重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)

重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)匯報(bào)成員：舒鑫，於陽(yáng)，李剛，梁國(guó)強(qiáng)，陸榆豐匯報(bào)時(shí)間：2014年5月4日目錄（contents）1重金屬植物修復(fù)技術(shù)機(jī)理概述2重金屬污染修復(fù)植物種類及超累積/富集植物生理機(jī)制3重金屬植物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀4重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)案例分析5重金屬植物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題及改善措施重金屬植物修復(fù)技術(shù)機(jī)理概述土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些污染的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系消除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染治理技術(shù)。

與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，該技術(shù)成本低、過(guò)程簡(jiǎn)單，且環(huán)境友好。植物修復(fù)一般針對(duì)污染環(huán)境的重金屬。1植物修復(fù)技術(shù)分類2植物與重金屬污染物作用機(jī)理3植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理植物揮發(fā)：植物過(guò)濾：植物穩(wěn)定：植物提?。褐参镛D(zhuǎn)化：植物輔助生物修復(fù)：利用植物對(duì)重金屬的吸收，通過(guò)收獲地上部來(lái)達(dá)到減少土壤重金屬的目的。植物將揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中。二甲基硒、二甲基二硒利用特定植物的根或植物的分泌物固定重金，以降低其生物有效性。不易移動(dòng)的物質(zhì)指污染物被植物根系吸收后通過(guò)體內(nèi)代謝活動(dòng)來(lái)過(guò)濾、降解污染物質(zhì)的毒性。Cr6+Cr3+1、植物修復(fù)幾種模式通過(guò)土壤中植物根系及其周圍微生物的活動(dòng)，把有機(jī)污染物分解為小分子產(chǎn)物，或完全礦化為CO2.H2O，去除其毒性植物吸收污染物后，在體內(nèi)同化污染物或釋放出某種酶，將有毒物質(zhì)降解為無(wú)毒物質(zhì)植物修復(fù)技術(shù)分類植物的提取

利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬萃取出來(lái)，富集并搬運(yùn)到植物根部可收割部分和植物地上的枝條部位。適合植物萃取的理想植物應(yīng)具有忍耐和積累高含量污染物；生長(zhǎng)速度快、周期短、生物量高、個(gè)體高大；植物對(duì)農(nóng)業(yè)措施如施肥等產(chǎn)生積極的反應(yīng)，利于反復(fù)種植，多次收割。目前常用植物有：蕓苔屬植物（印度芥菜等）、油菜、工業(yè)用的大麻等。植物修復(fù)技術(shù)分類植物的提取連續(xù)植物提取:誘導(dǎo)植物提取:植物在整個(gè)生命周期中都能吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和忍耐高含量的重金屬。某些植物只能在一段時(shí)期內(nèi)吸收重金屬，或整個(gè)生命期中都吸收但吸收量很低，輔以絡(luò)合劑等理化措施誘導(dǎo)植物積累更多金屬元素。EDTA、DTPA檸檬酸等植物修復(fù)技術(shù)分類根際過(guò)濾技術(shù)利用超積累植物或耐重金屬植物從污水中吸收、沉淀和富集有毒金屬。適用于根際過(guò)濾技術(shù)的植物必須有較大的根系生物量，最好是須根植物。日前常用的植物有各種耐鹽的野草如佛吉尼亞鹽角草（salicorniavirginica）、牙買加克拉莎草（Cladiumjamaicense）、鹽地鼠尾粟（sporoblusvirginicus）、雜交楊樹、印度芥菜、向日葵及各種水生植物如寬葉香浦等。植物修復(fù)技術(shù)分類植物固化技術(shù)利用耐重金屬植物或超積累植物降低重金屬的活性，從而減少重金屬被淋濾到地下水或通過(guò)空氣載體擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性。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、根子發(fā)達(dá)的多年生綠葉植物。植物修復(fù)技術(shù)分類植物輔助生物修復(fù)技術(shù)通過(guò)根圈范圍內(nèi)植物的活動(dòng)刺激微生物的生物降解的植物修復(fù)過(guò)程。一般情況下，植物本身不能吸收重金屬，但植物的根子分泌物如氨基酸、糖、酶等物質(zhì)能促進(jìn)根子周圍土壤的微生物的活性和生化反應(yīng)，有利于重金屬的釋放和土壤中有機(jī)化合物的降解。桑樹、桑橙樹和蘋果樹被人們用來(lái)刺激能降解多氯聯(lián)苯(PCBS)和多環(huán)芳烴（PAH）的微生物生長(zhǎng)，它們的根際產(chǎn)物包含黃酮類化合物和氧雜萘鄰?fù)Ｖ参镄迯?fù)技術(shù)分類植物轉(zhuǎn)化技術(shù)通過(guò)植物新陳代謝作用降解環(huán)境污染物的過(guò)程。植物轉(zhuǎn)化取決于污染物從土壤和水體中直接吸收和在植物器官中新陳代謝的積累。植物轉(zhuǎn)化目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括石化產(chǎn)品污染地和貯藏地、武器彈藥廢棄物、燃料溢出物、氯化溶劑、垃圾掩埋中的淋濾物、農(nóng)用化合物（殺蟲劑和化肥）等。植物修復(fù)技術(shù)分類植物揮發(fā)技術(shù)利用一些植物來(lái)促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，并將之揮發(fā)出土壤和植物表面。一些植物在植物體內(nèi)能將Se、As和Hg等甲基化而形成可揮發(fā)性的分子釋放到大氣中去。植物修復(fù)技術(shù)分類印度芥菜在高濃度可溶性Pb營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)一段時(shí)間后,莖中Pb含量達(dá)到1.5％；印度芥菜還能吸收積累Cr、Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬．植物提取應(yīng)用東南景天(SedumalfrediiH)——由楊肖娥等發(fā)現(xiàn)的第一種Zn超富集植物。

地上部的Zn含量達(dá)5000ppm.富集系數(shù)達(dá)1.9以上。

鴨跖草：Cu蜈蚣草：As植物修復(fù)技術(shù)分類商陸：Mn植物與重金屬污染物作用機(jī)理根據(jù)植物修復(fù)技術(shù)的類型，利用超積累植物治理重金屬污染的機(jī)理分為植物穩(wěn)定或固化、植物揮發(fā)和植物吸收等三種類型：

植物穩(wěn)定或固化（phytostabilizationorphytoimmbolization）

植物吸收（phytoextraction）

植物揮發(fā)（phytovolalization）植物與重金屬污染物作用機(jī)理植物穩(wěn)定或固化

植物穩(wěn)定是利用植物吸收和沉淀來(lái)固定土壤中的大量有毒金屬，以降低生物有效性和防止其進(jìn)入地下水和食物鏈，從而減少其對(duì)環(huán)境和人類健康的污染風(fēng)險(xiǎn)。

植物在植物穩(wěn)定中有兩種主要功能：(1)保護(hù)污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來(lái)防止金屬污染物的淋移；(2)通過(guò)在根部累積和沉淀或通過(guò)根表吸收金屬來(lái)加強(qiáng)對(duì)污染物的固定。

此外，植物還可以通過(guò)改變根際環(huán)境（PH，PE）來(lái)改變污染物的化學(xué)形態(tài)。

在這個(gè)過(guò)程中根際微生物（細(xì)菌和真菌）也可能發(fā)揮重要作用。

例如Cr6+具有較高的毒性，而通過(guò)轉(zhuǎn)化形成的Cr3+溶解性很低，基本沒(méi)有毒性。

Cunningham等研究了植物對(duì)環(huán)境中土壤Pb的固定，發(fā)現(xiàn)一些植物可降低Pb的生物可利用性，緩解Pb對(duì)環(huán)境中生物的毒害作用。植物與重金屬污染物作用機(jī)理植物吸收

植物吸收是利用專性植物根系吸收一種或幾種污染物特別是有毒金屬，并將其轉(zhuǎn)移、貯存到植物莖葉，然后收割頸葉，從而達(dá)到去除土壤重金屬元素的目的。

通常也稱為植物萃取。專性植物通常指超積累植物，可以從土壤中吸取和積累超尋常水平的有毒金屬，例如十字花科遏藍(lán)菜屬植物具有很強(qiáng)的吸收Z(yǔ)n和Cd的能力。

目前被作為植物超積累研究的模式植物。（這是由于這些植物中鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族）。植物與重金屬污染物作用機(jī)理植物揮發(fā)植物的揮發(fā)與植物吸收是相連的。它是利用植物的吸取、積累、揮發(fā)而減少土壤污染物，即利用一些植物來(lái)促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，并將之揮發(fā)出土壤或植物表面。目前這方面研究最多的是類金屬元素Hg和非金屬元素Se。Hg(Ⅱ)厭氧菌甲基汞(MeHg)植物吸收植物體內(nèi)Hg(Ⅱ)merAMerA植物吸收merB基因?qū)胫参矬w內(nèi)MeHgMerBHg(Ⅱ)+CH4以汞的去除為例：影響植物修復(fù)的因素PH值Eh（氧化還原電位）共存物質(zhì)污染物的交互作用生物因子從環(huán)境條件的角度看，污染物的可修復(fù)性并不是污染物本身固有的，而是環(huán)境狀態(tài)表現(xiàn)的結(jié)果改變了環(huán)境狀態(tài)，本來(lái)難以修復(fù)的污染物可能變得易修復(fù)了。植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理PH值土壤酸度對(duì)重金屬化合物的溶解與沉淀平衡的影響較為復(fù)雜。土壤中絕大多數(shù)重金屬是以難溶態(tài)存在的，其可溶性受PH值控制，即土壤重金屬隨著PH值增加而發(fā)生沉淀，進(jìn)而影響到植物的吸收與利用。

首先，大多數(shù)重金屬元素（Cd、Zn、Cu等）隨土壤溶液PH值降低，其在土壤液相中的濃度就會(huì)增加，從而有利于植物吸收重金屬。例如：超積累植物Caerulescens吸收Z(yǔ)n、Cd量的大小是隨土壤PH值下降而增加。其次，重金屬元素的離子活度隨土壤溶液PH值的降低而增加。例如，當(dāng)土壤溶液PH值由6.6降低到3.9時(shí)，溶液中的有機(jī)Cu幾乎由99%降低至30%，極大地增加了Cu2+離子的活度。此外，對(duì)類金屬性As等，因其在土壤中以陰離子形式存在，提高PH值將使土壤顆粒表面的負(fù)電荷增多，從而減弱As在土壤顆粒上的吸附作用，增大土壤溶液中的As含量，植物對(duì)As的吸收增加。植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理Eh（氧化還原電位）重金屬在不同的氧化還原狀態(tài)下，有不同的形態(tài)且可互相轉(zhuǎn)化。例如，在還原條件下，有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd最穩(wěn)定，但在氧化條件下，有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘則被轉(zhuǎn)化為生物可利用的水溶態(tài)、可交換態(tài)或溶解絡(luò)合態(tài)而釋放到水體中，并隨Eh增大，其釋放量增多。植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理共存物質(zhì)1.絡(luò)合——螯合劑植物對(duì)金屬離子的吸收與離子在溶液中的活度有關(guān)，螯合劑可增加金屬離子的溶解度但降低離子的活度。絡(luò)合劑首先與土壤溶液中的可溶性金屬離子結(jié)合，以防止金屬沉淀或吸附在土壤上。隨著自由離子的減少，被吸附態(tài)或結(jié)合態(tài)的金屬離子開始溶解，以補(bǔ)償平衡的移動(dòng)。例如，EDTA和DTPA在增加植物吸收Pb方面有效，而EGTA則對(duì)Cd最有效。2.表面活性劑表面活性劑對(duì)土壤中微量重金屬陽(yáng)離子具有增溶作用和增流作用，而且表面活性劑的鏈越長(zhǎng)，其效應(yīng)越高。表面活性劑對(duì)土壤重金屬具有解吸作用，而且當(dāng)有重金屬存在的情況下，表面活性劑本身在土壤上的被吸附較弱。例如，用LAS、CTAB、Tween—80等三類表面活性劑與鎘的復(fù)合污染對(duì)小麥生理狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)三種表面活性劑都能促進(jìn)小麥對(duì)鎘的吸收，其作用順序?yàn)镃TAB＞LAS＞Tween—80；使用陰離子型SDS、陽(yáng)離子型CTAB、非離子型TX100等三種表面活性劑以及EDTA和DPC（二苯基硫卡巴腙）等兩種螯合劑修復(fù)Cd、Pb、Zn污染土壤，發(fā)現(xiàn)SDS、TX100能顯著促進(jìn)重金屬的解吸，而CTAB則相反。植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理污染物的交互作用

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，往往有多種化學(xué)物質(zhì)同時(shí)存在，它們對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的生物學(xué)作用與任何單獨(dú)化學(xué)物質(zhì)作用于環(huán)境所產(chǎn)生的生物學(xué)作用完全不同。通常情況下，單種污染物對(duì)環(huán)境的孤立影響比較少見(jiàn)；在大多數(shù)情況下，往往是多種污染物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生復(fù)合污染。

污染物的聯(lián)合作用方式有下面四種類型：

（1）協(xié)同作同：是指兩種或兩種以上化學(xué)物質(zhì)同時(shí)或數(shù)分鐘內(nèi)先后與機(jī)體接觸，多種化學(xué)物質(zhì)聯(lián)合作用的毒性，大于各單個(gè)物質(zhì)毒性的總和。

（2）相加作用：指多種化學(xué)物質(zhì)的混合物，其污染物的聯(lián)合作用所產(chǎn)生的毒性為各單個(gè)物質(zhì)產(chǎn)生毒性的總和。

（3）獨(dú)立作用：指多種化學(xué)物質(zhì)各自對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒性作用機(jī)理各不相同、互不影響，

獨(dú)立作用產(chǎn)生的總效應(yīng)低于相加作用，但不低于其中活性最強(qiáng)者。

（4）拮抗作用：指兩種或兩種以上化學(xué)物質(zhì)同時(shí)作用于生物體，其中一種化學(xué)物質(zhì)可干擾另一種化學(xué)物質(zhì)原有的生物學(xué)作用，并使其減弱，其聯(lián)合作用的毒性小于單個(gè)化學(xué)物質(zhì)毒性的總和。植物積累重金屬污染物的環(huán)境因素作用機(jī)理生物因子菌根真菌作為植物根系與土壤的微生物，能夠把重金屬固定積聚在菌根內(nèi)，致使植物吸收大量重金屬而又不受生理毒害。許多植物修復(fù)需要多種微生物的協(xié)同作用。這種協(xié)同有不同的類型，一種情況是單一菌種不能降解，混合后可以降解；另一種情況是單一菌種都可以降解，但混合后降解的速率超過(guò)單一菌種的降解速率之和。植物吸收和積累重金屬的機(jī)理過(guò)程活化：根系通過(guò)改變根系環(huán)境如分泌有機(jī)酸，提高金屬離子有效性，與土壤顆粒競(jìng)爭(zhēng)獲得重金屬離子。吸收：被根部細(xì)胞細(xì)胞壁捕獲，低親和性、低選擇性的離子交換過(guò)程。運(yùn)輸：通過(guò)共質(zhì)體運(yùn)輸穿越根內(nèi)皮層中的凱氏帶；轉(zhuǎn)運(yùn)到中柱釋放進(jìn)入木質(zhì)部；與木質(zhì)部中大量存在的有機(jī)酸和氨基酸結(jié)合運(yùn)往地上部分。

轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及細(xì)胞內(nèi)的高親和性結(jié)合位點(diǎn)介導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)離子的跨膜運(yùn)輸。受膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白嚴(yán)格調(diào)控分布和貯存：經(jīng)木質(zhì)部汁液運(yùn)輸?shù)饺~細(xì)胞的重金屬經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白卸載進(jìn)入葉共質(zhì)體，再經(jīng)葉共質(zhì)體或質(zhì)外體在葉細(xì)胞各組分間進(jìn)行分配。植物液泡往往是金屬離子鈍化后的儲(chǔ)存場(chǎng)所，在液泡內(nèi)形成有機(jī)酸復(fù)合物，積累并起到解毒作用。重金屬污染修復(fù)植物種類及超累積/富集植物生理機(jī)制重金屬污染修復(fù)植物種類超累積/富集植物概念、特征和生理機(jī)制超累積/富集植物對(duì)重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機(jī)制超累積植物的標(biāo)準(zhǔn)重金屬污染修復(fù)植物種類重金屬污染修復(fù)植物種類

超富集植物中，73%為Ni超富集植物，達(dá)227種；Cu和Co的超富集植物有約50種，Cu的約24種，CO的約26種，其中有9種對(duì)Cu和CO都有超富集能力。Ni的超富集植物主要分布于津巴布韋、新喀里多尼亞、古巴、西澳大利亞、南歐、美國(guó)西部、亞洲的馬來(lái)群島；Cu和Co的超富集植物多產(chǎn)于非洲扎伊爾沙壩銅礦帶。

我國(guó)有廣袤的國(guó)土、豐富的植物資源、復(fù)雜多樣的地理地質(zhì)構(gòu)造，有可能蘊(yùn)藏著大量超富集植物，為我國(guó)開展研究提供了良好的條件。但從總體來(lái)看，我國(guó)對(duì)超富集植物種類研究少，有關(guān)重金屬超富集體的報(bào)道也很少，目前我國(guó)僅報(bào)導(dǎo)了12種金屬和重金屬的超富集植物。1.超累積植物的概念：超累積/富集植物概念、特征和生理機(jī)制超富集植物是指那些能夠超量積累重金屬等污染物的植物，通常指對(duì)重金屬等污染物的吸收量超過(guò)一般植物10~500倍以上的植物。超富集植物往往是長(zhǎng)期生長(zhǎng)在重金屬含量較高的土壤上，經(jīng)過(guò)不斷的生物進(jìn)化或遺傳工程培育誘導(dǎo)而形成的。2.超累積植物特征：重金屬離子的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬離子的螯合重金屬離子的區(qū)室化重金屬離子的轉(zhuǎn)化抗氧化系統(tǒng)的防御作用超累積/富集植物概念、特征和生理機(jī)制1.根際圈重金屬的活化超累積/富集植物對(duì)重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機(jī)制根系分泌質(zhì)子促進(jìn)對(duì)重金屬的活化。根系分泌低分子量有機(jī)酸如乙酸和琥珀酸等酸化根際圈環(huán)境，促進(jìn)重金屬的溶解。同時(shí)有機(jī)酸也可以與固相結(jié)合的重金屬形成螯合物，增強(qiáng)重金屬的溶解度；根系分泌金屬螯合分子如植物高鐵載體、植物螯合肽等，促進(jìn)土壤中結(jié)合態(tài)Fe、Zn、Cu、Mn等的溶解；根細(xì)胞膜上某些專一性重金屬還原酶能促進(jìn)高價(jià)金屬離子還原，從而使重金屬溶解度增加。2.超積累植物對(duì)重金屬的吸收與運(yùn)輸①根系對(duì)重金屬的選擇性吸收。超積累植物通常只對(duì)某一種或幾種重金屬具有超積累能力，對(duì)其它重金屬則沒(méi)有超積累特性，其主要原因可能在于根系的選擇性吸收。超積累植物和普通植物一樣也通過(guò)質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑吸收土壤中包括重金屬在內(nèi)的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，重金屬也基本上以離子或金屬螯合物的形態(tài)進(jìn)入植物體內(nèi)。產(chǎn)生選擇性吸收的可能機(jī)制在于根表細(xì)胞膜或根木質(zhì)部細(xì)胞的質(zhì)膜上，可能存在重金屬誘導(dǎo)產(chǎn)生的專一性運(yùn)輸?shù)鞍谆蛲ǖ勒{(diào)控蛋白，限制著重金屬?gòu)耐寥肋M(jìn)入到根部，再?gòu)母康街参锲渌课坏倪\(yùn)輸；超累積/富集植物對(duì)重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機(jī)制超累積/富集植物對(duì)重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機(jī)制②重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移。重金屬離子從根表進(jìn)入根系后，可通過(guò)質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑運(yùn)輸，但由于重金屬離子不能通過(guò)內(nèi)皮層凱氏帶，只有轉(zhuǎn)入共質(zhì)體途徑才能進(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管，這一運(yùn)輸途徑是植物將重金屬轉(zhuǎn)移到地上部的限制性步驟。進(jìn)入根中的重金屬通過(guò)運(yùn)輸體或通道蛋白進(jìn)入液泡，再通過(guò)液泡的區(qū)室化作用進(jìn)行解毒，同時(shí)也限制了重金屬向地上部的運(yùn)輸，這也許是普通植物根部重金屬含量高于地上部含量的一個(gè)原因。但超積累植物的液泡膜上可能存在一些特殊運(yùn)輸體，可以把液泡中重金屬裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管以利于向地上部運(yùn)輸。超累積/富集植物對(duì)重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機(jī)制3.超積累植物對(duì)重金屬的積累機(jī)制

超積累植物對(duì)重金屬的積累表現(xiàn)出區(qū)室化分布和具有較強(qiáng)解毒能力的特點(diǎn)，這與普通植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)理有相似之處，只不過(guò)功能更強(qiáng)大。研究表明，超積累植物體內(nèi)重金屬在細(xì)胞水平上主要分布在液泡及質(zhì)外體等非生理活性區(qū)，在組織水平上，主要分布在表皮細(xì)胞、亞表皮細(xì)胞中，而與有機(jī)化合物如PCs、組氨酸、檸檬酸的螯合可能是主要的解毒機(jī)制。超累積植物的標(biāo)準(zhǔn)即使在污染物濃度較低的情況下，也有較高的累積率；能在植物體內(nèi)富集較高濃度的污染物；植物能同時(shí)吸收累積多種重金屬污染物；植物生長(zhǎng)快，生物量大；植物具有抗蟲、抗病的能力。重金屬植物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀技術(shù)研究發(fā)展歷程簡(jiǎn)述a.50-70年代開始植物修復(fù)技術(shù)理論研究這一階段的研究工作使人們初步認(rèn)識(shí)了植物忍耐重金屬的機(jī)理，提出了回避機(jī)制、排除機(jī)制、細(xì)胞壁作用機(jī)制、重金屬進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)機(jī)制、重金屬與各種有機(jī)酸結(jié)合機(jī)制、酶適應(yīng)機(jī)制、滲透調(diào)節(jié)機(jī)制等。這些“機(jī)制”的提出，使人們對(duì)植物忍耐重金屬的機(jī)理有了一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)。b.70年代至90年代初對(duì)超積累植物的研究

1977年Brooks提出了超積累植物的概念，1983年haney提出了利用超積累植物消除土壤重金屬污染的思想。隨后,有關(guān)耐重金屬植物與超積累植物的研究逐漸增多，植物修復(fù)作為一種安全、廉價(jià)的污染土壤的治理技術(shù)被提出，并成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。c.90年代后，利用基因工程改造超級(jí)累植物20世紀(jì)90年代至今，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在植物修復(fù)中的應(yīng)用日臻成熟。鑒別和分離出的基因種類有所增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，科技手段和技術(shù)水平不斷提高，逐步形成了一套比較完善的理論和技術(shù)體系。在理論研究的同時(shí)，國(guó)外在植物修復(fù)技術(shù)的開發(fā)與推廣方面也做了大量的開創(chuàng)性工作。

植物提取(Phytoextraction)植物固化(Phytostabilization)植物揮發(fā)(phytovolatilization)根系過(guò)濾(Rhizofiltration)

植物修復(fù)的技術(shù)現(xiàn)狀即利用重金屬超積累植物(hyperaccumulators)從土壤中吸取金屬污染物，隨后收割地上部并進(jìn)行集中處理，連續(xù)種植該植物，達(dá)到降低或去除土壤重金屬污染的目的.植物提取技術(shù)持續(xù)植物提取技術(shù)持續(xù)植物提取依賴于一些重金屬超富集植物，在其整個(gè)生命周期能夠吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和忍耐高含量的重金屬。關(guān)鍵:植物超積累或富集重金屬的能力超積累植物：蜈蚣草、遏藍(lán)菜、印度芥菜、東南景天、寶山堇菜等Baker等田間試驗(yàn)顯示超積累植物遏藍(lán)菜(Thlaspicaerulescens)在土壤含鋅440mg/kg時(shí)，地上部分鋅含量是土壤全鋅的16倍，若把土壤含鋅量降低到300mg/kg的歐盟允許標(biāo)準(zhǔn)，只需種植遏藍(lán)菜14次.即利用鰲合劑,通過(guò)施用鰲合劑使土壤固相鍵合的金屬釋放，增加土壤溶液中的重金屬濃度，大幅度提高植物對(duì)重金屬的吸收和富集能力。

適用于在土壤中極難移動(dòng)的污染元素印度芥菜、玉米、向日葵、蠶豆螯合劑（EDTA、HEDTA和CDTA）對(duì)鉛、鋅、鎘和銅的富集增加誘導(dǎo)植物提取技術(shù)鰲合劑的施用可使玉米、豌豆地上部Pb含量從小于5OOmg/kg增加到大于10000mg/kg。玉米、豌豆地上部分的Pb含量原始5007010000mg/kg誘導(dǎo)植物提取技術(shù)植物固定技術(shù)

是指利用一些植物來(lái)促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘孕螒B(tài)的過(guò)程。在這一過(guò)程中，土壤的重金屬含量并不減少，只是形態(tài)發(fā)生變化。

分解、沉淀、螯合、氧化還原等過(guò)程土壤PbPbPbPb植物根系惰性Pb土壤Cr6+Cr3+Kumar等在含鉛625mg/kg的土壤盆栽處理中種植印度芥菜,3個(gè)星期后使淋溶液中的鉛含量由740μg/mL下降到22μg/mL。生物有效性最強(qiáng)毒性減弱印度芥菜植物穩(wěn)定并沒(méi)有徹底清除土壤中的重金屬只是將其固定，使其對(duì)環(huán)境中的生物暫時(shí)不產(chǎn)生毒害作用，沒(méi)有從根本上解決重金屬的污染問(wèn)題。如果環(huán)境條件發(fā)生變化，重金屬的生物有效性又會(huì)發(fā)生改變。因此植物穩(wěn)定的持久性令人懷疑。植物揮發(fā)技術(shù)其機(jī)理是利用植物根系吸收金屬，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)到大氣中，以降低土壤污染。目前研究較多的是Hg和Se.Hg2+Se3+Hg2+CH3SeCH3+CH3Se2CH3（氣態(tài)）洋麻、紫云英、印度芥菜Hg2+Hg攜有細(xì)菌Hg還原酶基因merA的植物低毒Se3+Se3+ATP硫化酶

植物揮發(fā)為環(huán)境中具有生物毒性汞的去除提供了一種潛在的可能性。

植物揮發(fā)時(shí)將環(huán)境中的重金屬轉(zhuǎn)移至大氣，若從區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量考慮，利用植物揮發(fā)修復(fù)重金屬污染，應(yīng)以不損害大氣質(zhì)量為前提。根系過(guò)濾技術(shù)指利用植物根部過(guò)濾、沉淀土壤、富集污染物。目前用于根系過(guò)濾的植物有向日葵、印度芥菜、寬葉、香蒲及煙草等。根系過(guò)濾主要用于重金屬污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr污染的水體。水科植物浮萍和水葫蘆可有效吸收清除水體中的Cd，Cu和As等重金屬。超積累植物的研究進(jìn)展超富集植物是指能超量吸收上壤重金屬并將其運(yùn)移到地上部的植物，是植物修復(fù)的核心和基礎(chǔ)。

超富集植物的特征：1.可以耐受高水平的重金屬;2.地上部超量積累某種或幾種重金屬時(shí),不影響植物的正常生長(zhǎng),通常超出普通植物的100倍以上；3.轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)；4.生長(zhǎng)迅速，生物量大；5.根系發(fā)達(dá)；

元素CdNiPbCuZnMn臨界值（mg/kg）1001000100010001000010000迄今發(fā)現(xiàn)超積累植物700種,廣泛分布于約50個(gè)科,但絕大多數(shù)屬于鎳超積累植物中國(guó)已發(fā)現(xiàn)的典型重金屬超積累植物龍葵寶山堇菜遏藍(lán)菜Zhao等研究表明，在含Cd濃度19mg/kg的工業(yè)污染土壤種植收割遏藍(lán)菜6次，即可使土壤Cd下降至3mg/kg

.商陸是Mn超積累植物，薛生國(guó)等研究表明當(dāng)Mn供應(yīng)水平達(dá)到12000μM/L時(shí)，葉片錳含量達(dá)到36380mg/kg，生物富集系數(shù)為55。不同錳供應(yīng)水平下，商陸吸收的錳有87%一95%被轉(zhuǎn)移到地上部分。由楊肖娥等發(fā)現(xiàn)的第一種Zn超富集植物。地上部的Zn含量達(dá)5000ppm蜈蚣草的砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為10-25,砷濃度可達(dá)普通植物砷濃度的數(shù)十萬(wàn)倍;羽片的砷濃度甚至超過(guò)10000mg/kg.超積累植物的研究流程植物的發(fā)現(xiàn)植物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析具有此特性的生理機(jī)制找到具有此特性的作用因子改變外界和自身?xiàng)l件達(dá)到理想效果陳同斌等在湖南石門礦周圍對(duì)100多種植物進(jìn)行分析鑒定,最終鎖定蜈蚣草對(duì)As具有超富集作用；近年來(lái)，通過(guò)對(duì)蜈蚣草不斷的分析和研究，得出了蜈蚣草對(duì)As富集的相關(guān)作用因子通過(guò)采取不同的措施進(jìn)而提高蜈蚣草對(duì)As的吸收效率，達(dá)到理想的結(jié)果。蜈蚣草作用因子形態(tài)結(jié)構(gòu)

根系對(duì)砷的吸收能力強(qiáng)，向地上的轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，砷儲(chǔ)存和區(qū)隔化功能強(qiáng)，微生物群落利于砷富集。生理生化

磷高效抑制砷中毒，抗氧化脅迫能力強(qiáng)，對(duì)五價(jià)砷還原能力強(qiáng)，對(duì)三價(jià)砷有絡(luò)合功能。分子生物學(xué)

砷酸鹽還原酶基因，TPI同源基因，植絡(luò)素合成酶基因。

改進(jìn)措施對(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)：一是運(yùn)用物理、化學(xué)及農(nóng)藝措施促進(jìn)對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)；二是分離鑒定并合理利用相關(guān)微生物。對(duì)于生理生化：蜈蚣草體內(nèi)砷代謝過(guò)稱的更深入的研究；催化相關(guān)生化反應(yīng)的酶學(xué)研究。對(duì)于分子生物學(xué)：將三價(jià)砷甲基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)氤患参?；其他特異性功能基因的克隆和表征；更理想修?fù)植物品種的培育。總之,超積累植物對(duì)重金屬的脅迫有多方面的防衛(wèi)機(jī)制,通常是幾種機(jī)制同時(shí)發(fā)揮作用,不能用單一的耐性機(jī)理來(lái)解釋植物對(duì)重金屬的耐性。而且對(duì)于不同的超積累植物,起主導(dǎo)作用的機(jī)制可能不同。目前,超積累植物的研究雖然獲得一定的進(jìn)展,但這些研究?jī)H限于少數(shù)幾種超積累植物,而且這些植物大多生長(zhǎng)速度緩慢、植物矮小、生物量小、地域性強(qiáng),大多只能修復(fù)一種重金屬污染,并且至今對(duì)其分子和生理機(jī)制仍不很清楚，所以就需要人們從不同方向研究超積累植物。重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)案例分析

美國(guó)EdenspaceSystems公司是一家從事污染土壤和水體修復(fù)工作的公司。/EdenspaceSystems

Simsbury.Connecticut1998年，美國(guó)康涅狄格州(Connecticut)的錫姆斯伯里地區(qū)(Simsbury)。面積約0.195hm2的Pb污染土壤進(jìn)行了植物修復(fù)；Ensign-Bickford公司的空?qǐng)鋈紵捅▽?dǎo)致；平均總Pb濃度635mg?kg-1，個(gè)別地點(diǎn)Pb濃度高達(dá)1000~4000mg?kg-1；該地土壤為粉沙壤土，pH6.15~7.15；每年4~10月生長(zhǎng)季節(jié)，土壤含水量飽和。采取的措施主要是：1)增施氮、磷、鉀肥提高土壤肥力，采用白云石石灰調(diào)節(jié)土壤pH；2)石灰和肥料施加深度為15~20cm，建立噴灌灌溉系統(tǒng)使土壤保持濕潤(rùn)；3)種植印度芥菜(Brassicajuncea)和朝陽(yáng)花(Helianthusan-uus)；4)通過(guò)噴灌系統(tǒng)增施葉肥。植物修復(fù)效果：

6個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，土壤中總Pb濃度下降到478mg?kg-1。

在芥菜和朝陽(yáng)花干重中Pb的平均積累量達(dá)到1000mg?kg-1。EdenspaceSystems公司選取的修復(fù)方法是以植物提取為中心，以施肥、施加石灰以及建立噴灌系統(tǒng)等措施為輔助。整個(gè)方法實(shí)現(xiàn)了植物、物理、工程等措施的有機(jī)結(jié)合。從修復(fù)過(guò)程而言，首先是調(diào)查了解土壤基本性質(zhì)和污染情況；其次是通過(guò)施肥、施加石灰以及建立噴灌系統(tǒng)等農(nóng)藝、物理、工程等措施改善基礎(chǔ)環(huán)境；再次是采用芥菜和朝陽(yáng)花進(jìn)行植物提取修復(fù)，并在修復(fù)過(guò)程中通過(guò)灌溉系統(tǒng)噴施葉肥，為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增加植物生物量的同時(shí)也促進(jìn)了植物的修復(fù)效率。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pb污染土壤的成功修復(fù)，提高了土壤的服務(wù)功能。

Bayonne.NewJersey1996年，美國(guó)新澤西州(NewJesery)的貝永地區(qū)(Bayonne)。電纜制造業(yè)污染工業(yè)區(qū)，導(dǎo)致土壤中高濃度鉛污染；表層土壤(1-15cm)的Pb污染濃度達(dá)1000~6500mg/Kg，平均達(dá)2055mg/Kg。地下土壤深度15-30cm區(qū)鉛污染濃度較低，780~2100mg/Kg，平均1280mg/Kg；30-45cm深土層濃度從280~8800mg/Kg變化。EdenspaceSystemsCorporation挖掘表層6英寸土壤，并設(shè)置一個(gè)3.5英尺的濃度計(jì)。土壤為堿性條件pH7.9，且由包含2.5%有機(jī)質(zhì)的沙壤土組成。土壤的鉛主要（66%）以碳酸鹽形式賦存。通過(guò)灌溉系統(tǒng)，以2mmol/Kg速度施加含有EDTA的改良劑；芥菜Brassicajuncea作為修復(fù)植物；生長(zhǎng)周期（每6周）進(jìn)行收割；EnhancementofplantuptakeofPbthroughtheuseofsyntheticchelates.特殊農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)土壤水中溶解態(tài)鉛，并添加絡(luò)合劑根系提取運(yùn)輸?shù)角o部蒸騰作用使其富集將表層土壤中鉛濃度由2300mg/Kg降低至420mg/Kg，平均960mg/Kg；地下15-30cm深度土壤，平均鉛濃度由1280mg/Kg降至992mg/Kg；但在30-45cm深度鉛濃度并無(wú)改變。表層土壤鉛平均濃度由2055mg/Kg降至960mg/Kg；添加EDTA的土壤淋濾后沒(méi)有EDTA和鉛溶出；出乎意料的是三茬作物在生長(zhǎng)季節(jié)可以去除如此大量的鉛。

土壤植物修復(fù)工程蜈蚣草剪股穎紫萍遏藍(lán)菜羊矛印度芥菜小麥豬草海石竹歐洲油菜西葫蘆

土壤植物修復(fù)工程3SuperFund美國(guó)超級(jí)基金,修復(fù)面積約7.5畝，來(lái)自電池回收、鑄造和二次冶煉操作導(dǎo)致的嚴(yán)重土壤鉛污染，污染時(shí)間跨度約90年。土壤總鉛污染濃度平均為55480mg/Kg，最高值達(dá)到140500mg/Kg;土壤中鉛最初以碳酸鹽形式存在（41.6%），28.9%以硫酸鹽/殘留態(tài)存在，26.7%以無(wú)機(jī)化學(xué)態(tài)存在;據(jù)估計(jì)有71.4%的土壤總鉛以非殘留態(tài)存在，使得其易被生物利用。超級(jí)基金的供試土壤為pH7.5~8.1的堿性條件。85%的區(qū)域以本土植物種類種植，以草類、豆類和各種多年生植物;由于土壤總鉛的嚴(yán)重污染，所有植物的根部均嚴(yán)重發(fā)育不良，通常不穿透5cm深度;這項(xiàng)研究中應(yīng)用植物通常為麥仙翁（Agrostemmagithago），車前草(Plantagorugelii)，大蒜芥(Alliariaofficinalis),蒲公英(Taraxacumofficinale)，豚草(Ambrosiaartemisiifola)，紅花槭（Acerrubrum）;蒲公英，豚草和紅花槭是在室內(nèi)研究其從鉛污染土壤中提取污染的能力。在室內(nèi)培育研究中，蒲公英成功地從第一輪種植中提取1059mg/Kg和第二批921mg/Kg。豚草成功地從第一輪種植中提取965mg/Kg鉛，在第二輪中增長(zhǎng)到1232mg/Kg。每輪種植允許生長(zhǎng)期60天。去除鉛的作物種類主要為草本植物，可以產(chǎn)生顯著的生物量。

封育植物修復(fù)試驗(yàn).加拿大向日葵種植修復(fù)試驗(yàn).西里西亞.波蘭.重金屬污染物由布散器直接施加于土壤表層，試驗(yàn)地——卡托維茲.波蘭Ex-SituPhytoremediationofPaperMillLandfillLeachate.砂河設(shè)計(jì)及成片部署白楊樹系統(tǒng)，用于修復(fù)造紙廠污泥堆肥滲濾液。北部威斯康星州.美國(guó)向日葵（朝陽(yáng)花）顯著的用途是從切爾諾貝利核電站（1896年）泄漏污染位點(diǎn)周圍土壤和池塘內(nèi)取出銫和鍶（放射性元素）。廣西、云南等地遇到洪水時(shí)，上游堆積的開采礦產(chǎn)中高濃度重金屬的污水就順勢(shì)蔓延下來(lái)，造成下游上百公里的河道和農(nóng)田受到污染，從而大面積稻田絕收或嚴(yán)重減產(chǎn)。在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863項(xiàng)目)、973前期專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，陳同斌研究員在湖南郴州建立了世界上第一個(gè)砷污染土壤植物修復(fù)基地。修復(fù)后：在田間種植條件下，蜈蚣草葉片含砷量高達(dá)0.8%.3國(guó)內(nèi)中科院地理資源所陳同斌研究組，受當(dāng)?shù)卣羞M(jìn)行污染土地的修復(fù)工作。修復(fù)前：廣西某縣因洪災(zāi)造成超過(guò)5000畝農(nóng)田土壤被嚴(yán)重污染，部分土壤甚至寸草不生，這已成為廣西當(dāng)前最突出的環(huán)境問(wèn)題。修復(fù)后：建立污染土地的植物修復(fù)示范工程，目前已開始種植超富集植物進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)試驗(yàn)，取得初步成效。重金屬植物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題及改善措施大部分重金屬超富集植物植株矮小，生物量低，生長(zhǎng)緩慢；因而，修復(fù)效率受到很大影響，且不易機(jī)械化作業(yè)，造成經(jīng)濟(jì)上不合理。引種困難植株生物量太低超富集植物多為野生植物，對(duì)氣候條件的要求也比較嚴(yán)格，對(duì)土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統(tǒng)等自然和人為條件有一定的要求；區(qū)域性分布較強(qiáng)，使成功引種受到嚴(yán)重限制；現(xiàn)存問(wèn)題專一性強(qiáng)超富集植物專一性強(qiáng)，通常一種植物往往只是吸收一種或兩種重金屬元素，對(duì)土壤中其它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)用前景；循環(huán)式污染植物由于通過(guò)落葉，器管腐敗，以及由于死亡未及時(shí)回收處理等原因使重金屬重返土壤；因此必需在落葉前收割并處理植物器官。富集植物的再處理困難

積累大量重金屬的植物再處理也是一個(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。在其他因素除植物自身因素外，還有其它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件等。由于待修復(fù)土壤養(yǎng)分缺乏、重金屬活性低，以及已發(fā)現(xiàn)的超積累植物生物量小、生長(zhǎng)緩慢、且受氣候、土壤等環(huán)境條件的限制，植物修復(fù)效率有限，制約了大規(guī)模的應(yīng)用。因此有必要通過(guò)運(yùn)用農(nóng)學(xué)、工程學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)等手段，為修復(fù)植物提供有利的生長(zhǎng)發(fā)育和吸收重金屬的環(huán)境，增加土壤中植物可利用態(tài)重金屬的數(shù)量或提升修復(fù)植物累積重金屬的能力，以達(dá)到提高植物修復(fù)效率的目的。1)控制好施肥技術(shù)施肥是一種提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)的傳統(tǒng)農(nóng)藝措施，也已成為植物修復(fù)過(guò)程中十分必要的手段。首先，重金屬污染土壤常出現(xiàn)在礦區(qū)、廢棄地等養(yǎng)分貧瘠區(qū)域，修復(fù)中需要根據(jù)待修復(fù)土壤的養(yǎng)分狀況及超富集植物的需肥特性進(jìn)行施肥；其次，土壤中較高濃度的重金屬元素會(huì)影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺素癥狀甚至死亡；此外,超富集植物也會(huì)從土壤中帶走大量營(yíng)養(yǎng)