（土壤学专业论文）铜污染土壤的木霉强化海州香薷修复研究.pdf

赵静：铜污染土壤的木霉强化海州香薷修复研究 两要 土壤的重金属污染在国内外都非常普遍，重金属对土壤的污染比其对大气和水 体的污染更具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆转性，也不易被感官直接发现。 鉴于土壤重金属污染危害的严重性，早期发现及时治理和修复是十分必要的。与传 统的物理化学土壤修复技术相比，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，引起了国内外学者的高度重视。但超积累植物 生物量低、生长速度慢、受土壤环境影响大、对固定态重金属不易吸收，因此寻找 一条既可提高植物修复效率、又能改善土壤生态环境，环境友好且成本低廉的新的 微生物强化植物修复途径，将具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 本论文从不同程度c u 污染土壤中筛选出耐c u 真菌，并根据木霉具有广谱性、 安全性、广泛适应性等特点筛选出耐c u 木霉，探讨其生物学特性和耐铜特性，并 通过盆栽试验研究耐c u 木霉强化海州香薷修复铜污染的土壤，旨在探索一条更高 效、更普遍的微生物强化植物修复重金属污染土壤的途径。主要研究结果如下： 1 、研究了不同程度c u 污染土壤中可培养真菌的种类、数量，并分离出3 株具有c u 抗性的木霉( f s 5 h 、f s l 0 c 和f s l 0 g ) ，通过形态学特征、1 8 sr d n a 等分析，鉴 定f s 5 h 和f s l 0 g 属于哈茨木霉( t r i c h o d e r m ah a r z i a n u mr i r a f ) ，f s l 0 c 属于里 氏木霉( t r i c h o d e r m ar e e s e i ) 。 2 、鉴于普通的真菌培养基不能快速高效地从重金属污染土壤中筛选出木霉，本研究 基于木霉的高抗性和高纤维素酶活性对筛选培养基进行改良，获得了高效筛选重金 属污染土壤中木霉的培养基b ( 即羧甲基纤维素钠1 5 l ，蛋白胨5g l ，天门冬 素1 0g l ，m g s 0 4 7 h 2 00 5g l ，k h 2 p 0 41 0g l ，1 孟加拉红3 3m l l ，1 链霉 素3m l l ，微量元素1m l l ) 以及改良的马丁氏培养基( 即添加6 0m g l 链霉素浓 度的马丁氏培养基) 。培养基b 较改良的马丁氏培养基能从c u 污染土壤中更有效 的筛选木霉。 3 、对筛得的3 株木霉的耐铜特性进行了研究，发现3 株木霉均具有较高的耐c u 能 力，在低浓度c u ( 3 0 0m g l ) 时具有较高的铜积累率。尤其是f s l 0 c 可以在 6 0 0m g l 的高浓度铜中生长，在低c u 浓度( 1 0 0m g l 、2 0 0m g l ) 下其铜积累率 分别可达5 0 6 、3 0 - 3 。进一步研究木霉f s l 0 c 的生物学特性，结果表明木霉的 分生孢子萌发和菌丝生长，除需要一定的营养外，对其他条件要求不严格。孢子萌 发的温度范围为2 0 3 6 ，湿度适宜范围为8 0 以上，p h 值为2 8 ；菌丝良好生长 的温度范围为2 0 3 6 ，p h 值为5 7 ，光照影响不大。 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 4 、海州香薷种子萌发试验结果表明，木霉f s i o c 不同浓度孢子悬液不会抑制海州 香薷种子的萌发，5d 其发芽率均达到7 0 以上，其中1 0 0 孢子原液处理的种子 发芽率明显高于对照组，最高可达7 8 3 。盆栽试验结果表明，添加的木霉f s i o c 对海州香薷的生物量和铜的吸收量具有较明显的促进作用。在土壤中铜浓度低于4 0 0 m g k g 时加菌处理的干重较不加菌处理最高可增加7 2 4 ，并且在低铜浓度( 1 0 0 m g k g ) 污染土壤中加菌处理的海州香薷地上部分和地下部铜浓度也显著增加，但在 高浓度( 4 0 0m g k g ) 其效果不显著。而在复合污染土壤中添加的木霉f s i o c 使海 州香薷的生物量高于对照5 0 以上，尤其是海州香薷地上部生物量增加显著，但地 下部变化不明显；修复过程中，添加土壤动物跳虫增加植物生物量和铜吸收量的效 果不显著，植株对铜、锌的吸收量相互间趋势一致。 关键词：植物修复；木霉；海州香薷；联合修复 i i 赵静：铜污染七壤的木霉强化海州香薷修复研究 a b s t r a c t h e a v y m e t a lp o l l u t i o ni ns o i l si sv e r yc o m m o na th o m ea n da b r o a d h e a v ym e t a l s p o l l u t i o ni ns o i li sm o r eh i d d e n , h y s t e r e t i c ，c u m u l a t i v ea n di r r e v e r s i b l et h a ni nt h ea i ra n d w a t e rp o l l u t i o n ，n o te a s i l yf o u n dd i r e c t l yb ys e n s e s i nv i e wo fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n s o i lo fs e v e r i t y , e a r l yd e t e c t i o na n dt i m e l yt r e a t m e n ta n dr e m e d i a t i o ni se s s e n t i a l w i t h t r a d i t i o n a l p h y s i c a l a n dc h e m i c a ls o i lr e m e d i a t i o n t e c h n o l o g y , p h y t o r e m e d i a t i o n t e c h n o l o g y , p a i dg r e a ta t t e n t i o nb ys c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d ，b e c o m eo n eo fm e t h o d s o fe f f e c t i v em a n a g e m e n to fp o l l u t e ds o i l ，f o rw h o s el o wc o s t ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y f e a t u r e s h o w e v e r , h y p e r a c c u m u l a t o rp l a n ti sl o w - b i o m a s s ，s l o w g r o w t h ，g r e a t - i m p a c to f s o i le n v i r o n m e n t ，a n dn o te a s yt oa b s o r bf i x e d s t a t eh e a v ym e t a l s s of i n d i n gaw a yt o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fp h y t o r e m e d i a t i o n ，b u ta l s ot o i m p r o v et h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to fs o i l ，w i l lb eo fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t m i c r o b i a le n h a n c e dp h y t o r 日n e d i a t i o na p p r o a c hi sa ne n v i r o n m e n t f r i e n d l ya n d c o s t - e f f e c t i v en e ww a y i nt h i sp a p e r , c u - r e s i s t a n tf u n g iw e r es e l e c t e di nv a r y i n gd e g r e e sf r o mt h ec u - p o l l u t e d s o i l s ，a n di na c c o r d a n c ew i t hb r o a d - s p e c t r u m ，s e c u r i t ya n dw i d e - a d a p t a b i l i t yf e a t u r e so f t r i c h o d e r m a ，c u - r e s i s t a n tt r i c h o d e r m aw e r es e l e c t e d ，w h i c hw a si n v e s t i g a t e dt h e i r b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p e r t i e so fc o p p e r - r e s i s t a n t t h es t u d yo fc u - r e s i s t a n t t r i c h o d e r m at oe n h a n c ee l s h o l 弦i as p l e n d e n sr e m e d i a t i o no fc o p p e rp o l l u t e ds o i lw a s c a r r i e do u tb yp o te x p e r i m e n t s t h ea i mi st oe x p l o r eam o r ee f f i c i e n ta n dm o r eg e n e r a l l y a p p r o a c ht om i c r o o r g a n i s m ss t r e n g t h e n sp h y t o r e m e d i a t i o no fh e a v y - m e t a lp o l l u t i o ni n s o i l s t h em a i nf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h et y p ea n dq u a n t i t yo fc u l t u r a b l ef u n g iw a si n v e s t i g a t e di nv a r y i n gd e g r e e so f c u - p o l l u t e ds o i l s ，a n dt h r e es t r a i n s ( f s 5 一h ，f s 10 - ca n df s10 - g ) o fc u - r e s i s t a n c e t r i c h o d e r m as p p w e r ei s o l a t e d i d e n t i f i e db ym o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r sa n d18 sr d n a ， f s 5 - ha n df s10 一ga r ea s s i g n e dt ot r i c h o d e r m ah a r z i a n u m ，a n df s10 - ci sa s s i g n e dt o t r i c h o d e r m ar e e s e i 2 、b e c a u s eo ft r i c h o d e r m ac a nn o tb eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ys e l e c t e df r o mh e a v ym e t a l p o l l u t e d s o i l b y a no r d i n a r y f u n g im e d i u m ， b a s e do n h i 曲一r e s i s t a n c e a n d i i i 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 h i g h a c t i v i t y - c e l l u l o s eo ft r i c h o d e r m a ，i no u rs t u d yt h em e d i u mw a si m p r o v e d m e d i u m b ( t h a ti s ，s o d i u mc a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e15e g l ，p e p t o n e5g l ，a s p a r a g i n e1 0e g l ， m g s 0 4 7 h 2 00 5g l ，k h 2 p 0 41 0g l ，1 o fb a n g l a d e s hr e d3 3m l l ，1 s t r e p t o m y c i n ，3m l l ，t r a c ee l e m e n t s1m l l ) a n dm o d i f i e dm a r t i n sm e d i u m ( t h a ti s ，a d d 6 0m g ls t r e p t o m y c i n ，m a r t i n sm e d i u mc o n c e n t r a t i o n ) a r eh i g h l ye f f i c i e n tt os c r e e n t r i c h o d e r m ai nt h ec u - p o l l u t e ds o i l s p a r t i c u l a r l y , m e d i u mbi sm o r ee f f e c t i v es c r e e n i n g o ft r i c h o d e r m at h a nm o d i f i e dm a r t i n sm e d i u m 3 、r e s i s t a n tc o p p e ro ft h et h r e es c r e e n i n gt r i c h o d e r m as t r a i n sw a si n v e s t i g a t e d a l lo ft h e s t r a i n sh a v eh i g hc u - r e s i s t a n ta b i l i t ya n dh i g ha c c u m u l a t i o nr a t ea tl o wc o n c e n t r a t i o no f c u ( 3 0 0m g l ) e s p e c i a l l y ，f s l 0 一cs t r a i ni sa b l et og r o wi nt h e6 0 0m g lo f t h eh i g h c o n c e n t r a t i o no fc o p p e r a n di nt h e10 0a n d2 0 0m g lo ft h el o wc o n c e n t r a t i o no fc o p p e r , t h er a t e so fi t sa c c u m u l a t i o na r e5 0 6 a n d3 0 3 ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e rs t u d yo f b i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef s10 一cs t r a i n ，i n d i c a t e st h a ti t sc o n i d i o s p o r eg e r m i n a t i o n a n dh y p h ag r o w t hn e e do fs o m en u t r i t i o n a lc o n d i t i o n ，a n dn oo t h e rs t r i c tr e q u i r e m e n t s t h ec o n d i t i o n so fi t s c o n i d i o s p o r eg e r m i n a t i o na r et e m p e r a t u r er a n g eo f2 0 36 ， h u m i d i t yr a n g eo fa b o v e8 0 ，a n dp h2 - 8 ；a n dt h ec o n d i t i o n so f i t sh y p h ag r o w t ha r e t e m p e r a t u r er a n g eo f2 0 - 3 6 ，p h5 - 7 ，a n ds m a l ll i g h te f f e c t 4 、s e e dg e r m i n a t i o nt e s to f e l s h o l t z i as p l e n d e n sr e s u l t ss h o w e dt h a ts p o r e ss u s p e n s i o no f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so ff s10 - cd on o ti n h i b i ts e e d g e r m i n a t i o no fe l s h o l t z i a s p l e n d e n s t h eg e r m i n a t i o nr a t ew a sa b o v e7 0 a t5d ，a n do fw h i c h10 0 s p o r e s s u s p e n s i o nt o d e a lw i t ht h es e e d s g e r m i n a t i o n r a t eo fe l s h o l t z i a s p l e n d e n sw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h ec o n t r o lg r o u p ，u pt o7 8 3 p o tt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t a d d e df s10 一c ss p o r es u s p e n s i o nt ot h eb i o m a s sa n du p t a k e - c o p p e ro fp l a n t sh a da s i g n i f i c a n tr o l ei nt h ep r o m o t i o n t h ed r yw e i g h to ft h ep l a t eo fe l s h o l t z i as p l e n d e n st o d e a lw i t ha d d i n gf s10 。cm o r et h a n7 2 4 i n c r e a s e di no n en o ta d d i n gf s10 一ca t c o n c e n t r a t i o no fc u ( 4 0 0m g k g ) i ns o i l s a n dt h ec u - c o n c e n t r a t i o no fa b o v e g r o u n d a n du n d e r g r o u n dp a r t so ft h ep l a n tp r o c e s s e df s10 - ca g e n t si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yo ft h e l o wc uc o n c e n t r a t i o ni ns o i l s ，b u ta th i g hc o n c e n t r a t i o no fc u ( 4 0 0m g c k g ) n os i g n i f i c a n t e f f e c t t h eb i o m a s so fe l s h o l t z i as p l e n d e n sa d d i n gf s10 一ca g e n t sw a sm o r et h a n5 0 h i g h e rt h a nt h ec o n t r o li nc o m b i n e dp o l l u t i o ns o i l ，e s p e c i a l l yt h em a s so fi t sa b o v e g r o u n d p a r ti n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，b u tt h eu n d e r g r o u n dp a r td i dn o tc h a n g e i tw a sn os i g n i f i c a n t w 赵静：铜污染土壤的木霉强化海州香薷修复研究 e f f e c tw i t ht h er e p a i rp r o c e s st oa d ds p r i n g t a i l sf o ri n c r e a s i n gp l a t eb i o m a s sa n d c u u p t a k e a n dt h eu p t a k eo fp l a n t sf o rc o p p e ra n dz i n ch a ds a m et r e n d k e y w o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n ；t r i c h o d e r m a ；e l s h o l t z i as p l e n d e n s ；u n i t e d r c m c d i a t i o n v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：赵静时间：卫) 四年f 月r 7 日 签名日期：耋日 年6 月j 1 日 签名日期：1 年月1日 赵静：铜污染土壤的木霉强化海州香薷修复研究 第一章文献综述弟一早义陬练尬 1 1 土壤中重金属的污染及危害 1 1 1 重金属及铜的污染现状 重金属是指密度大于5 0g e r a 3 的一类金属元素，在自然界中大约存在4 5 种。 主要包括镉( c d ) 、铬( c r ) 、汞( h g ) 、铅( p b ) 、铜( c u ) 、锌( z n ) 、银( a 曲、锡( s n ) 等。砷 ( a s ) 和硒( s e ) 是非金属，但它们某些性质与重金属相似，所以也将其归为重金属。 c u 2 + 、z n ：+ 、m n 2 + 、n i 2 + 等重金属离子是植物代谢必需的微量元素，但若它们过量则 对植物有毒性。然而，由于不同的重金属在土壤中的毒性差别很大，所以在环境科 学中人们通常关注铜、锌、镉、铅、汞、镍、钼、钴等。 土壤中重金属污染是指由于人类的活动将重金属带入到土壤中，致使土壤重金属 含量明显高于其自然背景含量，并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与 环境恶化的现象( 陈怀满，2 0 0 5 ) 。而且重金属在土壤中超量存在，将会通过农作物 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，进一步使 环境质量恶化。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 中重金属污染物具有长期性、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，世赛各国都很重视对于重金属 污染土壤治理方法的研究( 姜理英，2 0 0 3 ) 。 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 喜砷，2 0 0 2 ；陈刚才等，2 0 0 0 ；s i n g he ta 1 ，2 0 0 3 ) 。重金属污染与重工业发达程度、 城市的人口密度、土地利用率、交通发达程度有直接关系，距城市越近，污染越重， 污染强弱顺序为：城市 郊区 农村。固体废弃物种类繁多、成分复杂，不同种 类其危害方式和污染程度不同，其中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也都不同程度地加剧了土壤中重金属的污染。 在我国，煤、石油的燃烧和采矿是重金属的重要来源。长期用重金属含量超标 的污水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 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 损失2 4 8 9 万k g ，直接经济损失达2 2 亿元( 陈晶中等，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( 张磊等，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“镉米”，“镉米对人体健康已经产生了严重的危害。灌区居民尿中 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( 丛艳国和 魏立华，2 0 0 2 ) 。 铜既是生物的微量营养元素，又是环境污染元素。自然界中铜大量存在于岩石 和矿物中，铜是亲硫元素，在含硫化合物的岩石中，往往有较多的含铜矿物。含铜 矿物往往在局部区域富集( 何振立，1 9 9 8 ) ，铜在一般环境中的浓度较低，在非污染 土壤和沉积物中为2 0 - 3 0m g k g ，在非污染自然水体中低于2u g k g ( 文u 铮，1 9 8 1 ；刘 铮等，1 9 8 2 ；陈满怀，1 9 9 6 ) ，但现在一些矿区或铜矿附近土壤中的铜含量可高于2 0 0 0 m g k g ( n r i a g u ，19 7 9 ；s a l o m o n sa n df o r s t n e r , 19 8 4 ) ，如江西德兴铜矿区周边农田全含铜 量在1 5 0 1 9 0 0m g k g 左右( 刘永厚，1 9 9 0 ) ；湖北大冶有色金属公司冶炼厂附近农田 铜含量达到1 8 4 9 2 5m g , ，l ( g ( 陈世俭，2 0 0 0 ) ；浙江哩铺铜矿周边土壤中含铜量高达 5 2 4 7 3 2 5m g l ( g ( 龙健，2 0 0 4 ) 。它们都大大超过土壤铜环境的二级标准，对环境带 来严重的污染。铜的主要环境标准如下表所示。 寰1 - 1 锅的主要环境标准 膨润土 硅镁土高岭石 伊利石 三水铝石。 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 量和粘粒的含量增加，一些理化性质如p h 、e h 和电导等发生改变，可能会影响土 壤生物的生态系统。 1 2 3 农艺措施 土壤中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。因此，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( 陈晶中等， 2 0 0 3 ) 。 1 2 4 生物修复措施 现在常用于重金属污染土壤治理的一些物理化学方法，不仅费用昂贵、存在二 次污染的危险而且造成土壤这种几乎不可再生资源的浪费( c z p y n ae ta 1 ， 1 9 8 9 ；m e e l d o w n e ye ta 1 ，1 9 9 3 ；龙新宪等，2 0 0 2 ) ，因此寻找一种价廉且有效的土壤重 金属污染治理方法己十分迫切，而生物修复作为一种新兴的绿色环保技术由于其经 济、适用范围广、环境友好等特点正得到越来越多的关注( c u n n i n g h a me ta 1 ， 1 9 9 6 ；c h a n e ye ta 1 ，1 9 9 7 ；s a l te ta 1 ，1 9 9 8 ；骆永明，1 9 9 9 ；桑伟莲和孔繁翔，1 9 9 9 ) 。生物 修复主要包括动物修复，微生物修复以及植物修复。 1 2 4 1 动物修复 可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 5m g k g 、 1 3 7 6 9m g k g ( 戈峰等，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。 1 2 4 2 微生物修复 6 赵静：铜污染十壤的木霉强化海州香薷修复研究 土壤微生物是土壤中的活性胶体，它们具有比表面大，带电荷，代谢活动旺盛等 优点。受到重金属污染的土壤，常常富集多种耐重金属的真菌和细菌( r o b e r ta n d b e r t h e l i n ，1 9 8 6 ) ，微生物重金属修复的机理主要包括以下四个方面：1 ) 生物吸附和 富集作用。s i e g e l 等( 1 9 8 6 ) 报道，根霉对u 0 2 + 、c u 2 + 的最大吸附量分别为4 2m m o l k g 和2 3 0m m o l k g 。t o b i n 等( 1 9 8 4 ) 报道，无根根霉限a r r h i z u s ) 对c u 2 + 的最大吸附量达 3 1 0 3m m o l k g ，并且活菌丝体与死菌丝体的吸附能力差别甚小。菌丝体对重金属的 吸附能力跟菌丝体和重金属离子的种类有关。根霉对几种重金属的最大吸附量顺序 为u 0 2 + p b 2 + z n 2 + c d 2 + c u 2 + ，p o l i g i s t a t u m 的吸附顺序为2 0 + c u 2 + c d 2 + p b 2 + u 0 2 + ( s i e g e le ta 1 ，1 9 9 0 ) 。这说明不同类型的真菌，对重金属的吸附有所不 同。另外，p h 值也影响真菌菌丝体对重金属的吸附，而菌丝体不同，其对重金属的 吸附受p h 值的影响也不同( k r a n t z r u k c k e re ta 1 ，1 9 9 6 ；s i e g e l e t a 1 ，1 9 9 0 ) 。 k r a n t z r u k c k e l 等( 1 9 9 6 ) 报道，木霉( t r i c h o d e r m ah a r z i a n u m ) ，小刺青霉( p e n i c i l l i u m s p i n u l o s u m ) 和深黄被包霉( m o r t i e r e l li s a b e l l i n a ) 即使在p h 很低的情况下，对z n 、c d 、 h g 都仍有很强的富集作用。2 ) 溶解和沉淀作用，微生物对重金属的溶解和沉淀主要 是通过其各种代谢活动直接或间接进行的。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分 子量的有机酸，如甲酸、乙酸、柠檬酸和乳酸等。s i e g e l 等( 1 9 8 6 ) 报道，真菌可以通 过分泌氨基酸、有机酸以及其它代谢产物溶解重金属及含重金属的矿物。3 ) 氧化还 原作用，如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 0 1 菌种的研究开展得最为深入( 王一华和傅荣恕，2 0 0 3 ) 。韩 怀芬等( 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 r 6 + ，而且混菌的处理效果最好，最高可达到1 0 0 。4 ) 菌根真 菌与土壤重金属的生物有效性关系，众所周知，菌根真菌与植物根系共生可促进植 物对养分的吸收和植物生长。菌根真菌还能分泌有机酸活化某些重金属离子( l e y v a l a n db e r t h e l i n ，1 9 9 1 ；t h o m p s o n ，1 9 9 6 ) 。菌根真菌还能以其它形式如离子交换、分泌有 机配体、激素等间接作用影响植物对重金属的吸收( b u r k e r ta n dr o b s o n , 1 9 9 4 ) 。 h o f l i c h 和m e t z ( 1 9 9 7 ) 报道，在污水灌溉的土壤中接种假芽孢杆菌( p s e u d o m o n a ss p ) ， 土壤杆菌( a g r o b a c t e r i u ms p ) 和根瘤菌( r h i z o b i u ms p ) ，可以促进荞麦的生长，在轻度 污染土壤中的植株对c d 、c u 、p b 、n i 、c r 和z n 的吸收比重度污染土壤的高。 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 7 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文 有微生物重金属修复的实例报道( 周东美等，2 0 0 4 ) 。 1 2 4 3 植物修复 1 2 4 3 1 植物修复的一般原理 植物修复是一种绿色技术，其具有传统的土壤治理方法( 如客土法、淋溶法、固 化法等1 所无法比拟的优点，如投资和维护成本低廉、操作简便、不破坏场地结构、 不造成二次污染、具有双重经济效益等( 唐莲等，2 0 0 3 ) ，成为国际环境修复技术与 工程科学的热点和前沿领域。植物修复技术不仅获得了众多正面的评论，而且被认 为在土壤治理方面具有极大的发展潜力和良好的发展前景( s a l te ta 1 ，1 9 9 6 ； c u n n i n g h a n n le ta 1 ，1 9 9 5 ；c u n n i n g h a n l na n do w , 1 9 9 6 ；r a s k i n ，1 9 9 6 ) 。早在1 9 8 3 年 c h a n e y 就提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想，但直到1 9 9 0 年植物 修复才得以进一步发展( a n o n y m o u s ，1 9 9 0 ) 。植物修复是对直接利用植物来进行环 境污染治理技术的总称，随着科学上的新发现和多学科的交叉发展使得这项技术得 以深入研究和广泛应用。 植物修复技术的机理主要是利用富集植物及其共存微生物体系去除污染土壤中 的重金属，亦即通过重复种植和收获超积累植物，将污染土壤中重金属浓度降至可 接受水平，从而达到清洁污染土壤的目的( m o f f a t ，1 9 9 5 ；c h a n e ye ta 1 ，1 9 9 5 ；h i r o l ( i ， 1 9 9 2 ；周国华，2 0 0 3 ；陈承利和廖敏，2 0 0 4 ) 。根据修复植物的修复功能和特点可将重金 属污染土壤的植物修复分为以下三种基本类型( r a s k i n e ta 1 ，1 9 9 4 ；s a l te ta 1 ，1 9 9 6 ) ： 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) ：是目前研究最多并最有发展前景的一种利用植物 去除环境中重金属的方法。它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 re ta 1 ，1 9 9 5 ) 。通过收割地上部分，连续种 植超积累植物，达到去除土壤中的过量的重金属的目的。所谓超积累植物是指能够 超量吸收并在体内积累重金属的植物。目前通常把植物叶片或地上部中含c d 达1 0 0 m g k g ( 干重1 ，含c o 、c u 、n i 、p b 达到1 0 0 0m g k g ，m n 、z n 达到1 0 0 0 0m e c k g 以 上的植物称为超积累植物，同时这些植物还应满足s r l 的条件( s 和r 分别表示 植物地上部和根部重金属的含量) ( b a k e r , 1 9 8 9 ) 。一般能用于重金属污染土壤植物修 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；地上部超量积累某种或几种重金属时，不影响植物的正常生长，通常超出普通 植物的1 0 0 倍以上；生长迅速，生物量大；抗虫抗病能力强；根系发达。 2 ) 植物固定( 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土 赵静：铜污染土壤的木霉强化海州香薷修复研究 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 的可能一 生( s a l te ta 1 ，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，并没有彻底解决环境中的重金属污染 问题，如果环境条件发生变化，重金属的生物有效性可能又会发生改变，因此，不 是一个彻底去除重金属污染的方法。 3 ) 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) - 利用植物根系吸收某些重金属或类金属并促进 其转变为可挥发的形态，从植物地上部分挥发到大气中，以减轻土壤污染。主要是 针对易于形成生物毒性低的挥发性有机物的s e 和挥发性重金属的h g 。由于这种技 术只适用于挥发性污染物，所以应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类 和生物仍有一定的风险，因此其应用受到一定程度的限制。 1 2 4 3 2 铜污染土壤的植物修复 铜是植物生长所必须的营养元素，但由于现代工业生产的发展，铜己成为环境 中一种重要的污染元素，而且与其它重金属元素相比，铜的毒性较强，因此铜污染 土壤的治理问题就十分严峻。 目前对于土壤中铜污染治理研究最多的是植物修复技术，其关键是寻找适合的 超积累或耐重金属的植物，已发现的2 5 种铜超积累植物均产在中南非扎伊尔的沙坝 ( s h a b a ) 铜矿带，且主要集中分布在唇形科( 5 种) 、玄参科( 4 种) 和菊科( 4 种) ，禾本科 ( 3 种) ，豆科、莎草科和觅科( 2 种) ，椴树科、石竹科和旋花科各1 种( b r o o k se ta 1 ， 1 9 8 0 ；b r o o k se ta 1 ，1 9 9 2 ；t a n ge ta 1 ，1 9 9 9 ) 。近年来，我国重金属污染土壤的植物修复 发展很快，其中以铜污染土壤的植物修复研究开展最早，且研究人员为数最多。至 今，陆续发现了一批我国原生的铜耐富集植物：海州香薷( e l s h o l t z i as p l e n d e n s ) ( t a n ge ta 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ；文1 j 杰和熊治廷，2 0 0 4 ；l u oe ta 1 ，2 0 0 4 ；柯文山等，2 0 0 1 ；姜英 理等，2 0 0 2 ；s h ie ta 1 ，2 0 0 4 ；施积炎等，2 0 0 4 a ；c h e ne ta 1 ，2 0 0 4 ；李锋民，2 0 0 1 ，2 0 0 3 a ， 2 0 0 3 b ) 、鸭跖草( c o m m e l i n a c o m m u n i s ) ( 廖斌等，2 0 0 3 ，2 0 0 4 a ，2 0 0 4 b ；施积炎等， 2 0 0 4 b ) 、酸模( r u m e xa c e t o s al i n n ) ( t a n ga n df a n g ，2 0 0 1 ；l i ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 、紫花香薷 ( e l s h o l t z i aa r g y ) ( j i a n ge ta 1 ，2 0 0 3 纵2 0 0 4 ；姜英理等，2 0 0 3 ) ，为开展铜污染土壤的植物 修复机理及修复技术的研究提供了好材料。早在1 9 5 3 年，谢学锦院士报道了“铜草” 海州香薷e l s h o