5-污染環(huán)境的植物修復原理ppt課件

1、第五章污染環(huán)境的植物修復原理,鄧 歡 歡,1,主要內(nèi)容,概述 植物對污染物的修復作用 影響植物修復的環(huán)境因子 有機污染物的植物修復 重金屬的植物修復,2,一、植物修復的概念和類型 P109,物理、化學方法修復的缺點： 成本昂貴，易導致土壤結構破壞、土壤肥力退化。 純微生物方法在土壤重金屬污染治理上無用武之地。 植物修復技術應運而生。,第一節(jié) 概述,3,1.植物修復的概念,定義：以植物忍耐和超量富集某種或某些化學元素的理論為基礎，利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)、降解和轉化作用來清除環(huán)境中污染物質的技術。 廣義；重金屬、放射性核素、有機物；土壤、空氣、水體 狹義：利用植物清除或固定污染土

2、壤中的重金屬。,4,2.植物修復的分類,植物提取修復：利用重金屬超積累的植物從污染土壤中超量吸收、積累一種或集中重金屬元素，并富集運輸?shù)街参锔靠墒崭畈糠趾偷厣喜糠?；后續(xù)進行收割、熱處理、化學處理等等。循環(huán)工作至重金屬含量降低至可接受水平。 也是目前研究最多且最有發(fā)展前途的技術。 植物揮發(fā)技術；利用植物將土壤中的一些揮發(fā)性污染物吸收到植物體內(nèi)，然后再將其轉化為氣態(tài)物質釋放到大氣中，從而對污染土壤起到治理作用。易揮發(fā)的重金屬包括汞、硒、砷等污染以及一些有機物。,5,植物降解技術：利用植物特有的轉化和降解作用去除水體和土壤中有機污染物。 一種形式是植物吸收污染物后通過木質化作用儲存在植物體內(nèi)或者將

3、污染物轉化為毒性小或無毒物質。 另一種形式是植物根系分泌的降解酶可直接降解植物根際的有機污染物。 根際圈生物降解技術；利用植物根際圈菌根真菌、細菌、放線菌等微生物的降解作用來轉化有機污染物。 植物固定化/穩(wěn)定化技術：一是通過耐性植物根系分泌物來積累和沉淀根際圈附近的污染物，使其失去生物有效性，以減少毒害作用；一是利用耐性植物在污染土壤上的生長來減少污染土壤的風蝕和水蝕，防止污染物向下遷移或向四周擴散污染地下水和周圍環(huán)境。,6,植物根際生物降解,用細菌武裝植物吸收分解土壤中的多環(huán)芳烴類（蒽）污染物,在香港浸會大學裘槎環(huán)境研究所做的植物外源菌耦合系統(tǒng)凈化實驗,7,二、植物修復的優(yōu)缺點,應用廣泛：土

4、壤、水體、空氣 環(huán)境兼容性好：修復同時也是美化環(huán)境，易被社會大眾接受 對環(huán)境擾動小，基本都是原位修復，特別是土壤 植物修復的過程也是土壤有機質含量和肥力增加的過程，修復后的土壤農(nóng)業(yè)利用能力增強 植物固定化技術使地表長期穩(wěn)定，有利于生態(tài)環(huán)境改善和生物生存 成本低,植物修復的優(yōu)點,8,植物修復的局限性,植物耐受能力的選擇性，通常一種植物針對一、兩種植物 緩慢，周期長相對與物理、化學方法 植物生長對土壤肥力、氣候等自然條件和人工條件有一定的要求，植物本身會受病蟲害影響 植物衰亡會導致二次污染，必需收割，并對收割部分進行后續(xù)無害化處理,9,1.植物修復的原理總論,通過植物自身的光合作用、呼吸、蒸騰和分

5、泌等代謝活動與環(huán)境中的污染物質和微生態(tài)環(huán)境發(fā)生交互反應，從而通過吸收、分解、揮發(fā)、固定化等過程使污染物達到凈化和脫毒的修復效果。,第二節(jié) 植物對污染物的修復作用,10,2.植物修復土壤污染的主要手段 吸收、排泄和積累,植物吸收：植物生長就必需從環(huán)境中吸收物質，除對少數(shù)幾種元素表現(xiàn)出選擇性吸收外，對大多數(shù)物質沒有絕對嚴格的選擇作用，只是吸收能力大小而已。 三種情形： （1）植物通過適應性調(diào)節(jié)后對污染物產(chǎn)生耐性，可以吸收，但是植物受傷害，器官和細胞器受損，生物量下降； （2）完全的“免疫”作用，無論根際圈內(nèi)污染物濃度高低，植物依靠自身調(diào)節(jié)功能完成自我保護，不受傷害，這種情形極少； （3）植物能夠在

6、土壤污染物含量很高的情況下正常生長且生物量不下降，如重金屬超量積累植物和某些耐性植物等。研究中通常在污染地帶或礦山直接尋找這類植物。,11,植物排泄：植物也像動物一樣需要不斷向外排泄體內(nèi)多余的物質和代謝廢物，常以分泌物和揮發(fā)的形式進行。 分泌：細胞將某些物質從原生質體分離或將原生質體的一部分分開的現(xiàn)象。分泌的器官主要是根系和莖葉的分泌腺。 揮發(fā)：揮發(fā)物除隨分泌器官的分泌活動排除外，主要隨水分的蒸騰作用從氣孔和角質層中間的孔隙擴散到大氣中。 植物排泄的途徑： （1）根吸收后經(jīng)葉片或莖等地上器官排出。如某些植物將羥基鹵素、汞、硒等從土壤溶液中吸收后從葉片排出。 （2）葉片吸收大氣或降雨中污染物再經(jīng)

7、根分泌排泄。如鹵代烴、酚類、苯化合物都可從葉片被植物吸收后通過根排泄到土壤。 （3）植物根吸收污染物后，轉移到各個器官中，當污染物含量超過臨界值后，會對植物造成毒害作用。一些植物會分泌激素（如脫落酸）促使積累高含量污染物質的器官（如老葉）加快衰老速度而脫落，重新長出新葉生長，進而排出體內(nèi)毒素。 去舊生新,12,植物積累：植物吸收的污染物除了部分能被代謝轉化去除外，大部分污染物質因與蛋白質或多肽具有較高的親和性而長期存留在植物體內(nèi)，在一定時期內(nèi)表現(xiàn)為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（hyperaccumulation）。植物修復的理論基礎之一 （1）富集系數(shù)（bioacc

8、umulation factor，BCF）表征植物對元素或化合物的積累能力： 富集系數(shù)植物體內(nèi)某種物質含量/土壤中該物質的含量 （2）位移系數(shù)（translocation factor，TF）表征某種物質從植物根部到植物地上部分的轉移能力： 位移系數(shù)植物地上部分某種物質含量/植物根部該物質含量 顯然都是越大說明這種植物的積累能力和修復能力越強 （3）平衡富集系數(shù)：植物吸收和排泄呈動態(tài)平衡，植物雖然仍然吸收，但體內(nèi)積累量不再增加，達到一個極限值（臨界含量），此時的富集系數(shù)稱為平衡富集系數(shù)。,13,植物吸收、排泄和積累間的關系：三個過程是一個動態(tài)過程，在植物生長的某個時期達到平衡，受土壤、水分、光

9、照及植物本身因素影響會打破然后建立新的平衡，直到植物體內(nèi)污染物含量達到臨界值，積累才基本不再增加。 土壤中污染物狀態(tài)： （1）可吸收態(tài)：游離離子、螯合離子 （2）難吸收態(tài)：殘渣態(tài)及完全不可利用的物質 （3）交換態(tài)：主要是被黏土和腐殖質吸附的污染物 三種狀態(tài)經(jīng)常處于動態(tài)平衡 但隨環(huán)境條件改變而不斷變化,14,15,3.植物根系的生理作用,基本作用：固定植物、吸收水分和營養(yǎng)、合成和分泌有機物。 根系深纖維根效應；打破土壤的物理化學結構，產(chǎn)生裂縫和根槽，強化土壤通風，揮發(fā)物可排出；另外根系增大植物接觸吸收面積等等 根系可通過吸收和吸附作用在根部積累大量污染物，加強對污染物的固定作用 生物合成作用：合

10、成大量有機物，降低根際圈內(nèi)污染物的可移動性和生物有效性 植物具有多種物理和生化翻翻功能阻止有毒物質進入，與植物組分絡合或鍵合為結構聚合物的方式固定下來,16,植物根際圈：提供微生物和其它生物良好環(huán)境，形成生態(tài)修復單元 植物微生物污染物在根際圈的相互作用:植物與微生物互生、共生、協(xié)同和寄生關系，對污染物的響應 植物根際圈的生物降解,4.植物根際圈生態(tài)環(huán)境對污染修復的作用,17,酸堿度：重金屬的狀態(tài)和可利用性 氧化還原電位：作用同上 共存物質：作用同上 a.絡合螯合劑 b.表面活性劑 污染物間的復合效應：拮抗作用和促進作用 植物營養(yǎng)物質：污染物的狀態(tài)和植物修復能力 植物激素：調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育 生物

11、因子：主要是與微生物的互利互惠共生關系,第三節(jié) 影響植物修復的環(huán)境因子,18,1.植物對有機污染物的修復作用,三種機制 有機污染物的直接吸收和降解 根系釋放到土壤中酶的直接降解作用 根際的生物降解，植物根系提供了微生物生長的生境，根際微生物密度遠大于非根系,第四節(jié) 有機污染的植物修復,2.植物對典型有機污染物的修復,植物對農(nóng)藥的分解轉化農(nóng)藥的氧化與水解作用 植物對其他有機污染的分解轉化作用，特別是藻類等水生植物的研究較多,19,構建植物微生物耦合降解系統(tǒng)的初步研究 研 究 生 姓 名：鄧 歡 歡 指 導 教 師：張甲耀教授 專 業(yè) 名 稱：環(huán) 境 科 學 研 究 方 向：環(huán) 境 生 物,土壤有

12、機污染物生物修復實例研究,20,土壤有機污染植物微生物聯(lián)合修復主要機理 （引自 張甲耀等，環(huán)境微生物學，2004.6）,21,一、 概敘,多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons ,PAHs）是環(huán)境中普遍存在的含有兩個或兩個以上苯環(huán)的有機化合污染物。 生物修復技術具有成本低、無二次污染、可大面積應用等獨特優(yōu)點。植物-微生物聯(lián)合生物修復被認為是土壤修復中有著良好前景的研究方向。,22,1.多環(huán)芳烴（PAHs）污染的生物修復,許多細菌、真菌及藻類都具有降解多環(huán)芳烴的能力。原核生物和真核生物對多環(huán)芳烴的微生物降解都需要氧氣的參與，產(chǎn)生氧化酶，使苯環(huán)結構降解（參見圖1

13、-1）,降解多環(huán)芳烴的微生物及降解機制,23,多環(huán)芳烴苯環(huán)結構的主要降解機理 （引自劉世亮、駱永明等，土壤，2002.5）,24,多環(huán)芳烴污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復,植物-微生物聯(lián)合體系能促進有機污染物的快 速降解、礦化。其基本原理為： （1）植物根系的菌根真菌與植物形成共生作用，并有著獨特的酶途徑，用以降解不能被細菌單獨轉化的有機物； （2）植物根區(qū)分泌物刺激了細菌的轉化作用； （3）植物還可以微生物提供生存場所并可轉移氧化使根系的好氧轉化作用能夠正常進行。,25,植物-微生物生物修復中的生物強化,生物強化技術（bioaugmentation）是指在生物處理體系中投加具有特定功能的外源微

14、生物來改善原有處理體系的處理效果，充分發(fā)揮微生物的潛力。 外源微生物是通過實驗室馴化，修飾提高降解能力或帶有某種特性后再施用于污染土壤的微生物，其相對于土壤的土著微生物而言是外來的微生物。在實際應用中由于環(huán)境因子的復雜性和土著微生物的作用。其應用問題主要集中在高效菌的存活，繁殖及降解活性的保持和生態(tài)安全，以及細菌-植物根系系統(tǒng)和基因工程菌的結合。,26,2 外源菌的綠色熒光蛋白標記,來源于水母的綠色熒光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）基因是一種全新的標記基因，GFP穩(wěn)定、靈敏度高，無生物毒性、熒光反應不需要任何外源反應底物及表達無物種或細胞組織的專一性，因此

15、它是一種獨特的標記蛋白，因而能方便可靠地用于轉基因表達的檢測。,27,3獲取高效外源性降解菌,原生質體融合是獲得具有良好特性的高效外源降解菌的重要方法之一。電融合技術其原理是：在短時間強電場的作用下。細胞膜發(fā)生可逆性電擊穿，瞬時地失去其高電阻和低通透性，然后在數(shù)分鐘內(nèi)恢復原狀。當可逆電擊穿發(fā)生在兩個相鄰細胞的接觸區(qū)時，即可誘導它們的膜相互融合，從而導致細胞融合。,28,4微生物根部定殖的定義、機理及影響因素,根部定殖（root colonization）也有人稱為根圈定殖（rhizosphere colonization），最先用于描述接種至土豆種塊上的促長根圈（PGPR）在土豆根部建立種群的

16、能力?，F(xiàn)在一般認為: 根部定殖是指在有土著微生物存在的情況下,接種到種子或植物無性繁殖體部的微生物在根部繁殖并保持其種群的能力 。,根部定殖的定義,29,根部定殖的機理,“雙相” 模式 第一相被稱為散布相(dispersal phase) 第二相為增殖相(proliferation phase),根部定殖的機制,微生物的運動性(motility) 生長根帶動細菌分布的作用(bacterial distribution by the growing root) 植物根系內(nèi)真菌菌絲轉運作用(translocation),30,5. 研究內(nèi)容,獲取構建菌株 構建耦合系統(tǒng) 耦合系統(tǒng)中外源菌株生長與植物

17、生長 耦合系統(tǒng)的修復效果,31,二、 融合子構建菌株及篩選,降蒽菌的分離 土生優(yōu)勢菌的分離 出發(fā)菌株的生長特性 融合子的篩選,32,1.降蒽菌的分離,蒽降解細菌的分離純化 用來源于石油污染的土壤（武漢石油化工廠）進行富集培養(yǎng)后用梯度培養(yǎng)法獲得2株菌株AN-1和AN-2。,A AN-1的菌體形態(tài) B AN-2的菌體形態(tài),33,蒽降解菌誘變 （紫外照射誘變）,34,突變菌株對蒽降解效果的測定,最終我們選定AN-2為構建菌株,35,2.土壤優(yōu)勢菌的分離,黃麻人工體系的構建 石油烴人工污染土壤環(huán)境的建立及黃麻種植 根際細菌的分離與篩選,36,Tu-1,Tu-2,Tu-3,Tu-4 Tu-5 Tu-6,

18、最終我們選定Tu-1為構建菌株,37,3. 出發(fā)菌株的生長特性,生長曲線的測定,蒽降解菌ETAN315菌株的生長曲線,銅綠假單胞菌P.aeruginosa/EGFP菌株的生長曲線,38,土生優(yōu)勢菌Tu-1菌株的生長曲線,39,菌株抗性檢驗-融合子選擇平板的確定 經(jīng)涂布法多次檢驗各種出發(fā)菌株的抗性如表2-1所示，從抗性平板的檢驗試驗中我們可以初步確定使用Kan+Chl的抗性組合來達到篩選融合子的目的。經(jīng)進一步的抗性平板試驗，在含Kan+Chl的平板上，無論是Tu-1還是ETAN315，P.aeruginosa/EGFP都無法生長（28，48hrs）。所以我們決定使用含Kan+Chl的雙抗平板來篩

19、選融合子，同時用表達綠色熒光來進一步進行確證。,40,41,4. 篩選到的融合子,得到融合子2株Tu-P和Tu-An。在日光下劃線培養(yǎng)能表現(xiàn)綠色，而在在紫外光照射下即使是單個菌落也能發(fā)出明顯的熒光。顯示了EGFP作為一種標記技術能夠很好的完成區(qū)分目的菌株的作用，為下一步的融合子在黃麻根區(qū)定殖的研究提供了良好的監(jiān)測手段。,42,Tu-P的菌落uv光照,Tu-An的菌落uv光照,Tu-An的菌落日光照,Tu-P的菌落日光照,43,三、 融合子的根區(qū)定殖及其存活能力研究,土壤的預處理及染毒平衡 人工耦合系統(tǒng)的建立 細菌檢測與計數(shù),44,1. 土壤的預處理和染毒平衡,基本理化性質,45,外源性細菌的投

20、加（本試驗采用混合法） P.aeruginosa/EGFP和蒽降解菌ETAN315的生長曲線參見第二章，融合子Tu-P和Tu-An的生長曲線測定如下,2. 人工耦合系統(tǒng)的建立,Tu-P菌株的生長曲線,Tu-An菌株的生長曲線,污染土壤中黃麻的種植 黃麻種子用10%甲醛溶液浸泡5分鐘除去毒素后蒸餾水浸泡過夜至露白，然后播種到已混好細菌的土壤中。,46,3. 外源細菌的檢測與計數(shù),由于實驗條件的限制，不能采取破壞性的采土方式取得樣品，而所用植物黃麻的根系發(fā)達，參見下圖，并且我們在盆栽實驗中采用了較高的栽培密度，因此我們可以把植物根區(qū)一定范圍內(nèi)的土壤全部視為根際土。,47,圖3-1. 300mg/k

21、g污染水平黃麻根部土壤特寫,48,不同外源菌在不同濃度下的定殖表現(xiàn),49,50,兩類融合子在植物根圈土壤中的存活數(shù)量要遠遠高于未經(jīng)過融合的出發(fā)菌株，在同時投加兩類融合子的情形下，它們可能具有協(xié)同作用，能更好的生存繁殖并修復多環(huán)芳烴污染的土壤。 植物根系也對微生物在土壤中的存活具有明顯的促進作用，我們在兩類融合子混合投加處理下比較了植物有無的影響，不同的污染濃度下，在播種后一周至二周出現(xiàn)較明顯的差距，這正是植物生長到一定階段，根系開始產(chǎn)生作用的時候。,51,不同外源細菌的平板照片,Tu-P發(fā)出的明亮熒光,Tu-An發(fā)出的明亮熒光,混合接種Tu-P和Tu-An,未投加細菌的組別,52,四、 修復系

22、統(tǒng)中植物的生長 特點及修復效果研究,植物參與耦合系統(tǒng)方式 修復過程中植物生長表現(xiàn) 修復效果,53,1.植物參與耦合系統(tǒng)的方式研究,考慮了2種方式：分別是移栽和直接播種。,從結果中我們得出結論播種較好,54,2.修復過程中不同組別黃麻生長表現(xiàn),在播種后第7，14，21，28，35，42天在對植物的高度進行測量，結果如下面的組圖所示。,55,56,57,3.黃麻地上部分生物量的表現(xiàn),在第42天植物地上部分株均干重記為地上部分生物量（upground-biomass）,如圖所示：,58,第42天收獲黃麻地上部分生物量的比較,59,從左至右依次為0、40、80、120、300mg/kg的污染濃度（10

23、d）,第42天收獲前300mg/kg污染處理水平黃麻生長情況照片，從左至右依次為不投加細菌，投加ETAN315，P.aeruginosa/EGFP，Tu-An，Tu-P，Tu-An+ Tu-P（1：1的接種量）,60,4.修復效果研究,在經(jīng)過42天的修復后，GC-MS測定土壤中殘留的蒽濃度，結果如下所示：,61,北京化工三廠土壤修復項目 國內(nèi)首例土壤修復項目,北京化工三廠作為化工生產(chǎn)基地近五十年，土壤中含有四丁基錫、鄰苯二甲酸二辛酯、滴滴涕和重金屬鉛、鎘等大量有害化學物質。2005年根據(jù)北京市規(guī)劃委員會文件2005規(guī)意選字0356號，該場地被規(guī)劃為宋家莊經(jīng)濟適用房項目建設用地。,62,建設方：

24、北京建工環(huán)境修復有限責任公司 項目時間：2007年 地點：北京市豐臺區(qū)宋家莊 土壤類型：化工污染土壤 主要污染物：四丁基錫、鄰苯二甲酸二辛酯、滴滴涕、重金屬鉛、鎘等有害化學物質 主要修復技術：水泥窯焚燒固化處理技術、阻隔填埋處理技術 處理規(guī)模：6.5萬m3 處理目標：居住用地標準 修復后的北京化工三廠土壤各項指標經(jīng)北京市環(huán)保局檢測，均符合居民土壤健康風險評價建議值標準，該工程為國內(nèi)首例污染土壤修復項目。,63,植物提?。╬hytoextration）：利用專性植物根系吸收一種或幾種有毒金屬，并將其轉移、儲存到植物莖葉等地上部分，然后收割莖葉，異地處理。 不同重金屬的試驗與示范： （1）富集系數(shù)

25、是植物提取可否應用的關鍵 （2）植物修復的效益取決于植物地上部分重金屬含量（位移系數(shù)）及其生物量 （3）不同重金屬植物提取的試驗與示范 實例與試驗：鎳、鎘、汞、放射性核素、鉛等,第五節(jié) 重金屬的植物修復,1.植物提取 P123,64,重金屬超富集植物 （1）定義 （2）超富集植物的特性 a.能忍受根系和地上部分細胞中高濃度的重金屬 b.能以較高的比例將金屬從根系轉移到地上部分 c.能快速吸收土壤溶液中的重金屬，并對重金屬的需求量大 （3）典型的超富集植物：多屬十字花科，蜈蚣草和東南景天 （4）修復用的超富集植物特性與選擇原則： a.在低污染濃度下仍有較高的富集量； b.能在體內(nèi)富集高濃度的污染

26、物； c.能同時富集幾種金屬； d.生長快，生物量大； e.具有抗病蟲害能力,65,加強植物提取的方法 （1）施用螯合劑：改善金屬狀態(tài)，提高植物吸收速率；誘導或強化植物對金屬的超富集作用 （2）接種特殊微生物：利用微生物的生化作用增加超富集植物對重金屬的吸收或者改變金屬狀態(tài)，便于植物吸收 （3）改善施肥技術：良好的施肥技術可使超富集植物生長旺盛、生物量大大增加，從而提高植物修復的效率,66,2.植物揮發(fā) P125,概念：利用植物去除環(huán)境中的一些揮發(fā)性污染物，即植物將污染物吸收后又將其轉化為氣態(tài)物質，釋放到大氣中。 目前研究較多的是金屬汞和非金屬元素硒。 例如：在植物酶作用下 Hg2+ 甲基汞 Hg單質 揮發(fā) 局限性；僅適用與揮發(fā)性污染物，應用范圍小，污染物轉移到大氣中可能造成風險，使用嚴格受限。,67,3.植物固定（phytostabilization）或植物穩(wěn)定,概念：利用植物使環(huán)境中的金屬活性降低，生物可利用性下降，使重金屬對生物的毒性降低，同時減少水土流失和污染物擴散（特別是進入食物鏈的量）。 局限性；并沒有將環(huán)境中的重金屬離子去除，只是暫時將其固定，使其不對生物產(chǎn)生毒害，但存在環(huán)境改變后污染物再次產(chǎn)生毒害的可能。 改進：添加一些改土劑（如石灰、高爐渣、礦渣、粉煤灰、鈣鎂磷肥等堿性物質）；添加特殊微生物。,68,4.有益的農(nóng)業(yè)措施,選擇合適形態(tài)的化肥：不同形態(tài)對土壤重金屬的