“水俣病”事件14 . 在我国, 随着污灌面积的不断扩大, 土壤重金属的污染问题日趋严重, 如沈阳、兰州、桂林、萍乡等地重金属污染均较明显; 湖南株洲的冶炼厂和化工厂附近地区的重金属汞、镉、铅的含量均超标, 对人和家禽健康影响很大. 土壤重金属污染对人类健康造成的威胁引起世界各国科学工作者
9、的普遍关注, 对其治理成为目前研究的难点和热点.五、 重金属污染植物修复技术 1、植物修复技术的概念 金属污染土壤的植物修复技术是指利用植物修复和消除由有机毒物和无机废气物造成的土壤环境污染15 , 是一种利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复金属污染土壤环境的技术总称, 它是通过植物系统及其根际微生物群落来移去、挥发或稳定土壤环境污染物. 2、植物修复技术的分类 根据植物修复的机理和作用过程, 重金属污染土壤的植物修复技术主要包括植物提取、植物挥发和植物稳定3 种基本类型。 （1）、植物提取 植物提取是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金属, 将它们输送并贮存在植物体的地上部分,
10、通过种植和收割植物而去除土壤中的重金属。这些植物有两大类: 超积累植物和诱导的积累植物。前者是指一些具有很强的吸收重金属并运输到地上部积累能力的植物; 后者则是指一些不具有超积累特性但通过一些过程可以诱导出超量积累能力的植物。超积累植物由于具有很强的吸收和积累重金属的能力, 从而在修复重金属污染土壤方面表现出极大的潜力16 , 其对某种重金属的累积量是普通植物的10 500倍以上。植物提取修复技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术。 （2）、植物挥发 植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态, 或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转化为气
11、态物质释放到大气中, 从而净化土壤。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质, 以减轻对环境危害。目前在这方面研究较多的是Hg 和Se。Se 的化合物形态对人的毒性最强, 元素Se 毒性最小。Se 以硒酸盐、亚硒酸盐和有机态硒的形态为植物所吸收。某些湿地植物可清除土壤中的Se, 其中单质占75%, 挥发态占20% 25%17 , 可通过植物体内三磷酸腺苷( ATP) 硫化酶的作用还原成低毒性的CH3SeCH3 和CH3SeSeCH3。高毒性的Se( ) 可被杨麻根系分泌物转变成低毒性的气态甲基硒而挥发 18-19 。Hg 是一种对环境危害很大的易挥发性重金属, 在土壤中以多种形态存
12、在, 如无机汞、有机汞。高毒汞可经植物气化后变成低毒汞, 如拟南芥菜能将Hg 变成低毒的单质汞挥发掉。植物挥发修复技术应用于修复重金属污染土壤, 能有效去除土壤中的重金属, 但只限于挥发性重金属的修复, 应用范围较小, 而且是将Hg、S e 等挥发性重金属转移到大气中, 有没有环境风险有待于进一步研究, 因此, 在采用植物挥发修复技术时应持谨慎态度。 （3）、植物稳定 植物稳定是指植物通过某种生化过程使污染基质中重金属的流动性降低, 生物可利用性下降, 从而减轻重金属的毒性。植物稳定修复的作用: 一是通过根部累积、沉淀、转化重金属, 或通过根表面吸附作用固定重金属; 二是保护污染土壤不受风蚀、
13、水蚀, 减少重金属渗漏污染地下水和向四周迁移污染周围环境。如植物可通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅, 使铅固化而降低铅的毒性; 植物能使毒性较高的Cr6+ 转变为基本没有毒性的Cr3+ 。这类植物一般具有两个特征: 一是能在高含量重金属污染土壤上生长; 二是根系发达及分泌物能够吸附、沉淀或还原重金属。值得注意的是植物稳定修复并没有从土壤中将重金属去除, 只是暂时将其固定, 当土壤环境发生变化时重金属仍可能重新活化并恢复毒性, 因而, 没有彻底解决重金属污染问题。重金属污染土壤的植物稳定修复是一项正在发展中的技术, 若与原位化学钝化技术相结合可能会显示出更大的应用潜力。未来的研究方向可能是耐
14、性植物、特异根分泌植物的筛选, 以及稳定修复植物与原位钝化联合修复技术的研究。 表2 植物修复技术的比较 3、植物修复的优缺点优点：植物修复技术较其他物理、化学和生物的方法更受到社会的欢迎。该技术成本低;对环境扰动少;清理土壤中重金属污染物的同时,可以清除污染土壤周围的大气或水体载体中的污染物;有较高的美化环境价值,易为社会所接受;植物修复重金属污染物的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程,被植物修复过的干净土壤适合于多种农作物的生长;植物固化技术能使地表长期稳定有利于生态环境改善和野生生物的繁衍,而且维持固化的成本低。从表1 中可以很清楚地看到不同修复技术的优缺点20 。缺点：(1)
15、要针对不同污染状况的土壤选用不同的生态型植物。重金属污染严重的土壤应选用超积累植物,而污染较轻的土壤应栽种耐重金属植物。 (2) 一种植物往往只吸收12 种重金属元素,对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状,从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用。 (3) 用于清理重金属污染土壤的超积累植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、修复重金属污染土地需要时间太长,经济上不一定合理。(4) 积累大量重金属植物的再处理也是一个棘手的问题,还存在污染物及其降解产物的重新活化问题。除了超积累植物本身的缺点之外,还有其他因素也影响植物修复的有效性,如土壤微生物活性、土壤本身的理化特性,还
16、有污染区的气候地理条件21-22 。 表3 目前用于植物修复的植物及目标污染物 4、植物修复技术的未来展望 （1) 我国地理地质条件复杂多样,有着丰富的植物资源,因而可能蕴藏着大量超富集植物,为我国开展有关研究提供了良好的基础。 (2) 在植物修复方面已进行过探索与初步尝试,如国内外有关人士对土壤重金属含量的研究等,为土壤重金属污染植物修复提供了大量的基础性数据及参考资料。 (3) 与传统的物理、化学和工程修复等技术手段相比,植物修复具有投资和维护成本低、操作简便、不造成二次污染且易于后处理、具有潜在或显在的经济益等优点。同时也可修复土壤恢复土地使用功能(如耕地等) ,改善居民生活环境,社会、
17、环境和经济效益显著。 (4) 大量土壤重金属污染有待修复,我国黑色金属矿山每年排放剥离岩土量达2. 0 亿t ,有色金属直属矿山每年排放固体废物0. 6 亿t ,占用各类土地达2 万km2 。我国受重金属污染的耕地面积近20 万km2 ,约占耕地总面积1/523 。 (5) 由于植物修复更适应环境保护的要求,因此植物修复是目前重金属污染土壤修复最有发展前途的一种方法,受到世界各国政府、科技界和企业界高度重视和青睐。无论从投资成本还是管理等多方面考虑,采用植物修复都是一条非常适合我国国情的治理污染土壤的途径。参考文献：1沈振国, 刘有良、超积累重金属植物研究进展植物生理学通报、1998.34(
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24、如, 烟草能使毒性较大的扩转化为气态的单质汞。虽然现在还未发现能直接挥发的自然生长的植物, 但有研究利用转基因植物挥发, 即将耐毒的细菌体内的原酶基因转移到拟南芥属中, 获得的转基因植物吸收土壤中的, 并将还原成零价态后挥发进人大气。可以说, 植物挥发为土壤中等元素的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发技术不须对植物进行产后处理, 但它会使重金属从土问题。植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的某些重金属转化为挥发形态, 或者植物将某些重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到环境空气中。例如, 烟草能使毒性较大的扩转化为气态的单质汞。虽然现在还未发现能直接挥发的自然生长的植
25、物, 但有研究利用转基因植物挥发, 即将耐毒的细菌体内的还原酶基因转移到拟南芥属中, 获得的转基因植物能耐受并吸收土壤中的, 并将还原成零价态后挥发进人大气。可以说, 植物挥发为土壤中等元素的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发技术不须对植物进行产后处理, 但它会使重金属从土植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的某些重金属转化为挥发形态, 或者植物将某些重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到环境空气中。例如, 烟草能使毒性较大的扩转化为气态的单质汞。虽然现在还未发现能直接挥发的自然生长的植物, 但有研究利用转基因植物挥发, 即将耐毒的细菌体内的还原酶基因转移到拟南芥属中, 获得的转基因植物能耐受并吸收土壤中的, 并将还原成零价态后挥发进人大气。可以说, 植物挥发为土壤中等元素的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发技术不须对植物进行产后处理, 但它会使重金属从土