（生物物理学专业论文）134cs与cu污染土壤植物修复的研究.pdf

单位代码： 1 0 3 3 9 研究生学号：1 0 0 1 6 0 1 2 学位论文 1 3 4 c s 与c u 污染土壤植物修复的研究 指导老师姓名： 指导老师单位： 申请学位级别： 专业名称： 论文提交日期： 论文答辩日期： 答辩委员会主席： 论文评阅人： 睦王丞麴援廑世苤麴援 逝堑太堂 墟堂僮 生物物理堂 2 壁q 墨生5 旦 2 q q 墨笙查旦 奎婴窒丞苤 国家重点基础研究发展规划项目一土壤质量演变规律 与持续利用( g 1 9 9 9 0 11 8 0 0 ) a c k n o w l e d g e i e n t s 资助 t h i sr e s e a r c hw a sf i n a n c i m l y s u p p o s e d b yp m j 眦f r o mt h e m i r f i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p r c h i n a ( n k b r s f g 1 9 9 9 0 1 1 8 0 0 ) 摘戛 摘要 土壤中重金属和放射性核素污染日趋严重，植物修复技术以其成本低、环 境友好等特点成为污染土壤治理行之有效的方法之一，引起r 国内外学者的高度 苹视。超积累植物是植物修复技术的关键，筛选和发现超积累植物是植物修复技 术的难点所在。提高超积累植物对无机物的吸收能力、增加其地上部生物量、加 速其生长速率，进而提高植物修复的效率是又一个值得研究的问题。针对上述问 题，本论文研究了苋科植物、蕨类植物、印度芥菜和向日葵对c u 和或1 3 4 c s 的 忍耐、吸收、运输和积累的特点：同时，研究了土壤中施加添加剂和提高c 0 2 气体浓度对植物吸收“c s 和，或c u 的影响，旨在探索”4 c s 和或c a 污染土壤高 效植物修复的技术。主要研究结果归纳如下： 1 选用富钾植物集中的蔸科植物籽粒苋、苋菜、青葙、千日红、千日 白和寿昌苋，水培4 2 天后，进行3 种不同c 8 活度处理( 2 7 7 5 1 旷b a 盆、 5 5 5 1 0 5 b q 盆、1 。1 1 1 0 6 b q 盆1 ) ，l 周后收获井分析植物各部位的1 “c s 比活度。结果表明，6 种苋科植物均表现出对c s 具有较强的吸收和积累能力， 而且c s 主要积累在植物的地上部。同种植物地上部的1 ”c s 比活度与溶液中 c s 活度有关，”4 c s 活度越高，植物中c a 比活度越大。籽粒苋地上部的烘 干重显著高于其他5 种苋科植物，因此尽管其地上部“c s 比活度相对较低，但 是其地上部从c s 水溶液中去除的1 “c s 总量在6 种植物中最大，表现出很高 的c s 去除率。苋菜和青藉地上部具有较高的c s 积累量、转移能力和较大 的生物量，也表现出在c s 污染土壤植物修复技术中潜在的利用价值。 2 在水培实验的基础上，将对“c s 去除能力较强的籽粒苋和蔸菜播种在不 同1 “c s 污染( 5 5 5 x 1 0 s b q 盆、1 1 1 10 6 b q 盆一1 和1 6 6 5 x 1 0 6 b q 盆1 ) 的土 壤中，发芽并生长共4 9 天后测定植物地上部c s 的比活度。结果表明，籽粒苋 和苋菜地上部c s 比活度随着土壤中“c s 比括度的增加而增加，两种植物对 ”4 c s 均表现出较高的富集能力，是“c s 污染土壤植物修复较好的材料。实验同 时研究了2 6 种化学添加剂对土壤中“c s 的解吸能力。在供试的2 6 种添加剂中， ( n 地) 2 s 0 4 溶液对土壤中“c s 具有最强的解吸能力。土壤中旖加0 4m o l l o 的 ( n i t 4 h s 0 4 溶液减少了苋菜地上部对c s 的总去除量，但对籽粒苋地上部“c s 总去除量无显著性影响。说明在土壤中施加( n 凰) 2 s 0 4 对不同的植物去除污染土 摘舞 壤中放射性c s 可能具有不同的效果。 3 野外调查发现，密毛蕨能健康地生长在云南废铜矿渣上，是当地的优势 物种之一。化学分析表明，密毛蕨生长在c u 含量为2 0 1 7 5 5 4m gk 9 1 的土壤 中，其地上部c u 含量变化范围为3 0 5 6 7 m g 蛾一，地下部c u 古量变化范围为 3 6 1 7 2 3 m g k 9 1 ；地上部和地下部的生物富集系数b f 的变化范围分别为0 0 3 2 9 6 和0 0 6 - - 3 6 7 ；密毛蕨对c u 的转移系数t f ( 地上部c u 含量与地下部c u 含量之比值) 的变化范围是0 0 9 3 b 8 。密毛蕨生物量大，容易繁殖，并且对 c u 具有较高的耐性和积累能力，是铜矿植被重建和c u 污染土壤植物修复中一种 比较理想的植物。 4 以密毛蕨、a s 超积累植物一蜈蚣草和放射性c s 积累植物蕨为材 料，进行砂培试验，5 m g c u l 、1 0 n a g c u l 、1 5 m g c u l 、3 0 n a g c u l 。1 浓度处理2 0 天后，测定生物量及c u 含量，同时测定叶部m d a 、s o d 、p o d 的 动态变化。结果表明，密毛蕨在对c u 胁迫的忍耐时间和忍耐浓度最大，蕨次之， 蜈蚣革最小。在c u 胁迫环境下，三种植物对c a 的吸收、转运和贮存的机制可 能不同，在各自c u 忍耐浓度下，密毛蕨与螟蚣草具有类似的应激措箍，即大量 c u 积累在根部，限制c q 向地上部的转运，而蕨则采用根部排阻机制，根部吸收 的c u 较少。砂培实验证实了密毛蕨对c u 的强忍耐性，1 0 r a g c ul _ 1 处理的密毛 蕨，其根部积累了大量的c m 平均值为1 1 7 0 5m gk g 1 ，但仍未表现出明显的 c u 毒害迹象。这与野外调查结果相一致。1 5m gc ul 。处理4 d 后，密毛蕨叶部 s o d 和p o d 较对照显著增加，说明c u 胁追环境下抗氧化酶有助于增强密毛蕨 对c u 的解毒作用。 5 将生物量大、生长快速的两种植物印度芥菜和向日葵培养在2 种( h 浓度处理( 1 0 0 m g k g - 1 和2 0 0 n a g k g - 1 ) 的土壤中，用不同的c 0 2 浓度( 8 0 0p l l 一1 和1 2 0 0u l l 4 ) 处理1 2 天后，测定生物量和c u 含量。结果表明，c 0 2 气体 浓度升高条件下，向日葵和印度芥菜地上部的生物量都有不同程度的增加，所有 c u 污染土壤中的植株地上部的c n 含量均显著增高，其含量可超过1 0 0 0 m g k g 一 1 ，都表现出了c u 超积果的特性；两种植物对c u 由根部向地上部的转移系数也 显著升高。在c 0 2 气体浓度为1 2 0 0p ll 1 处理中，向日葵和印度芥菜的生物量 最大；而8 0 0 血l - 1 处理，两种植物对c u 的转移系数达到最高，地上部c i l 含量 摘要 均比正常c o ，气体浓度处理日j 高出2 倍以上。因此，一定程度的c 0 2 气体浓度 升岛可咀诱导积累植物向f 1 葵和印度芥菜产生超积累现象。 6 将密毛蕨、蜈蚣草和蕨移植到不同c u 污染的土壤( 5 0 m g k g _ 1 和1 5 0 r a g k g 。1 ) 中，在c 0 2 气体浓度倍增的条件下( 7 0 0 i l ll 1 ) 处理2 0 天后，测定生物 量、c u 含量、m d a 、s o d 、p o d 、g s h 和根际土壤微生物生物量c 。结果表明， c 0 2 气体倍增条件f ，3 种植物地上部的生物量显著增加。尤其在较高浓度的c a 处理( 1 5 0 r a g k g - 1 ) 中，地上部生物量的增加更为显著。然而，c 0 2 浓度倍增显 著减少了蜈蚣草和蕨地上部c u 的积累量，但对密毛蕨地上部c u 的积累量无显 著性影响。c 0 2 浓度倍增减缓了蕨叶部膜脂过氧化程度，增加了蕨对c u 的忍耐 性。正常大气c 0 2 浓度处理时，三种蕨类植物生长的根际土壤中韵微生物生物 量c 随着士壤中c a 浓度的增加都显著下降，表明土壤c u 浓度的增加抑制了蕨 类植物根际土壤微生物的生k 。正常土壤中的蜈蚣草和密毛蕨在c 0 2 浓度倍增 条件下，其根际土壤中的微生物生物量c 略有增加，但c u 处理的却影响不大。 大气中c 0 2 浓度倍增提高了3 种蕨类植物对c n 的忍耐性，但并未诱导蕨类植物 产生c u 超积累的现象。 关键词；c s 、c i 】、土壤、苋科植物、蕨类植物、忍耐性、超积累、c 晚影响、 植物修复 文献练述之无机物污染土壤惨复技术的研究现状 第一部分文献综述 第一章无机物污染土壤修复技术的研究现状 土壤中的无机污染物主要包括重金属( 如p b 、c d 、c 1 1 、n i 、h g 、c r 、z n 等) 、放射性核素( 如1 3 4 , 1 3 7 c s 、8 5 , 9 0 s r 等) 及一些无机元素( 如a s 、s e 等) 。 这些元素在土壤中超量存在，通过农作物进入食物链，从而危害人类的健康；或 者通过径流和淋洗作用进入水体，进一步恶化环境质量。随着工业发展和人口的 增加，土壤的污染状况日趋严重，而且土壤中无机污染物具有长期性、隐匿性、 不可逆性及不能完全被分解和消逝的特点，其治理和修复较大气和水体的污染更 为困难。因此，世界各国都很重视对于污染土壤治理方法的研究。 1 1 土壤中重金属和放射性核素污染的现状 目前，世界各国的土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放 h g 约1 5 万吨、c u 约3 4 0 万吨、p b 约5 0 0 万吨、m n 约1 5 0 0 万吨、n i 约1 0 0 万吨( 郑喜坤，2 0 0 2 ) 。采矿和冶炼是环境中重金属的重要来源，化工、印染、陶 瓷、涂料、造纸、制革、医药、氯碱、炼油、金属加工、废电池处理、电子等工 业生产排放的三废，汽车尾气，含重金属的农药和化肥不合理的施用，城市生活 垃圾日益增多等都不同程度地加剧了土壤中重金属的污染。在我国，煤和石油的 燃烧是重金属的重要来源。长期用重金属食量严重超标的污永灌溉农田及城市工 业和生活固体废弃物的堆放也增加了土壤中重金属的污染。2 0 0 0 年对2 3 个省( 区 市) 的不完全统计，我国污染农田4 万h m 2 ，造成农畜产品损失2 4 8 9 万k g ，直 接经济损失达2 2 亿元( 陈晶中，2 0 0 3 ) 。中国的城市郊区菜地土壤已受到了不 同程度的重金属污染，许多向大城市供应的蔬菜中，重金属含量都已超过相应标 准( 张磊，2 0 0 4 ) 。严重的土壤重金属污染同时也引发了一系列的社会问题。如污 灌沈阳张土灌区多年使用沈阳市重工业部门排放的污水灌溉，使灌区所种植的水 稻产生“锱米”，“诵米”对人体健康已经产生了严重的危害。灌区的居民尿中的 镉含量增高，癌症、风湿性关节炎、肾炎等平均患病率均高于清水灌区( 丛艳国， 2 0 0 2 ) 。 文献综述之一无机物污染十壤修复技术的研究现状 随着核工业的发展、核技术的广泛应用以及其他工业、农业、能源、军事、 受通、医疗卫生等发展，人类生念环境放射性核素的本底值不断增加。地上和地 下核武器试验( m a h a r a , 1 9 9 3 ；p a a s i k a l l i o ，1 9 8 4 ) 、核电站放射性废物正常排泄 ( s a n c h e z ，1 9 9 6 ) 和异常事故( c l a r k ，1 9 8 8 ) 、核原料的开采、加工与乏燃料的 处理、含放射性核素化肥农用( 曾而康，1 9 8 旬、含放射性核素煤燃烧( 曾而康， 1 9 8 2 ) 、战争等人为的因素均可导致太片的土地遭受放射性核索的污染。切尔诺 贝利核事故发生后，乌克兰的切尔诺贝利及周边地区居民疏散区的1 8 5 2k m 2 的 耕地和1 5 7 0k m 2 的森林因为放射性核素向植物迁移率很高而无法进行正常的利 用：在非疏散区，大于2 7 0 0k m 2 的地区的”7 c s 的活度仍为5 4 0c i k r n 2 ( d a v y d c h u k ，1 9 9 7 ) 。放射性核素对人类的体外照射和体内照射导致畸形和癌变， 威胁人类的健康。 土壤是人类赖以生存的自然资源之一，尤其在我国，人多地少，土壤资源 匮乏，到2 0 0 0 年底中国人均耕地仅为0 1h r n 2 ，而且随着今后中国经济社会的发 展如生态退耕、农业结构调整及自然灾害损毁等，土壤资源将进一步减少( 郑喜 坤，2 0 0 2 ) 。 i 2 影响植物从土壤中吸收重金属和放射性核素的因素 重金属和放射性核素进入士壤植物体系后，在土壤中会发生吸附一解吸、 沉淀一溶解、迁移等行为，一部分被植物吸收。影响璧金属在壤环境中状态的 因素相当复杂，除了土壤理化性质( 土壤类型、有机质含量、p h 值、氧化还原 电位e h 、含水量等) 外，其他因素如植物根际分泌物、微生物的状况、土壤中 的阳离子等都影响着重金属的生物有效性，改变植物对重金属和放射性核素的吸 收情况。 1 2 1 土壤理化性质的影响 重金属进入根际土壤后，受p h 的影响发生沉淀或溶解的现象。当土壤p h 2 7 6 时，5 0 m g k g q 的c d 2 + 就会形成沉淀，p h 每升高1 个单位，溶液中c d 的 浓度就下降1 0 0 倍( 夏立江，1 9 9 8 ) 。有机质可以改变溶液重金属的存在状态， 或者通过改变吸附体的表面性质而影响重金属的吸附。k r u y t s ( 2 0 0 2 ) 对1 7 种 2 文献综述之一无机物污染土壤修复技术的研究现状 森林土壤的有机矿物层和有机金属矿物层( 共2 8 个样品) 土壤的调查发现，”7 c s 被土壤专一性吸附的位点的数量与土壤中有机质的含量呈负相关，因此在有机质 成分较高的土层中，1 3 7 c s 大部分被吸附于非专一性的位点，较容易被植物吸收。 1 2 2 植物的根系分泌物的影响 植物根系在从土壤中摄取养分和水分的同时，也向土壤中主动或者被动地分 泌各种物质包括有机酸、糖、氨纂酸、h + 和h c o 一等。根系分泌物通过改变p h 值和氧化还原条件、或者通过整合作用和还原作用来改变根际重金属的状态，从 而调节植物对这些物质的吸收和利用。许多植物的根系分泌物具有还原剂的作 用，通过溶解结合着或吸附着重金属的氧化物来释放重金属，增加重金属的溶解 性( 姜理英，2 0 0 3 ) 。另一方面，根系分泌的有机酸、氨基酸等有机物含有羟基 和羧基等功能基团，可以络合土壤溶液中的重金属离子，降低植物有效性( 郜红 建。2 0 0 4 ) 。 1 2 3 微生物的影响 土壤中存在着大量的细菌和真菌，能改变植物对熏金属的吸收和转移。通 过增加根际产生的c 0 2 ，释放螯和配基，裂解复合物，降解矿石，分解有机物等 来增加金属的可移动性( e h l k e a 1 ，2 0 0 2 ) 。 菌根属于土壤真菌中重要的一部分，是土壤真菌和陆生植物根部的共生体， 改变者植物的营养需求模式。在对菌根( 真菌和植物的共生体) 环境与非菌根环 境中金属形态的研究表明。菌根土壤微生物的数量和活动是影响根际金属各种形 态分布及他们的生物有效性的主要原因之一( 黄艺，2 0 0 0 a ) 。在铜、锌污染的土 壤中，真菌阻隔重金属进入植物根部，菌丝的分泌物积累了大量的重金属，寄主 植物地上部分的金属含量下降，保持了植物正常的生理代谢( b r a d l e y ，1 9 8 1 ： d i a z ，1 9 9 6 ；黄艺，2 0 0 0 b ) 。 1 2 4 竞争离子的影响 土壤溶液中的金属离子，尤其是化学性质类似的元素，一方面在土壤固相 的吸附位点上发生竞争，一方面又相互竞争进入植物根部。在土壤中增加p b 、 文献综述之一无帆物污染卜壤修复技术的研究现状 c u 、z n 、a s 的浓度促进了c d 的活化，7 0 以上的吸附c d 被解吸下来，进入上 壤溶液，可以被植物吸收( 陈晶中，2 0 0 3 ) 。c a o ( 2 0 0 3 ) 发现在a s 污染的土壤 中添加化学类似元素p 显著地增加了a s 超积累植物蜈蚣草地上部的a s 的积累 量。土壤中放射性c s 的主要的竞争阳离子是k ? 和n h 4 + 。对土壤中c s + 的解吸 实验中表明，n 出+ 替代土壤中吸附的c s 并使之释放的能力比c 强( s l a v i k ， 1 9 9 9 ) 。l a s a t ( 1 9 9 7 ) 发现一定浓度的n h 4 n 0 3 可以促进卷心菜对放射性c s 的 吸收量，但随着加入的n h , n 0 3 的量的增加，n h 4 + 与c s * 竞争进入植物根部， 植物对c s 的吸收量下降。 l - 3 现有的污染土壤治理方法 1 3 1 物理化学措施 1 3 1 1 工程方法 客土法：在土壤上加入未污染的新土；换土法；将已经污染的土壤移去， 换上未污染的新土；去表土法：将污染的表土移去；深耕翻土法：将污染的土表 翻至下层。其中客土法、换土法、去表土法去除重金属彻底，在实际应用中取得 了较好的效果。如日本富士县神通川流域的痛痛病，是由于长期食用含镭的稻米 面引发的，治理镉污染的土壤：首先去表1 5e m ，并压实心，在连续淹水的 条件下，稻米中镉的含量小于0 4m g k g - ! ；去表土后再客土2 0c m ，间歇灌溉稻 米中的镉含量不超标，如果客土超过3 0c m ，其效果更佳( 郑喜绅，2 0 0 2 ) 。但 是这些方法工程量大，并有污土的处理问题，目前只用于污染严重的地区。而深 耕翻土法在严重污染区不宣采用，因为严重污染区受到污染的土层较深，尽管深 耕也不能改变土壤中重金属的含量，相反，可能带来严重的后果。 1 3 1 2 化学固定法 该法是通过化学添加剂，使土壤里的重金属及放射性核素固定在土壤中， 从而降低其生物可利用率。石灰、沸石、钢渣、天然铁锰铝氧化物、磷酸盐、硅 酸盐、堆肥等都是常用的化学抑制剂。廖敏等( 1 9 9 8 ) 研究表明：在c d 污染的 文献综述之无机物污染土壤修复技术的研究现状 土壤中添加石灰后，土壤中c d 形态分布发生变化：p h 大于5 5 时，粘土矿物和 氧化物与镉形成较为稳定的络合物及碳酸镉；在高p h 值( p h = 7 5 ) 时主要以粘 十- 矿物与氧化物结合态残留态c d 的形式存在，因此，石灰是一种较好的镉土 改良剂。郑喜坤( 2 0 0 2 ) 认为天然铁锰铝氧化物及氢氧化物能成为土壤环境中吸 附固定态重金属污染物的有效物质。因为天然铁锰铝氧化物及氢氧化物的表面具 有明显的化学吸附性特征，锰氧化物与氢氧化物还具有较完善的孔道特征，而且 f e 、m n 属于常见的变价元素，其氧化物和氢氧化物化合物可表现出一定的氧化 还原作用，对重金属污染物具有潜在的净化功能。沸石是一种含水架状结构的多 孔硅铝酸盐矿物，是沸石族矿物的总称。沸石具有高效的选择吸附性、离子交换 性能和催化性能，沸石中的c a 2 + 、m 矿等二价离子被n 矿还原置换后，具有更 大的离子交换能力和软化硬水的功能( 陈方明，2 0 0 4 ) 。在污染土壤中添加沸石， 可以降低土壤中重金属及放射性核索的生物有效性。斜发沸石( c l i n o p t i l o l i t e ) 和发光沸石( m o r d o n i t c ) 对放射性c s 具有极强的吸附作用( v a l c k c , 1 9 9 7 ) ；在 c s 由土壤向植物转移率较高的土壤中，沸石的吸附作用更加显著( f a w a r i s , 1 9 9 5 ) 。 沸石的吸附是去除环境中放射性核素的重要的方法之。向土壤中投放钢渣，它 在土壤中易被氧化成铁的氧化物，对c d 、n i 、z n 的离子有吸附和共沉淀作用， 从而使金属固定( 郑喜坤，2 0 0 2 ) 。这类方法属于原位修复法，成本适中，但是 土壤中的污染物只是形态发生变化，没有被从土壤中清除，容易再度活化，造成 污染；而且土壤中的有机质、阳离子代换量和糙粒的含量增加，一些理化性质如 p l - i 、e h 和电导等发生改变，可能会影响土壤一生物的生态系统。 1 3 1 3 土壤淋洗法 该法的原理是将重金属从土壤固相转移到液相。将挖掘出的地表土经过初 期筛选去除表面残渣，分散土壤大块后，用提取剂( 能提高重金属可溶性试剂的 溶液) 来淋洗污染土壤，经过第二步筛选分离后，再用水淋洗除去残留的提取剂 ( e l l i o t t ，1 9 8 9 ) 。提取剂很多，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂，如硝酸、 盐酸、磷酸、硫酸、氢氧化钠、草酸、柠檬酸、e d t a 和d t p a 等。这类方法虽 然效果彻底、稳定，但实施复杂、治理费用高，而且容易引起土壤肥力降低，而 种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的提取剂很难找到( 龙新宪， 文献综述之一无极物污染壤修复技术的研究现状 2 0 0 2 ) 。 1 3 1 4 电动力学修复技术 该技术把电极插入受污染的土壤并通入直流电，在外加电场作用下，带电 离子或配位体发生电极迁移，即正离子向阴极迁移，负离子向阳极移：带电粒子 或胶体粒子发生电泳迁移，连同吸附在这些颗粒上的污染物随之迁移；孔隙水从 阳极向阴极流动( 电渗析) ，随孔隙水迁移的污染物质富集在阴极附近。电动力 学修复技术在纹理细密的土壤和土壤基质中去除效果更好，也是一种新兴的原位 修复技术，成本较低廉。但是，在应用时为了提高去除效率所加入的酸会引起土 壤的酸化，为了消除电极极化加入的去极化剂也会与土壤发生反应产生新的污 染。而且，土壤外加电压过高时，会弓l 起土壤温度上升使去除率下降；土壤中碳 酸盐、赤铁矿或有机质含量高时，去除率明显下降( 乔志香，2 0 0 4 ) 。 1 3 1 5 玻璃化技术 将重金属重污染区土壤置于高温高压条件下，形成玻璃态物质，使重金属 固定于其中，达到消除重金属污染的目的，这种技术能从根本上消除重金属污染， 并且见效快，因此常用于重金属重污染区修复( 陈志良，2 0 0 2 ) 。而且，玻璃化 技术对某些特殊废物如放射性废物是非常适用的，因为在通常条件下玻璃非常稳 定，一般的试剂难以破坏它的结构( 邱廷省，2 0 0 3 ) 。但是，玻璃化技术相对比 较复杂，工程量大，而且熔化过程需要消耗大量的电能，成本很高。 1 3 2 生物措施 1 3 2 1 动物修复技术 利用某些低等动物如蚯蚓、鼠类等吸收土壤中的重金属。饲养在牛粪和生活 垃圾的蚯蚓对硒和铜元素的富集能力很强，最高富集硒和铜量分别为3 3 2 5 r a g k g 、1 3 7 6 9m gk g 叫( 戈峰，2 0 0 2 ) 。但是，蚯蚓吸收重金属后有可能再释放 到土壤中造成二次污染，鼠类对庄稼又有危害。 6 文献综述之一无机物污染土壤修复技术的研究现状 1 3 2 2 微生物修复技术 微生物重金属修复的机理包括通过某些微生物对重金属的胞外络合、胞内 积累、沉淀、氧化还原反应等作用，降低土壤中重金属的生物可利用率。一些微 生物能够产生胞外聚合物，其主要成分是多聚糖、糖蛋白、脂多糖等，这些物质 具有大量的阴离子基团，从而与重金属离子结合而解毒( 施晓东，2 0 0 3 ) 。菜些 微生物能代谢产生柠檬酸、草酸、h 2 s 等物质，与重金属产生螯合或是形成草酸 盐沉淀，如c i t r o b a c t e r s p 产生的酶能使u 、p b 、c d 形成难溶磷酸盐( 郑喜坤，2 0 0 2 ) ； c r 污染的治理主要集中于微生物方面，因为一些细菌对c r 6 + 有耐受性质和还原 能力，目前从活性污泥、污泥消化池以及土壤中都分离出了这类细菌，其中以 e n t e r o b a c t e r c l o a c a eh o i 菌种的研究开展得最为深入( 王一华，2 0 0 3 ) 。韩怀芬 ( 2 0 0 3 ) 经过筛选发现5 种细菌( 产碱杆菌、土壤杆菌、牙孢杆菌、葡萄杆菌和 假单胞菌) 可以还原c ，而且混菌的处理效果最好，最高可达到1 0 0 。真养 产碱菌a 加坛魏b 涮l f r 0 岫神的抗重金属菌株被认为可用于挣化重金属污染的土 壤( 夏立江，1 9 9 8 ) 。 许多微生物对放射性核素具有高度的忍耐性，并且能在放射性核素污染的 环境中繁殖。微生物在对放射性核素污染的环境修复中具有潜在实用价值。在一 些真菌种类中已测得高活度的放射性铯，对高地的革原土壤的研究也发现，土壤 中的真菌固定着大量不能移动的放射性铯( e h l k e n ，2 0 0 2 ) 。微生物体内积累c s 的机理主要是与c s + 细胞内的k + 发生交换。王建龙( 2 0 0 3 ) 对吸收c s + 表现出色 的微生物作t d , 结，其中r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 对c 8 + 的去除率特别高，在液 体培养对，该株菌可在2 4 h 内从培养基重去除9 0 的c s + ；利用放射自显影技术 从1 3 7 c s 污染的士壤中分离出来的微生物：c l a d o s p o r i u ms p ，和b a c i l l u ss p ，和另 株未鉴定的革兰氏阴性细菌都能积累大量的”7 c s 。尽管微生物修复引起极大 重视，但大多数技术仍局限在科研和实验室水平，少有微生物重金属修复的实侈| | 报道( 周东美，2 0 0 4 ) 。 1 3 2 3 植物修复技术 植物修复技术是利用植物及其共存微生物体系对某些污染物具有忍耐、积 累或转化等特点，通过植物的生长清除环境中的污染物的一门环境污染治理技 7 文献综述之一无机物污染土壤修复技术的研究现状 术。对于重金属和放射性核素污染的土壤的植物修复主要包括以下几种：1 ) 植 物提取技术( p h y t o e x t r a c t i o n ) 一被认为最有前途，其研究成果也最多。该技术 利用超积累植物的根系从土壤中吸取重金属，并将其转运到植物的地上部分并大 量贮存( k u m a r ，1 9 9 5 ) 。通过收割地上部分，连续种植超积累植物，以去除土 壤中的过量的重金属及放射性核素。所谓超积累植物是指能够超量吸收并在体内 积累重金属或放射性核素的植物。目前通常把植物叶片或地上部中含c d 达1 0 0 m g k s - 1 ( 干重) ，含c o 、c u 、n i 、p b 达到1 0 0 0 m g k g ，m n 、z n 达到1 0 0 0 0n a g k g _ 1 以上的植物称为重金属超积累植物，同时这些植物还应满足s r 1 的条件( s 和r 分另1 j 表示植物地上部分和根部重金属的含量) ( b a k e r ，1 9 8 9 ) 。一般能用于 污染土壤植物修复的超积累植物应具备以下几个特性：即使在污染物浓度较低时 也有较高的积累效率；能在体内积累高浓度的污染物；能同时积累多种重金属； 生长快，生物量大；抗虫抗病能力强。2 ) 植物固定技术( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) ： 利用耐性植物及其根际分泌物来吸收和沉淀壤中大量的金属，降低重金属的生 物有效性和移动性，减少其进入地下水和食物链的可能性( s a l t ，1 9 9 5 ) 。由于植 物固定技术并未将环境中重金属离子去除，只是通过改变重金属的存在形态，暂 时将其固定，一旦环境发生变化，重金属的生物有效性可能会发生改变，因此这 种技术并不是解决土壤中重金属污染理想的方法。3 ) 植物挥发技术 ( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) ：利用植物从污染土壤中吸收s e 、h g 等并在植物体内将其 转化成可挥发状态，释放到大气环境中，从而减轻土壤的污染。许多植物可从污 染土壤中吸收s e 并将其转化成可挥发状态( 二甲基硒和二甲基二硒) ( d u e k a r t ， 1 9 9 2 ) ，从而降低s e 对土壤生态系统的毒性。 总的来说，对污染的土壤进行植物修复技术，具有成本低( 仅需传统修复 技术1 3 1 1 0 的成本) ，对环境的扰动少，美化环境等优点( 唐世荣，1 9 9 9 ) 。但 是，由于植物本身特点的限制，植物修复受到的影响因素较多，存在着修复效率 低、修复周期长等缺点。 1 3 3 农业措施 在土壤中的无机污染物对食物链的影响不仅与其在土壤中的含量有关，还 文献综述之一无机物污染卜壤修复技术的研究现状 受到土壤理化性质、水份条件、施肥、栽培作物的种类、耕作制度等因素的影响。 囡此，可以通过调节各种因素，降低无机污染物的生物有效性，减少其进入食物 链的可能。主要的方法有：1 ) 增施有机肥提高土壤环境容量；2 ) 控制土壤水 分；3 ) 选择合适形态的化肥；4 ) 选择抗污染农作物品种；5 ) 改变耕作制度 或改为非农业用地等( 陈晶中，2 0 0 3 ) 。 1 4 蕨类植物在修复环境中无机污染物的潜在能力 迄今为止，人们已发现4 0 0 多种超积累植物，这些植物在科属内的分布具 有一定的特点，主要集中在显花植物的个别科属( 唐世荣，2 0 0 1 ) 内，而属于隐 花植物如蕨类植物的却不多。蕨类植物种类繁多，分布广泛( 吴兆洪，1 9 9 1 ) ； 繁衍方式多，对各种极端恶劣环境的适存能力强( p a g e ，2 0 0 2 ) ，在植物修复技 术中显示潜在的应用价值。 1 4 1 超积累植物在科属内的分布特点及其意义 在自然界中筛选超积累植物的主要途径有：1 ) 到目标污染的地域区收集有 希望的植物，尤其是矿区，然后回实验室进行筛选。大多数超积累植物如庭荠属、 蓝菜属等植物都是通过此方法获得的。2 ) 从已知的栽培种类和植物中筛选。油 菜、向日葵、白杨等超积累植物是这样被发现的。利用超积累植物在科属内的分 布存在一定规律的特点，有利于减少寻找超积累植物的工作量。 超积累植物在科属内的分布特点及其意义 从现在已经发现的超积累植物的统计来看，超积累植物在科属内的分别具 有一定的规律性，这一发现为筛选新的超积累植物提供了一条捷径。以所发现的 2 3 0 多种n i 的超积累植物为例，据唐世荣( 2 0 0 1 ) 的统计，这些植物主要分布 在“五科”、“十属”内。“五科”是指大戟科、十字花科、大风子科、堇菜科和 苦脑尼亚科，分布在这些科内的镍超积累植物占已发现的镍超积累植物总数的 8 0 以上；“十属”是指庭荠属、叶下珠属、l e u c o c r o t o n 属、黄杨属、遏蓝菜属、 柞木属、天料木属、g e i s s o i s 属、b o r n m u e l l e r a 属和鼠鞭草属，分布于该属内的 镍超积累植物占已发现的镍超积累植物总数的8 2 左右。对放射性c s 的吸收能 力较强的植物主要集中在藜科、苋科或是菊科。b r o a d l e y ( 1 9 9 7 ) 在对3 0 种植物的 9 文献综述之一无机物污染土壤修复技术的研究现状 筛选中发现对放射性c s 的吸收能力最强的植物主要集中在藜科，或者是与藜科 相近的苋科，对于这两类植物进行筛选，可能找到适当的植物提取的种类。l a s a t ( 1 9 9 8 ) 发现反枝苋似m a r a n t h u sr e t r o f l e x u s ) 对放射性铯的吸收能力极强，地上 部分积累量达3 8 0 0 0b qk g - 1 ，是种很有效的放射性铯的积累植物。如果在土 中种每年两茬的反枝苋，有可能用少于1 5 年的时阊来解除土壤中的放射性铯。 d u s h e n k o v ( 1 9 9 9 ) 的实验中也得到了同样的结论。唐世荣( 2 0 0 2 ) 的土培试验 表明菊科中的某些植物对1 舛c s 的积累量也很高，可达到3 4 0 0 0 0 b q 埏- 。 1 4 2 蕨类植物与环境的关系 蕨类植物与环境的关系非常密切，并早已受到人们的关注。主要表现在：1 ) 许多蕨类植物都是环境的指示植物，如里自科的芒萁( d i c r a n o p t e r i s d i c h o t o m a ) 是最常见的酸性土壤指示植物：风尾蕨科的某些种是南方常见的钙质土指示植 物；铁线蕨科的铁线蕨( a d i a n t u mc a p i u u sl i m a ) 等是石灰岩的碱性指示植物( 黄 智明，2 0 0 0 ) ；蜈蚣草( p t e n sv i t t a t a ) 可以作为公路两旁铅及其他金属沉积物 的指示植物( h o ，1 9 8 5 ) ；木贼科的某些种类可以作为矿物质的指示植物( 吴兆 洪，1 9 9 1 ) ；槐叶蓣( s a l v i n i a n a t a n s ) 可以作为污水中镉污染的指示植物( g u p t a ， 1 9 9 5 ) ；2 ) 蕨类植物不仅是环境的指示植物，而且对各种极端恶劣环境的适存能 力较强，如养分贫瘠的土壤中、火山爆发后新形成的火山灰上、人工金属矿的废 矿堆上及遭受严重污染的公路两旁( p a g e ，2 0 0 2 ) 等。j o h n s o n ( 2 0 0 0 ) 等报道， t r i c h o m a n e ss p e c i o s u m 可通过改变自己的形态学和生理学特征很好地存在于低 光、低温的条件。o l i v o ( 2 0 0 0 ) 等发现，有6 0 7 0 种蕨类植物及其近亲具有某 种程度的耐干旱能力，它们可能通过各种细胞保护和细胞修复的途径来获得不同 的耐干旱机理以适应干旱的环境( k a u r ，1 9 8 6 ) 。 1 4 3 蕨类植物对无机污染物的吸收 蕨类植物中的一些种类可以大量地从其生长的环境中蓄积无机污染物( 表 1 1 ) ，包括各种重金属、稀土元素、放射性核素等，这一特性使得它们能够成 为植物修复领域内优先选用的物种。 1 0 文献综述之一无机物污染 壤修复技术的研究现状 表1 1 部分陆生蕨类植物对环境无机污染物的积累和超积累现象 t a b l e1 1a c c u m u l a t i o na n d h y p e r a c e u m u l a t i o no f i n o r g a n i cc o n t a m i n a n t sb y t e r r a n e o l l sf e r n s 禾秆蹄盖蕨 ( a t h y r i a m y o 勋s c e n s e ) 铁芒萁 ( d i c r a n o p t e r i b - ，自i r ) 蜈蚣草 ( p t e r i s “f t n t a ) 粉背蕨 ( f i m r o g r a m m a c a l w n c l a n 时) p t e r i su m b r o s a 镉 铜 锌 稀土 叶部 撮部 根部 叶部 4 5 1 - - 9 9 6 m g k g - 5 9 8 9 m gk g _ 1 6 3 8 4 m g k g - l 3 2 6 3 8n a g k g - 1 t o y o a k i ，19 9 2 n i s h i z o n o ，1 9 8 7 n i s h i z o n o ，1 9 8 7 李凡庆，1 9 9 2 砷叶部 7 2 3 4 m g k f l m a r 0 0 1 砷叶部8 3 5 0 m gk g - 1 v i s o o t 廿v i s e t h , 2 0 0 2 砷 大叶井边草 ( p t e f ac ”吐埘) 蕨 砷 铯一1 3 7 叶部6 2 0 0 - 7 6 0 0 m g 蟮1 叶部6 2 0 0 - - 7 6 0 0 n a gk g _ 1 叶部6 2 0 0 - 7 6 0 0 m g k g - 1 叶部 5 0 4 8 0 0 b q k g _ 1 z h a o , 2 0 0 2 z h a o ，2 0 0 2 z h a o , 2 0 0 2 韦朝阳。2 0 0 2 ( p t e r d i m nq 幽“) 1 4 3 1 蕨类植物对于重金属元素( c d 、c u 、z n 、n i 、p b 、c r 等) 的吸收 研究发现，一些陆生的蕨类植物能从环境中蓄积大量的重金属。产于日本 文献综述之一无机物污染土壤修复技术的研究现状 的禾秆蹄盖蕨( a t h y r i u m y o k o s c e n s e ) 能超富集镉，其叶部含镉量可达4 5 1 j 9 9 6m g 奴1 ( 于重) ，锈的叶部根部的比为2 8 7 3 0 1 ( t o y o a k i ，1 9 9 2 ) 。它还能旺盛地 生长于重金属污染的土壤上，对铜和锌表现出很强的耐性，其根部铜和锌的分别 含量可达5 9 8 9m g k g 、6 3 8 4m gk g1 ( n i s h i z o n o ，1 9 8 7 ) ( 表1 1 ) 。k a p l a n 等 ( 2 0 0 1 ) 摄导，w o o d w a r d i aa r e o l a t a 的器官可积累相当量的c o 、c e 、c r ，其中 c o 含量达到超积累水平，上述元素在该蕨类植物中的含量变化随季节不同而有 所变化，春季最低，冬季最高。 除了一些陆生的蕨类植物能大量蓄积重金属外，多种水生蕨类植物也表现 出较强的重金属蓄积能力。蕨状满江红( a z o af i l i c u l o i d e s ) 能有效地吸附废水 中的镍离子( z m a o ，19 9 8 ) 和锌离子( z h a o ，19 9 9 ) ：s e l af 19 8 9 ) 报导在含8 - 15m g 0 1 c d 、c r 、e u 、n i 和z n 的培养液中生长3 7 天后，蕨状满江红体内金属含 量分别高达1 0 0 0 0 、1 9 9 0 、9 0 0 0 、9 0 0 0 、6 5 0 0m g k 一。羽叶满江红( a z o l l a p i n n a t a ) 能有效地清除废水中的p b 和z n 污染( j a i n ，1 9 9 0 ) 。槐叶藏( s a l v i n i an a t a n s ) 能有效地清除废水中的h 矿( s e n ，1 9 8 7 ) 和c u 2 + ( s e n , 1 9 9 0 ) ，在含h 矿5m gl 1 的水中和含c u 2 + 5 0m gl 1 的水中，槐叶蒴生长天后最高吸收率都可达到9 0 。 宿生槐叶萍( s a l v i n i am o l e s t a ) 在o 1m gl _ 1c d 的水中生长，c d 的最高吸收量 达1 2 9 0 n a 9 1 ( g 一，而未表现出明显的毒害症状( g 唧l 协，1 9 9 5 ) ；而且宿生槐叶萍 能有效地清除废水中的c r 、n i ( s r i v a s t a v ，1 9 9 4 ) 。藏类植物满江红与鱼腥藻的 共生体( a n a b a e n aa z o l l a ) 能对低浓度的u ( 低于5 5n a gl - 1 ) 迅速吸收，2 m i n 内达到平衡，平衡时，u 在藻相与水相的分配比例是4 5 x 1 0 3 ( 张小枝，1 9 9 8 ) 。 满江红鱼腥藻在a u 3 + 在浓度很低( o 0 2 4n a gl _ 1 ) 时可达到7 4 的吸附率( 赵 继贞，1 9 9 7 ) 。水生蕨类植物的另一个特点是生长速度快，用于处理污染时的效 率较高。 1 4 3 2 蕨类植物对于稀土元素畔e s ) 的吸收 蕨类植物不仅能蓄积重金属，某些蕨类植物还对稀土元素产生蓄积作用。 里白科的铁芒其( d i c r a n o p t e r i s l i n e a r i s ) 是目前已知的稀士元素含量最高的植 物。我国福建某稀土矿生长的铁芒萁稀土含量总量达3 2 6 3 8m gk g - 1 之高，在菲 矿区采到的铁芒萁稀土总量含量也高达1 9 1 4m gk g 。一般认为土壤中稀土元素 文献综述之一无机物污染t 壤修复技术的研究现状 浓度高于1 0 0 r a gk g ，植物生长就会受到严重的抑制。但是，铁芒萁不仅在含 稀士浓度较高的土壤中能正常生长，而且植物体内的稀土元素主要集中在叶部 ( 李凡庆，1 9 9 2 ) 。江西赣州定南地区生长的铁芒萁体内吸收积累的稀土元素总 量约是土壤中的9 倍，而轻、中稀土元素更容易被铁芒萁吸收和积累，l a 、c e 、 n d 、t b 、d y 等元素又较其它稀土元素容易从根部运输到叶片( 洪法水，1 9 9 9 ) 。 即使在非稀土矿区，铁芒箕中稀土含量也比当地其它檀物高2 3 个数量级显 示出很强的稀土积累能力( 张智勇，2 0 0 0 ) 。不过。铁芒萁对环境中相对低浓度 的稀土元素吸收量大，但是当稀土元素含量增大，植物吸收能力下降 ( w e i ，2 0 0 1 ) 。 另外，i d a i h s s h i ( 1 9 9 2 ) 报道，对在稀士矿区生长的3 6 种植物体内的稀土元索 的含量进行测量，发现三种植物的稀土含量相对较高，其中两种为蕨类植物，是 里自科的芒萁( d i c r a n o p t e r i sd i c h o t o m a ) 和蹄盖蕨科的禾秆蹄盖蕨( a t h y r i u m y o k o s c e n c e ) 。 满江红鱼腥藻对于水中低浓度镧表现出快速吸收的能力( 宋凌云。2 0 0 0 ) 。 1 4 3 3 蕨类植物对于放射性核素( 1 3 7 1 3 4 c s 、8 5 9 0 s r ) 的吸收 某些蕨类植物还能蓄积环境中的放射性核素。如蕨( p t e r i d i u ma q u i l i n u m ) 对n ，c s 具有较强的