植物修復(fù)技術(shù)

1、土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)一：土壤的基本概念：土壤是指陸地表面具有肥力、能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層。土壤不但為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供有力的機(jī)械支撐，而且為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供水、肥、氣、熱等肥力要素。隨著人口快速增長(zhǎng)、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量施用化肥農(nóng)藥以及污水灌溉等，許多有害物質(zhì)進(jìn)入土壤系統(tǒng)，土壤重金屬污染已成為全球面臨的一個(gè)嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。土壤重金屬污染會(huì)引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，微生物活動(dòng)受到抑制，有害物質(zhì)或分解產(chǎn)物在土壤中逐漸積累，通過(guò)“土壤一植物一人體”或“土壤一水一人體”間接被人體吸收，危害人體健康。12、 重金屬的概念 重金屬是在工業(yè)生產(chǎn)和生物學(xué)效應(yīng)方面均具

2、有重要意義的一大類(lèi)元素，在化學(xué)概念上，還沒(méi)有明確的的定義，但是目前還是有了廣為接受的概念,那就是元素的密度大于6g/cm3，具有金屬性質(zhì)(延展性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、配位特性等，且原子數(shù)目大于20的元素)。其中常見(jiàn)的重金屬有鎘、鉻、汞、鉛、銅、鋅、銀、錫等。重金屬離子(如Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+和Co2+等)是植物代謝必需的微量元素，但如果它們過(guò)量則具有相當(dāng)毒性。環(huán)境污染方面所涉及的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類(lèi)金屬砷，還包括具有毒性的重金屬鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等。土壤一旦受到外界污染就相當(dāng)難治理，通常具有以下幾個(gè)特點(diǎn):累積性；隱蔽性和滯后性；不可逆轉(zhuǎn)性

3、。23、 我國(guó)重金屬污染現(xiàn)狀 當(dāng)前我國(guó)區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境惡化與農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重,特別是在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì),1980 年我國(guó)工業(yè)三廢污染耕地面積267 萬(wàn)hm2 ,1988 年增加到667 萬(wàn)hm2 ,1992 年增加到1 000 萬(wàn)hm23 。目前全國(guó)遭受不同程度污染的耕地面積已接近2 000 萬(wàn)hm2 ,約占耕地面積的1/ 5 ,每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食經(jīng)濟(jì)損失至少200 億元。據(jù)農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查表明,我國(guó)24個(gè)省(市) 城郊、污水灌溉區(qū)、工礦等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中,污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為61 萬(wàn)hm2 ,占調(diào)查總面積的20 %,其中重金屬含量

4、超標(biāo)的農(nóng)作物種植面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)作物種植積的80 %以上,尤其是鉛、鎘、汞、銅及其復(fù)合污染最為突出4 。當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)城市近郊土壤都受到了不同程度的污染,其中鎘污染較普遍,污染面積近1 000 萬(wàn)hm2 ,其次是鉛、鎘、銅、汞等;有許多地方糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、鉻、砷、鉛等重金屬含量接近臨界值和超標(biāo),其中多數(shù)是由于工業(yè)污水灌溉造成的5 ,如廣州郊區(qū)老污灌區(qū),土壤中鎘的含量最高達(dá)228. 0 mg/ kg ,平均含量為6. 7 mg/ kg ;沈陽(yáng)張士灌區(qū)有2 533 hm2 土地遭受鎘的污染,其中嚴(yán)重污染的占13 %6 。湖南省株洲市清水塘地區(qū)農(nóng)田土壤鎘平均超標(biāo)25. 7 倍,最高1

5、35. 3 倍;汞平均超標(biāo)2. 6 倍,最高達(dá)8. 4 倍7 。4、 土壤金屬污染的危害 1、重金屬污染對(duì)對(duì)作物的危害 重金屬在土壤- 植物系統(tǒng)中的遷移直接影響到植物的生理生化和生長(zhǎng)發(fā)育, 從而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量.鎘是危害植物生長(zhǎng)的有毒元素, 土壤中如果鎘含量過(guò)高, 會(huì)破壞植物葉片的葉綠素結(jié)構(gòu), 減少根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收, 抑制根系生長(zhǎng), 造成植物生理障礙而降低產(chǎn)量. 劉云國(guó)等人的研究表明,Cd 污染對(duì)土壤脲酶活性的影響很大, 隨土壤Cd 濃度的增加, 脲酶活性下降趨勢(shì)明顯, 如在金盞菊中, 脲酶活性下降幅度為51% 88% , 在月季中, 脲酶活性下降幅度為36% 78% , 故可用土壤

6、脲酶活性變化來(lái)表示土壤受Cd 污染程度8. 土壤中的鉛在植物組織中的累積可導(dǎo)致氧化過(guò)程、光合過(guò)程以及脂肪代謝過(guò)程強(qiáng)度減弱, 同時(shí)可促使對(duì)水的吸收量減少、耗氧量增大, 從而阻礙植物生長(zhǎng), 甚至引起植物死亡9. 銅、鋅是植物生長(zhǎng)必需的微量元素, 但在土壤中含量超過(guò)一定限度時(shí), 作物根部會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害, 根部的破壞使植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收受到影響, 造成生長(zhǎng)不良, 甚至死亡10. 若土壤生態(tài)系統(tǒng)中同時(shí)存在多種污染物, 則會(huì)造成復(fù)合污染, 如宋良綱等研究表明, 重金屬在復(fù)合污染條件下對(duì)植物的毒害及其在土壤中的遷移動(dòng)態(tài)要比單一元素的污染復(fù)雜、嚴(yán)重得多11. 銅、鋅、鉛、鎘單一污染或復(fù)合污染對(duì)白菜種子的發(fā)

7、芽與根伸長(zhǎng)均有抑制作用, 復(fù)污染產(chǎn)生明顯的協(xié)同作用, 對(duì)白菜根伸長(zhǎng)的抑制效應(yīng)閾值明顯降低12 . 我國(guó)每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食超過(guò)1 000 萬(wàn)t, 另外被重金屬污染的糧食每年也多達(dá)1 200 萬(wàn)t, 合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200 億元13. 2、重金屬污染對(duì)人類(lèi)的污染 土壤被重金屬污染后, 很難修復(fù), 進(jìn)入土壤中的重金屬會(huì)在土壤中積累, 當(dāng)其積累到一定程度便會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生不良影響, 不僅影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì), 而且進(jìn)入食物鏈影響人類(lèi)健康, 如鉛能傷害人的神經(jīng)系統(tǒng), 特別是對(duì)幼兒的智力發(fā)育有極其不良的影響; 鎘的毒性很大, 在人體內(nèi)蓄積, 會(huì)引起泌尿系統(tǒng)功能變化, 還會(huì)影響骨骼發(fā)育, 如1955 年

8、發(fā)生的震驚世界的日本神通川地區(qū)的“痛痛病”, 就是因?yàn)樵摰貐^(qū)的土壤植物系統(tǒng)受到重金屬鎘的污染, 1953 年日本水俁氮肥廠乙酸乙醛反應(yīng)管排出的含有氯化甲基汞的汞渣流入水體, 魚(yú)、蝦、貝類(lèi)食入后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體, 乃至發(fā)生了震驚世界的“水俁病”事件14 . 在我國(guó), 隨著污灌面積的不斷擴(kuò)大, 土壤重金屬的污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重, 如沈陽(yáng)、蘭州、桂林、萍鄉(xiāng)等地重金屬污染均較明顯; 湖南株洲的冶煉廠和化工廠附近地區(qū)的重金屬汞、鎘、鉛的含量均超標(biāo), 對(duì)人和家禽健康影響很大. 土壤重金屬污染對(duì)人類(lèi)健康造成的威脅引起世界各國(guó)科學(xué)工作者的普遍關(guān)注, 對(duì)其治理成為目前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn).5、 重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)

9、 1、植物修復(fù)技術(shù)的概念 金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物修復(fù)和消除由有機(jī)毒物和無(wú)機(jī)廢氣物造成的土壤環(huán)境污染15 , 是一種利用自然生長(zhǎng)植物或遺傳工程培育植物修復(fù)金屬污染土壤環(huán)境的技術(shù)總稱(chēng), 它是通過(guò)植物系統(tǒng)及其根際微生物群落來(lái)移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境污染物. 2、植物修復(fù)技術(shù)的分類(lèi) 根據(jù)植物修復(fù)的機(jī)理和作用過(guò)程, 重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)主要包括植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3 種基本類(lèi)型。 （1）、植物提取 植物提取是利用耐受并能積累重金屬的植物吸收土壤環(huán)境中的金屬, 將它們輸送并貯存在植物體的地上部分, 通過(guò)種植和收割植物而去除土壤中的重金屬。這些植物有兩大類(lèi): 超積累植物和誘導(dǎo)

10、的積累植物。前者是指一些具有很強(qiáng)的吸收重金屬并運(yùn)輸?shù)降厣喜糠e累能力的植物; 后者則是指一些不具有超積累特性但通過(guò)一些過(guò)程可以誘導(dǎo)出超量積累能力的植物。超積累植物由于具有很強(qiáng)的吸收和積累重金屬的能力, 從而在修復(fù)重金屬污染土壤方面表現(xiàn)出極大的潛力16 , 其對(duì)某種重金屬的累積量是普通植物的10 500倍以上。植物提取修復(fù)技術(shù)是目前應(yīng)用最多、最有發(fā)展前景的土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)。 （2）、植物揮發(fā) 植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài), 或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中, 從而凈化土壤。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化

11、前的污染物質(zhì), 以減輕對(duì)環(huán)境危害。目前在這方面研究較多的是Hg 和Se。Se 的化合物形態(tài)對(duì)人的毒性最強(qiáng), 元素Se 毒性最小。Se 以硒酸鹽、亞硒酸鹽和有機(jī)態(tài)硒的形態(tài)為植物所吸收。某些濕地植物可清除土壤中的Se, 其中單質(zhì)占75%, 揮發(fā)態(tài)占20% 25%17 , 可通過(guò)植物體內(nèi)三磷酸腺苷( ATP) 硫化酶的作用還原成低毒性的CH3SeCH3 和CH3SeSeCH3。高毒性的Se( ) 可被楊麻根系分泌物轉(zhuǎn)變成低毒性的氣態(tài)甲基硒而揮發(fā) 18-19 。Hg 是一種對(duì)環(huán)境危害很大的易揮發(fā)性重金屬, 在土壤中以多種形態(tài)存在, 如無(wú)機(jī)汞、有機(jī)汞。高毒汞可經(jīng)植物氣化后變成低毒汞, 如擬南芥菜能將Hg

12、 變成低毒的單質(zhì)汞揮發(fā)掉。植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染土壤, 能有效去除土壤中的重金屬, 但只限于揮發(fā)性重金屬的修復(fù), 應(yīng)用范圍較小, 而且是將Hg、S e 等揮發(fā)性重金屬轉(zhuǎn)移到大氣中, 有沒(méi)有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有待于進(jìn)一步研究, 因此, 在采用植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)時(shí)應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。 （3）、植物穩(wěn)定 植物穩(wěn)定是指植物通過(guò)某種生化過(guò)程使污染基質(zhì)中重金屬的流動(dòng)性降低, 生物可利用性下降, 從而減輕重金屬的毒性。植物穩(wěn)定修復(fù)的作用: 一是通過(guò)根部累積、沉淀、轉(zhuǎn)化重金屬, 或通過(guò)根表面吸附作用固定重金屬; 二是保護(hù)污染土壤不受風(fēng)蝕、水蝕, 減少重金屬滲漏污染地下水和向四周遷移污染周?chē)h(huán)境。如植物可通過(guò)分泌磷

13、酸鹽與鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛, 使鉛固化而降低鉛的毒性; 植物能使毒性較高的Cr6+ 轉(zhuǎn)變?yōu)榛緵](méi)有毒性的Cr3+ 。這類(lèi)植物一般具有兩個(gè)特征: 一是能在高含量重金屬污染土壤上生長(zhǎng); 二是根系發(fā)達(dá)及分泌物能夠吸附、沉淀或還原重金屬。值得注意的是植物穩(wěn)定修復(fù)并沒(méi)有從土壤中將重金屬去除, 只是暫時(shí)將其固定, 當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生變化時(shí)重金屬仍可能重新活化并恢復(fù)毒性, 因而, 沒(méi)有徹底解決重金屬污染問(wèn)題。重金屬污染土壤的植物穩(wěn)定修復(fù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù), 若與原位化學(xué)鈍化技術(shù)相結(jié)合可能會(huì)顯示出更大的應(yīng)用潛力。未來(lái)的研究方向可能是耐性植物、特異根分泌植物的篩選, 以及穩(wěn)定修復(fù)植物與原位鈍化聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究

14、。 表2 植物修復(fù)技術(shù)的比較 3、植物修復(fù)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：植物修復(fù)技術(shù)較其他物理、化學(xué)和生物的方法更受到社會(huì)的歡迎。該技術(shù)成本低;對(duì)環(huán)境擾動(dòng)少;清理土壤中重金屬污染物的同時(shí),可以清除污染土壤周?chē)拇髿饣蛩w載體中的污染物;有較高的美化環(huán)境價(jià)值,易為社會(huì)所接受;植物修復(fù)重金屬污染物的過(guò)程也是土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力增加的過(guò)程,被植物修復(fù)過(guò)的干凈土壤適合于多種農(nóng)作物的生長(zhǎng);植物固化技術(shù)能使地表長(zhǎng)期穩(wěn)定有利于生態(tài)環(huán)境改善和野生生物的繁衍,而且維持固化的成本低。從表1 中可以很清楚地看到不同修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)20 。缺點(diǎn)：(1) 要針對(duì)不同污染狀況的土壤選用不同的生態(tài)型植物。重金屬污染嚴(yán)重的土壤應(yīng)選用超積

15、累植物,而污染較輕的土壤應(yīng)栽種耐重金屬植物。 (2) 一種植物往往只吸收12 種重金屬元素,對(duì)土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出某些中毒癥狀,從而限制了植物修復(fù)技術(shù)在多種重金屬污染土壤治理方面的應(yīng)用。 (3) 用于清理重金屬污染土壤的超積累植物通常矮小、生物量低、生長(zhǎng)緩慢、修復(fù)重金屬污染土地需要時(shí)間太長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)上不一定合理。(4) 積累大量重金屬植物的再處理也是一個(gè)棘手的問(wèn)題,還存在污染物及其降解產(chǎn)物的重新活化問(wèn)題。除了超積累植物本身的缺點(diǎn)之外,還有其他因素也影響植物修復(fù)的有效性,如土壤微生物活性、土壤本身的理化特性,還有污染區(qū)的氣候地理?xiàng)l件21-22 。 表3 目前用于植物修復(fù)的植物及目標(biāo)污染

16、物 4、植物修復(fù)技術(shù)的未來(lái)展望 （1) 我國(guó)地理地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,有著豐富的植物資源,因而可能蘊(yùn)藏著大量超富集植物,為我國(guó)開(kāi)展有關(guān)研究提供了良好的基礎(chǔ)。 (2) 在植物修復(fù)方面已進(jìn)行過(guò)探索與初步嘗試,如國(guó)內(nèi)外有關(guān)人士對(duì)土壤重金屬含量的研究等,為土壤重金屬污染植物修復(fù)提供了大量的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)及參考資料。 (3) 與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)和工程修復(fù)等技術(shù)手段相比,植物修復(fù)具有投資和維護(hù)成本低、操作簡(jiǎn)便、不造成二次污染且易于后處理、具有潛在或顯在的經(jīng)濟(jì)益等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也可修復(fù)土壤恢復(fù)土地使用功能(如耕地等) ,改善居民生活環(huán)境,社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。 (4) 大量土壤重金屬污染有待修復(fù),我國(guó)黑色金屬礦山每

17、年排放剝離巖土量達(dá)2. 0 億t ,有色金屬直屬礦山每年排放固體廢物0. 6 億t ,占用各類(lèi)土地達(dá)2 萬(wàn)km2 。我國(guó)受重金屬污染的耕地面積近20 萬(wàn)km2 ,約占耕地總面積1/523 。 (5) 由于植物修復(fù)更適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求,因此植物修復(fù)是目前重金屬污染土壤修復(fù)最有發(fā)展前途的一種方法,受到世界各國(guó)政府、科技界和企業(yè)界高度重視和青睞。無(wú)論從投資成本還是管理等多方面考慮,采用植物修復(fù)都是一條非常適合我國(guó)國(guó)情的治理污染土壤的途徑。 參考文獻(xiàn)：1沈振國(guó), 劉有良、超積累重金屬植物研究進(jìn)展植物生理學(xué)通報(bào)、1998.34( 2) : 133139.23WESTERMORELAND SALLY. S

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