植物降解修復(fù)課件

1、第五章 污染環(huán)境的植物修復(fù)原理5.1 植物修復(fù)概述5.1.1 植物修復(fù)的概念植物修復(fù)：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)，利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)、降解和轉(zhuǎn)化作用來清除環(huán)境中污染物質(zhì)的一項(xiàng)新興的污染治理技術(shù)。植物修復(fù)應(yīng)用范圍： a. 利用植物修復(fù)重金屬污染的土壤 b. 利用植物凈化空氣和水體 c. 利用植物清除放射性核素 d. 利用植物及其根際微生物共存體系凈化土壤中 的有機(jī)污染物 生物修復(fù)微生物修復(fù)植物修復(fù)微生物降解微生物轉(zhuǎn)化植物去除 植物固定/穩(wěn)定化植物凈化空氣 植物提取植物降解 根際圈微生物降解植物揮發(fā)圖5-1 植物修復(fù)與生物修復(fù)的關(guān)系及主要修復(fù)方式（1）

2、植物凈化空氣凈化空氣吸收有害氣體吸滯放射性物質(zhì)滯塵除菌和殺菌減弱噪聲吸收CO2（2）植物提取修復(fù)利用重金屬超積累的陸生或水生植物從污染土壤或水體中超量吸收、積累一種或幾種重金屬元素，并富集運(yùn)移到植物根部可收割部分和地上枝條部位，之后將植物整體(包括部分根)收獲并集中進(jìn)行熱處理、化學(xué)處理或微生物處理。然后再繼續(xù)種植超積累植物以使土壤或水體中重金屬含量降低到可接受的水平。許多陸生和水生植物能提取土壤和水體中的重金屬。 如：野生蕨類植物 富集土壤中的Cd和Zn 鳳眼蓮（水葫蘆）綠萍 菱角 水中汞、鎘等重金屬（3）植物揮發(fā)修復(fù)利用植物將水體和土壤中的一些揮發(fā)性的污染物吸收到植物體內(nèi)，然后再將其轉(zhuǎn)化為氣

3、態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而對(duì)污染水體和土壤起到治理的作用。易揮發(fā)性的重金屬修復(fù)方面，如汞、硒、砷（4）植物降解修復(fù)利用某些植物特有的的轉(zhuǎn)化和降解作用去除水體和土壤中有機(jī)污染物質(zhì)的一種方式。修復(fù)途徑主要有兩個(gè)方面： A 污染物質(zhì)植物體木質(zhì)化作用植物組織礦化為CO2和 H2O無毒或毒性小如：硝基還原酶和樹膠氧化酶可以將彈藥廢物如TNT分解B 根分泌的物質(zhì)直接降解根際圈內(nèi)有機(jī)污染物 如：漆酶對(duì)TNT（三硝基甲苯）的降解， 脫鹵酶對(duì)含氯溶劑如TCE（三氯乙烯）的降解等 （5）根際圈生物降解修復(fù)利用植物根際圈菌根真菌、專性或非專性細(xì)菌等微生物的降解作用來轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物，降低或徹底消除其生物毒性，從而達(dá)到有

4、機(jī)污染水體或土壤修復(fù)的目的。 植物微生物體系水分 養(yǎng)料根分泌物質(zhì)降解有機(jī)物的原料（6）植物固定/穩(wěn)定化修復(fù)失去生物有效性A 根分泌物質(zhì)積累 沉淀污染物質(zhì)減少毒害作用B 植物生長減少風(fēng)蝕、水蝕污染物質(zhì)擴(kuò)散、遷移防止防止污染周圍環(huán)境固化植物：吸收積累量不太高，可在污染物質(zhì)含量高的土壤上正常生長針對(duì)：重金屬污染。如廢棄礦山的復(fù)墾工程，鉛、鋅尾礦庫的植被重建等。 5.1.2 植物修復(fù)的優(yōu)勢及存在的問題1開發(fā)和應(yīng)用潛力巨大2符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理念3易于為社會(huì)接受優(yōu)勢不確定性和多學(xué)科交叉性存在問題受植物栽培與生長的限制5.2 植物對(duì)污染物的修復(fù)作用修復(fù)原理：主要是通過植物自身的光合、呼吸、蒸騰和分泌等代

5、謝活動(dòng)與環(huán)境中的污染物質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境發(fā)生交互反應(yīng)，從而通過吸收、分解、揮發(fā)、固定等過程使污染物達(dá)到凈化和脫毒的修復(fù)效果。 圖5-2 植物修復(fù)作用原理示意圖5.2.1 植物吸收、排泄與積累（1）植物吸收 植物為了維持正常的生命活動(dòng)，必須不斷地從周圍環(huán)境中吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)。植物具有廣泛吸收性，除對(duì)少數(shù)幾種元素表現(xiàn)出選擇性吸收外，對(duì)不同的元素來說只是吸收能力大小不同而已。 1 2 3吸收機(jī)理可能有3種：通過適應(yīng)性調(diào)節(jié)后而產(chǎn)生耐性，吸收污染物質(zhì)完全的“避”作用在土壤污染物質(zhì)含量很高的情況下正常生長（2）植物排泄 植物需要不斷地向外排泄體內(nèi)多余的物質(zhì)和代謝廢物，這些物質(zhì)的排泄常常是以分泌物或揮發(fā)的形式

6、進(jìn)行。植物排泄的途徑通常有兩條： 一、經(jīng)過根吸收后，再經(jīng)葉片或莖等地上器官排出去。 二、經(jīng)葉片吸收后，通過根分泌排泄。植物根吸收污染物后，經(jīng)體內(nèi)運(yùn)輸會(huì)轉(zhuǎn)移到各個(gè)器官中去，當(dāng)這些污染物質(zhì)含量超過一定臨界值后，就會(huì)對(duì)植物組織、器官產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而抑制植物生長甚至導(dǎo)致其死亡。植物為了生存，會(huì)分泌一些激素(如脫落酸)來促使積累高含量污染物質(zhì)的器官如老葉加快衰老速度而脫落，重新長出新葉用以生長，進(jìn)而排出體內(nèi)有害物質(zhì) 。（3）植物積累 進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物質(zhì)雖可經(jīng)生物轉(zhuǎn)化過程成為代謝產(chǎn)物經(jīng)排泄途徑排出體外，但大部分污染物質(zhì)與蛋白質(zhì)或多肽等物質(zhì)具有較高的親和性而長期存留在植物的組織或器官中，在一定的時(shí)期內(nèi)

7、不斷積累增多而形成富集現(xiàn)象，還可在某些植物體內(nèi)形成超富集。用富集系數(shù)來表征植物對(duì)某種元素或化合物的積累能力，即 富集系數(shù)=植物體內(nèi)某種元素含量/土壤中該種元素含量 用位移系數(shù)來表征某種重金屬元素或化合物從植物根部到植物地上部的轉(zhuǎn)移能力，即 位移系數(shù)=植物地上部某種元素含量/植物根部該種元素含量 富集系數(shù)越大，表示植物積累該種元素的能力越強(qiáng)。 位移系數(shù)越大，說明植物由根部向地上部運(yùn)輸該元素能力越強(qiáng)，利于植物提取修復(fù)。當(dāng)植物吸收和排泄的過程呈動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，植物雖然仍以某種微弱的速度在吸收污染物質(zhì)，但在體內(nèi)的積累量已不再增加，而是達(dá)到了一個(gè)極限值，叫臨界含量，此時(shí)的富集系數(shù)稱為平衡富集系數(shù)。（4）植物

8、吸收、排泄和積累間的關(guān)系 植物對(duì)污染物質(zhì)的吸收、排泄和積累的過程始終是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程(圖5-3)，在植物生長的某個(gè)時(shí)期可能會(huì)達(dá)到某種平衡狀態(tài)，隨后因一些影響條件的改變而打破，并隨植物生育時(shí)期的進(jìn)展再不斷建立新的平衡，直到植物體內(nèi)污染物質(zhì)含量達(dá)到最大量即臨界含量，亦即吸收達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，植物對(duì)污染物質(zhì)的積累才基本不再增加。 大氣環(huán)境修復(fù)植物 游離離子 水溶性螯合物 交換態(tài)污染物 難吸收態(tài)污染物吸收吸收揮發(fā) 排泄分泌 排泄根際圈土壤（水體）環(huán)境圖5-3 植物對(duì)根際圈污染物質(zhì)吸收、排泄與積累的關(guān)系根據(jù)植物根對(duì)污染物質(zhì)吸收的難易程度，可將土壤中污染物分為：可吸收態(tài)：土壤溶液中的污染物如游離離子及螯合離子難

9、吸收態(tài)：殘?jiān)鼞B(tài)等難為植物吸收的交換態(tài)：介于兩者之間，包括被黏土和腐殖質(zhì)吸附的污染物 可吸收態(tài)交換態(tài)難吸收態(tài)5.2.2 植物根的生理作用1234深纖維根效應(yīng)，根的形態(tài)可以影響污染物的生物可利用性和降解程度 吸收和吸附作用在根部積累大量的污染物質(zhì)，加強(qiáng)了對(duì)污染物質(zhì)的固定生物合成的作用，降低根際圈內(nèi)污染物質(zhì)的可移動(dòng)性和生物有效性物理和生化防范功能，阻止有毒物質(zhì)的浸人5.2.3 根際圈生態(tài)環(huán)境對(duì)污染修復(fù)的作用（1）植物根際圈概念 植物根際圈指由植物根系和土壤微生物之間相互作用而形成的獨(dú)特圈帶。植物根部具有一個(gè)良好的適應(yīng)微生物群落生長的生態(tài)環(huán)境。植物根不斷地向根際圈輸入光合產(chǎn)物，并且枯死的根細(xì)胞和植物分

10、泌物的積累使根際圈演變成一塊十分富饒的土壤。使根際圈構(gòu)成為由土壤為基質(zhì)，以植物的根系為中心聚集了大量的細(xì)菌、真菌等微生物和蚯蚓、線蟲等一些土壤動(dòng)物的獨(dú)特的“生態(tài)修復(fù)單元”。根際圈包括根系、與之發(fā)生相互作用的生物，及受這些生物活動(dòng)影響的土壤。它的范圍一般是指離根表幾毫米到幾厘米的圈帶。（2）植物-微生物-污染物在根際圈的相互作用 植物的根系從土壤中吸收水分、礦質(zhì)營養(yǎng)的同時(shí)，向根系周圍土壤分泌大量的有機(jī)物質(zhì)，而且其本身也產(chǎn)生一些脫落物，這些物質(zhì)促使某些土壤微生物和土壤動(dòng)物在根系周圍大量地繁殖和生長，使得根際圈內(nèi)微生物和土壤動(dòng)物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根際圈外的數(shù)量，而微生物的生命活動(dòng)如氮代謝、發(fā)酵和呼吸作用及

11、土壤動(dòng)物的活動(dòng)等對(duì)植物根也產(chǎn)生重要影響，它們之間形成了互生、共生、協(xié)同及寄生的關(guān)系。為微生物附著提供了巨大的表面積，易于形成生物膜，促進(jìn)污染物被微生物降解利用植物自身的光合作用，能將部分可溶性污染物及被微生物分解的污染物同化吸收光合過程中生成的O2可通過莖根輸向水體或土壤，使根區(qū)周圍依次形成多個(gè)好氧、缺氧與厭氧小區(qū)，微生物生存提供良好生境植物根際圈（3）植物根際圈的生物降解 5.3 影響植物修復(fù)的環(huán)境因子酸堿度植物激素生物因子共存物質(zhì)植物營養(yǎng)物質(zhì)氧化還原電位污染物間的復(fù)合效應(yīng)5.4 有機(jī)污染物的植物修復(fù)直接吸收和降解酶的作用根際的生物降解5.4.1 植物對(duì)有機(jī)污染物的修復(fù)作用（三種機(jī)制）5.4

12、.2 典型有機(jī)污染物的植物修復(fù)不少外來有毒物質(zhì)通過機(jī)體內(nèi)酶促反應(yīng)，可以轉(zhuǎn)化成低毒或無毒物質(zhì)，或轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì)而利于排出體外。污染物在生物體內(nèi)酶的作用下，通過氧化、還原、水解、脫烴、脫鹵、羥基化和異構(gòu)化作用，逐步代謝為毒性較低或完全無毒的物質(zhì)。 （1）植物對(duì)農(nóng)藥的分解轉(zhuǎn)化作用 耐藥性植物具有分解轉(zhuǎn)化除草劑、殺蟲劑和殺菌劑等化學(xué)農(nóng)藥的作用。在高等植物體內(nèi)導(dǎo)致農(nóng)藥毒性降低的基本生化反應(yīng)包括氧化反應(yīng)、水解作用、還原反應(yīng)、異構(gòu)化作用和軛合作用等。植物對(duì)一種農(nóng)藥的分解轉(zhuǎn)化涉及許多代謝作用，是許多反應(yīng)的綜合結(jié)果，其中既有氧化還原作用，也有羥基化或脫烷基作用等。（2）植物對(duì)其他有機(jī)污染物的分解轉(zhuǎn)化作用藻類和

13、高等植物還可分解轉(zhuǎn)化石油、洗滌劑、塑料、造紙、印染等工業(yè)生產(chǎn)帶來的有毒污染物。 藻類降解有機(jī)污染物的動(dòng)力學(xué)方程： dc/dt=kNr C=-0.5kN2C0 式中k二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)； N藻細(xì)胞濃度； r藻生長速度； C0有機(jī)污染物起始濃度。5.5 重金屬的植物修復(fù)重金屬超積累植物 提取作用揮發(fā)植物 揮發(fā)作用固化植物 固定/穩(wěn)定化作用 5.5.1 重金屬對(duì)植物的傷害機(jī)理重金屬對(duì)植物的影響：a. 抑制植物種子萌發(fā)；b. 抑制植物的生長，表現(xiàn)為植株矮小，生長緩慢，生物量減小；c. 抑制植物生殖，表現(xiàn)為生育期推遲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使生殖生長完全停止，甚至不開花結(jié)果。 重金屬對(duì)植物造成傷害的生物學(xué)機(jī)理：大量的

14、重金屬離子進(jìn)入植物體內(nèi)后，參與各種生理生化反應(yīng)，使原有的代謝活動(dòng)受到干擾，從而導(dǎo)致物質(zhì)的吸收、運(yùn)輸、合成等生理活動(dòng)受到阻礙，尤其是重金屬離子與核酸、蛋白質(zhì)和酶等大分子的結(jié)合，甚至取代某些蛋白質(zhì)和酶的特定功能元素，使其變性或活性降低，從而使植物生長受到抑制。主要表現(xiàn)：a. 細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能受到破壞； b. 光合作用會(huì)受到抑制； c. 呼吸作用發(fā)生紊亂； d. 糖類和氮素代謝受到影響； e. 細(xì)胞核核仁遭到破壞； f. 植物激素發(fā)生變化 重金屬還通過影響根系微生態(tài)環(huán)境及產(chǎn)生營養(yǎng)脅迫而對(duì)植物造成傷害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a. 對(duì)根際土壤微生物產(chǎn)生毒害作用；b. 全部或部分地抑制土壤生化反應(yīng)；c.

15、 與礦物元素發(fā)生拮抗和協(xié)同作用。 5.5.2 植物對(duì)重金屬的抗性機(jī)制植物對(duì)重金屬具有抗性機(jī)制 a. 阻止重金屬進(jìn)入體內(nèi) 一些植物通過根部的某種機(jī)制將大量重金屬離子阻止在根部，限制重金屬向根內(nèi)及地上部位運(yùn)輸，從而使植物免受傷害或減輕傷害。 b. 將重金屬排出體外 植物將重金屬吸收人體內(nèi)后，再通過某些機(jī)理排出體外以達(dá)到解毒的目的。如：排泄、脫落 c. 對(duì)重金屬的活性鈍化 有些植物將重金屬如鉛、銅、鋅、鎘等大量沉積在細(xì)胞壁上，以此來阻止重金屬對(duì)細(xì)胞內(nèi)溶物的傷害。植物還可以利用液泡的區(qū)域化作用將重金屬與細(xì)胞內(nèi)其他物質(zhì)隔離開來，而且液泡里含有的各種有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、有機(jī)堿等都能與重金屬結(jié)合而使其生物活性鈍

16、化。 d. 抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng) 重金屬污染導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的O2-、OH-、NO3-、HOO、 RO、ROO-、O2、H2O2、ROOH等活性氧，使蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子變性、膜脂過氧化，從而傷害植物。植物在生物系統(tǒng)進(jìn)化過程中，細(xì)胞形成了清除這些活性氧的保衛(wèi)體系。這些抗氧化劑多數(shù)都是重金屬脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生的，在活性氧大量產(chǎn)生時(shí)活性較高，并隨著活性氧的消除活性逐漸減弱，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。 e. 生態(tài)型的改變 植物在重金屬污染土壤上也常采取改變生態(tài)型的方式而生存下來，常表現(xiàn)為植物生長得特別肥大或矮小。植物通過生態(tài)型的改變以適應(yīng)重金屬脅迫，增強(qiáng)對(duì)重金屬的抗性，進(jìn)而得以在重金屬污染土壤上生存下來，形成

17、了重金屬污染土壤（或金屬礦區(qū)）特有的植物區(qū)系，甚至演化成變種或新種。5.5.3 重金屬的植物修復(fù)機(jī)理5.5.3.1 植物對(duì)重金屬的運(yùn)移（1）重金屬到達(dá)植物根（或葉）表面兩條途徑： a. 質(zhì)體流途徑，即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時(shí)與水一起到達(dá)植物根部； b. 擴(kuò)散途徑，即通過擴(kuò)散而到達(dá)根表面。擴(kuò)散距離：式中，D擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s； T時(shí)間，s。 重金屬主要通過質(zhì)體流途徑到達(dá)根表面（2）重金屬跨根細(xì)胞膜運(yùn)輸植物吸收環(huán)境中的重金屬有兩種方式： 一、 細(xì)胞壁等質(zhì)外空間的吸收； 二、 重金屬透過細(xì)胞膜進(jìn)人細(xì)胞。a. 不帶電荷分子的跨膜擴(kuò)散假設(shè)分子從膜一側(cè)通過膜進(jìn)入另一側(cè)的速度為v， 則 VPA(

18、C1-C2) 式中：P膜的擴(kuò)散系數(shù)； A脂質(zhì)區(qū)域的面積； C1、C2膜外側(cè)與膜內(nèi)側(cè)的溶質(zhì)濃度。b. 帶電離子的跨膜擴(kuò)散 金屬離子從膜的外側(cè)進(jìn)入膜時(shí)，根據(jù)兩相(水相和脂質(zhì)相)中吉布斯自由能的變化，可得到金屬離子在水溶液中和磷脂雙分子層間的分配系數(shù)： 式中， Cmem 、Cwat膜相、水相中的金屬離子濃度； ui0(w)水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)勢； ui0(m)磷脂膜表面的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)勢。僅靠擴(kuò)散，金屬離子很難進(jìn)入和通過生物膜促進(jìn)離子運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)力：化學(xué)勢、電位差及其摩擦力等 圖5-4 金屬離子跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞剑?）重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)移 a. 穿過根表面的重金屬到達(dá)內(nèi)皮層的運(yùn)輸 b. 重金屬在木質(zhì)部運(yùn)輸 金屬

19、離子從根系轉(zhuǎn)移到地上部分的兩個(gè)過程： 1、從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)載到導(dǎo)管 2、導(dǎo)管中運(yùn)輸木質(zhì)部裝載過程的能量來自本質(zhì)部薄壁細(xì)胞膜上的HATPase產(chǎn)生的負(fù)性跨膜電勢。在超積累植物中，可能存在更多的離子運(yùn)輸體或通道蛋白，從而促進(jìn)重金屬向木質(zhì)部裝載 。 c. 重金屬在葉細(xì)胞中的分布 在組織和細(xì)胞水平，重金屬在超積累植物的葉片中部存在區(qū)域化分布： 1、組織水平上：表皮細(xì)胞、亞表皮細(xì)胞和表皮毛中； 2、細(xì)胞水平上，主要分布在質(zhì)外體和液泡。 5.5.3.2 重金屬的植物修復(fù)機(jī)理類型（1）植物提取利用專性植物根系吸收一種或幾種有毒金屬，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到植物莖葉，然后收割莖葉，異地處理。適應(yīng)重金屬脅迫的植物

20、a. 重金屬排異性植物 不吸收或少吸收重金屬元素； 將吸收的重金屬鈍化在植物的地下部分，使其不向地上部分轉(zhuǎn)移； b. 重金屬超級(jí)累植物 大量吸收重金屬元素，植物仍能正常生長。 2超富集植物地上部富集系數(shù)大于11生活在重金屬污染程度較高的土壤上的植物地上部生物量沒有顯著減少超富集植物區(qū)別于普通植物的表現(xiàn)特征：51600Thlaspi caerulescens（天藍(lán)葛藍(lán)菜）Zn47500Psychotha douarrei（九節(jié)木屬）Ni5000Pteris vittata L.（蜈蚣草）As8200Thlaspi rotundifolium（圓葉葛藍(lán)菜）Pb10200Haumaniastrum robertii（蒿薺草屬）Co12300Ipooea alpina（高山甘薯）Cu1800Thlaspi caerulescens（天藍(lán)葛藍(lán)菜）Cd超量積累含量/（mg/kg）植物種金屬表5-1 已知植物地上部分超量積累的金屬含量現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)對(duì)Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Se、Mn、Zn的超積累植物400余種，其中73為Ni超積累植物。 超量積累植物資源 ：常規(guī)育種：篩選突變株 將超量積累植物與生物量高的親緣植物雜交 轉(zhuǎn)基因育種： 通過引入金屬硫蛋白（metallothioneins）基因或引入編碼Mer A（汞離子還原酶）的半合成基因