植物修复重金属.ppt
植物修复重金属污染土壤,摘要 土壤重金属污染的危害日趋普遍和严重，使用传统的物理、化学修复方法成本高，对环境扰动大，利用植物区修复土壤重金属污染一种非常有前景的技术。文章综述了植物修复土壤重金属污染的机理、研究成果和应用，探讨了目前研究中存在的问题，并展望了今后需要进一步研究的领域。关键词 植物修复；土壤；重金属污染,土壤重金属污染问题是一个很严重的问题，某些重金属，如Cd、Zn等，可通过土壤植物系统，经由食物链进入人体，直接危害人体健康。当进入土壤中的污染物超过土壤的自净能力，或污染物在土壤中的累积量超过了土壤基准值时，就会给生态系统造成一定的危害。近年来，随着工业化进程的加速，各种重金属对土壤环境的污染变得越来越严重，世界各国都面临着不同程度的土壤污染问题。利用传统的物理、化学等方法修复技术不仅成本昂贵，而且对环境扰动大，会破坏土壤结构和土著微生物，还有可能会造成二次污染。利用植物修复技术，可以在不破坏土壤生态环境的前提下，植物的根系可以吸收大量的重金属元素，达到修复土壤重金属污染的目的。植物修复重金属污染技术是一种绿色技术，是一种很有潜力的技术。处理重金属的途径主要有两种：一是改变重金属在土壤中的存在形态；二是从土壤中去除重金属。,1.植物修复,植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。植物修复技术的理论研究始于20世纪50年代，50一70年代。非耐性植物和耐性植物的机理研究是当时的热点；70年代末一90年代初，人们逐渐把注意力转向对超积累植物的研究；90年代以后，有人开始注意到超积累植物及其微生物共存体系研究的重要性。随后有关研究迅速增多，国际上也掀起研究植物修复技术的高潮，相继召开了一系列的国际学术交流会。1995年以来，相关研究的论文在(Nature)和(Science)上共发表了5篇，1999年美国CRC出版社开始出版有关植物修复的国际期刊。,2。植物修复污染土壤的机理,有一种植物叫作超富集植物，它可以使体内的重金属含量比普通的植物重金属含量高10倍甚至上百倍。重金属植物对重金属的修复包括植物自身的吸收、运输以及植物的根际行为两方面的机制。植物对重金属的吸收和富集，包括植物根系的吸收、植物向地上部分运输及在植物体内贮存。植物的根际行为。植物根系由于生长发育和生理代谢活动，形成了一个不同于非根际的微生态系统，它是土壤、植物和微生物相互作用的场所，也是水分、养分和污染物进入植物体内的门户。,3植物修复污染土壤的研究进展,不同植物修复重金属污染土壤时所起的作用不同，同一种植物对不同的重金属累积量不同，同一植物的不同部位对同一种的重金属累积量也不同。重金属目前世界上已经发现的可超量积累Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Se、Mn、As和Zn等的植物约500种，广泛分布于植物界的45个科。在对Cd、Zn、Cu、As等重金属超积累植物的鉴定方面，以我国的研究最多。,景天属中的一些植物具有较强的富集重金属的能力。Sun等研究发现，东南景天不仅能忍耐高浓度Zn、Cd复合污染，还对其具有超量积累的能力。刘威等发现一种新的Cd超富集植物宝山堇菜，在自然条件下其地上部Cd平均含量为l 168msks，最大含量为2310msks，而在温室条件下其地上部Cd平均含量可达4 825msks。刘秀梅等研究发现，印度芥菜对Cd的活化率可达2.17，遏蓝菜属植物对Cu和Zn的活化率分别达2.74和3.56，这充分说明印度芥菜和遏蓝菜对重金属具有较高的耐性。同时研究还发现，在盆栽试验条件下，乡土植物羽叶鬼针草和酸模对Pb有很好的耐性，能把绝大部分的Pb迁移到茎叶，有效去除受污染土壤中的重金属Pb。叶春和研究了紫花苜蓿对Pb污染土壤的修复及活化机理，指出紫花苜蓿可以当作土壤Pb污染的一种理想修复植物。吴双桃等首次报道了土荆芥茎叶Pb质量分数高达3 888mgkg。对土壤Cr污染富集效果明显的植物有遏蓝菜、李氏禾等。薛生国等发现，商陆对Mn具有明显的富集特性，该发现填补了我国Mn超富集植物研究的空白。此外，陈同斌等于1999年首次报到了蜈蚣草能大量富集As，进一步研究显示其对As有极强的耐性和独特的富集能力。韦朝阳等也发现了另一种As的超富集植物大叶井口边草。,转基因植物，目前植物修复存在修复周期长，生长缓慢，发现的可用于修复重金属污染土壤的植物种类不多，以及对植物的处理等方面的问题，促使人们研究转基因植物，使得转基因技术得到发展.目前，研究发现的方法有在植物体内嵌入多重基因（在新陈代谢第一阶段：细 胞 色 素P450 s；新陈代谢第二阶段：GSH,GT 等），在植物系统内完成外源性物质的降解。还可以在植物降解外源性物质的不同阶段加入多重基因，并加入细菌的 ACC 脱氨酶，解决了重金属积累在植物根部不转运到地上部分而影响植物修复的问题。Karenlampi 等将动物体内的 MTs 转入超积累植物拟南芥 Arabidopsis thaliana 中，结果，拟南芥对Cu 的吸收能力提高了 37 倍。,目前，重金属复合污染的超富集植物筛选是土壤植物修复的一个重要研究方向。例如，印度芥菜可同时积累高浓度的Pb、Cr、Ni、Cd、Zn、Cu和Se等，在重金属污染土壤的植物修复中被广泛应用。田胜尼等认为，香根草无论是对Cu、Pb、Zn单一污染还是复合污染都有较好的修复能力。杨兵等也验证了香根草对Pb、Zn尾矿的复合修复作用。,4 植物累计重金属的影响因素,植物对重金属的累积效果与许多因素有关，主要有重金属浓度、Ph、电导率、营养物质状况、迁移速率(TF)，有的还与土壤中磷、铅等微量元素及生物活性有关。在用植物修复重金属污染土壤过程中，为了使植物有效地吸取并累积或稳定土壤中的重金属，应该适当地控制和调节可控因素，使修复效果达到最优。,（1）土壤因素，重金属进入土壤后，很快就会通过一系列的物理、化学以及生物过程与矿物质或有机物结合，土壤释放（解吸）重金属的能力以及重金属从土壤团粒转移到植物根部的过程，这两个过程决定了金属的植物可利用性。这两个过程取决于下列几个因素，土壤黏粒含量：黏土矿物具有特殊的表面，并带有负电，具有很高的阳离子交换量，可以通过离子交换来吸附土壤溶液中的重金属离子，从而降低重金属的有效性。土壤 pH 值：不同植物修复重金属污染土壤时，都有其适宜的 pH 范围，应控制好 pH 范围，使修复效果更优.如铜在土壤 pH 为 57 时，活性最小，而当 pH75 时，铜的溶出量反而增大，这可能是由于形成了铜的羟基络合物而增大了溶解度的缘故。化肥中含有的氨离子或施加土壤酸化剂可以维持土壤的微酸性环境，有可能增加土壤中重金属的植物可利用性并提高植物的吸收。土壤中的有机质：土壤中的有机质通过对重金属的吸附、络合和改变土壤的氧化还原条件，其分解过程中形成各种有机酸可与土壤中重金属反应而形成难溶性化合物（如褐藻酸、油酸等），从而影响了重金属的形态、迁移以及生物有效性。,（2）植物因素，不同的超积累植物所积累的重金属类型及积累量都不同，如十字花科的庭荠属和李禾氏植物积累 Ni 效果明显，高山萤属类超积累 Cu、Co 等效果明显，蜈蚣草对 As 的积累效果明显，根据不同污染环境的土壤选择不同的超积累植株类型，有一些特殊的环境甚至需要人为进行养护，而且一些植物只针对部分重金属进行吸附，一旦体内积累过多其他种类的重金属就会严重阻碍植株的生长，出现重金属中毒。目前国内外研究发现，即使是同一类重金属超富集植物，品种不同，器官不同，积累同一重金属量也不同。陈同斌等报道了蜈蚣草能大量富集 As 的研究结果，同时分析了该植物不同器官对重金属的富集量，发现蜈蚣草不同器官组织中 As 的含量为羽片叶柄根系，说明 As 在该植物体中容易向上运输和富集，显示出蜈蚣草对 As 有极强的耐性和独特的富集能力。植物在不同生长期吸收积累重金属的能力也不同。莫争等通过实验研究，发现水稻分蘖期重金属在叶片、茎干部和根部的积累量达到最大，随着时间的延长，在根部积累的重金属会愈来愈少，茎干部积累的重金属在拔节期降至最小，随后含量又稍微上升，叶片上的重金属含量在拔节期迅速下降，随后趋于稳定.国外学者通过研究发现植物的根系发育也会影响其对重金属的吸收。他们对 Zn、Cd 超积累植物遏蓝菜根系的分布特性和伸长规律做了实验研究，结果表明：遏蓝菜具有较发达的根系和稠密的根毛，能主动向土壤中的 Cd、Zn富集区伸展，通过根毛直接接触土壤颗粒获取重金属，在高 Zn 土壤上，根系密集分布，在整个生长期间茎基部有大量的不定根繁殖,5物修复技术研究中存在的问题,综上所述，利用植物修复污染土壤中重金属的研究取得了一定的进展，但该技术涉及植物学、土壤学、生态学、遗传学、环境学等多个领域，所以将植物修复应用到实际中还存在许多问题，主要表现在：已知的超积累植物多为野生型稀有植物，分布的区域性较强，并且常具有个体矮小、生物量低、生长缓慢等特点，所以修复治理效率低、周期长而难于满足商业要求；我国物种资源丰富，但目前发现的超积累植物比较少。因此，可从我国丰富的杂草资源中进行筛选，寻找、培育和驯化有利于治理环境污染的超积累植物，从而满足实际应用的需要；土壤微生物活性、土壤本身的理化特性、污染区的气候地理条等因素影响植物修复的有效性，且植物受病虫害袭击也会影响修复效果；大多数植物由于根圈范围有限，只能修复土壤浅层；根系供养不足的地区，根系发育不良，修复效果也降低。,总结为：（1）大多数超积累植物根系较浅，对于深层污染的修复有困难，生长缓慢，修复周期比其他物理、化学技术长；（2）植物物种和生长受到地理气候及地质条件的限制；（3）污染物会通过落叶重新回到土壤中去，也有可能通过食物链为人或动物误食并重新返回土壤中。（4）经常只能积累某些元素，还未发现能积累所有关注元素的植物。,6展望,已经发现的超积累物种数量只是我国生物资源量很小的一部分，常常只生长在一些偏远的、受采矿危害的地区。所以在全国范围内进行耐性植物的人工筛选显得尤为重要。将现代分子生物技术和基因工程技术结合到植物修复技术中，通过改良遗传来提高植物对污染物的耐性、富集能力，培育一些生物量大、生长效率快、生长周期短的超积累植物，以克服天然超累积植物的缺点。在大规模应用转基因植物修复之前应考虑其环境安全性问题，需要进行生物安全性评价，重视生物技术与土壤系统重金属污染研究工作的结合。各种技术手段的联合使用土壤污染的修复是一项系统工程，单一的修复技术很难达到预期效果，需要以植物修复为主，辅以物理、化学和微生物手段，充分发挥植物修复与其他技术的联合修复作用，取长补短，达到高效、低耗的效果。,7结语,植物重金属污染修复技术的成败和将来的发展完全取决于选取合适的植物，这种植物必须具有最理想和可开发的生长特性、生理特形态特性和农业应用的适应性。虽然利用植物修复技术对土壤污染的治理还存在一些不足，但从发展前景来看，其具有较高的研究和实用价值，特别适合发展中国家采用。随着各方面研究的深入，植物修复技术在环境保护和污染治理领域必将得到更加广泛的推广和应用。植物修复较之传统的物理、化学处理方式，有其独特的优点。首先，植物是以阳光为能源，节省人力物力，投资成本低，适合大规模的应用；其次，利用植物修复有利于土壤生态系统的保持，不会出现类似化学治理导致的土壤 pH 变化，或者土壤板结等二次污染；再次，植物修复有美学价值，对环境基本没有破坏作用，易被公众所接受。,
