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1、土壤重金属污染的植物修复技术张宇2111704034杜勇明21117040171优选内容目录目录（contents）1 1 重金属植物修复技术机理概述重金属植物修复技术机理概述2 2 重金属污染修复植物种类及超累积重金属污染修复植物种类及超累积/ /富集植物生理机制富集植物生理机制3 3 重金属植物修复技术的研究和应用现状重金属植物修复技术的研究和应用现状4 4 重金属污染植物修复技术案例分析重金属污染植物修复技术案例分析5 5 重金属植物修复技术现存问题及改善措施重金属植物修复技术现存问题及改善措施重金属植物修复技术2优选内容重金属植物修复技术重金属植物修复技术重金属植物修复技术机理概述机理
2、概述3优选内容重金属植物修复技术术土壤重金属污染植物修复技术土壤重金属污染植物修复技术植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系消除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。 与传统修复方法相比，该技术成本低、过程简单，且环境友好。植物修复一般针对污染环境的重金属。4优选内容技术研究发展历程简述a. a. 50-7050-70年代开始植物修复技术理论研究年代开始植物修复技术理论研究 这一阶段的研究工作使人们初步认识了植物忍耐重金属的机理，这一阶段的研究工作使人们初步认识了植物忍耐重金属的机理，提出了回避机制、排除机制、细胞壁作用机制、重金属进入细胞质机
3、提出了回避机制、排除机制、细胞壁作用机制、重金属进入细胞质机制、重金属与各种有机酸结合机制、酶适应机制、渗透调节机制等。制、重金属与各种有机酸结合机制、酶适应机制、渗透调节机制等。这些这些“机制机制”的提出，使人们对植物忍耐重金属的机理有了一个较为的提出，使人们对植物忍耐重金属的机理有了一个较为全面的认识。全面的认识。b. b. 70 70 年代至年代至 90 90 年代初对超积累植物的研究年代初对超积累植物的研究 19771977年年BrooksBrooks提出了超积累植物的概念，提出了超积累植物的概念，19831983年年haneyhaney提出了利提出了利用超积累植物消除土壤重金属污染的
4、思想。随后用超积累植物消除土壤重金属污染的思想。随后, ,有关耐重金属植物有关耐重金属植物与超积累植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种安全、廉价的污染与超积累植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种安全、廉价的污染土壤的治理技术被提出，并成为研究和开发的热点。土壤的治理技术被提出，并成为研究和开发的热点。5优选内容c. c. 90 90 年代后，利用基因工程改造超级累植物年代后，利用基因工程改造超级累植物 20 20 世纪世纪 90 90 年代至今，转基因技术在植物修复中的应用日臻成熟。年代至今，转基因技术在植物修复中的应用日臻成熟。鉴别和分离出的基因种类有所增加，应用范围不断扩大，科技手段和技鉴
5、别和分离出的基因种类有所增加，应用范围不断扩大，科技手段和技术水平不断提高，逐步形成了一套比较完善的理论和技术体系。在理论术水平不断提高，逐步形成了一套比较完善的理论和技术体系。在理论研究的同时，国外在植物修复技术的开发与推广方面也做了大量的开创研究的同时，国外在植物修复技术的开发与推广方面也做了大量的开创性工作。性工作。 技术研究发展历程简述6优选内容重金属植物修复技术1 植物修复技术分类植物修复技术分类2 植物与重金属污染物作用机理植物与重金属污染物作用机理3 植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理7优选内容重金属植物修复技术1、植物修复几种模式、植物
6、修复几种模式植物挥发：植物挥发：植物过滤：植物过滤：植物稳定：植物稳定：植物提取：植物提取：植物转化：植物转化：植物辅助植物辅助生物修复生物修复植物将挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为植物将挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为气态气态物质物质，释放到大气中。，释放到大气中。二甲基硒、二甲基二硒二甲基硒、二甲基二硒指污染物被植物根系吸收后通过体内代谢活动来指污染物被植物根系吸收后通过体内代谢活动来过滤、降解污染物质的毒性。过滤、降解污染物质的毒性。Cr6+ Cr3+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。有效性。不易移动的
7、物质不易移动的物质利用植物对重金属的吸收，通过利用植物对重金属的吸收，通过收获地上部收获地上部来达到减少来达到减少土壤重金属的目的。土壤重金属的目的。植物吸收污染物后，在体内同化污染物或释放出某种酶，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将有毒物质降解为无毒物质通过土壤中植物根系及其周围微生物的活动，把有机污染通过土壤中植物根系及其周围微生物的活动，把有机污染物分解为小分子产物，或完全矿化为物分解为小分子产物，或完全矿化为CO2.H2O，去除其毒，去除其毒性性8优选内容植物提取01植物挥发02 植物稳定03根系过滤04植物修复技术分类9优选内容01植物提取1
8、0优选内容重金属植物修复技术植物的提取植物的提取利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属萃取出来，富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位。适合植物萃取的理想植物应具有忍耐和积累高含量污染物；生长速度快、周期短、生物量高、个体高大；植物对农业措施如施肥等产生积极的反应，利于反复种植，多次收割。目前常用植物有：芸苔属植物（印度芥菜等）、油菜、工业用的大麻等。11优选内容印度印度芥菜在高浓度可溶性芥菜在高浓度可溶性Pb营养液中培养一段时间后营养液中培养一段时间后,茎中茎中Pb含量达到含量达到1.5；印度芥菜还能吸收积累印度芥菜还能吸收积累Cr、Cu、Zn、Cd 、Ni等重金属等重金属植
9、物提取应用植物提取应用重金属植物修复技术13优选内容重金属植物修复技术蜈蚣草，学名肾蕨，是一种多年生草本植物，在长江以南地区分布广泛。在湖南各地，漫山遍野的蜈蚣草展现出顽强的生命力。它可吸附砷、铅等重金属并转移到地面的枝叶里，其中它吸收土壤中砷的能力超过普通植物20万倍。蜈蚣草14优选内容重金属植物修复技术东南东南景天景天(Sedum alfredii H)由杨肖娥等发现的第一种由杨肖娥等发现的第一种Zn 超富集植超富集植物物。地上部的地上部的Zn含量达含量达5000ppm.富集系数达富集系数达1.9以上。以上。 15优选内容即利用鳌合剂即利用鳌合剂, ,通过施用鳌合剂使土壤固相键合的金属释放
10、，增加土壤溶液中的通过施用鳌合剂使土壤固相键合的金属释放，增加土壤溶液中的重金属浓度，大幅度提高植物对重金属的吸收和富集能力。重金属浓度，大幅度提高植物对重金属的吸收和富集能力。 适用于在土壤中极难移动的污染元素适用于在土壤中极难移动的污染元素印度芥菜、玉米、印度芥菜、玉米、向日葵、蚕豆向日葵、蚕豆螯合剂（螯合剂（EDTAEDTA、HEDTAHEDTA和和CDTACDTA）对铅、锌、镉和铜对铅、锌、镉和铜的富集增加的富集增加诱导植物提取技术16优选内容鳌合剂的施用可使玉米、豌豆地上部Pb含量从小于5OOmg/kg增加到大于10000mg/kg。玉米、豌豆地上部分的Pb含量原始500701000
11、0mg/kg诱导植物提取技术17优选内容02植物挥发18优选内容 植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物（主要是Hg、Se、As）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质，以减轻环境危害。重金属植物修复技术19优选内容其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。目前研究较多的质挥发到大气中，以降低土壤污染。目前研究较多的是是HgHg和和SeSe. .HgHg2+2+SeSe3+3+HgHg2+2+CH3SeCH
12、3 +CH3Se2CH3 （气态）（气态）洋麻、洋麻、紫云英、紫云英、印度芥印度芥菜菜Hg2+Hg携有细菌携有细菌Hg还原酶还原酶基因基因merA的的植物植物低低毒毒SeSe3+3+Se3+ATP硫化酶硫化酶植物挥发技术20优选内容 植物挥发为环境中具有生物毒性汞的去除提供了一种潜在的可能性。植物挥发为环境中具有生物毒性汞的去除提供了一种潜在的可能性。 植物挥发时将环境中的重金属转移至大气，若从区域整体环境质量植物挥发时将环境中的重金属转移至大气，若从区域整体环境质量考虑，利用植物挥发修复重金属污染，应以不损害大气质量为前提。考虑，利用植物挥发修复重金属污染，应以不损害大气质量为前提。植物挥发
13、技术21优选内容重金属植物修复技术植物与重金属污染物作用机理植物与重金属污染物作用机理植物挥发植物挥发植物的挥发与植物吸收是相连的。它是利用植物的吸取、积累、挥发而减少土壤污染物，即利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，并将之挥发出土壤或植物表面。目前这方面研究最多的是类金属元素 Hg 和非金属元素 Se。以汞的以汞的去除为去除为例：例：植物吸收Hg()植物体内Hg()merAMerA甲基汞(MeHg厌氧菌植物吸收植物体内MeHgMerBHg()+CH4基因导入merB22优选内容03植物固定23优选内容 是指是指利用一些植物来促进重金属转变为低毒性形态的过程。在这一过程中，利用一些植物
14、来促进重金属转变为低毒性形态的过程。在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。 分解、沉淀、螯合、分解、沉淀、螯合、氧化还原等过程氧化还原等过程土壤PbPbPbPb植物根系惰性Pb土壤Cr6+Cr3+KumarKumar等等在在含含铅铅625mg/ 625mg/ kg kg 的的土土壤壤盆盆栽栽处处理理中中种种植植印印度度芥芥菜菜 , , 3 3个个星星期期后后使使淋淋溶溶液液中中的的铅铅含含量量由由740740g/mLg/mL下降到下降到2222g/ mLg/ mL。生物有效性最强毒性减弱印度芥菜印度芥菜植物固定技术24优选内容植物
15、植物稳定稳定功能功能(1) 保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移；(2) 通过在根部累积和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定。 此外，植物还可以通过改变根际环境（PH，PE）来改变污染物的化学形态。 在这个过程中根际微生物（细菌和真菌）也可能发挥重要作用。 例如 Cr6+具有较高的毒性，而通过转化形成的 Cr3+溶解性很低，基本没有毒性。 Cunningham 等研究了植物对环境中土壤 Pb 的固定，发现一些植物可降低 Pb 的生物可利用性，缓解 Pb 对环境中生物的毒害作用。重金属植物修复技术25优选内容缺点缺点：植物稳定并没有彻底清除土壤中的重金属只是将其固定，
16、使其对环境中的生物暂时不产生毒害作用，没有从根本上解决重金属的污染问题。如果环境条件发生变化，重金属的生物有效性又会发生改变。因此植物稳定的持久性令人怀疑。植物固定技术26优选内容04根系过滤27优选内容指利用植物根部过滤、沉淀土壤、富集污染物指利用植物根部过滤、沉淀土壤、富集污染物。适适用用于于根根际际过过滤滤技技术术的的植植物物必必须须有有较较大大的的根根系系生生物物量量，最最好好是是须须根植物根植物目目前前用用于于根根系系过过滤滤的的植植物物有有向向日日葵葵、印印度度芥芥菜菜、宽宽叶叶、香香蒲蒲及及烟烟草草等等。根根系系过过滤滤主主要要用用于于重重金金属属污污染染的的土土壤壤，也也可可以
17、以是是放放射射性性核核素如素如U、Cs或或Sr污染的水体。污染的水体。水科植物浮萍和水葫芦水科植物浮萍和水葫芦可有效吸收清除水体中可有效吸收清除水体中的的Cd，Cu和和As等重金等重金属。属。根系过滤技术28优选内容重金属植物修复技术 植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理从环境条件的角度看，污染物的可修复性并不是污染物本身固有的，而是环境从环境条件的角度看，污染物的可修复性并不是污染物本身固有的，而是环境状态表现的结果改变了环境状态，本来难以修复的污染物可能变得易修复了。状态表现的结果改变了环境状态，本来难以修复的污染物可能变得易修复了。影响植物修复的因
18、素影响植物修复的因素 PH 值Eh（氧化还原电位）共存物质污染物的交互作用生物因子29优选内容重金属植物修复技术植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理PH 值值土壤酸度对重金属化合物的溶解与沉淀平衡的影响较为复杂。土壤酸度对重金属化合物的溶解与沉淀平衡的影响较为复杂。土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的，其可溶性受土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的，其可溶性受 PH 值控制，即土壤重值控制，即土壤重金属随着金属随着 PH 值增加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。值增加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。 首先，大多数重金属元素（Cd、Zn、Cu
19、 等）随土壤溶液 PH 值降低，其在土壤液相中的浓度就会增加，从而有利于植物吸收重金属。例如：超积累植物 Caerulescens 吸收 Zn、 Cd 量的大小是随土壤 PH 值下降而增加。其次，重金属元素的离子活度随土壤溶液 PH 值的降低而增加。例如，当土壤溶液PH 值由 6.6 降低到 3.9 时，溶液中的有机 Cu 几乎由 99%降低至 30%，极大地增加了 Cu2+离子的活度。此外，对类金属性 As 等，因其在土壤中以阴离子形式存在，提高 PH 值将使土壤颗粒表面的负电荷增多，从而减弱 As 在土壤颗粒上的吸附作用，增大土壤溶液中的 As含量，植物对 As 的吸收增加。30优选内容重
20、金属植物修复技术植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理Eh（氧化还原电位）（氧化还原电位）重金属在不同的氧化还原状态下，有不同的形态且可互相转化。例如，在还原条件下，有机结合态 Cd 最稳定，但在氧化条件下，有机结合态镉则被转化为生物可利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到水体中，并随 Eh 增大，其释放量增多。31优选内容植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术共存物质共存物质1.络合络合螯合剂螯合剂植物对金属离子的吸收与离子在溶液中的活度有关，螯合剂可增加金属离子的溶解度但降低离子的活度。络合剂
21、首先与土壤溶液中的可溶性金属离子结合，以防止金属沉淀或吸附在土壤上。随着自由离子的减少，被吸附态或结合态的金属离子开始溶解，以补偿平衡的移动。例如，EDTA 和 DTPA 在增加植物吸收 Pb 方面有效，而 EGTA 则对Cd 最有效。32优选内容植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术2表面活性剂表面活性剂表面活性剂对土壤中微量重金属阳离子具有增溶作用和增流作用，而且表面活性剂的链越长，其效应越高。表面活性剂对土壤重金属具有解吸作用，而且当有重金属存在的情况下，表面活性剂本身在土壤上的被吸附较弱。例如，用 LAS、CTAB、Tween80
22、 等三类表面活性剂与镉的复合污染对小麦生理状态的影响，发现三种表面活性剂都能促进小麦对镉的吸收，其作用顺序为 CTABLASTween80；使用阴离子型 SDS、阳离子型 CTAB、非离子型 TX100 等三种表面活性剂以及 EDTA 和 DPC（二苯基硫卡巴腙）等两种螯合剂修复 Cd、Pb、Zn 污染土壤，发现 SDS、TX100 能显著促进重金属的解吸，而 CTAB 则相反。33优选内容植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术污染物的交互作用污染物的交互作用 在现实环境中，往往有多种化学物质同时存在，它们对环境产生的生物学作用与任何单独
23、化学物质作用于环境所产生的生物学作用完全不同。通常情况下，单种污染物对环境的孤立影响比较少见；在大多数情况下，往往是多种污染物对环境产生复合污染。 污染物的联合作用方式有下面四种类型：污染物的联合作用方式有下面四种类型： （1）协同作同：是指两种或两种以上化学物质同时或数分钟内先后与机体接触，多种化学物质联合作用的毒性，大于各单个物质毒性的总和。 （2）相加作用：指多种化学物质的混合物，其污染物的联合作用所产生的毒性为各单个物质产生毒性的总和。 （3）独立作用：指多种化学物质各自对机体产生毒性作用机理各不相同、互不影响， 独立作用产生的总效应低于相加作用，但不低于其中活性最强者。 （4）拮抗作
24、用：指两种或两种以上化学物质同时作用于生物体，其中一种化学物质可干扰另一种化学物质原有的生物学作用，并使其减弱，其联合作用的毒性小于单个化学物质毒性的总和。34优选内容植物积累重金属污染物的环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术生物因子生物因子菌根真菌作为植物根系与土壤的微生物，能够把重金属固定积聚在菌根内，致使植物吸收大量重金属而又不受生理毒害。许多植物修复需要多种微生物的协同作用。这种协同有不同的类型，一种情况是单一菌种不能降解，混合后可以降解；另一种情况是单一菌种都可以降解，但混合后降解的速率超过单一菌种的降解速率之和。35优选内容植物积累重金属污染物的
25、环境因素作用机理植物积累重金属污染物的环境因素作用机理重金属植物修复技术活化：根系通过改变根系环境如分泌有机酸，提高金属活化：根系通过改变根系环境如分泌有机酸，提高金属离子有效性，与土壤颗粒竞争获得重金属离子。离子有效性，与土壤颗粒竞争获得重金属离子。吸收：被吸收：被根部细胞根部细胞细胞壁捕获，低亲和性、低选择细胞壁捕获，低亲和性、低选择 性的离子交换过程。性的离子交换过程。运输：通过运输：通过共质体运输共质体运输穿越根内皮层中的凯氏带；穿越根内皮层中的凯氏带； 转运到转运到中柱中柱释放进入释放进入木质部；木质部；与木质部中大量存在的有机酸和氨基酸结合运往与木质部中大量存在的有机酸和氨基酸结合
26、运往地上部分。地上部分。 转运系统转运系统及细胞内的及细胞内的高亲和性高亲和性结合位点结合位点介介导和驱动离子的跨膜导和驱动离子的跨膜运输。运输。受膜转运蛋白受膜转运蛋白严格调控严格调控分布和贮存：经木质部汁液运输到叶细胞的重金属经分布和贮存：经木质部汁液运输到叶细胞的重金属经转运蛋白卸载转运蛋白卸载进入叶共质进入叶共质体，再经叶共质体或质外体在叶细胞各组分间进行分配。体，再经叶共质体或质外体在叶细胞各组分间进行分配。植物植物液泡液泡往往是金属离子钝化后的储存场所，在液泡内形成有机酸复合物，积往往是金属离子钝化后的储存场所，在液泡内形成有机酸复合物，积累并起到解毒作用。累并起到解毒作用。36优
27、选内容重金属污染修复植物重金属污染修复植物种类及种类及超累积超累积/ /富集植物生理机制富集植物生理机制重金属植物修复技术重金属污染修复植物种类重金属污染修复植物种类超累积超累积/富集植物概念、特征和生理机制富集植物概念、特征和生理机制超累积超累积/富集植物对重金属污染物的活化、富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和忍耐机制吸收、积累和忍耐机制超累积植物的标准超累积植物的标准37优选内容重金属植物修复技术重金属污染修复植物种类重金属污染修复植物种类38优选内容重金属植物修复技术重金属污染修复植物种类重金属污染修复植物种类超富集植物中，73%为Ni超富集植物，达227种；Cu和Co的超富集植
28、物有约50种，Cu的约24种，CO的约26种，其中有9种对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韦、新喀里多尼亚、古巴、西澳大利亚、南欧、美国西部、亚洲的马来群岛；Cu和Co的超富集植物多产于非洲扎伊尔沙坝铜矿带。我国有广袤的国土、丰富的植物资源、复杂多样的地理地质构造，有可能蕴藏着大量超富集植物，为我国开展研究提供了良好的条件。但从总体来看，我国对超富集植物种类研究少，有关重金属超富集体的报道也很少，目前我国仅报导了12种金属和重金属的超富集植物。39优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/ /富集植物概念、特征和生理机制富集植物概念、特征和生理机制1. 超累积植物的概
29、念：超累积植物的概念：超富集植物是指那些能够超量积累重金属等污染物的植物，通常指对重金属等超富集植物是指那些能够超量积累重金属等污染物的植物，通常指对重金属等污染物的吸收量超过一般植物污染物的吸收量超过一般植物10500倍以上的植物。倍以上的植物。超超富富集集植植物物往往往往是是长长期期生生长长在在重重金金属属含含量量较较高高的的土土壤壤上上，经经过过不不断断的的生物进化或遗传工程培育诱导而形成的。生物进化或遗传工程培育诱导而形成的。40优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/ /富集植物概念、特征和生理机制富集植物概念、特征和生理机制2. 超累积植物特征：超累积植物特征：重金属离子的吸收及转
30、运重金属离子的吸收及转运重金属离子的螯合重金属离子的螯合重金属离子的区室化重金属离子的区室化 重金属离子的转化重金属离子的转化抗氧化系统的防御作用抗氧化系统的防御作用41优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和忍耐机制忍耐机制1.根际圈重金属的活化根际圈重金属的活化根系分泌质子促进对重金属的活化。根系分泌质子促进对重金属的活化。根系分泌低分子量有机酸如乙酸和琥珀酸等酸化根际圈环境，促进重金属根系分泌低分子量有机酸如乙酸和琥珀酸等酸化根际圈环境，促进重金属的溶解。同时有机酸也可以与固相结合的重金属形成螯合物，增强
31、重金属的的溶解。同时有机酸也可以与固相结合的重金属形成螯合物，增强重金属的溶解度；溶解度；根系分泌金属螯合分子如植物高铁载体、植物螯合肽等，促进土壤中结合根系分泌金属螯合分子如植物高铁载体、植物螯合肽等，促进土壤中结合态态 Fe Fe、ZnZn、CuCu、Mn Mn 等的溶解；等的溶解；根细胞膜上某些专一性重金属还原酶能促进高价金属离子还原，从而使重根细胞膜上某些专一性重金属还原酶能促进高价金属离子还原，从而使重金属溶解度增加。金属溶解度增加。42优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和忍耐机制忍耐机制2.超积
32、累植物对重金属的吸收与运输超积累植物对重金属的吸收与运输根系对重金属的选择性吸收。根系对重金属的选择性吸收。超积累植物通常只对某一种或几种重金属具有超积累能力，对其它重金属则超积累植物通常只对某一种或几种重金属具有超积累能力，对其它重金属则没有超积累特性，其主要原因可能在于根系的选择性吸收。没有超积累特性，其主要原因可能在于根系的选择性吸收。超积累植物和普通植物一样也通过质外体和共质体途径吸收土壤中包括重金超积累植物和普通植物一样也通过质外体和共质体途径吸收土壤中包括重金属在内的矿质营养，重金属也基本上以离子或金属螯合物的形态进入植物体属在内的矿质营养，重金属也基本上以离子或金属螯合物的形态进
33、入植物体内。内。产生选择性吸收的可能机制在于根表细胞膜或根木质部细胞的质膜上，可能产生选择性吸收的可能机制在于根表细胞膜或根木质部细胞的质膜上，可能存在重金属诱导产生的专一性运输蛋白或通道调控蛋白，限制着重金属从土存在重金属诱导产生的专一性运输蛋白或通道调控蛋白，限制着重金属从土壤进入到根部，再从根部到植物其它部位的运输；壤进入到根部，再从根部到植物其它部位的运输；43优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和忍耐忍耐机制机制重金属在植物体内的转移。重金属在植物体内的转移。重金属离子从根表进入根系后，可通过质外体
34、或共质体途径运输，但由于重重金属离子从根表进入根系后，可通过质外体或共质体途径运输，但由于重金属离子不能通过内皮层凯氏带，只有转入共质体途径才能进入木质部导管，金属离子不能通过内皮层凯氏带，只有转入共质体途径才能进入木质部导管，这一运输途径是植物将重金属转移到地上部的限制性步骤。这一运输途径是植物将重金属转移到地上部的限制性步骤。进入根中的重金属通过运输体或通道蛋白进入液泡，再通过液泡的区室化作进入根中的重金属通过运输体或通道蛋白进入液泡，再通过液泡的区室化作用进行解毒，同时也限制了重金属向地上部的运输，这也许是普通植物根部用进行解毒，同时也限制了重金属向地上部的运输，这也许是普通植物根部重金
35、属含量高于地上部含量的一个原因。重金属含量高于地上部含量的一个原因。但超积累植物的液泡膜上可能存在一些特殊运输体，可以把液泡中重金属装但超积累植物的液泡膜上可能存在一些特殊运输体，可以把液泡中重金属装载到木质部导管以利于向地上部运输。载到木质部导管以利于向地上部运输。44优选内容重金属植物修复技术超累积超累积/富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和富集植物对重金属污染物的活化、吸收、积累和忍耐忍耐机制机制3.超积累植物对重金属的积累机制超积累植物对重金属的积累机制 超积累植物对重金属的积累表现出区室化分布和具有较强解毒能力超积累植物对重金属的积累表现出区室化分布和具有较强解毒能力的特点，这
36、与普通植物对重金属的耐性机理有相似之处，只不过功的特点，这与普通植物对重金属的耐性机理有相似之处，只不过功能更强大。能更强大。研究表明，超积累植物体内重金属在细胞水平上主要分布在液泡及研究表明，超积累植物体内重金属在细胞水平上主要分布在液泡及质外体等非生理活性区，在组织水平上，主要分布在表皮细胞、亚质外体等非生理活性区，在组织水平上，主要分布在表皮细胞、亚表皮细胞中，而与有机化合物如表皮细胞中，而与有机化合物如 PCs、组氨酸、柠檬酸的螯合可能、组氨酸、柠檬酸的螯合可能是主要的解毒机制。是主要的解毒机制。45优选内容重金属植物修复技术超累积植物的标准超累积植物的标准即使在污染物浓度较低的情况下
37、，也有较即使在污染物浓度较低的情况下，也有较高的累积率；高的累积率；能在植物体内富集较高浓度的污染物；能在植物体内富集较高浓度的污染物；植物能同时吸收累积多种重金属污染物；植物能同时吸收累积多种重金属污染物；植物生长快，生物量大；植物生长快，生物量大；植物具有抗虫、抗病的能力。植物具有抗虫、抗病的能力。46优选内容超积累植物的研究流程超积累植物的研究流程植物的发现植物的发现植物的相关实验植物的相关实验分析具有此特性分析具有此特性的生理机制的生理机制找到具有此特性找到具有此特性的作用因子的作用因子改改变变外外界界和和自自身身条件条件达到理想效果达到理想效果重金属污染植物修复技术重金属污染植物修复
38、技术案案例例分分析析 美美国国Edenspace Systems公公司司是是一一家家从从事事污污染染土土壤壤和和水水体体修修复复工工作作的的公司。公司。http:/ Edenspace SystemsSimsbury. Connecticut1998年，美国康涅狄格州年，美国康涅狄格州(Connecticut)的锡姆斯伯里地区的锡姆斯伯里地区(Simsbury)。面积约面积约0.195 hm2的的Pb污染土壤进行了植物修复；污染土壤进行了植物修复；Ensign-Bickford公司的空场燃烧和爆炸导致；公司的空场燃烧和爆炸导致；平均总平均总Pb浓度浓度635 mgkg-1，个别地点，个别地点P
39、b浓度高达浓度高达10004000 mgkg-1；该地土壤为粉沙壤土，该地土壤为粉沙壤土，pH 6.157.15；每年每年410月生长季节，土壤含水量饱和。月生长季节，土壤含水量饱和。采取的措施主要是：采取的措施主要是：1)增施氮、磷、钾肥提高土壤肥力，采用白增施氮、磷、钾肥提高土壤肥力，采用白云石石灰调节土壤云石石灰调节土壤pH； 2)石灰和肥料施加深度为石灰和肥料施加深度为1520 cm，建立，建立喷灌灌溉系统使土壤保持湿润；喷灌灌溉系统使土壤保持湿润； 3)种植印度芥菜种植印度芥菜(Brassica juncea)和朝阳花和朝阳花(Helianthusan-uus)；4)通过喷灌系统增施
40、叶肥。通过喷灌系统增施叶肥。植物修复效果植物修复效果： 6个月后发现，土壤中总个月后发现，土壤中总Pb浓度下降到浓度下降到478mgkg-1。 在芥菜和朝阳花干重中在芥菜和朝阳花干重中Pb的平均积累量达到的平均积累量达到1000mgkg-1。Edenspace Systems公司选取的修复方法是以植物提取为中心，以施肥、公司选取的修复方法是以植物提取为中心，以施肥、施加石灰以及建立喷灌系统等措施为辅助。施加石灰以及建立喷灌系统等措施为辅助。整个方法实现了植物、物理、工程等措施的有机结合。整个方法实现了植物、物理、工程等措施的有机结合。从修复过程而言，从修复过程而言，首先是调查了解土壤基本性质和
41、污染情况；其次是通过施肥、施加石灰首先是调查了解土壤基本性质和污染情况；其次是通过施肥、施加石灰以及建立喷灌系统等农艺、物理、工程等措施改善基础环境；以及建立喷灌系统等农艺、物理、工程等措施改善基础环境；再次是采用芥菜和朝阳花进行植物提取修复，并在修复过程中通过灌溉再次是采用芥菜和朝阳花进行植物提取修复，并在修复过程中通过灌溉系统喷施叶肥，为植物生长提供营养物质，增加植物生物量的同时也促系统喷施叶肥，为植物生长提供营养物质，增加植物生物量的同时也促进了植物的修复效率。进了植物的修复效率。最终实现了对最终实现了对Pb污染土壤的成功修复，提高了土壤的服务功能。污染土壤的成功修复，提高了土壤的服务功
42、能。Bayonne. New Jersey1996年，美国新泽西州年，美国新泽西州(New Jesery)的贝永地区的贝永地区(Bayonne)。电缆制造业污染工业区，导致土壤中高浓度铅污染；电缆制造业污染工业区，导致土壤中高浓度铅污染；表层土壤表层土壤(1-15cm)的的Pb污染浓度达污染浓度达10006500mg/Kg，平均达，平均达2055mg/Kg。地下土壤深度。地下土壤深度15-30cm区铅污染浓度较低，区铅污染浓度较低，7802100mg/Kg，平均，平均1280mg/Kg；30-45cm深土层浓度从深土层浓度从2808800mg/Kg变化。变化。Edenspace Systems
43、 Corporation挖掘表层挖掘表层6英寸土壤，并设置一个英寸土壤，并设置一个3.5英尺的浓度计。英尺的浓度计。土壤为碱性条件土壤为碱性条件pH7.9，且由包含，且由包含2.5%有机质的沙壤土组成。有机质的沙壤土组成。土壤的铅主要（土壤的铅主要（66%）以碳酸盐形式赋存。）以碳酸盐形式赋存。通过灌溉系统，以通过灌溉系统，以2mmol/Kg速度施加含有速度施加含有EDTA的改良剂；的改良剂；芥菜芥菜Brassica juncea作为修复植物；作为修复植物；生长周期（每生长周期（每6周）进行收割；周）进行收割；Enhancement of plant uptake of Pb through
44、the use of synthetic chelates.特殊农业特殊农业灌溉系统灌溉系统土壤水中溶解态铅，土壤水中溶解态铅，并添加络合剂并添加络合剂根系提取根系提取运输到茎部运输到茎部蒸腾作用蒸腾作用使其富集使其富集将表层土壤中铅浓度由将表层土壤中铅浓度由2300mg/Kg降低至降低至420mg/Kg，平均，平均960mg/Kg；地下地下15-30cm深度土壤，平均铅浓度由深度土壤，平均铅浓度由1280mg/Kg降至降至992mg/Kg；但在但在30-45cm深度铅浓度并无改变。深度铅浓度并无改变。表层土壤铅平均浓度由表层土壤铅平均浓度由2055mg/Kg降至降至960mg/Kg；添加添加
45、EDTA的土壤淋滤后没有的土壤淋滤后没有EDTA和铅溶出；和铅溶出；出乎意料的是三茬作物在生长季节可以去除如此大量的铅。出乎意料的是三茬作物在生长季节可以去除如此大量的铅。土壤植物修复工程土壤植物修复工程3 SuperFund美国超级基金美国超级基金,修复面积约修复面积约7.5亩，来自电池回收、铸造和二次冶炼操作导致的严重土壤亩，来自电池回收、铸造和二次冶炼操作导致的严重土壤铅污染，污染时间跨度约铅污染，污染时间跨度约90年。年。土壤总铅污染浓度平均为土壤总铅污染浓度平均为55480mg/Kg，最高值达到，最高值达到140500mg/Kg;土壤中铅最初以碳酸盐形式存在（土壤中铅最初以碳酸盐形式
46、存在（41.6%），），28.9%以硫酸盐以硫酸盐/残留态存残留态存在，在，26.7%以无机化学态存在以无机化学态存在;据估计有据估计有71.4%的土壤总铅以非残留态存在，使得其易被生物利用。的土壤总铅以非残留态存在，使得其易被生物利用。超级基金的供试土壤为超级基金的供试土壤为pH7.58.1的碱性条件。的碱性条件。85%的区域以本土植物种类种植，以草类、豆类和各种多年生植物的区域以本土植物种类种植，以草类、豆类和各种多年生植物;由于土壤总铅的严重污染，所有植物的根部均严重发育不良，通常不穿由于土壤总铅的严重污染，所有植物的根部均严重发育不良，通常不穿透透5cm深度深度;这项研究中应用植物通常
47、为麦仙翁（这项研究中应用植物通常为麦仙翁（Agrostemma githago），车前草），车前草(Plantago rugelii)，大蒜芥，大蒜芥(Alliaria officinalis),蒲公英蒲公英(Taraxacum officinale)，豚草，豚草(Ambrosia artemisiifola)，红花槭（，红花槭（Acer rubrum）;蒲公英，豚草和红花槭是在室内研究其从铅污染土壤中提取污染的能力。蒲公英，豚草和红花槭是在室内研究其从铅污染土壤中提取污染的能力。在室内培育研究中，在室内培育研究中，蒲公英成功地从第一轮种植中提取蒲公英成功地从第一轮种植中提取1059mg/Kg
48、和第二批和第二批921mg/Kg。豚草成功地从第一轮种植中提取豚草成功地从第一轮种植中提取965mg/Kg铅，在第二轮中增长到铅，在第二轮中增长到1232mg/Kg。每轮种植允许生长期每轮种植允许生长期60天。天。去除铅的作物种类主要为草本植物，可以产生显著的生物量。去除铅的作物种类主要为草本植物，可以产生显著的生物量。 封育植物修复试验封育植物修复试验. 加拿大加拿大向日葵种植修复试验向日葵种植修复试验. 西里西亚西里西亚. 波兰波兰.重金属污染物由布散器直接施加于土壤重金属污染物由布散器直接施加于土壤表层，试验地表层，试验地卡托维兹卡托维兹. 波兰波兰Ex-Situ Phytoremedi
49、ation of Paper Mill Landfill Leachate.砂河设计及成片部署白杨树系统，用于修复造纸厂污泥堆肥渗滤液。砂河设计及成片部署白杨树系统，用于修复造纸厂污泥堆肥渗滤液。北部威斯康星州北部威斯康星州. 美国美国向日葵（朝阳花）显著的用途是从切尔诺贝利核电站（向日葵（朝阳花）显著的用途是从切尔诺贝利核电站（1896年）泄漏污染位点年）泄漏污染位点周围土壤和池塘内取出铯和锶（放射性元素）。周围土壤和池塘内取出铯和锶（放射性元素）。广西、云南等地遇到洪水时，上游堆积的开采矿产中高浓度重金属的污水广西、云南等地遇到洪水时，上游堆积的开采矿产中高浓度重金属的污水就顺势蔓延下来，
50、造成下游上百公里的河道和农田受到污染，从而大面积就顺势蔓延下来，造成下游上百公里的河道和农田受到污染，从而大面积稻田绝收或严重减产。稻田绝收或严重减产。在国家高技术发展计划在国家高技术发展计划(863项目项目)、973前期专项和国家自然科学基金重点前期专项和国家自然科学基金重点项目的支持下，陈同斌研究员在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染土壤项目的支持下，陈同斌研究员在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染土壤植物修复基地。修复后：在田间种植条件下，蜈蚣草叶片含砷量高达植物修复基地。修复后：在田间种植条件下，蜈蚣草叶片含砷量高达0.8%.3 国内中科院地理资源所陈同斌研究组，受当地政府委托进行污染土地
51、的修复工中科院地理资源所陈同斌研究组，受当地政府委托进行污染土地的修复工作。作。修复前：广西某县因洪灾造成超过修复前：广西某县因洪灾造成超过5000亩农田土壤被严重污染，部分土壤亩农田土壤被严重污染，部分土壤甚至寸草不生，这已成为广西当前最突出的环境问题。甚至寸草不生，这已成为广西当前最突出的环境问题。修复后：建立污染土地的植物修复示范工程，目前已开始种植超富集植物修复后：建立污染土地的植物修复示范工程，目前已开始种植超富集植物进行土壤重金属污染修复试验，取得初步成效。进行土壤重金属污染修复试验，取得初步成效。重金属植物修复技术重金属植物修复技术现存问题及改善措施现存问题及改善措施大部分重金属
52、超富集植物植株矮小，生物量低，生长缓慢；因而，修复效率受到很大影响，且不易机械化作业，造成经济上不合理。引种困难植株生物量太低超富集植物多为野生植物，对气候条件的要求也比较严格，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定的要求；区域性分布较强，使成功引种受到严重限制；现存问题专一性强超富集植物专一性强，通常一种植物往往只是吸收一种或两种重金属元素，对土壤中其它浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用前景；循环式污染植物由于通过落叶，器管腐败，以及由于死亡未及时回收处理等原因使重金属重返土壤；因此必需在落叶前收
53、割并处理植物器官。富集植物的再处理困难 积累大量重金属的植物再处理也是一个棘手的问题,还存在污染物及其降解产物的重新活化问题。其他因素除植物自身因素外，还有其它因素也影响植物修复的有效性,如土壤微生物活性,土壤本身的理化特性,还有污染区的气候地理条件等。由于待修复土壤养分缺乏、重金属活性低，以及已发现的超积累植物生物量小、生长缓慢、且受气候、土壤等环境条件的限制，植物修复效率有限，制约了大规模的应用。因此有必要通过运用农学、工程学、植物营养学、物理、化学、生物学等手段，为修复植物提供有利的生长发育和吸收重金属的环境，增加土壤中植物可利用态重金属的数量或提升修复植物累积重金属的能力，以达到提高植
54、物修复效率的目的。1) 控制好施肥技术施肥是一种提高农作物产量与品质的传统农艺措施，也已成为植物修复过程中十分必要的手段。首先，重金属污染土壤常出现在矿区、废弃地等养分贫瘠区域，修复中需要根据待修复土壤的养分状况及超富集植物的需肥特性进行施肥；其次，土壤中较高浓度的重金属元素会影响植物对营养元素的吸收，严重时会出现缺素症状甚至死亡；此外,超富集植物也会从土壤中带走大量营养元素。因此，需要通过施肥来确保超富集植物修复过程中的营养供应。田间试验发现，适量施加磷肥可提高蕨类植物蜈蚣草的生长速率和生物量。农业管理方面改善途径及措施除能忍耐高浓度的重金属以外，某些超富集植物还可在微域环境较为干旱的地方生
55、长。蜈蚣草的自然分布受水分条件限制较小，高于500mm的年降水量即可满足其正常生长与繁殖的需要。有些超富集植物虽具有较强的耐旱性，但过度缺水仍会减弱其修复重金属污染土壤的能力。在种植过程中需进行适当的水分管理，以提高植物修复效率。合理的水分管理不仅可以满足植物生长的水分需求，促进植物生长发育，还能提高土壤中重金属的生物有效性，进而有利于提高植物修复效率。2 ) 水分管理改善途径及措施3) 栽培措施 在应用超富集植物修复污染土壤时，主要的栽培措施包括育苗、翻耕、种植密度、除草及轮作、间作、套作、收割等措施。 超富集植物往往存在育苗难或育苗周期过长，因此需良好的育苗技术；翻耕有利于土壤团粒结构的形
56、成，起到保墒的作用； 杂草与超富集植物竞争生存空间 ，需采取适当方式控制杂草；另外病害和虫害也是重要影响因素,因此要做好病、虫害的防治工作；改善途径及措施1) 继续寻找和培育超积累植物,并运用现代分子生物技术培育出生长速度快,生物量大的超积累植物。技术层面改善途径及措施遏蓝菜：分布于东北、华北、西北、西南及河北、江苏 。可富集Zn和Cd。蜈蚣草：分布于西南、华南、海南、台湾 ，可富集As。羽衣甘蓝：原产地中海沿岸至小亚西亚。 分布在温带地区。可富集Cd。u常见的超积累植物2) 研究和发现超积累植物的抗性机理和生理生态过程,筛选出能同时吸收几种重金属污染物的植物。大量水生植物对重金属Zn、Cr、
57、Pb、Cd、Co、Ni、Cu等有很强的吸收积累能力，如仙丹花，鹅掌藤，马齿苋，变叶木，美人蕉，孔雀草等。美人蕉：分布于美洲热美人蕉：分布于美洲热带和非洲等地带和非洲等地 变叶木：原产于亚洲马来变叶木：原产于亚洲马来半岛至大洋洲半岛至大洋洲 ，现广分布，现广分布于热带。于热带。仙丹花：分布于中国南方和仙丹花：分布于中国南方和马来西亚地区马来西亚地区 通常陆生植物具有发达的根系，将陆生植物幼苗用于水体中重金属的去除，效果也会较好。木本植物生物量大，修复效果好于草本植物，如池杉，其富集 Pb 和Cd能力优于芦苇.池杉：可高达25米，原产美国弗吉尼亚中国引到南京南通鸡公山，后引至杭州、武汉、庐山、广州
58、 等地。 3) 对土壤进行工艺研究，结合土壤改良剂，提高植物对重金属的积累速率和水平。 可通过投加土壤改良剂，改变土壤的pH及其它理化性质，可以使重金属在土壤中发生沉淀、螯合等反应，降低其生物有效性，减少作物对重金属的吸收量，对重金属污染土壤的修复有辅助作用。4) 微生物制剂的使用。 现已发现某些菌根真菌能够促进植物对重金属的吸收，超富集植物与对重金属吸收能力强的菌根真菌等微生物联合起来的修复作用是改进超富集植物修复性能的有效手段之一，目前已成为植物修复领域重要的研究方向。这种微生物制剂的使用通常可以提高真菌浸染的成功率，促进菌根真菌与植物根系的共生，从而增强植物修复的效率。改善途径及措施5) 植物基因改良目前已发现的超富集植物很少同时具备生长速度快、生物量大与富集能力强的优点，一些研究者试图通过转基因技术或遗传育种技术手段来改善修复植物对重金属的富集能力和提高其生长速度或生物量。6) 将富集重金属的植物回收提纯，提高重金属的利用率，防止二次污染。改善途径及措施谢谢观看！80优选内容
