污染环境的植物修复原理

《污染环境的植物修复原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《污染环境的植物修复原理（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章第五章 污染环境的植物修复原理污染环境的植物修复原理目录目录5.1 概述概述5.2 植物对污染物的修复作用植物对污染物的修复作用5.3 影响植物修复的环境因子影响植物修复的环境因子5.4 有机污染物的植物修复有机污染物的植物修复5.5 重金属的植物修复重金属的植物修复5.6 放射性核素及富营养化物的植物修复放射性核素及富营养化物的植物修复25.1概述5.1.1植物修复的概念和类型植物修复的概念和类型植物修复技术：植物修复技术：是以植物忍耐和超量积累某种或某是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用些污染物的理论为基础，利用植物及其根际圈微生植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥

2、发、降解和转化物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来消除环境作用来消除环境中污染物的一门环境污染治理技术。中污染物的一门环境污染治理技术。 具体地说植物修复就是具体地说植物修复就是利用植物本身特有的利利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用，利用植物根系特殊用、分解和转化污染物的作用，利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态环境中微生物的生的生态条件加速根际圈的微生态环境中微生物的生长繁殖长繁殖，以及，以及利用某些植物的特殊积累与固定能力利用某些植物的特殊积累与固定能力，提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力。能力。 3广义的植物修

3、复广义的植物修复包括利用植物修复包括利用植物修复重金属污染重金属污染的土壤的土壤、利用植物、利用植物净化空气和水体净化空气和水体、利用植物、利用植物清除放射性核素清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共和利用植物及其根际微生物共存体系存体系净化土壤中的有机污染物净化土壤中的有机污染物。目前植物修复主要目前植物修复主要指利用植物及其根际圈微生指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤，其中利用重金属超积累物体系清洁污染土壤，其中利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是植物修复的核心技术。植物修复的核心技术。因此，因此，狭义的植物修复狭义的植

4、物修复技术主要指利用植物清技术主要指利用植物清除污染土壤中的重金属。除污染土壤中的重金属。 4植物修复应用范围：植物修复应用范围： a. 利用植物修复重金属污染的土壤利用植物修复重金属污染的土壤 b. 利用植物净化空气和水体利用植物净化空气和水体 c. 利用植物清除放射性核素利用植物清除放射性核素 d. 利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物的有机污染物 5图图5-1 植物修复与生物修复的关系及主要修复方式植物修复与生物修复的关系及主要修复方式6 生物修复生物修复微生物修复微生物修复植物修复植物修复微生物降解微生物降解微生物转化微生物转化植

5、物去除植物去除 植物固定植物固定/稳定化稳定化植物净化空气植物净化空气 植物植物提取提取植物降解植物降解 根际圈微生物降解根际圈微生物降解植物挥发植物挥发生态修复生态修复植物修复的类型植物修复的类型植物净化空气植物净化空气植物提取修复植物提取修复植物挥发修复植物挥发修复植物降解修复植物降解修复根际圈生物降解修复根际圈生物降解修复植物固定植物固定/稳定化修复稳定化修复7（1）植物净化空气）植物净化空气8净化空气净化空气吸收有害气体吸收有害气体吸滞放射性物质吸滞放射性物质滞尘滞尘除菌和杀菌除菌和杀菌减弱噪声减弱噪声吸收吸收CO2植物修复在空气污染中的应用植物修复在空气污染中的应用 氮氧化物氮氧化物

6、NxOy是污染空气的一类主要化合物，是污染空气的一类主要化合物，NO2同同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热温室效应的气体，它可以辐射传热, 破坏同温层的破坏同温层的O3。某些。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用, 利用利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法 。910龙舌兰：龙舌兰：在在10平方米左右的平方米左右的房间内，可消灭房间内，可消灭70的苯、的苯、50的甲醛和的

7、甲醛和24的三氯乙的三氯乙烯烯 芦荟：芦荟：在在24小时照明的条小时照明的条件下，可以消灭件下，可以消灭1立方米空立方米空气中所含的气中所含的90的甲醛。的甲醛。 （2）植物促进）植物促进(Phytoaccumulation)11也称之为也称之为植物提取植物提取,植物根系将土壤中重金属或植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。部分。一般指那些能累积超过叶子干重一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的的Mn，或，或者者0.1%的的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者，或者0.01%的的Cd的植物。目前世界上有的植物。目前世界上有5

8、00多种这样的植物。多种这样的植物。121583年，年，Cesalpino首次发现首次发现“黑色的岩石黑色的岩石”上生长的特殊植上生长的特殊植物，物，1814年，年，Desvaux将其命名将其命名为为Alyssum bertolonii(庭荠属庭荠属)，1848年，年，Minguzzi和和Vergnano测定该植物叶片含镍测定该植物叶片含镍高达高达7900 mg/kg。1977年，年，Brooks将这类植物命名为将这类植物命名为“超富集植物超富集植物”(hyperaccumulator)。1983年，年，Chaney提出利用植物提提出利用植物提取土壤中的污染物，通过收割植物带走土壤中污染物的设

9、想。取土壤中的污染物，通过收割植物带走土壤中污染物的设想。（3）植物挥发）植物挥发(Phytovolatilization)13某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。隙中挥发。 如桉树降解三氯乙烯如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥经植物挥发后变成了低毒的发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒

10、的硒化物气体等。，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。 （4）植物降解（）植物降解（Phytodegradation）利用某些植物特有的转化和降解作用去除水体利用某些植物特有的转化和降解作用去除水体和土壤中有机污染物质的一种方式。和土壤中有机污染物质的一种方式。修复途径主要有两个方面：修复途径主要有两个方面： 14如：硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如如：硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如TNT分解分解B 根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物 如：漆酶对如：漆酶对TNT（三硝基甲苯）的降解，（三硝基甲苯）的降解， 脱卤酶对含氯溶剂如脱卤酶对含氯溶剂

11、如TCE（三氯乙烯）的降解等（三氯乙烯）的降解等 A 污染物污染物植物体植物体木质化作用木质化作用植物组织植物组织矿化为矿化为CO2和和H2O无毒或毒性小无毒或毒性小（5）根际圈生物降解根际圈生物降解(Rhizodegradation)根系降解：根系降解： 植物中超过植物中超过20%的营养成分如糖分、的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部氨基酸、有机酸等都聚集在根部, 因此会生长很多因此会生长很多微生物微生物, 尤其在根表面向外尤其在根表面向外13mm 的地方的地方, 这些微这些微生物是没有种植过植物的土壤的生物是没有种植过植物的土壤的34 倍。一些微倍。一些微生物可以同植物相结合促进

12、重金属的转化生物可以同植物相结合促进重金属的转化, 也可以也可以矿化某些有机污染物如矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。15植物植物微生物体系微生物体系水分水分 养料养料根分泌物质根分泌物质降解有机物的原料（降解有机物的原料（共代谢的原料共代谢的原料）（6）植物固定）植物固定(Phytostabilization）16利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带根系地带, 降低其活动性降低其活动性, 阻止其向深层土壤阻止其向深层土壤或地下水中扩散或地下水中扩散, 但并不为植物利用但并不为植物利用, 即根系即根系对污染物起固定作用。对污染物起固定作用。

13、5.1.2 植物修复的优势及存在的问题植物修复的优势及存在的问题优势：优势：17植物修复开发和应用潜力巨大。植物修复开发和应用潜力巨大。植物修复符合可持续发展战略的理念。植物修复符合可持续发展战略的理念。 （太阳能为能源、蒸腾作用、无二次污染、肥力增加，（太阳能为能源、蒸腾作用、无二次污染、肥力增加， 回收金属等）回收金属等）植物修复过程易于社会接受。植物修复过程易于社会接受。局限性：局限性：需要光、需要光、T、水分等适宜的环境条件，及病、虫草害、水分等适宜的环境条件，及病、虫草害的影响；的影响；对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达不到，甚至

14、不适于植物生长的污染土壤或水体的修不到，甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修复并不适用；复并不适用；对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要求；要求；修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。1819修复原理：主要是通过植物自身的光合、修复原理：主要是通过植物自身的光合、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应，从污染物质和微生态环境发生交互反

15、应，从而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。污染物达到净化和脱毒的修复效果。 5.2植物对污染物的修复作用植物对污染物的修复作用5.2.1 植物吸收、排泄与积累植物吸收、排泄与积累（1）植物吸收）植物吸收 植物为了维持正常的生命活动，必须不断植物为了维持正常的生命活动，必须不断地从周围环境中吸收水分和营养物质。地从周围环境中吸收水分和营养物质。植物具有广泛吸收性，除对少数几种元素植物具有广泛吸收性，除对少数几种元素表现出选择性吸收外，对不同的元素来说表现出选择性吸收外，对不同的元素来说只是吸收能力大小不同而已。只是吸收能力大小不

16、同而已。植物吸收的植物吸收的3种方式种方式：被动吸收、避、超：被动吸收、避、超积累积累20（2）植物排泄）植物排泄 向外排泄体内多余的物质和代谢物质（排泄物向外排泄体内多余的物质和代谢物质（排泄物或挥发的形式）或挥发的形式） 植物排泄途径：植物排泄途径：经过根吸收后，再经叶片或茎等地上器官排出经过根吸收后，再经叶片或茎等地上器官排出去去(如汞、硒等）。如汞、硒等）。叶片吸收后，根排泄。叶片吸收后，根排泄。 去旧生新去旧生新21（3）植物积累）植物积累 进入植物体内的污染物质虽可经生物转化过程进入植物体内的污染物质虽可经生物转化过程成为代谢产物经排泄途径排出体外，但大部分成为代谢产物经排泄途径排

17、出体外，但大部分污染物质与污染物质与蛋白质或多肽蛋白质或多肽等物质具有较高的亲等物质具有较高的亲和性而长期存留在植物的组织或器官中，在一和性而长期存留在植物的组织或器官中，在一定的时期内不断积累增多而形成富集现象，还定的时期内不断积累增多而形成富集现象，还可在某些植物体内形成超富集。可在某些植物体内形成超富集。22用富集系数来表征植物对某种元素或化合物的积累能力，用富集系数来表征植物对某种元素或化合物的积累能力， 富集系数（富集系数（BCF）=植物体内某种元素含量植物体内某种元素含量/土壤中该种元素土壤中该种元素含量含量 用位移系数来表征某种重金属元素或化合物从植物根部到植物用位移系数来表征某

18、种重金属元素或化合物从植物根部到植物地上部的转移能力，即地上部的转移能力，即 位移系数（位移系数（TF）=植物地上部某种元素含量植物地上部某种元素含量/植物根部该种元素植物根部该种元素含量含量 富集系数越大，表示植物积累该种元素的能力越强。富集系数越大，表示植物积累该种元素的能力越强。 位移系数越大，说明植物由根部向地上部运输该元素能力越强，位移系数越大，说明植物由根部向地上部运输该元素能力越强，利于植物提取修复。利于植物提取修复。 当植物吸收和排泄的过程呈动态平衡时，植物虽然仍以某种微当植物吸收和排泄的过程呈动态平衡时，植物虽然仍以某种微弱的速度在吸收污染物质，但在体内的积累量已不再增加，而

19、弱的速度在吸收污染物质，但在体内的积累量已不再增加，而是达到了一个极限值，叫临界含量，此时的富集系数称为是达到了一个极限值，叫临界含量，此时的富集系数称为平衡平衡富集系数富集系数。23（4）植物吸收、排泄和积累间的关系）植物吸收、排泄和积累间的关系 动态平衡动态平衡(图图5-3) 24根据植物根对污染物质吸收的难易程度，可将土根据植物根对污染物质吸收的难易程度，可将土壤中污染物分为：壤中污染物分为：可吸收态：可吸收态：土壤溶液中的污染物如游离离子及螯合土壤溶液中的污染物如游离离子及螯合离子离子难吸收态：难吸收态：残渣态等难为植物吸收的残渣态等难为植物吸收的交换态：交换态：介于两者之间，包括被黏

20、土和腐殖质吸附介于两者之间，包括被黏土和腐殖质吸附的污染物的污染物 可吸收态可吸收态交换态交换态难吸收态难吸收态255.3 影响植物修复的环境因子影响植物修复的环境因子共存物质共存物质温度温度氧化还原氧化还原电位电位污染物间的复污染物间的复合效应合效应生物因子生物因子植物营植物营养物质养物质酸碱度酸碱度植物激素植物激素影响土壤重金属活性的主要因素，影响溶解影响土壤重金属活性的主要因素，影响溶解和沉淀平衡，和沉淀平衡，pH高重金属易沉淀，不易生物吸高重金属易沉淀，不易生物吸收。收。以以Cd、Zn为例，随为例，随pH升高，升高，Cd、Zn趋于稳趋于稳定定;在低在低pH时，沉积物中生物可吸收态的水溶

21、液时，沉积物中生物可吸收态的水溶液和可交换态和可交换态Cd、Zn的浓度有明显增加。的浓度有明显增加。可能不是单一的递增或递减。可能不是单一的递增或递减。27（1） pH值值（2）氧化还原电位）氧化还原电位Eh 重金属在不同的氧化还原状态下，有不同的形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。态且可互相转化。Cd：在还原条件下，有机结合态：在还原条件下，有机结合态Cd最稳定，但最稳定，但在氧化条件下，有机结合态镉则被转化为生物可在氧化条件下，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，并随水体中，并随Eh增

22、大，其释放量增多。增大，其释放量增多。淹水抽穗淹水抽穗28(3)共存物质共存物质可改变重金属的存在状态：可改变重金属的存在状态：络合络合-螯合剂：螯合剂：与可溶态金属结合，防止金属沉淀与可溶态金属结合，防止金属沉淀或吸附在土壤上，或吸附在土壤上，增加重金属的移动性和植物利增加重金属的移动性和植物利用性用性。同时，被吸附态和结合态的金属离子溶解。同时，被吸附态和结合态的金属离子溶解如，如，土壤中植物吸收土壤中植物吸收Pb的能力很低的能力很低土壤中加入土壤中加入络合剂（络合剂（EDTA）增加植物根对增加植物根对Pb的吸收能的吸收能力力富里酸富里酸对结合态汞有较强的吸附能力，易于促进矿对结合态汞有较

23、强的吸附能力，易于促进矿物汞由固定结合态向有机溶解态转化，而被植物物汞由固定结合态向有机溶解态转化，而被植物吸收。吸收。29（4）植物营养物质）植物营养物质 营养物质是影响植物吸收重金属的要素，有些营养物质是影响植物吸收重金属的要素，有些已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。实验已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。实验表明表明N、P、K等植物营养物质对超积累植物吸收等植物营养物质对超积累植物吸收重金属有较大的影响。重金属有较大的影响。 例如，在对小麦施用氮肥的过程中发现，硝酸例如，在对小麦施用氮肥的过程中发现，硝酸铵不仅能够增加小麦对土壤中铵不仅能够增加小麦对土壤中Cd的吸收，促进的吸收，促

24、进植物生长，而且植物生长，而且NH4进入土壤后发生硝化作用，进入土壤后发生硝化作用，短期内可使土壤短期内可使土壤pH值明显下降，增加了值明显下降，增加了Cd的生的生物有效性，更重要的是物有效性，更重要的是NH4Cd形成络合物而降低形成络合物而降低土壤对土壤对Cd的吸附。的吸附。30（5）污染物间的复合作用）污染物间的复合作用多种污染物复合污染，拮抗和促进多种污染物复合污染，拮抗和促进（6）植物激素）植物激素 植物体内合成的，对植物生长发育产生明显调节作用植物体内合成的，对植物生长发育产生明显调节作用的微量生理活性物质。（的微量生理活性物质。（植物激素类除草剂植物激素类除草剂）（7）生物因子）生

25、物因子 菌根真菌增加生长，降低土壤中的重金属含量等。菌根真菌增加生长，降低土壤中的重金属含量等。 31（8）温度）温度 温度首先会影响水生植物的生长，温度首先会影响水生植物的生长， 温度还会影温度还会影响水体重金属离子的活性，以及水体悬浮泥沙、底响水体重金属离子的活性，以及水体悬浮泥沙、底泥对重金属的吸附，进而影响植物的吸收。泥对重金属的吸附，进而影响植物的吸收。（9）重金属的种类及其形态差异）重金属的种类及其形态差异 植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难吸收，通过植物对吸收，通过植物对Cr,Hg,As,Cd的吸收比较发现植的吸收比较发现植物最容易吸

26、收物最容易吸收Cd和和As，而对，而对Cr的吸附量就很少。的吸附量就很少。同一元素的不同价态吸收系数差别很大，如水稻对同一元素的不同价态吸收系数差别很大，如水稻对Cr3的吸收系数平均值为的吸收系数平均值为0.032，而对，而对Cr6则为则为0.056，可见，可见Cr6的吸收系数大于的吸收系数大于Cr3。325.4 有机污染物的植物修复有机污染物的植物修复33直接吸收直接吸收和降解和降解酶的作用酶的作用根际的生根际的生物降解物降解v5.4.1 植物对有机污染物的修复作用（植物对有机污染物的修复作用（3种机制）种机制）（1）直接吸收和降解）直接吸收和降解植物根中度憎水性有机物吸收好植物根中度憎水性

27、有机物吸收好:0.5lg Kow 3.0Kow是有机化合物在辛醇和水两相平衡浓度之比。辛是有机化合物在辛醇和水两相平衡浓度之比。辛醇对有机物的分配与有机物在土壤有机质的分配极为醇对有机物的分配与有机物在土壤有机质的分配极为相似，相似， 3.0憎水，根部吸附紧密，不易进入植物体内；憎水，根部吸附紧密，不易进入植物体内； 0.5，亲水，不易与根部吸附，不易进入植物体，亲水，不易与根部吸附，不易进入植物体苯系物，氯代溶剂，短链脂肪族化合物苯系物，氯代溶剂，短链脂肪族化合物植物吸收后木质化作用新的组织中植物吸收后木质化作用新的组织中 矿化二氧化碳和水矿化二氧化碳和水 挥发挥发34（2）酶的作用）酶的作

28、用植物对有机污染物的吸收强度比无机物低植物对有机污染物的吸收强度比无机物低主要靠根系分泌物对有机物的污染产生的配主要靠根系分泌物对有机物的污染产生的配合和降解等作用；合和降解等作用；根系释放到土壤中的酶的直接降解作用。根系释放到土壤中的酶的直接降解作用。死的植物根酶分解作用脱卤酶等死的植物根酶分解作用脱卤酶等35（3）根际的生物降解）根际的生物降解植物以多种方式帮助微生物的转化植物以多种方式帮助微生物的转化包括：植物根的微生物区系内生微生物包括：植物根的微生物区系内生微生物36根分泌酶和有机酸根分泌酶和有机酸微生物微生物土壤界面土壤界面促进根区微生物的生促进根区微生物的生长和繁殖，以利于降长和

29、繁殖，以利于降解有毒化学物质。解有毒化学物质。 根系分泌物：糖类，醇类，酸类，根系分泌物：糖类，醇类，酸类，细根的腐解有机碳细根的腐解有机碳37 植物植物-微生物共生体微生物共生体(具有固氮菌的豆科植物具有固氮菌的豆科植物)中中, 根分泌物养育了微生物，微生物的活动也会根分泌物养育了微生物，微生物的活动也会促进根系分泌物的释放。植物可转移氧气使根区促进根系分泌物的释放。植物可转移氧气使根区的好氧转化作用正常进行，降解不能被固氮菌单的好氧转化作用正常进行，降解不能被固氮菌单独转化的有机污染物。独转化的有机污染物。 5.4.2典型有机污染物的植物修复典型有机污染物的植物修复污染物酶促反应低毒，无毒

30、物污染物酶促反应低毒，无毒物氧化，还原，水解，脱烃，脱卤，羟基化，异氧化，还原，水解，脱烃，脱卤，羟基化，异构化作用降解（植物降解很强）构化作用降解（植物降解很强）（1）植物对农药的分解转化作用）植物对农药的分解转化作用耐药性植物分解杀虫剂，除草剂，杀菌剂等耐药性植物分解杀虫剂，除草剂，杀菌剂等高等植物体内降解农药的基本生化反应为：高等植物体内降解农药的基本生化反应为：氧化氧化、 还原、水解还原、水解 、异构化、异构化、 轭合反应等。轭合反应等。38（2）植物对其他有机污染物的分解转化作用）植物对其他有机污染物的分解转化作用 分解转化石油、洗涤剂、塑料、造纸、印染工分解转化石油、洗涤剂、塑料、

31、造纸、印染工业产生的废物。业产生的废物。3940水葫芦水葫芦水葫芦水葫芦（学名凤眼莲）可学名凤眼莲）可以去除水体中的有机磷农以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；甲基对硫磷等有机污染物；能从污水中除去镉、铅、能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重汞、铊、银、钴、锶等重金属元素。金属元素。 龙葵能有效地降解龙葵能有效地降解PCBs（多氯联苯），对（多氯联苯），对Cd富集富集 。龙葵龙葵41龍葵龍葵42苜蓿草苜蓿草和和水稻水稻已成功已成功地用于土壤中地用于土壤中PAHs（多环芳烃多环芳烃)的修复的修复,在在6个月内可以将个月内可以将PA

32、Hs总量降低总量降低57%；5.5.1重金属对植物的伤害机制重金属对植物的伤害机制43胁迫胁迫忍耐限度忍耐限度伤害：生长、繁殖受阻，至死亡伤害：生长、繁殖受阻，至死亡重金属对植物的影响：重金属对植物的影响：a. 抑制植物种子萌发；抑制植物种子萌发；b. 抑制植物的生长，表现为植株矮小，生长缓慢，抑制植物的生长，表现为植株矮小，生长缓慢，生物量减小；生物量减小；c. 抑制植物生殖，表现为生育期推迟，严重时会使抑制植物生殖，表现为生育期推迟，严重时会使生殖生长完全停止，甚至不开花结果。生殖生长完全停止，甚至不开花结果。 5.5 重金属的植物修复重金属的植物修复重金属对植物的伤害机理的表现：重金属对

33、植物的伤害机理的表现： 细胞膜的结构与功能受到破坏；细胞膜的结构与功能受到破坏； 光合作用受到抑制；光合作用受到抑制； 呼吸作用发生紊乱；呼吸作用发生紊乱； 糖类和氮素代谢受到抑制；糖类和氮素代谢受到抑制； 细胞核核仁遭到破坏；细胞核核仁遭到破坏； 植物激素发生变化。植物激素发生变化。44 此外，此外，重金属还通过影响根系微生态环境及产重金属还通过影响根系微生态环境及产生营养胁迫而对植物造成伤害生营养胁迫而对植物造成伤害。主要表现为：主要表现为： 对根际土壤微生物产生毒害作用；对根际土壤微生物产生毒害作用； 全部或部分地抑制土壤生化反应；全部或部分地抑制土壤生化反应； 与矿物元素发生拮抗和协同

34、作用。与矿物元素发生拮抗和协同作用。4546这张图片表现的是吸收重金属以后的植物：这张图片表现的是吸收重金属以后的植物：A：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）；：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）；B：X-射线放射自显影照片（能看出金属元素所在射线放射自显影照片（能看出金属元素所在的部位）；的部位）；C：计算机重构的放射自显影图（能看出金属元素：计算机重构的放射自显影图（能看出金属元素所在的部位）。所在的部位）。5.5.2植物对重金属的抗性机制植物对重金属的抗性机制 当环境中重金属含量过高时，通常会对植物当环境中重金属含量过高时，通常会对植物造成伤害。但植物也具有一些抗性机制来削除或造成伤害。

35、但植物也具有一些抗性机制来削除或减轻这种伤害，以使植物还能够生长。主要途径减轻这种伤害，以使植物还能够生长。主要途径为：为： （1）阻止重金属进入体内）阻止重金属进入体内 许多植物根部具有某种许多植物根部具有某种“避避”的机制，可以的机制，可以使根系周围大量重金属离子被阻止在根部，阻止使根系周围大量重金属离子被阻止在根部，阻止重金属进入根内并向地上部位运输，从而使植物重金属进入根内并向地上部位运输，从而使植物免受伤害或减轻伤害。免受伤害或减轻伤害。47 其其避性机理避性机理一方面在于植物一方面在于植物根分泌的有机酸等物根分泌的有机酸等物质质，改变了根际圈，改变了根际圈pH值及氧化还原电位梯度，

36、降值及氧化还原电位梯度，降低重金属的生物可利用性。低重金属的生物可利用性。 另一方面，可能在于另一方面，可能在于菌根真菌对重金属的屏障菌根真菌对重金属的屏障作用作用。 一般认为，植物对重金属的这种阻碍机制是普一般认为，植物对重金属的这种阻碍机制是普遍存在的，但当污染水平超过某一临界值时，这种遍存在的，但当污染水平超过某一临界值时，这种抵御能力就会失去作用，植物仍然会受伤害。抵御能力就会失去作用，植物仍然会受伤害。48（2）将重金属排出体外）将重金属排出体外 进入植物体内的重金属也可以通过某些机制被进入植物体内的重金属也可以通过某些机制被排出体外，从而达到解毒的目的。排出体外，从而达到解毒的目的

37、。 其排出体外的主要途径是其排出体外的主要途径是排放排放，也可以通过也可以通过衰衰老的方式老的方式如分泌一些脱落酸促进老叶或受毒害叶如分泌一些脱落酸促进老叶或受毒害叶片脱落等作用把重金属排出体外。片脱落等作用把重金属排出体外。49（3）对重金属的活性钝化）对重金属的活性钝化 植物还可以通过将积累在体内的重金属沉积在植物还可以通过将积累在体内的重金属沉积在细胞壁细胞壁等生理活性较弱区域，以此来阻止重金属等生理活性较弱区域，以此来阻止重金属对细胞内溶物的伤害。近年来的研究证实，许多对细胞内溶物的伤害。近年来的研究证实，许多植物将重金属植物将重金属累积在液泡累积在液泡，这种，这种区域化作用区域化作用

38、将重将重金属与细胞内其他物质隔离开来。金属与细胞内其他物质隔离开来。50蜈蚣草的毛状体对砷具有特殊的富集能力，蜈蚣草的毛状体对砷具有特殊的富集能力，羽片胞液羽片胞液是砷的主要储存部位，对砷具有明显是砷的主要储存部位，对砷具有明显的区域化作用，砷毒因此被的区域化作用，砷毒因此被“密封密封”在蜈蚣草在蜈蚣草体内的安全部位，不会影响植物的整体生长发体内的安全部位，不会影响植物的整体生长发育。育。 （4）抗氧化防卫系统）抗氧化防卫系统 植物受重金属污染后会产生一些抗氧化剂保护系统。植物受重金属污染后会产生一些抗氧化剂保护系统。其中其中酶性清除剂酶性清除剂主要有超氧化物歧化酶，脱氢酶，主要有超氧化物歧化

39、酶，脱氢酶，过氧化氢酶，氧化物酶，抗坏血酸过氧化物酶，谷过氧化氢酶，氧化物酶，抗坏血酸过氧化物酶，谷胱甘肽还原酶，谷胱甘肽过氧化物酶等。胱甘肽还原酶，谷胱甘肽过氧化物酶等。（5）生态型的改变）生态型的改变 改变生态型的方式生存下去，如植物生长的特别改变生态型的方式生存下去，如植物生长的特别矮小或肥大。矮小或肥大。5152重金属超积累植物重金属超积累植物 提取作用提取作用挥发植物挥发植物 挥发作用挥发作用固化植物固化植物 固定固定/稳定化作用稳定化作用 5.5.3重金属的植物修复机理重金属的植物修复机理5.5.3.1植物对重金属的运输（自学）植物对重金属的运输（自学）5.5.3.2重金属的植物修

40、复类型重金属的植物修复类型（1）植物提取修复）植物提取修复(phytoextraction) 利用超积累植物从污染土壤或水体中超量吸收、利用超积累植物从污染土壤或水体中超量吸收、积累一种或几种重金属元素，之后将植物整体（包括积累一种或几种重金属元素，之后将植物整体（包括部分根）收获并集中进行热处理，化学处理或微生物部分根）收获并集中进行热处理，化学处理或微生物处理，然后再重复上述步骤最终使污染环境中重金属处理，然后再重复上述步骤最终使污染环境中重金属含量降低到可接受的水平。含量降低到可接受的水平。 53适应重金属胁迫的植物适应重金属胁迫的植物 a. 重金属排异性植物重金属排异性植物 不吸收或少

41、吸收重金属元素；不吸收或少吸收重金属元素； 将吸收的重金属钝化在植物的地下部分，使其不将吸收的重金属钝化在植物的地下部分，使其不向地上部分转移；向地上部分转移； b. 重金属超积累植物重金属超积累植物 大量吸收重金属元素，植物仍能正常生长。大量吸收重金属元素，植物仍能正常生长。 54超富集植物超富集植物Brooks1977参考值（参考值（Baker, 2000）：）： 植物叶片或地上部干重中，植物叶片或地上部干重中，100 mg/kg 镉镉1000 mg/kg 砷、钴、铜、镍、铅砷、钴、铜、镍、铅10000 mg/kg 锰、锌锰、锌 超富集植物是能超量吸收重金属并将其运超富集植物是能超量吸收重

42、金属并将其运移到地上部的特殊植物。比值大于移到地上部的特殊植物。比值大于1。对于超富集植物的界定，植物地上部重金对于超富集植物的界定，植物地上部重金属含量是常用的指标。属含量是常用的指标。v超富集植物区别于普通植物的表现特征：超富集植物区别于普通植物的表现特征：重金属超富集植物是植物修复的重金属超富集植物是植物修复的核心和基础核心和基础。只有寻找到某种重金属相对应的超富集植物，才只有寻找到某种重金属相对应的超富集植物，才能实施植物修复。由于可以达到能实施植物修复。由于可以达到“种植物种植物,收金属收金属”的理想境界的理想境界,重金属超富集植物向来是人们研究重金属超富集植物向来是人们研究的重点。

43、的重点。56重金属在土壤普通植物中的平均浓度重金属在土壤普通植物中的平均浓度及其在超富集植物中的临界标准及其在超富集植物中的临界标准(mg/kg)重金属元素土壤中含量普通植物中含量超累积植物临界标准镉100钴1011000铬6011000锰850801000钙20101000镍4021000铅1051000锌5010010000达到临界标准，才能算是超富集植物。只有找到这种重金属的达到临界标准，才能算是超富集植物。只有找到这种重金属的超富集植物，才能修复这种重金属污染的土壤。超富集植物，才能修复这种重金属污染的土壤。 世界上已发现世界上已发现400多种典型的超富集植物，其中超过六成是多种典型的

44、超富集植物，其中超过六成是Ni超富集植物。超富集植物。已知超富集植物地上部分的金属含量（已知超富集植物地上部分的金属含量（mg/kg）金属金属超累积植物超累积植物含量含量镉镉天蓝遏蓝菜（天蓝遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）1800铜铜高山甘薯（高山甘薯（Ipomoea alpina）12300钴钴Haumaniasturm robetii10200铅铅圆叶遏蓝菜（圆叶遏蓝菜（T. rotundifolium）8200锰锰粗脉叶澳洲坚果粗脉叶澳洲坚果Macadamia neurophylla51800镍镍九节木属九节木属(P.douarrei)47500锌锌天蓝遏蓝菜（天蓝遏蓝

45、菜（T. caerulescens）51600理想的超富集植物特征：理想的超富集植物特征：1）对土壤中重金属具有较强的吸收和向地上部转运的能）对土壤中重金属具有较强的吸收和向地上部转运的能力。力。地上部的金属含量应比普通植物高百倍甚至上千倍。地上部的金属含量应比普通植物高百倍甚至上千倍。地上部重金属含量高于土壤重金属含量地上部重金属含量高于土壤重金属含量(即即富集系数富集系数富集系数富集系数BF1BF1、地上部重金属含量高于根部重金属含量地上部重金属含量高于根部重金属含量(即即转运系数转运系数转运系数转运系数TF1TF1)2）具有较快的生长速度和较大的生物量。）具有较快的生长速度和较大的生物量

46、。蜈蚣草蜈蚣草砷超富集植物砷超富集植物野外条件下其生物量（鲜重）野外条件下其生物量（鲜重）最高达到最高达到36t/hm2，并且植物，并且植物体内砷的浓度最高可达体内砷的浓度最高可达2.3%，国内已有修复基地。国内已有修复基地。镍超富集植物镍超富集植物大戟大戟诸葛菜诸葛菜黄杨黄杨龙船花龙船花锌超富集植物锌超富集植物遏蓝菜遏蓝菜长鄂堇菜长鄂堇菜 Zn超量积累植物的分布超量积累植物的分布较少，目前发现的约有较少，目前发现的约有18种，种，主要是十字花科遏蓝菜属植主要是十字花科遏蓝菜属植物。物。铅超富集植物铅超富集植物砷超富集植物砷超富集植物玉米玉米印度芥菜印度芥菜蜈蜙草蜈蜙草商陆镉超富集植物镉超富集

47、植物65超积累种超积累种鸭趾草鸭趾草中铜的中铜的浓度超过浓度超过1000g/g干重干重时，并未观察到明显的时，并未观察到明显的中毒症状。中毒症状。 东南景天东南景天：产广西、广东、产广西、广东、台湾、福建、贵州、四川、台湾、福建、贵州、四川、湖北、湖南、江西、安徽、湖北、湖南、江西、安徽、浙江至江苏宜兴。浙江至江苏宜兴。Zn/Cd 共共超积累及铅富集植物超积累及铅富集植物 鸭趾草超量积累植物资源超量积累植物资源 ：常规育种：常规育种： 筛选突变株筛选突变株 将超量积累植物与生物量高的亲缘植物杂交将超量积累植物与生物量高的亲缘植物杂交 转基因育种：转基因育种： 通过引入金属硫蛋白（通过引入金属硫

48、蛋白（metallothioneins）基因或）基因或引入编码引入编码Mer A（汞离子还原酶）的半合成基因，（汞离子还原酶）的半合成基因，增加了植物对金属的耐受性。增加了植物对金属的耐受性。 66目前，对植物富集后的生物量的处理还没有比目前，对植物富集后的生物量的处理还没有比较妥善的解决办法。有人提出将富集重金属的较妥善的解决办法。有人提出将富集重金属的生物量生物量燃烧发电燃烧发电，也有人主张将其中的，也有人主张将其中的金属提金属提取取出来。但目前的技术手段还很难实现，而且出来。但目前的技术手段还很难实现，而且这两种处理方法的造价都太高。这两种处理方法的造价都太高。一种现实的处理办法是暂时存

49、放，可以将超富一种现实的处理办法是暂时存放，可以将超富集植物烧成灰后，当做特殊垃圾深挖、填埋，集植物烧成灰后，当做特殊垃圾深挖、填埋，或是运到铅、锌等重金属矿区的尾矿库中与尾或是运到铅、锌等重金属矿区的尾矿库中与尾矿渣一起贮存，等将来技术手段进步了再进行矿渣一起贮存，等将来技术手段进步了再进行提炼。提炼。6768案例：案例： 美国美国Viridian环境公司对加拿大环境公司对加拿大Ontario Ni污染污染土壤的治理，每年可以从重金属回收当中获得土壤的治理，每年可以从重金属回收当中获得2500美元美元hm-2的收益，显示了较好的商业化应用前景。的收益，显示了较好的商业化应用前景。 植物从环境

50、中提取和浓缩某种元素是一个自然植物从环境中提取和浓缩某种元素是一个自然的、仅消耗光能的过程，因此植物修复就是利用这的、仅消耗光能的过程，因此植物修复就是利用这一过程的优点而形成的一种绿色技术。一过程的优点而形成的一种绿色技术。 应用的制约应用的制约： 只能积累某些元素，不能对所有关注元只能积累某些元素，不能对所有关注元素都有积累素都有积累 生长缓慢，生物量低生长缓慢，生物量低 农艺性状，病虫害，育种了解少。农艺性状，病虫害，育种了解少。69（2）植物挥发修复）植物挥发修复(Phytovolatilization) 某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面

51、组织空隙中挥发。空隙中挥发。植物挥发修复技术对于挥发性重金属的修复有显植物挥发修复技术对于挥发性重金属的修复有显著效果，但这种挥发性重金属转移到大气中的做法，著效果，但这种挥发性重金属转移到大气中的做法，有可能带来新的环境风险，所以，植物挥发修复应用有可能带来新的环境风险，所以，植物挥发修复应用范围较小。范围较小。7071目前这方面研究最多的元素是目前这方面研究最多的元素是汞和硒汞和硒。汞是一种易挥发重金属，主要以无机态汞和有汞是一种易挥发重金属，主要以无机态汞和有机态汞存在。机态汞存在。研究发现，某些细菌可以通过酶的作用将甲基研究发现，某些细菌可以通过酶的作用将甲基汞和离子态汞转化为毒性小得

52、多的单质汞并挥汞和离子态汞转化为毒性小得多的单质汞并挥发到大气中。发到大气中。因此，科学家在寻找汞超积累植物的同时，试因此，科学家在寻找汞超积累植物的同时，试图将细菌体内对汞的转化基因转导到植物中去，图将细菌体内对汞的转化基因转导到植物中去，由此提高植物对汞的挥发修复能力。由此提高植物对汞的挥发修复能力。 案例：案例： 美国科学家已成功将去甲基汞毒性的两种基因美国科学家已成功将去甲基汞毒性的两种基因转导到转导到烟草烟草和植物和植物拟南芥拟南芥，这两种基因分别是汞离，这两种基因分别是汞离子还原基因和有机汞催化破坏基因，其中有机汞催子还原基因和有机汞催化破坏基因，其中有机汞催化破坏基因能催化有机汞

53、释放汞，然后由汞离子还化破坏基因能催化有机汞释放汞，然后由汞离子还原基因催化植物所吸收的汞发生还原反应变为单质原基因催化植物所吸收的汞发生还原反应变为单质汞，再由植物把单质汞挥发到大气中去。汞，再由植物把单质汞挥发到大气中去。7273紫云英紫云英可以从污染土壤中吸收可以从污染土壤中吸收硒硒，之后将其在体内转化，并之后将其在体内转化，并以二甲基硒和二甲基二硒以二甲基硒和二甲基二硒等形态挥发掉。等形态挥发掉。以及一些农作物如以及一些农作物如水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜、水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜、大麦和苜蓿大麦和苜蓿等对等对硒硒都有较强的吸收和挥发能力。都有较强的吸收和挥发能力。（3）植物固定）

54、植物固定/稳定化修复稳定化修复植物固定植物固定(Phytostabilization) 利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带系地带, 降低其活动性降低其活动性, 阻止其向深层土壤或地下阻止其向深层土壤或地下水中扩散水中扩散, 但并不为植物利用但并不为植物利用, 即根系对污染物起即根系对污染物起固定作用。固定作用。74失去生物有效性失去生物有效性A 根分泌物根分泌物积累积累 沉淀沉淀污染物质污染物质减少毒害作用减少毒害作用B 植物生长植物生长减少减少风蚀、水蚀风蚀、水蚀污染物质扩散、迁移污染物质扩散、迁移防止防止防止污染周围环境防止污染周围环境u

55、原理原理 保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗滤以防止污染物的保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗滤以防止污染物的淋溶淋溶;通过在根部累积和沉淀对污染物起到钝化或稳定化作通过在根部累积和沉淀对污染物起到钝化或稳定化作用。用。u应用应用可用于采矿、冶炼厂、污泥等污染土壤的修复。可用于采矿、冶炼厂、污泥等污染土壤的修复。u风险风险不是彻底去除污染物，仅形态发生变化，环境条件发生变不是彻底去除污染物，仅形态发生变化，环境条件发生变化时其生物有效性又会发生改变。化时其生物有效性又会发生改变。5.6 放射性核素及富营养化物的植物修复放射性核素及富营养化物的植物修复76桉树：桉树：Cs、Sr水体富营养水体富营养

56、（N、P)5.7 污染土壤植物修复时间的估算污染土壤植物修复时间的估算5.7.15.7.1 重金属污染重金属污染重金属污染重金属污染土壤植物修复计算土壤植物修复计算土壤植物修复计算土壤植物修复计算污染物吸收速率与修复时间可用下式进行估算：污染物吸收速率与修复时间可用下式进行估算：M=M0e-ktk=U/M0t=-(lnM/M0)/k式中，式中，U为污染物吸收速率为污染物吸收速率(kg/a)；M0为污染物的初始质量为污染物的初始质量(kg) ； k为植物一级吸收速率常数为植物一级吸收速率常数(a-1) ； M为任一时间残留为任一时间残留的污染物质量的污染物质量(kg) ； t为将某一污染场地清洁

57、到一定标准后为将某一污染场地清洁到一定标准后所需的时间所需的时间(a)。U值的确定：田间试验，文献查阅。值的确定：田间试验，文献查阅。例题：例题：某场地遭受轻度铅污染，某场地遭受轻度铅污染，30.48cm土壤深度范围内铅的浓土壤深度范围内铅的浓度为度为600mg/kg，清洁达到的标准设定为，清洁达到的标准设定为400mg/kg。场地每。场地每年种植印度芥菜并进行相应的施肥和收割以达到植物萃取年种植印度芥菜并进行相应的施肥和收割以达到植物萃取金属的目的。（土壤比重金属的目的。（土壤比重1.5）如果植物修复过程中施用小剂量如果植物修复过程中施用小剂量EDTA后植物器官中铅的后植物器官中铅的含量可以

58、达到含量可以达到5000 mg/kg (烘干重烘干重)，每公顷每茬植物收得，每公顷每茬植物收得地上可收割部分的干重物质为地上可收割部分的干重物质为8t，则每年收割，则每年收割3茬植物总的茬植物总的干物质量可达到干物质量可达到24t。试计算修复年限。试计算修复年限。U=5000mg/kg * (24t /hm2a) =120kg / hm2a假如假如M0为比重为比重1.5的土壤中铅的初始质量，则：的土壤中铅的初始质量，则：M0600 * 1.5t/m3 * 104m2 * (30.48*10-2 m)=2743 kg/hm2kU/M0=120/2743=0.04a-1假定清洁标准定为假定清洁标准

59、定为400 mg/kg，则残留污染的质量为则残留污染的质量为M(kg)：M400 * 1.5t/m3*104m2*(30.48*10-2 m)=1829kg/hm2t=-(lnM/M0)/K=-(ln1829/2743)/0.04=10.13a5.7.2 5.7.2 有机有机有机有机污染土壤植物修复时间计算污染土壤植物修复时间计算污染土壤植物修复时间计算污染土壤植物修复时间计算假定植物萃取呈一级反应：假定植物萃取呈一级反应：M=M0e-ktk=U/M0U U(TSCF)(T)(C)(TSCF)(T)(C)t=-(lnM/M0)/k式中，式中，U为污染物的吸收速率为污染物的吸收速率(mg/L);

60、T为植物的蒸发速率为植物的蒸发速率(L/d)，TSCF为蒸发流浓度系数，无量纲为蒸发流浓度系数，无量纲;C为土壤溶液中液为土壤溶液中液相的浓度相的浓度(mg/L)。例题：例题：假设某污染土壤从地表到假设某污染土壤从地表到3m深处未饱和带均可发现四氯乙烯深处未饱和带均可发现四氯乙烯残留物。实测土壤水溶液样品中污染物的浓度为残留物。实测土壤水溶液样品中污染物的浓度为100mgL-1。如果在废弃物上长期种植密度为每公顷如果在废弃物上长期种植密度为每公顷3600棵的杂交杨柳树棵的杂交杨柳树用以吸收和转化四氯乙烯废弃物，每棵树每年蒸发大约用以吸收和转化四氯乙烯废弃物，每棵树每年蒸发大约2000L水。水。

61、假如每英亩土壤中四氯乙烯的质量为假如每英亩土壤中四氯乙烯的质量为2500kg/hm2，清洁标准，清洁标准定为定为250kg/hm2 (剔除掉剔除掉90%)的污染物，查表的污染物，查表TSCF=0.74。试计算修复年限。试计算修复年限。T=2000*36007.2*106（L/hm2a）C=100 mgL-1U=0.74*7.2*106 L/hm2a *100 mgL-1=532.8kg/hm2aK=U/M0=532.8/2500=0.21a-1M=250 kg/hm2M0=2500 kg/hm2t=-(lnM/M0)/k=10.95 a当大部分四氯乙烯被杨树吸收后，会缓慢地蒸发到大气圈当大部分四氯乙烯被杨树吸收后，会缓慢地蒸发到大气圈中，只有部分四氯乙烯会被植物的叶部和木质部组织新陈中，只有部分四氯乙烯会被植物的叶部和木质部组织新陈代谢掉。代谢掉。