浙江大學(xué)《污染環(huán)境的物理修復(fù)》植物修復(fù)

1、污染環(huán)境植物修復(fù)技術(shù)和原理提綱污染環(huán)境植物修復(fù)技術(shù)植物對重金屬的吸收累積和耐性機(jī)制基因工程在植物修復(fù)中的應(yīng)用植物修復(fù)植物修復(fù)（Phytoremediation）是指利用特定植物實施污染環(huán) 境治理的技術(shù)統(tǒng)稱，通過植物對重金屬或有機(jī)物質(zhì)的特殊富 集和降解能力來去除環(huán)境中的染物，或消除污染物的毒性， 達(dá)到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的（EPA，2000）廣義的植物修復(fù)包括利用植物凈化空氣，利用植物及其根際 圈微生物體系凈化污水和治理污染土壤。狹義的植物修復(fù)主要是指利用植物及其根際圈微生物體系清 潔污染土壤，而通常所說的植物修復(fù)主要是利用重金屬超積 累植物的提取作用去除污染土壤中的重金屬。那些能達(dá)到污染環(huán)境

2、治理要求的特殊植物統(tǒng)稱為修復(fù)植物。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、N、P重金屬污染植物修復(fù)植物固定植物過濾植物揮發(fā)植物提取MethylationTranslocationUptakeAccumulationPHYTO- / BIO- VOLATILIZATIONVolatilizationImmobilization PHYTOIMMOBILIZATIONPHYTOEXTRACTIONPhytoremediation植物固定植物固定是利用植物及其他一些添加物質(zhì)使環(huán)境中的金屬流 動性降低，生物可利用

3、性下降，降低金屬對生物的毒性。植物固定主要用于對礦業(yè)廢棄地、冶煉廠廢棄物、清淤污染 和污水廠污泥及各種污染土壤的復(fù)墾。植物：細(xì)弱翦股穎（Agrostis tenuis)修復(fù)酸性鉛鋅廢礦；紫羊 茅（Festuca rubra)修復(fù)石灰性鉛鋅廢礦；細(xì)弱翦股穎（Agrostis tenuis)修復(fù)銅廢礦植物固定可能是植物對重金屬毒害抗性的一種表現(xiàn)，并未使 土壤中的重金屬去除，環(huán)境條件改變?nèi)钥墒顾纳镉行?發(fā)生變化。植物揮發(fā)植物揮發(fā)是利用植物去除環(huán)境中的揮發(fā)性污染物，即植物將 污染物吸收到體內(nèi)又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中。植物引入細(xì)菌MerA(汞離子還原 酶)后，可將從環(huán)境中吸收的汞還 原為

4、Hg0而揮發(fā)。植物可將硒轉(zhuǎn)化為氣態(tài)二甲基硒 和二甲基二硒。水稻、花椰菜、 卷心菜、胡蘿卜、大麥、苜蓿等 農(nóng)作物，狐尾藻、寬葉香蒲等水 生植物有較強(qiáng)吸收并揮發(fā)土壤和 水體Se的能力。水俁病日本熊本縣水俁灣外圍的“不知火?！笔潜痪胖荼就梁吞觳葜T島圍起來的內(nèi)海，那里海產(chǎn)豐富，是漁民們賴以生存的主要漁場。水俁鎮(zhèn)是水俁灣東部的一個小鎮(zhèn)，有4萬多人居住，周圍的村莊還（居）住著1萬多農(nóng)民和漁民?！安恢鸷！必S富的漁產(chǎn)使小鎮(zhèn)格外興旺。 1925年，日本氮肥公司在這里建廠，后又開設(shè)了合成醋酸廠。1949年后，這個公司開始生產(chǎn)氯乙烯，年產(chǎn)量不斷提高，1956年超過6000噸。與此同時，工廠把沒有經(jīng)過任何處理的廢水

5、排放到水俁灣中。1956年，水俁灣附近發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的病。這種病癥最初出現(xiàn)在貓身上，被稱為“貓舞蹈癥”。病貓步態(tài)不穩(wěn)，抽搐、麻痹，跳海死去，被稱為“自殺貓”。隨后不久，此地也發(fā)現(xiàn)了患這種病癥的人?；颊哂捎谀X中樞神經(jīng)和末梢神經(jīng)被侵害，輕者口齒不清、步履蹣跚、面部癡呆、手足麻痹、感覺障礙、視覺喪失、震顫、手足變形，重者神經(jīng)失常，或酣睡，或興奮，身體彎弓高叫，直至死亡。當(dāng)時這種病由于病因不明而被叫做“怪病”。水俁病這個鎮(zhèn)有4萬居民，幾年中先后有1萬人不同程度的患有此種病狀，其后附近其他地方也發(fā)現(xiàn)此類癥狀。經(jīng)數(shù)年調(diào)查研究，這是由于居民長期食用了八代海水俁灣中含有汞的海產(chǎn)品所致。這種“怪病”就是日后轟動

6、世界的“水俁病”，是最早出現(xiàn)的由于工業(yè)廢水排放污染造成的公害病。1923年，新日本窒素肥料（由人糞與豬糞于酒窖發(fā)酵而產(chǎn)成）于水俁工場生產(chǎn)氯乙烯與醋酸乙烯，其制程中需要使用含汞的催化劑。由于該工廠任意排放污水，這些劇毒的汞流入河流，進(jìn)入食用水塘，轉(zhuǎn)成甲基汞氯（化學(xué)式CH3HgCl）等有機(jī)汞化合物。當(dāng)人類食用該等水源或原居于受污染水源的生物時，甲基汞等有機(jī)汞化合物通過魚蝦進(jìn)入人體，被腸胃吸收，侵害腦部和身體其他部分，造成生物累積（或說是“生物濃縮”Bioaccumulation），造成“水俁病”。該事件被認(rèn)為是一起重大的工業(yè)災(zāi)難。植物過濾根系過濾：主要是利用水生植物、半水生植物和陸生 植物根系吸收

7、能力和巨大的表面積去除大面積水體中 低濃度的金屬元素。種苗過濾：研究表明幼小植物的種苗根系對水體中重金屬的去除作用更強(qiáng)，種苗過濾是第二代植物修復(fù)技 術(shù)的代表之一。植物提取植物提取是利用能耐受并能過量積累金屬的植物吸收環(huán)境中的 金屬，將它們輸送并貯存在植物地上部分。Brooks在1977年提出了超積累植物的概念，1983年Chaney提出 了利用超積累植物清除土壤重金屬污染的思想。超積累植物是指對重金屬吸收量超過一般植物100倍以上的植 物，超積累植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在0.1%以上，積累的Mn、Zn含量一般在1%以上。超積累植物的界定還需考慮兩個主要因素：植物地上部富

8、集的 重金屬應(yīng)達(dá)到一定的量；植物地上部的重金屬含量應(yīng)高于根部超積累植物和累積金屬含量植物種發(fā)現(xiàn)地CdCr歐洲中西部2130重金屬含量 mg/kg PbCuZn274043710天藍(lán)遏藍(lán)菜Thlaspi carulescens高山漆姑草Minuaritia verna南斯拉夫11400T.rotundifolim subsp奧地利820017300異葉柔花Aeollanthus biformifoli非洲砂壩哈3920非洲砂壩哈2070津巴布韋1500星香草Haumaniastrum robertti尼科菊Dicoma nicolifera線蓬Sutera fodina津巴布韋2400國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的

9、典型超積累植物超積累As植物蜈蚣草(Pteris vittata)，其葉片As高達(dá)5000mg/kg。蜈蚣草不僅有較強(qiáng)的耐受和富集Sn的能力, 同時也具有較強(qiáng)的耐Pb、Zn的能力, 具有生長速度快和生 物量大的特點, 通過改善植物生長條件等措施可以大幅度提高其富集能力, 是有潛力的Zn、Cd污染土壤的修復(fù)植物。國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的典型超積累植物Zn超積累植物東南景天(Sedum alfredii)，地上部分Zn高 達(dá)19647 mg/kg。國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的典型超積累植物Cd超積累植物寶山堇菜(Viola baoshanensis)，自然條件下, 寶山堇菜地上部Cd平均含量為1168 mg/kg，地上與地下 部

10、Cd含量平均比值為1.32，Cd生物富集系數(shù)平均為2.38。錳超積累 植物-商陸鴨跖草海州香薷銅積累植物名稱超積累植物銫Cs莧科、黎科、菊科等鍶Sr寬葉菜豆、柳枝稷、桉樹苗等鈾U印度芥菜、紫花苜蓿、向日葵、貝母、大豆、 亞麻等钚Pu印度芥菜、向日葵等放射性核素超積累植物印度芥菜貝母柳枝稷亞麻重金屬植物修復(fù)的優(yōu)勢及應(yīng)用前景適用范圍廣、費用低廉（原位處理10-100 $/m3， 非原位處理30-300 $/m3，植物修復(fù)0.05 $/m3）。綠色凈化，不易帶來二次污染，對環(huán)境擾動小。通過對植物地上部分的集中收集處理還可達(dá)到回 收某些貴重金屬的目的。適合大面積污染治理，效果明顯。重金屬植物修復(fù)存在的

11、問題自然界中的超積累植物不僅種屬稀少，而且往 往有地域分布的局限性。超積累植物植株矮小、生物量低、生長緩慢和 生長周期長，多為蓮座生長，很難進(jìn)行機(jī)械化 操作。通常一種植物只吸收一種或兩種重金屬，對土 壤中共存的其他金屬忍耐力差。植物對土壤肥力、氣候、水分、鹽分、pH值等 有一定的要求。有機(jī)污染植物修復(fù)吸收光降解h轉(zhuǎn)運(yùn)植物揮發(fā)植物轉(zhuǎn)化根際降解根際礦化有機(jī)污染植物修復(fù)根際降解：通過分泌酶（括漆酶、脫鹵素酶、硝基還原酶、 氰水解酶和過氧化物酶等）等降解有機(jī)污染物。強(qiáng)化根區(qū)礦化：菌根真菌與根系形成共生體-菌根，具有獨特 的酶系統(tǒng)和代謝途徑，可降解不能被細(xì)菌單獨轉(zhuǎn)化的有機(jī)物。植物降解：植物從土壤中吸收有

12、機(jī)物污染物（ PAHs、TPHs、 PCBs等），通過代謝或礦化為二氧化碳和水，或轉(zhuǎn)化成無毒 性作用的中間代謝產(chǎn)物，儲存在植物組織中。植物揮發(fā)：某些易揮發(fā)污染物被植物吸收后從植物表面組織 空隙中揮發(fā)。如桉樹揮發(fā)三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE) 。水葫蘆：有機(jī)磷農(nóng)藥、染料、酚、多環(huán)芳烴、甲基對硫磷浮萍：殺蟲劑DDT胡蘿卜：苯酚、氯酚黑麥、大豆：TPH（總石油烴）、殺蟲劑和除草劑；桑科植物及薔薇科植物：根系分泌物能促進(jìn)PCB降解菌生長柳樹、鵝掌揪、落羽松及棟屬植物：降解除草劑滅草松典型有機(jī)污染修復(fù)植物金魚藻、浮萍：異丙甲草胺長春花：炸藥TNT龍葵：PCBs紫花苜蓿、黑麥草：PAHs銀合

13、歡：二溴甲烷、三氯乙烯典型有機(jī)污染修復(fù)植物長春花龍葵金魚藻紫花苜蓿黑麥草銀合歡鵝掌揪植物修復(fù)應(yīng)用情況Thlaspi caerulescens重金屬Zn/Cd污染植物提取英國（引自Rothamsted)(a)(b)Hybrid poplar growth after (a) 1 month and (b) 8 months of growth at the southwest planting area of the phyto-hydraulic capture-remediation site in Houston, TX, 1998-99.能夠生長在0.15-3%的污染土壤和礦渣上，具有極

14、強(qiáng)的耐砷毒能力； 葉片富集砷達(dá)0.5%，為普通植物的數(shù)十萬倍；地上部與根的含砷比率為5：1，顯示其具有超常的從土壤中吸收富集砷能力 對砷和磷吸收表現(xiàn)為協(xié)同作用，增施磷肥可增強(qiáng)蜈蚣草對砷的吸收能力。工程簡介：湖南鄧家塘砷污染土壤修復(fù)示范工程排放，砒霜最高年產(chǎn)量達(dá)到3000多噸工程規(guī)模：15畝污染情況：砷含量超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1倍至30多倍，大部分在兩三倍修復(fù)效果：蜈蚣草一年一畝地大約能吸附7公斤到13公斤的含砷量湖南鄧家塘砷污染土壤修復(fù)示范工程Phytoremediation demonstration廣西環(huán)江土壤修復(fù)“大環(huán)江流域土壤重金屬污染治理工程項目”獲國家重金屬土壤污染防治專項資金

15、2450萬元，修復(fù)農(nóng)田1280畝，占總污染土壤的10%。土地污染治理困局：百度視頻/video/C10375/12f7169aec8c4349a7b1e543aa6511e8根際修復(fù)每公頃根長300,000km(相當(dāng)于 繞地球7.5圈)改進(jìn)根際條件的途徑養(yǎng)分 有效性高生物量 增氧根際修復(fù)：根際環(huán)境工程根際pH Eh分泌物 微生物土壤微生物根系微環(huán)境根際自然修復(fù)根際強(qiáng)化修復(fù)交互作用根 際 環(huán) 境 修 復(fù) 機(jī) 理修復(fù)植物產(chǎn)后處置技術(shù)修復(fù)植物作為廢棄物的產(chǎn)后處置技術(shù)焚燒法：干燥減重，飛灰固化螯合，金屬回收堆肥法： 預(yù)處理，降低后續(xù)處理成本，二次污 染控制壓縮填埋法：體積大，不易運(yùn)輸，滲濾液處理高溫分

16、解法：含水率，重金屬焦炭渣，回收處理灰化法：飛灰控制，尚未實際應(yīng)用液相萃取法：螯合劑，研究階段修復(fù)植物的資源化綜合利用植物冶金: Au, Ag, Cu, Zn藥用植物: 柳樹，海州香薷，商陸有機(jī)微肥：微量元素肥，如Cu防腐原料：As植物對重金屬的吸收累積和耐性機(jī)制ABCDE重金屬根際活化重金屬根系吸收重金屬運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移重金屬卸載與組織分布重金屬細(xì)胞內(nèi)分配定位Fig.Molecular mechanisms proposed to be involved in transition metal accumulation by plants.Fig. 2. The path of a transit

17、ion metal from the soil to the sites of use and storage in the leaf.These include attemptsto enhance mobilization by secretion of organic acids,to increasee uptake by overexpression or deregulation of transporters,to stimulate uptake into the root and translocation via the xylem by overproduction of

18、 intracellular chelators, orto increase the strength of metal sinks in the leaves by overexpression of storage and detoxification mechanisms.Processes show distinct molecular characteristics in hyperaccumulator plants are represented by arrows of varying size.A thicker arrow indicates a process disp

19、laying higher activity in metallophytes as compared to non-metallophytes.A thinner arrow indicates a process displaying reduced activity in metallophytes. This applies to sequestration of metals in root tissue.根際活化mobilization根系質(zhì)子分泌根分泌物種類（蘋果酸、檸檬 酸等）與分泌機(jī)制重金屬在土壤-微生物-根系微 界面的反應(yīng)重金屬形態(tài)與生物有效性(a) Metal ions

20、are mobilized by secretion of chelators and by acidification of the rhizosphere.根系吸收主動與被動吸收離子通道或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Uptake and sequestration(b) Uptake of hydrated metal ions or metal- chelate complexes is mediated by various uptake systems residing in the plasma membrane. Inside the cell, metals are chelated and ex

21、cess metal is sequestered by transport into the vacuole.Do hyperaccumulator plants uptake metal actively?木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)載到導(dǎo)管的能量可能來自木質(zhì)部薄壁細(xì)胞膜 上的H-ATPase產(chǎn)生的負(fù)性跨膜電勢在導(dǎo)管中運(yùn)輸?shù)哪芰恐饕獊碜愿鶋汉驼趄v拉力有機(jī)分子在超積累植物體內(nèi)重金屬運(yùn)輸中有重要作用，用X-射 線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)分析法( EXAFS) 研究,發(fā)現(xiàn)印度芥菜傷流液中 有機(jī)酸參與了Cd 在木質(zhì)部的運(yùn)輸。木質(zhì)部運(yùn)輸Xylem transport(c) From the roots, transitio

22、n metals are transported to the shoot via the xylem. Presumably, the larger portion reaches the xylem via the root symplast. Apoplastic passage might occur at the root tip. Inside the xylem, metals are present as hydrated ions or as metal-chelate complexes.卸載與組織分布從木質(zhì)部卸載到葉細(xì)胞(跨葉細(xì)胞膜運(yùn)輸)在組織水平上,重金屬主要分布在表皮

23、細(xì)胞、 亞表皮細(xì)胞和表皮毛中Unloading and tissue distribution(d) After reaching the apoplast of the leaf, metals are differentially captured by different leaf cell types and move cell-to-cell through plasmodesmata(胞間連絲). Storage appears to occur preferentially in trichomes.細(xì)胞分布定位細(xì)胞壁 液泡 線粒體 葉綠體高爾基體 其他Trafficking a

24、nd sequestration(e) Uptake into the leaf cells again is catalyzed by various transporters. Intracellular distribution of essential transition metals is mediated by specific metallochaperones and transporters localized in endomembranes.MycorrhizasRoot exudatesCell wallPlasma membraneHeat shock protei

25、nsPhytochelatinsMetallothioneinsOrganic acids and amino acidsVacuolar compartmentalization植物對重金屬耐性和解毒的機(jī)理Fig. 1. Summary of potential cellular mechanisms available for metal detoxification and tolerance in higher plants. 1. Restriction of metal movement to roots by mycorrhizas. 2. Binding to cell wall and root exudates. 3. Reduced influx across plasma membrane. 4. Act