礦區(qū)土壤重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)展(吳嘉怡)

1、吳嘉怡吳嘉怡20080215152008021515 重金屬污染土壤的主要方式 重金屬傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù) 重金屬生物修復(fù)技術(shù)概況 實(shí)際應(yīng)用例子 存在問題與展望土壤中的重金屬通過雨水淋溶作用向下滲透，導(dǎo)致地下水污染；受污染的土壤直接暴露在環(huán)境中，通過土壤顆粒物等形式直接或間接地為人或動(dòng)物所吸收；外界環(huán)境條件的變化如酸雨、某些土壤添加劑等因素提高了土壤中重金屬的生物可利用性，使得重金屬較容易地為植物吸收利用而進(jìn)入食物鏈，對(duì)食物鏈上的生物產(chǎn)生毒害。1.物理修復(fù)技術(shù)： 物理工程措施（排土、換土、去表土、客土和深耕翻土） 電動(dòng)力學(xué)法 電熱修復(fù) 玻璃化技術(shù) 冰凍土壤技術(shù)工程量大，能耗高，費(fèi)用高，搶救性修復(fù)工程量

2、大，能耗高，費(fèi)用高，搶救性修復(fù)2.化學(xué)修復(fù)技術(shù)： 化學(xué)固定技術(shù)（改良劑） 化學(xué)萃取技術(shù)（萃取劑） 鰲合技術(shù)（螯合劑） 氧化還原技術(shù) 減少土壤肥力，改變土壤性質(zhì)，二次污減少土壤肥力，改變土壤性質(zhì)，二次污染染 植物修復(fù) 微生物修復(fù) 動(dòng)物修復(fù)植物穩(wěn)定（固化）植物揮發(fā)植物提取成本低、效率高、無二次污染和適用范圍廣成本低、效率高、無二次污染和適用范圍廣與植物修復(fù)協(xié)同 20世紀(jì)50-70年代 植物的重金屬機(jī)理研究 70年代末-90年代初 超積累植物的研究 20世紀(jì)90年代以后 植物和微生物共存體系 植物抗重金屬的進(jìn)化研究 基因工程植物（超量積累 植物和生物量高的親緣植物雜交） 植物修復(fù)技術(shù)(phytore

3、mediation)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ),利用植物及其共存的微生物體系,清除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染技術(shù)。植物穩(wěn)定或固化植物穩(wěn)定或固化(Phytostabilization(Phytostabilization）植物揮發(fā)植物揮發(fā)(phytovolatilization)(phytovolatilization)植物提取植物提取(Phytoextraction)(Phytoextraction) 植物穩(wěn)定指通過植物根系的吸收、螯合、沉淀或還原作用,使金屬污染物惰性化,轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘孕螒B(tài),降低其生物有效性和移動(dòng)性,從而固定于根系和根際土壤中,并防止其進(jìn)入地下水和食

4、物鏈。工程應(yīng)用，暫時(shí)固定，仍有后患工程應(yīng)用，暫時(shí)固定，仍有后患Cunningham等研究發(fā)現(xiàn)植物通過分泌磷酸鹽與鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛,使鉛固化,而降低鉛的毒性。印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的、生物有效性高的六價(jià)Cr還原為低毒的、生物有效性低的三價(jià)Cr,使其固化。 超耐受性植物的篩選超耐受性植物的篩選作用：（1）通過根系吸收、沉淀或還原作用可使污染物惰性化（2）通過根際微生物改變根際環(huán)境的pH值和Eh值來改變重金屬的化學(xué)形態(tài),固定土壤中的重金屬適用于固化污染土壤的理想植物,應(yīng)是一種能忍耐高含量污染物、根系發(fā)達(dá)的多年生常綠植物。e.g: Smith和Bradshaw研究發(fā)現(xiàn)的細(xì)弱翦股穎

5、和匍匐紫羊茅已經(jīng)商業(yè)化地運(yùn)用于污染土壤中Pb、Zn、Cu的固定（1992）。 Conesa發(fā)現(xiàn)定居在西班牙尾礦庫上的2種植物硬毛苞茅和駝蹄瓣雖然對(duì)重金屬的吸收不強(qiáng),但其根系周圍土壤中Zn的濃度很高,可能對(duì)Zn具有一定的富集作用(2006)。 張鑫對(duì)銅陵市尾礦庫的野生優(yōu)勢植物研究發(fā)現(xiàn),水蠟燭、狗牙根等雖然對(duì)重金屬的吸收能力不強(qiáng),但是可以耐受尾礦庫的貧瘠環(huán)境及高濃度重金屬元素的環(huán)境,在尾礦庫中生長良好。（2005） 植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)功能而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物,即植物將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì),釋放到大氣中,從而減輕土壤污染。 主要的研究為主要的研究為SeSe和

6、和HgHg應(yīng)用范圍小應(yīng)用范圍小, , 有一定的風(fēng)險(xiǎn)有一定的風(fēng)險(xiǎn)e.g: 煙草能使毒性大的二價(jià)汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的汞 洋麻可以使土壤的47%的三價(jià)硒轉(zhuǎn)化為甲基硒揮發(fā)去除 海藻能吸收并揮發(fā)砷,其機(jī)理是把(CH3)2ASO3揮發(fā)出體外 現(xiàn)代分子生物技術(shù)和基因工程的介入,使得植物揮發(fā)技術(shù)有了更大的發(fā)展,如Meagther等將細(xì)菌中的Hg還原酶修飾基因轉(zhuǎn)入擬南芥中發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)基因植物所表現(xiàn)出來的Hg還原酶可以從溶液或介質(zhì)中產(chǎn)生揮發(fā)態(tài)的Hg. 植物提取利用植物從土壤中吸收金屬污染物,并在植物地上部分富集,對(duì)植物體收獲后進(jìn)行處理,從而降低了土壤中重金屬的含量植物提取技術(shù)關(guān)鍵是篩選出超積累植物植物提取技術(shù)關(guān)鍵是篩選出

7、超積累植物特點(diǎn)：即使在污染物濃度較低時(shí)也有較高的積累效率;能在體內(nèi)積累高濃度的污染物;能同時(shí)積累多種重金屬;生長快,生物量大;抗蟲抗病能力強(qiáng) 1999年陳同斌、韋朝陽等人在中國本土發(fā)現(xiàn)世界上第一種砷的超富集植物蜈蚣草(RerisvittataL.) 2002年浙江大學(xué)楊肖娥等人在浙江發(fā)現(xiàn)了鋅超累積植物東南景天(Sedum alfredii H.); 2002年中科院韋朝陽等人在湖南又發(fā)現(xiàn)砷的另一種超累積植物大葉井口邊草(Pteris cretica L.) 2003年薛生國等人在湖南省發(fā)現(xiàn)的錳超累積植物一商陸(Phytolaeea acinosa Roxb.) 2003年劉威等人在湖南省郴州桂

8、陽縣寶山礦區(qū)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)寶山荃菜(Viola baoshanensis)是一種鎘超富集植物 2005年魏樹和等人首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)雜草龍葵(SolanumnigrumL.)也是一種鎘超積累植物。國外成功案例：國外成功案例：美國明尼蘇達(dá)圣保羅錫污染土壤的植物修復(fù) 該污染土壤為石灰性土壤，全錫含量為25 mg/kg，全鋅含量為475 mg/kg，全鉛含量為155mg/kg。試驗(yàn)者于1991年開始對(duì)該污染土壤進(jìn)行修復(fù)，他們將污染土壤區(qū)隔為圓形并通過步道分成許多方塊，共種植了5種植物:天藍(lán)遏蘭菜，麥瓶草屬，長葉葛芭菜，鎘積累型玉米近交FR-37和抗鋅與鎘的紫羊矛。為了降低根際pH，還施加了硫肥、N03-態(tài)氮

9、肥和NH4+態(tài)氮肥。經(jīng)過3年的修復(fù)，將土壤中錫含量降到了可以接受水平，使原本一片光禿禿的“死地”變得生機(jī)盎然。 受到重金屬污染的土壤,往往富集多種耐重金屬的真菌和細(xì)菌,微生物可通過多種作用方式影響土壤重金屬的毒性。生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化生物吸附生物吸附 菌根作用（植物與微生物的協(xié)同作用）菌根作用（植物與微生物的協(xié)同作用） 甲基化作用（假單胞菌屬）甲基化作用（假單胞菌屬） 還原作用還原作用 HgCl2 煙草頭孢霉F2 Hg 氧化作用氧化作用 Mn2+和Sn3+ Mn4+和Sn4+ 第一階段:重金屬在細(xì)胞表面吸附,主要是指重金屬離子與生物體細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)通過絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價(jià)吸附

10、以及無機(jī)微沉淀等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過程。 第二階段:指微生物累積。當(dāng)活細(xì)胞生存在環(huán)境中時(shí),它可以通過多種機(jī)制,包括運(yùn)輸以及細(xì)胞內(nèi)外的吸附來“提高”本身的金屬含量。已提出的金屬運(yùn)送機(jī)制有脂類過度氧化、復(fù)合物滲透、載體協(xié)助、離子泵等。(1)菌根真菌通過分泌特殊分泌物等形式來改變植物根際環(huán)境,改變重金屬的存在狀態(tài),降低重金屬毒性,起到促進(jìn)重金屬純化的作用。(2)菌根能影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配,使菌根植物體體內(nèi)重金屬積累量增加。(3)菌根向宿主植物傳遞營養(yǎng),使植物幼苗成活率高,宿主植物抗逆性增強(qiáng)、生長加快,間接地促進(jìn)植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用。(4)菌根的形成也同時(shí)影響植物根際微生物的種類

11、和數(shù)量 Ricken等觀察種植在施用污泥土壤中的紫花苜蓿和燕麥接種球囊霉（glomus）菌根真菌后耐受重金屬毒害的變化，發(fā)現(xiàn)由于菌根的侵染，燕麥根中Zn、Cd、Ni的含量增加，地上部分的Zn含量減少。 Entry等研究報(bào)道，在被Cs和Sr污染的土壤中接種菌根菌（gmosseae）能促進(jìn)3種草本植物（paspalumnotatum）、（sorghumhalpense）和（panicumvirginatum）的生長，植株體內(nèi)Cs和Sr含量在接種處理?xiàng)l件下顯著高于不接種處理。 維持土壤肥力。研究表明,蚓糞中有機(jī)碳、硼、鉬、鋅、PH、CEC等明顯高于原土含量; 增加土壤重金屬的活性使得植物吸收重金屬的

12、效率增加。俞協(xié)治通過模擬土壤污染試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動(dòng)能明顯提高紅壤Cu的生物有效性，使得紅壤中DT-PA提取態(tài)Cu的含量顯著增加，從而提高了植物對(duì)重金屬的吸收和富積效率。 吸收富集少量重金屬。戈峰等研究表明，飼養(yǎng)在牛糞和生活垃圾中的蚯蚓對(duì)硒和銅元素的富集能力很強(qiáng)，其最高富集硒和銅量分別為332.5 mg/kg和l 376mg/kg。 植物修復(fù)技術(shù)作為一種新興的綠色安全修復(fù)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力,很快受到許多國家的重視。 美國的Edenspace公司已經(jīng)成功研發(fā)出鉛、鋅、鎘、和砷污染的植物修復(fù)。 英國利物浦大學(xué)的Bradshaw長期致力于礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)研究工作,他們最早利用當(dāng)?shù)氐哪托灾参飳?duì)礦

13、山土地進(jìn)行了修復(fù),并且成功的開發(fā)出可商業(yè)化應(yīng)用的針對(duì)不同重金屬礦山廢棄地的耐性品種系列。 中科院地理資源所陳同斌研究團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)。研究團(tuán)隊(duì)已在廣西環(huán)江、湖南郴州、云南個(gè)舊、浙江富陽、廣東樂昌等地建立了重金屬污染土壤修復(fù)工程 2001年，在湖南郴州建立了世界上第一個(gè)砷污染修復(fù)基地；隨后又在廣西和云南建立了砷、鉛等重金屬污染及酸化土壤修復(fù)的示范工程，建立了超富集植物與經(jīng)濟(jì)作物間作的修復(fù)模式，做到邊修復(fù)污染土壤、邊開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。(1)超積累植物個(gè)體矮小,生長緩慢,修復(fù)重金屬污染土地需要時(shí)間太長,經(jīng)濟(jì)上不一定合理。(2)大多數(shù)超積累植物往往只能積累某種重金屬,而土壤的污染往往是多種重金屬的復(fù)合污染。(3)

14、積累大量重金屬的植物再處理也是一個(gè)棘手的問題,還存在污染物及其降解產(chǎn)物的重新活化問題。(1)尋找和培育超富集植物及超富集機(jī)理研究(2)植物組合技術(shù) a.螯合劑-植物修復(fù) b.電壓-植物修復(fù) c.植物-微生物組合修復(fù)(3)基因工程在植物修復(fù)中的應(yīng)用研究1 Cunningham S D,Ow D W. Promises and prospects of phytoremediationJ.Plant Physical, 1996,110:715-719.2 Smith RAH,Bradshaw A D. Stabilization of toxic mine wastes by the use o

15、f tolerant plant pop ulationsJ.Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, 1992.81:A230-A237.3 Conesa M H .Faz A .Arnaldos R. Initial studies for the phytostabilization of a mine tailing from the Cartagena-La Union Mining District (SE Spain)J.Chemosphere,2006. 66(1) :38-44.4張鑫.安徽銅陵礦區(qū)重金

16、屬元素釋放遷移地球化學(xué)特征及其環(huán)境效應(yīng)研究.合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2005.6 Meagher R B. Phytoremediation of toxic elements and organic pollutantsJ.Current Opinion in Plant Biology,2000,3(2):153-162.7 陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征J.科學(xué)通報(bào)，2002,47(3):207 - 210. 8 楊肖娥，龍新憲，倪吾鐘，等.東南景天(Sedum alfredii H. ):一種新的鋅超積累植物J.科學(xué)通報(bào)，2002 , 47(13 ) ;1003-1006.9 韋朝陽，陳同斌，黃澤春，等.大葉井口邊草一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物J.生態(tài)學(xué)報(bào)，2002,22(5):777-778.10辭生國，陳英旭，林琦，等.中國首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物一商陸J.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003,23(5):935 - 937.11 劉威，束文圣，藍(lán)崇鈕.寶山益菜(Viola baoshanensis)一種新的鎘超富集植物J.科學(xué)通報(bào)，2003 , 48 (19 ):2046-2049.12 魏樹和，周啟星，王新.超積累植物龍葵及其對(duì)鎘的富集特征J.環(huán)境科學(xué)，2005,26(3):167-171.13 Entry J A,Watrud L S,Reev