第9章植物修復(fù)1

第9章環(huán)境污染植物修復(fù)

Phytoremediationofpollutedenvironment

第一節(jié)概述1植物修復(fù)的提出過程==無意識(shí)地利用植物處理排泄物==1920年前，有意識(shí)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(shù)廢棄礦山的復(fù)墾，污泥的處理和農(nóng)業(yè)應(yīng)用，植物耐性機(jī)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(fù)概念。Superfund:1,623Sites/superfund/2植物修復(fù)的定義植物修復(fù)是利用植物及其根圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化、降解的作用機(jī)制來清除環(huán)境中的污染物的一種污染環(huán)境治理技術(shù)。生物修復(fù)微生物修復(fù)微生物轉(zhuǎn)化作用微生物降解作用植物修復(fù)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(duì)污染物質(zhì)的吸收、排泄與積累

uptake，excretion，accumulation（1）植物對(duì)污染物的吸收特點(diǎn)：==具有廣泛性，沒有絕對(duì)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(zhì)、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(zhì)層中的孔隙根系分泌物

（3)積累：進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物大部分留在植物體內(nèi)，并在一定時(shí)期內(nèi)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(nèi)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(kuò)展到所有植物對(duì)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(yīng)該具備的3個(gè)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(zhuǎn)移系數(shù)（translocationfactor）>80%轉(zhuǎn)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(zhì)里竟含有３％的銅。當(dāng)?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(xué)錦、徐邦梁,1953,銅礦指示礦物海州香薷,地質(zhì)學(xué)報(bào),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(shí)際上是人們最早用來探礦的“綠色指示器”，早在羅馬帝國時(shí)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(gè)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(xué)元素的巖石風(fēng)化而成的地表土壤上發(fā)現(xiàn)的。具有較為獨(dú)特的生態(tài)型超積累研究的遺傳機(jī)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(lán)菜CCAUCAMPUSCCAUCAMPUSCuHyperaccumulator(ElsholziaSpleden)我國發(fā)現(xiàn)的超積累植物我國的研究機(jī)構(gòu)介紹：浙江大學(xué)中山大學(xué)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(yīng)用（1）排異植物的概念能在高污染土壤上生長，而體內(nèi)，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(jià)值部分（如根、莖、葉、果實(shí)、或者種子）中的污染物含量很低或不超標(biāo)。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(guān)系排異性exclusion:能在高污染環(huán)境生長，體內(nèi)污染物含量較低或不超標(biāo)。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。抗性resistance: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。抗性排異性耐性避性排異植物排異作物6植物修復(fù)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(duì)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(fù)。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(jìn)。伊樂藻是河蟹優(yōu)良的天然餌料，不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，大量的氨基酸，而且含有足夠的必需礦物質(zhì)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(zhì)、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(dòng)、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(fù)機(jī)理之一

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

植物降解（Rhizospheredegradation:）Phytodegradationorphytotransformationisthebreakdownofcontaminantstakenupbyplantsbymetabolicprocesseswithintheplant.

應(yīng)用植物體內(nèi)或植物分泌的化合物和酶降解污染物質(zhì)Alternatively,thebreakdownofcontaminant,externaltotheplant,bycompoundsorenzymesproducedby,andreleasedfrom,theplant.植物修復(fù)機(jī)理之二植物揮發(fā)（Phytovolatilisation）Phytovolatilisationistheuptakeandtranspirationofcontaminantbyaplant.Thisprocessresultsinthereleaseofthecontaminantfromtheplant,inamodifiedformofthecontaminanttotheatmospherefromtheplant.植物修復(fù)機(jī)理之三植物提取或植物吸收Phytoextractionandphytoaccumulation植物修復(fù)機(jī)理之四7植物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)方法，生物修復(fù)成本低廉每年每立方米的處理費(fèi)為0.02~1.00美元，比物理化學(xué)處理的費(fèi)用低幾個(gè)數(shù)量級(jí)易于管理和監(jiān)測不造成二次污染植物修復(fù)富集的貴金屬還可以再利用公眾易于接受優(yōu)點(diǎn)限制（植物修復(fù)）僅限于植物根系能夠達(dá)到的地方.生長速率相對(duì)較慢==需要較長時(shí)間不能完全防止污染物進(jìn)入地下水若有毒物含量太高，可能對(duì)植物產(chǎn)生毒害生物富集的重金屬有可能進(jìn)入食物鏈1植物對(duì)污染物的忍耐有限，超過忍耐范圍就不能進(jìn)行植物修復(fù)2污染往往是復(fù)合的，一種植物往往不能適應(yīng)多種污染的修復(fù)3植物根系多數(shù)在50cm以內(nèi)。超過了或者在不適于生長的土壤上不宜用植物修復(fù)4植物生長對(duì)季節(jié)有要求(溫度，光照)5修復(fù)周期可能很長6植物多樣性的問題植物修復(fù)局限性1對(duì)難以吸收的重金屬活化導(dǎo)致次生污染2植物生物量的處理3揮發(fā)植物對(duì)大氣安全性4食物鏈的問題5運(yùn)行機(jī)制和管理標(biāo)準(zhǔn)6評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)植物修復(fù)尚待解決的問題第二節(jié)植物修復(fù)技術(shù)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(jī)污染物的可生物降解性容易降解：如醇酚類難降解：農(nóng)藥和石油類不降解：高分子合成化合物，如尼龍有機(jī)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(jié)合點(diǎn)：根圈作用形式：共生體吸收，降解，屏障污染物質(zhì)學(xué)科：微生物學(xué)，植物學(xué)，生理生化，分子生物學(xué)，遺傳學(xué)，土壤學(xué)，生態(tài)學(xué)

2生物量處理農(nóng)業(yè)應(yīng)用：還田？飼料？種子工業(yè)應(yīng)用：造紙，板材，能源提取，木材提取礦物元素：薪柴儲(chǔ)存

3提高修復(fù)效率的技術(shù)措施①污染土壤的耕作對(duì)于重金屬污染土壤，以撒播為好，這樣可擴(kuò)大植物根與重金屬的接觸。對(duì)于有機(jī)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(dāng)中耕，改善根際環(huán)境，促進(jìn)降解和吸收

②合理水肥管理灌水和施肥是促進(jìn)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(shù)措施種子包衣技術(shù)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(dá)到最佳的去除效果。

④病蟲害防治⑤修復(fù)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(diào)節(jié)Eh方式：灌水和晾曬，增加有機(jī)質(zhì)==施用螯合劑促進(jìn)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,