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1、有机污染物的植物修复本节课的主要内容n有机污染物的类型n植物修复技术简介n有机污染物的植物降解机理 植物对有机污染物的直接吸收作用 植物释放分泌物和酶去除环境中有机污染物 根际的矿化作用去除有机污染物n植物修复有机污染物的研究与应用 影响植物修复因素的研究 植物促进农药的降解研究 植物促进氯代化合物降解的研究 其它方面的研究n植物修复作用进一步研究的重点一、有机污染物的类型1、非农药有机污染物(1)耗氧有机污染物 指所有的有机化合物在分解时都需要消耗O2,致使环境缺O2而造成危害。测量指标:l化学耗氧量(COD)(Chemical Oxygen Digestion)l生化耗氧量(BOD)(Bi
2、ochemical Oxygen Digestion)l溶解氧(DOC)(Dissolve Oxygen Concentration)(2) 富营养化有机物富含N，P，C的有机废水(3) 有机毒物 如:三氯乙醛,酚,石油类和氰化物(4) 病原微生物 如:医院废水,生活垃圾渗水,人畜粪尿灌水2、农药有机污染物(1)有机氯农药 指用于防治植物病、虫害的组成成分中含有有机氯元素的有机化合物。（DDT、六六六） (2)有机磷农药 指用于防治植物病、虫、害的含有机磷农药的有机化合物。（乐果、敌敌畏） 二、植物修复技术简介植物修复(Phytoremediation)是利用植物的一系列生理、生化过程部分或完
3、全修复和消除被污染土壤、水体、空气中特定有毒物质。广义的植物修复包括利用植物固定或修复重金属污染土壤,利用植物净化水体和空气,利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物降解有机污染物等方面。有机污染物的植物修复是利用植物在生长过程中，吸收、降解、钝化有机污染物的一种原位处理污染土壤的方法。植物修复的方式有4 种植物降解( Phytodegradation) ：植物吸收污染物后,在体内同化污染物或释放出某种酶,将有毒物质降解为无毒物质。植物萃取( Phytoextraction) ：植物从土壤中吸收金属污染物,并在植物地上部分富集,对植物体收获后进行处理;植物挥发(Phytovolatili
4、zation)：植物吸收污染物后,将其降解,散发到大气中,或把原先非挥发性的污染物变为挥发性污染物送入大气中。植物固定(Phytostabilization)：植物通过改变土壤的化学、生物、物理条件来抑制其中的污染物,使其发生沉淀或被束缚在腐殖质上,减少它对生物和环境的危害。植物组织积累植物萃取植物固定植物降解植物挥发植物修复重金属污染土壤的机理示意图植物修复毒素降解菌三、有机污染物的植物降解机理传统的有机污染物的生物修复是用微生物来完成的，有人认为研究植物去除有机物比较困难，因为有机物在植物体内的形态较难分析，形成的中间代谢物也较复杂，很难观察其在植物体内的转化，但是与微生物修复相比，植物修
5、复更适合用于现场修复。植物主要通过3 种机制降解、去除有机污染物，即植物直接吸收有机污染物；植物释放分泌物和酶，刺激根际微生物的活性和生物转化作用；植物增强根际的矿化作用。植物对有机污染物的直接吸收作用植物从土壤中直接吸收有机物，然后将没有毒性的代谢中间体 储存在植物组织中，这是植物去除环境中中等亲水性有机污染物（辛 醇水分配系数为logKow=0.53）的一个重要机制。疏水有机化合 物（logKow3.0）易于被根表强烈吸附而难以运输到植物体内，而 比较容易溶于水的（logKow0.5）有机物不易被根表吸附而易被运 输到植物体内。化合物被吸收到植物体后，植物根对有机物的吸收直接与有机物 的相
6、对亲脂性有关。这些化合物一旦被吸收后，会有多种去向：植物 可将其分解，并通过木质化作用使其成为植物体的组成部分，也可通 过挥发、代谢或矿化作用使其转化成CO2 和H2O，或转化成为无毒性 的中间代谢物如木质素，储存在植物细胞中，达到去除环境中有机污 染物的目的。Jones（1991）指出环境中大多数苯系物(BTEX) 化合物 、有机氯化剂和短链脂肪族化合物都是通过植物直接吸收途径去除的 。许多化合物实际上是以一种很少能被生物利用的形式被束缚在植物组织中，普通的化学提取方法无法将它们提取出来。在有机质很少的砂质土壤中，利用根吸收和收获进行植物修复证明是可行的，如Cunningham（1996）利
7、用胡萝卜( Daucuscarota）吸收二氯二苯基-三氯乙烷，然后收获胡萝卜，晒干，完全燃烧以破坏污染物。在这个过程中，亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜根中。另一个运用植物从土壤中直接提取有机污染物的方法是根累积后经木质部转运，随后从叶表挥发。有机污染物直接被植物吸收取决于植物的吸收效率、蒸腾速率以及污染物在土壤中的浓度。而吸收率反过来取决于污染物的物理化学特征、污染物的形态以及植物本身特性。蒸腾率是决定污染物吸收的关键因素，其又决定于植物的种类、叶片面积、营养状况、土壤水分、环境中风速和相对湿度等（Jerald等 1995 ， 张锡辉等 2001）。植物释放分泌物和酶去除环境中
8、有机污染物植物可释放一些物质到土壤中，以利于降解有毒化学物质 ，并可刺激根际微生物的活性。这些物质包括酶及一些有机酸， 它们与脱落的根冠细胞一起为根际微生物提供重要的营养物质， 促进根际微生物的生长和繁殖。并且，其中的有些分泌物也是微 生物共代谢的基质。Nichols（1997）研究表明：植物根际微生物 明显比空白土壤中多，这些增加的微生物能增加环境中的有机物 质的降解。Reilley等（1996）等研究了多环芳烃的降解，发现植 物使根际微生物密度增加，多环芳烃的降解增加。Jordahl等（ 1997）报道杨树根际的微生物数量增加，但没有选择性，即降解 污染物的微生物没有选择性的增加，表明微生
9、物的增加是由于根 际的影响，而非污染物的影响。Siciliano 等（1997）通过研究也 发现草原地区微生物对2-氯苯甲酸的降解率升高1163。植物释放到根际土壤中的酶系统可直接降解有关化合物，这已被一些研究所证实。Schnoor等（1995）指出硝酸盐还原酶和漆酶可降解军火废物如TNT（2,4,6-三硝基甲苯），使之成为无毒的成分，脱卤酶可降解含氯的溶剂如TCE（四氯乙烯），生成Cl-、H2O 和CO2。通过根际的酶来筛选可用于降解某类化合物的酶，这可能是一种能快速找到用于降解某类化合物的植物的方法。根际的矿化作用去除有机污染物Hiltner（1904）提出根际(rhizosphere)的
10、概念。根际是受植物根系影响的根土界面的一个微区，也是植物土壤微生物与其环境条件相互作用的场所，这个区与无根系土体的区别即是根系的影响。Bolton等（2001）指出根际微生物的群落组成依赖于植物根的类型（直根、丛根）、植物种类、植物年龄、土壤类型以及植物根系接触有毒物质的时间。根际区的CO2浓度一般要高于无植被区的土壤，根际土壤的pH值与无植被的土壤相比较要高12 个单位。氧浓度、渗透和氧化还原势以及土壤湿度也是植物影响的参数，这些参数与植物种和根系的性质有关。根系与土壤物理、化学性质不断地变化，使得土壤结构和微生物环境也不断变化。植物和微生物的相互作用是复杂的，互惠的。植物根表皮细胞和根细胞
11、的脱落，为根际的微生物提供了营养和能源 ，如碳水化合物和氨基酸，而且根细胞分泌粘液（根生长穿 透土壤时的润滑剂）和其它细胞的分泌液构成了植物的渗出 物，这些都可以成为微生物重要的营养源。另外，植物根系巨大的表面积也是微生物的寄宿之处。微生物群落在植物根际区繁殖活动，根分泌物和分解物养育 了微生物，而微生物的活动也会促进根系分泌物的释放。最 明显的例子是有固氮菌的豆科植物，其根际微生物的生物量 、植物生物量和根系分泌物都有增加。这些条件可促使根际 区有机化合物的降解。植物促进根际微生物对有机污染物的转化作用，已被很多研究所证实。植物根际的菌根真菌与植物形成共生作用，有其独特的酶途径，用以降解不能
12、被细菌单独转化的有机物。植物根际分泌物刺激了细菌的转化作用，在根区形成了有机碳，根细胞的死亡也增加了土壤有机碳，这些有机碳的增加可阻止有机化合物向地下水转移，也可增加 微生物对污染物的矿化作用（Chaineau 等2000， 吴畏 等2001）。董春香等（2001）在研究除草剂阿特拉津的生物降解时，发现微生物对阿特拉津的矿化作用与土壤有机碳成分直接相关。四、植物修复有机污染物的研究与应用1、 影响植物修复的因素环境条件 包括土壤水分、pH、有机质含量、孔隙度等,这些因素 会间接决定土壤微生物的数量、种类和生物活性。Brown 等（1994 ）指出pH 的变化显著影响耐重金属植物对重金属的吸收,
13、在不同pH 值处理的被Zn、Cr 污染的土壤盆栽试验中,天蓝遏蓝菜（T careulescens）吸收的Zn、Cr 量大小值随土壤pH 值下降而增加 。污染物性质 在低pH 值下重金属呈吸附态进入土壤溶液,会增加植 物对重金属的生物获取量。有机化合物的亲水性大小是影响它能否 被植物吸收的因素之一,亲水性越大,进入土壤溶液的机会越小,被植 物吸收量越少。通常多环芳烃（PAHs） 环的数目越多越难被植物 降解。吴龙华等（2001）指出在土壤中加入EDTA 会增加金属的活 性和可溶性,但EDTA 活化土壤重金属存在污染地下水的风险 ,这一 点必须加以考虑。植物种类 Paterson 等（1990）发
14、现有88 种植物能有效吸 收和富集70 余种有机污染物;Bellin 和OConnor（1990）发现有些植物对重金属的耐受性特别高,其体内重金属含量是 同类土壤上其他植物的100 倍或1000倍。如果能找到或驯化出这种植物(超富集植物),植物修复效率将大幅提高。遏蓝 菜属植物Thlaspirotundifolium spp. cepaeifolium是已知的唯一 能富集Pb 的植物。不同植物甚至同一种植物的亚种或变种所产生的分泌物 和酶的种类、数量、功效是不同的,这对植物修复的功效产 生一定的影响。经基因工程改造的植物能显著提高修复的功 效。如改造的拟南芥菜和烟草在能杀死未改造种的Hg2+浓
15、度 下存活,并把有毒的Hg2+变为低度的单质Hg 挥发掉。根系分布 许多植物根系分布很窄,穿透的深度受土壤条件 和土壤结构的影响。Blaylock等（1997）用芥菜型油菜（ Brassica juncea）提取土壤中的Pb 污染物时,其深度最多只 能达到15 cm ,而Pb 的移动范围在1545cm。但在有些情 况下,根的深度可达110 cm ,并扩展到高浓度的污染物的土 壤中。修复过程发生时植物根系必须和污染物接触,所以根 系的分布深度直接影响着被修复土壤或地下水的深度。多 数能富集重金属污染物的植物根系分布在土壤表层,这对植 物修复的效果会产生影响。污染物浓度和滞留时间 柳树(Salix
16、 nigra) 能降解除草剂 Bentazon ,但当除草剂的浓度太高时,会对植物产生毒害,使 植物无法生长或引起植物生长的衰退。Conger等（1997） 指出浓度在1 0002 000 mgkg时,Bentazon 对6 种植物产 生毒害。土壤中存留几年的污染物的生物获取量比新鲜污 染物要少的多,降低植物的修复功效（Bruce 2001）。2、植物促进农药的降解研究植物以多种方式协助微生物转化氯代有机化合物，其根际在生物降解中起着重要的作用并可以加速许多农药以及三氯乙 烯的降解。首先，植物根际的菌根真菌与植物形成共生作用， 并有着独特的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的有机物 ；其次，植物根际分泌物刺激了细菌的转化作用。植物可向土 壤环境中释放大量分泌物（糖类、醇类和酸类等），其数量约 占年光合作用产量的1020；另外，植物为微生物提供适宜的生存场所，并可为好氧菌提供好氧环境使好氧转化作用能 够正常进行。植物微生物界面相互作用以加速降解的研究是当今世界的 活跃领域，也是氯
