（环境工程专业论文）锡污染土壤的花卉植物修复研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s o i lc o n t a m i n a t i o na n dg r o u n d w a t e rp o l l u t i o no ft i na n di t s c o m p o u n d sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sd u et oi t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sa n d o v e r - e x p l o i t a t i o n p h y t o r e m e d i a t i o ni se x p e c t e dt oa l le m e r g i n gt e c h n o l o g yw h i c hh a s b e e np a i du n i v e r s a la t t e n t i o n i nv i e wo ff i na n dc o m b i n e dh e a v y - m e t a lc o n t a m i n a t e d s o i l ，t h ei d e n t i f i c a t i o na n ds c r e e n i n go fs nh y p e r a c c u m u l a t o r sf r o mo r n a m e n t a l sw e r e c a r r i e do u tb yp o tc u l t u r ea n dh y p r o d o n i ce x p e r i m e n t s s i m u l t a n e o u s l y , t h et o x i c c h a r a c t e r i s t i c so f 血a n di t sc o m b i n e dh e a v ym e t a lt oo r n a m e n t a l si ns o i la n d i n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dp l a n t sh a v eb e e ns t u d i e d a f t e rp r e l i m i n a r ys t u d y , 6p o t e n t i a l o r n a m e n t a l s ，i e i m p a t i e n sb a l s a m i n a ， m i r a b i l i sj a l a p a ，m a r i g o l d , o r y c h o p r a g m u s ，m o r n i n gg t o r y , m a i d e n h a i r , w i t hh i g h s nt o l e r a n c ew e r es e l e c t e df r o m11s p e c i e sf o rf - u t h e rc o n f i r m a t i o ne x p e r i m e n t s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ti m p a t i e n sb a l s a m i n aa n dm i r a b i l i sj a l a p aa r ei n c o m p l e t e l y c o n t e n tw i t hb a s i cf e a t u r eo fh y p e r a c c u m u l a t ep l a n t sw h i c he n r i c h m e n tf a t o r sa n d t r a s l o c a t i o nf a t o r sw e r eh i g e rt h a nt h e o t h e rf o u rp l a n t s t h ee n r i c h m e n tf a t o ro f m i r a b i l i sj a l a p aw e r er e a c h i n ga t17 0 7 ，b u tt h et r a n s l o c a t i o nf a t o r so ft h et w o o r n a m e n t a l sw e r ea l m o s tl o w e rt h a n1 t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l lf o rm i r a b i l i s j a l a p ai n c r e a s e d 诵mt h ei n c r e a s i n g 血c o n c e n t r a t i o n , i m p a t i e n sb a l s a m i n ar e m a i n e d u n c h a n g e d t h er e s u l t so fc o m b i n e dh e a v ym e t a le o m t a m i n a t i o ni ns o f ts h o w e dt h a t , a c e r t a i na m o u n to fc u - p b - z nc o u l ds t i m u l a t es na c c u m u l a t i o n t h ep ba n dz n c o n c e n t r a t i o no fo v e r g r o u n dp a r ta n du n d e r g r o u n dp a r ti nf r a g r a n t p l a n t a i nl i l ya n d g o l d e nw a v ei n c r e a s e dw i 也i n c r e a s i n go fs nc o n t e n ti ns o i l t h ee n r i c h m e n tf a c t o r s a n dt r a n s l o c a t i o nf a c t o r so fc u - p b z na p p e a r e dt h es a m et r e n d sa f f e c t e db ys ni ns o i l ， n a m e l y , a l o n gw i 也t h ei n c r e a s eo fs nc 幻n c e n t , c u p b z ne n r i c h m e n tf a c t o r sr a i s e d s l o w l y , c u - p bt r a n s l o c a t i o nf a c t o r si n c r e a s e da n dz nt r a n s l o c a t i o nf a c t o r sd e c r e a s e d t h ei n c r e a s eo rd e c r e a s ea m p l i t u d eo fg o l d e nw a v ew e r eh i g e rt h a nf r a g r a n t p l a n t a i nl i b t h es nc o n t e n to fo v e r g r o u n da n du n d e r g r o u n dp a r ti ng o l d e nw a v ea n d f r a g r a n t p l a n t a i nt i t ye x i s tl i n e a rr e l a t i o m h i p 、) l ，i t l l 盈s na d d e d i ns o i l a b s t r a c t t i nc o n t a m i n a t i o n , o r n a m e n t a l p h y t o r c m e d i a t i o n , c o m p o u n dh e a v y m e t a l ，c o n t a m i n a t e ds o i l 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 第一节锡及其化合物简介 1 1 1 锡的性质及应用 锡( s n ) ，一种略带蓝色的低熔点金属元素，在化合物内是二价或四价，不会 被空气氧化，主要以二氧化物( 锡石) 和各种硫化物( 例如硫锡石) 的形式存在。锡 是大名鼎鼎的“五金 金、银、铜、铁、锡之一。据考证，我国周朝时，锡 器的使用已十分普遍了【l 】。金属锡柔软，易弯曲，熔点2 3 1 8 9 ，沸点2 2 6 0 。 在空气中锡的表面生成二氧化锡保护膜而稳定，加热下氧化反应加快：锡与卤 素加热下反应生成四卤化锡；也能与硫反应；锡对水稳定，能缓慢溶于稀酸， 较快溶于浓酸中，也能溶于强碱性溶液；在氯化铁、氯化锌等盐类的酸性溶液 中会被腐蚀。 金属锡可以用来制成各种各样的锡器和美术品，如锡壶、锡杯、锡餐具等： 还可以制成锡管和锡箔，用在食品工业上，保证清洁无毒。如包装糖果和香烟 的锡箔，既防潮又好看【l 】。金属锡的一个重要用途是用来制造镀锡铁皮( 马口铁) 。 一张铁皮一旦穿上锡的“外衣 之后，既能抗腐蚀，又能防毒。这是由于锡的 化学性质十分稳定，不和水、各种酸类和碱类发生化学反应的缘故【2 1 。目前，镀 锡铁皮不仅广泛用于食品工业上，如罐头工业，而且在军工、仪表、电器以及 轻工业的许多部门都有它的身影。 锡的化合物在工业上也有广泛的用途，如二氧化锡在陶瓷工业中用作釉的 颜料和遮光剂，工业催化剂；氯化亚锡用作超高压润滑油，漂白剂；四氯化锡 用于毛织品的阻燃剂，军事上用来制成烟雾弹【3 1 ；硫酸亚锡主要用于锡电镀工艺 中。锡的有机化合物对塑料加工起稳定作用，对生物、细菌有防腐作用，广泛 用于船舶的防污涂料【4 5 】。 锡元素是生物体内必需的微量元素之一，对正常生命活动有重要意义，锡 与多种酶活性有关，能促进有关蛋白质与核酸的代谢反应，故有助于动物生长， 锡补充不够会影响身体的正常生长发育，严重者可引起侏儒症【6 1 ；而锡量过多， 会促使肝脂肪性变及肾血管变化【7 1 。 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 1 1 2 锡及其无机锡化合物的毒性 随着锡及其化合物、合金等被广泛应用，锡污染也随之而来，尤其是无机 锡，它可导致急性肠胃炎、肺炎、骨骼异常及中枢神经损伤，且不易被吸收。 因容器内壁溶出锡而引起的中毒事件时有报道，这是因为过量的锡会对生物产 生不良影响和毒性作用【s 】。锡使人体胃酸分泌减少j 阻断小肠粘膜酶的活性；过 量的锡在同蛋白质结合的同时可引起血清胆固醇和卵磷脂的减少；抑制蛋白质 水解酶，影响蛋白质的吸收。因此人类口服过量锡时，会发生呕吐、腹泻等消 化道症状，而且还会有锡残留蓄积于肝、肾、骨中。所以世界卫生组织文献综 述建议每日的最大摄取量为2 m g s n k g ( 体重) 。 少数无机锡化合物的毒性较大，如氯化亚锡溶液与皮肤接触能引起湿疹； 在生产过程中制锡花时要防止吸入锡粉尘，以免患慢性支气管炎：美国规定锡 的无机化合物最高容许浓度为2 m g m 3 ( 以金属锡计) 。在缺氧条件下，锡可在细 菌作用下甲基化【9 , 1 0 。1 9 8 1 年b r i n c k m a n 首次在实验室里用耐锡假单胞菌对 s n c h 5 h 2 0 进行培养，实现了无机锡环境甲基化模拟实验，得到了二甲基锡产 物【1 1 1 。h a l l a s 等人发现s n c h 5 h 2 0 在沉积物里可以转化为( c h 3 ) 2 s n h 2 和 ( c h 3 ) 3 s n i - i ，而( c h 3 ) 3 s n o h 在灭了菌的沉积物中也能转化为( c h 3 ) 4 s n 。甲基锡较 易挥发，往往从水、土壤和生物体中逸入大气，s n i - h 毒性强于a s h 3 吸入后会引 起中枢神经系统损害，产生痉挛。 第二节锡矿开采及矿山场地重金属复合污染状况 1 2 1 锡矿的开采、冶炼及矿区废弃场地 我国是世界首要的锡生产大国，锡矿资源丰富。据统计，截至2 0 0 7 年底， 我国锡矿资源储量4 8 3 6 6 万吨，其中基础储量1 5 2 2 5 万吨，占3 1 5 ，资源量 3 3 1 4 1 万吨。我国锡矿主要集中在云南( 1 2 4 9 9 万吨) 、广西( 9 7 5 5 万吨) 、湖南 ( 9 1 7 8 万吨) 、内蒙古( 7 8 1 5 万吨) 、广东( 5 6 0 1 万吨) 和江西( 2 4 9 9 万吨) ，这 六省区锡矿资源储量占全国查明资源储量的9 7 8 9 t 1 2 】。其中云南个旧、广西大 厂是我国两大锡矿生产基地。 ， 尽管我国是世界上锡生产大国，但是锡矿山采、选、冶利用水平参差不齐， 尤其采矿和选矿方面整体水平比较低。近几年来，国家对大型锡矿山企业投入 技术和设备改造，提高选矿回收率效果显著，大型锡矿山企业基本能够做到回 2 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 收所有有价值的元素。但是许多中小型企业为了片面降低成本以浪费资源为代 价，导致选矿回收率非常低，锡矿中大量共伴生资源被浪费【1 3 1 。同时，矿产资 源的开采给生态环境带来了巨大危害。矿山废水、废气和尾矿等固体废弃物污 染严重，植被、土地遭到破坏，大规模的采矿活动使地表塌陷，破坏原始地貌， 使矿山不同程度的遭受滑坡、泥石流等地质灾害。据调查【1 4 1 ，我国因采矿累计 占用土地约5 8 6 万h m 2 ，破坏地约1 5 7 万h m 2 ，森林1 0 6 万h m 2 ，草地2 6 3 万 h m 2 ，且以每年4 万h m 2 的速度递增，而土地复垦率仅为1 0 。 矿山废弃物的排放和堆存对环境造成了巨大威胁。许多堆积的锡矿渣中还 含有大量对人体有害的氟及其化合物，尾矿中大量的重金属( c u 、z n 、p b 、a s 、 s b ) 以各种形态和方式迁移转化到水体和土壤中【1 5 1 ，污染土壤和地下水。 1 2 2 锡矿场地土壤的重金属复合污染 锡矿山场地废石、废渣的堆存不仅占用了大量的土地资源，而且由于选矿 回收能力有限，使大量重金属复合污染物进入尾矿中。重金属复合污染物在土 壤中滞留时间长，难以被植物或微生物降解，严重污染土壤和地下水。在浮选 尾矿的过程中，残留的选矿药剂如氰化物、硫化物、有机絮凝剂、表面活性剂 等，受到光照、空气、雨水的作用，产生的有害气体和液体又加剧了重金属的 流失。尤其是我国锡矿共伴生资源非常丰富，给我国带来巨大资源潜在价值的 同时，重金属的复合污染也给环境带来了严重危害。表1 1 是甘风伟【1 6 1 等人以云 南个旧锡多金属矿山为研究对象，对个旧老厂阿西寨尾矿库土壤一食用马铃薯和 豌豆中重金属的元素分布特征进行调查，探讨了重金属元素在土壤一作物中的分 配规律。由表1 1 可以看出，样品中的p b 、a s 、c u 、s n 远高于全国和云南土壤 背景值，属于重度污染区。表1 2 是雷冬梅【1 7 】等人对云南不同矿区废弃地土壤重 金属含量的测量结果，其中包括云南个旧锡矿废弃地。由表1 2 可知，锡矿废弃 地土壤的全铅、全铜、全镍的含量是铅锌矿废弃地和煤矿废弃地中最高的。由 此可以看出，锡矿山废弃场地土壤重金属复合污染非常严重，重金属在土壤中 的积累和富集不仅破坏了生态系统，同时制约了经济和社会的可持续发展。 3 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 表1 1 个旧地区土壤重金属质量分别1 6 】 表1 2 云南不同矿区废弃地土壤重金属的含量( m g k g - 1 ) 【1 7 1 第三节锡污染 1 3 1 锡对大气的污染 自然风化过程和锡冶炼加工等都向大气输送锡1 1 8 】，使大气特别是城市上空 的大气受到锡污染。据测定，大气锡含量，欧洲为0 0 0 1 5 0 8 u g m 3 ，美国2 2 个城市为0 0 0 3 - 0 3u g m 3 ，其中6 个主要工业城市为0 0 3 - 0 3u g m 3 。我国根 据排气筒的高度分别设定了锡及其化合物的最高允许排放浓度及其一、二、三 级最高允许排放速率f 1 9 1 。 4 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 1 3 2 锡对水体的污染 常见的锡化合物有二价和四价的。二价锡是强还原剂，在天然水体中不多 见。四价锡化合物在酸性和碱性水体中溶解度较大，但在p h 值为6 9 的天然 水体中溶解度很小。溶解的锡常以含氧和羟基的离子形式存在，在海水中则主 要以s n o ( o h h 的形式存在。在缺氧条件下，锡可在细菌作用下甲基化。甲基锡 较易挥发，往往从水、土壤和生物体中逸入大气。天然水体中淡水的含锡量为 0 0 0 4 - - - 0 0 9u g 几，海水为0 0 0 2 - 0 8 1 u g l 。海洋浮游生物中含锡量从小于l p p m 直到9 0 p p m 。浮游植物和褐藻类能从海水中富集锡，富集倍数达7 0 0 0 - 3 0 0 0 0 。 海洋中有机锡污染主要是丁基锡和苯基锡的污染。在海上航行的轮船和海 上建筑物的防污漆中加入三丁基锡( 1 1 3 t ) 和三苯基锡( t p t ) ，杀死附着在船只上 的真菌、藻类和软体动物，这是海洋环境中有机锡的主要来源【2 0 】。有机锡化合 物不可避免地对海洋生态系统造成不可逆转的破坏。资料显示，浓度在1 0 级的 三丁基锡化合物就可使某些鱼、虾、蟹的幼体产生急性中毒，即使浓度低于1 0 级时也会使某些生物产生非致命的中毒效应。我国长江、黄河以及白洋淀等典 型内陆水域都发现了丁基锡化合物的存在，从污染程度上看，多数水样中含有 含量较高的丁基锡化合物【2 1 1 。 1 3 3 锡对土壤的污染 土壤中锡含量差别很大，这与土壤的污染状况、母岩中锡含量等因素有关。 土壤含锡量为1 一- - 2 0 0 p p m ，一般小于1 0 p p m ，平均值为4 p p m 。植物摄取的锡， 约为0 1 - - 2 p p m ，茶树叶片中可达3 p p m 。有些植物也能积累一定量的锡，灰分 的含锡量有的可达4 6 p p m 。 锡的有机化合物毒性非常大，从2 0 世纪5 0 年代v a n d e r k e r k 首次发现有机 锡的杀虫性能后，有机锡杀虫剂便被广泛用于工农业。如三环己基锡和苯基锡 被用于生产农药和杀虫剂，其中三苯基醋酸锡是一种重要的有机锡农药，主要 用于防治甜菜褐斑病、马铃薯晚疫病、大豆炭疽病、水稻稻瘟病等瞄】。这些有 机锡化合物能够导致性畸变，干扰钙代谢等，毒性非常大。喷洒的有机锡农药 会在作物和土壤中残留，对人体健康和环境造成严重危害。 现今我国对锡污染土壤的环境质量标准的制定相对滞后。相关标准还在编 制和征求意见中【2 3 1 。随着我国锡工业的迅速发展和锡污染现象的加剧，我国有 必要结合锡工业污染物排放与控制现状，制订一个技术上先进、经济上合理、 5 ， 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 环境上容许和实践上可行的土壤锡污染物排放系列国家标准【2 4 】。因此锡污染土 壤的植物修复及其毒性研究具有深刻的意义，能够为制定土壤中锡污染物标准 提供参考。 第四节污染土壤的植物修复技术 1 4 1 污染土壤的植物修复技术 随着现代工业化建设的突飞猛进，越来越多的土地被开垦和利用，同时土 壤污染问题日益突出，有限的土壤资源不断减少并且受到污染的损割2 5 1 ，因此 土壤环境保护和污染土壤修复治理工作尤为紧迫。对污染土壤的修复技术主要 。有物理修复、生物修复和化学修复。这些修复手段对污染土壤的治理具有非常 重要的实践意义，但是耗资大，治理过程中会导致次生污染，引起土壤基本理 化性质和相关生态过程的改变等【2 6 】。相比较而言，植物修复技术能够克服这些 缺点，其利用植物的提取、固定和挥发等作用从土壤中直接去除污染物或转化 为毒性小甚至无毒的物质。 1 4 2 植物修复技术概况 植物修复( p h y t o r c m c d i a t i o n ) 是利用自然生长植物或者遗传工程培育的植物 提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有 害污染物技术的总称。广义的植物修复技术包括利用植物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 物共存体系净化环境中有机污染物等【2 7 捌。 植物修复技术是2 0 世纪前期发展起来的一项污染环境清洁技术，其最具代 表性的修复技术主要是指利用重金属超富集植物的超量积累作用去除污染环境 中的重金属【2 9 】。植物修复具有应用成本低、生态风险小、对人类和环境副作用 小等特点【3 0 】。但该技术还不成熟，目前大多还只处于试验阶段。因此，超富集植 物的筛选仍然是植物修复研究的重点和难点，通过各种方式筛选超富集植物， 即使只筛选到具有超富集植物的某些特征的植物，对于植物修复种质资源库的 建立乃至理想超富集植物的构建都可能具有重要意义【3 1 3 2 1 。 1 4 3 花卉植物修复重金属污染土壤的可行性和实践性 6 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 国内外植物修复方面已有许多报道，它们涉及藻类植物、蕨类植物、裸子 植物、被子植物以及花卉植物，既有草本植物，也有木本植物【3 1 3 3 1 。已发现的超 积累植物有4 0 0 多种，但大多数是镍超积累植物，此外有b a k e r 等人【蚓等发现 的十字花科遏蓝菜属是z n 和c a 超积累植物，以及m a 等 3 5 】发现的超积累植物 蜈蚣草等。我国在植物修复方面也取得了一些进展，如魏树和等【3 6 】发现了龙葵 为镉的超积累植物。但到目前为止，已经报道的超积累植物非常有限，对于超 富集花卉植物的研究比较少。选用花卉植物对土壤中重金属污染进行修复，不 仅能够美化环境，而且花卉资源相当丰富、潜力巨大，使筛选工作有了坚实的 基础。同时花卉植物不会进入食物链，可减少对人体的危害【3 0 3 7 】：花卉对人类健 康也有着一定的作用，经科学研究证明，许多植物中含有抗菌素和抗病毒作用 的化学物质，有些植物还能挥发出有益的化学物质，通过人的呼吸系统进入人 体，起到防病、强身、益寿的作用。如菊花对多种致病微生物有抑制作用，可 以降火解毒，主治头痛眩晕、血压亢进等。 吴双桃【3 3 】研究表明，在5 毫克公斤镉处理下生长4 个月后，美人蕉从土壤 中带走的镉总量每月每公顷达3 2 9 吨。向言词【3 9 】等人研究了污泥改良锰矿尾渣 对紫茉莉、青葙、一串红和鸡冠花4 种花卉植物生长及其富集铅、镉、锌和锰 的影响，结果表明污泥改良锰矿尾渣能够促进这4 种花卉植物生物量、株高和 根长增加。崔爽m 】等人实验结果得到波斯菊和翠珠花能够从土壤中富集8 0 m g k g 以上的铅。l i u 4 l 】等人研究了潜在超积累花卉植物l o n i c e r aj a p o n i c at h u n b 对镉 的富集和耐性特征，当l o n i c e r a a p o n i c at h u n b 暴露在c d 浓度为5 l o m g l 时 表观并没有出现毒害症状，当c d 为5 0 m g l 时耐性指数达到o 8 ，种植2 5 天后 茎和叶中c d 浓度分别达到3 4 4 4 9u g g 和2 8 6 1 2 u g g 。可见，花卉植物修复重金 属污染土壤可以为超积累植物的筛选开辟更广阔的空间，对修复后的超积累花 卉植物进行回收甚至进行植物冶金技术意义重大。 花卉植物种类繁多，盲目的将所有花卉为研究对象一一筛选是不科学的【3 0 1 。 首先根据花卉植物的生长特点和耐性特征，选择生存力顽强、适应性好，生长 情况不易受环境影响或影响小的物种着手，从中选取有可能成为修复植物的花 卉物种进行研究，再进一步确认。或者到污染严重的场地采集仍能够正常生长 的物种进行实验研究。对于提取的植物来说，生物量越大越能提高修复效果， 生物量通常与株高成正比，因此株高和生物量通常也是重要的选择依据【4 2 】。由 于多数花卉植物不会生长在其它超积累植物被发现时的生长环境中，即矿山区 7 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 或富含某种或某些化学元素的岩石风化而成的土壤上，但为了使筛选出的修复 植物更具有实际应用价值，也应尽可能地人为模拟与特定污染土壤条件相一致 的环境条件。模拟筛选条件的土壤盆栽试验是一种筛选修复植物的有效方法。 盆栽筛选时，在适当时机收获花卉植物，测量其各部分如根、茎、叶、籽实中 的重金属含量，便可进行确认，方法简便，易于操作【3 0 】。 1 4 4 锡矿污染场地的植物修复 矿山污染场地的生态恢复和尾矿的植被重建虽然是一项艰巨的工作，却是 控制环境污染和改善景观的合理选择。植被的复垦可以有效抑制扬尘，降低采 矿和冶炼产生的大气污染物，也可以有效控制水土流失，减少泥石流等地质灾 害。然而绝大多数矿区，经常被重金属和一些选矿药剂污染，尤其土壤重金属 污染是一个不可逆的过程。重金属在过量的情况下对生物产生很大毒性，使矿 区大多数植物难以生存；同时重金属易于通过食物链传递给人和动物，对人类 健康产生严重危害。在矿山场地修复过程中，寻求解决重金属复合污染的办法 成为当前研究的重点和难点。当前生态恢复的方法主要包括：物理修复、化学 修复、生物修复( 特别是微生物) 、植物修复、固化修复、电动力学修复等技术【4 3 】。 比较上述修复方法，植物修复技术得到人们普遍的认可，其费用低廉，治理过 程对原来的土壤扰动较少、不造成二次污染，能够逐渐减少甚至清除污染环境 中的重金属，美化环境等优点激起了人们浓厚的研究兴趣，是一项很有发展前 途的修复技术。 对于修复矿山场地重金属复合污染问题，寻找和筛选超积累植物是关键。 矿业废弃地作为一个特殊的生境，成为一些先锋耐性植物的避难所，对于这种 特殊生态系统的保护，在国外许多发达国家引起了足够的重视。据报道，现已 发现c d 、c o 、q l 、p b 、n i 、s e 、m n 、z n 超积累植物有4 0 0 多种，其中7 3 为 镍超积累植物。重金属超积累植物的发现为尾矿区植物修复奠定了坚实的基础， 但是已报道的超积累植物种类仍然比较有限，尤其寻找在矿山污染场地这种恶 劣环境条件下也能生存的植物，对矿山生态恢复起到重要的作用。 在尾矿区种植重金属超积累植物，一方面有利于加强尾矿区土壤的复垦， 改善生态环境；另一方面，对富集了重金属的超积累植物收集后集中处理，从 植物中提取重金属元素，进行资源化的综合利用，可谓一举多得。 1 4 5 国内外相关研究工作 8 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) p i n e l r a f f a i t i n ，d a m o u r o u ) 【】等人研究了城市垃圾填埋池的渗滤液和生物 沼气中有机锡的发生和分配。使用三种不同的分析方法测定离子态和挥发态有 机锡化合物在两个垃圾填埋池中的浓度。结果表明潮湿的沉积物能够稀释渗滤 液，同时改变有机锡化合物甲基化作用或乙基化的机理。c h r i s t o p h em a r e i e ， i s a b e l l el eh e c h o 【4 5 】等人研究了三丁基锡( t b t ) 和三苯基锡( t p t ) 在土壤中的持 久性，将有机锡化合物通过添加城市污泥引种到土壤中。并将污泥的数量、t b t 和t p t 的浓度以及土壤p h 考虑进去。结果表明三丁基锡在土壤中的持久性取 决于其在污泥中的初始浓度。当污泥被适当浓度的有机锡化合物污染时，p h 对 t b t 和t p t 的持久性没有影响。 当前，大多数研究是围绕有机锡的毒性及其对海洋的污染，有机锡的发生 和分配；在植物修复方面，主要利用植物修复c d 、p b 、z n 、c r 、a s 等重金属或 石油烃污染土壤 4 6 , 4 7 , 4 8 1 。对s n 及其无机锡污染土壤的植物修复未见报道。锡在 土壤中过量时对植物的毒害作用、植物对s n 的耐受浓度限值和对s n 的积累特 征研究目前尚未开展。而任何重金属在高浓度时都有毒害作用并且被视为环境 污染物【4 9 1 。 第五节课题研究的目的及内容 1 5 1 研究目的 锡的广泛应用促使锡矿大量开采，随即导致锡及其化合物污染问题日趋紧 迫，在锡矿开采、冶炼过程中存在资源利用有限，废渣中复合重金属污染土壤 和地下水，锡尘对人体肺部和呼吸系统造成严重危害等问题亟待解决。当前， 对锡及其化合物污染土壤的治理和修复研究甚少。鉴于上述问题，本课题选用 花卉植物作为修复方法，研究花卉植物对土壤中锡污染物的耐性和积累特征， 探索锡极限浓度对花卉植物的毒性作用。目标是筛选和发现对土壤中锡及其复 合重金属具有强耐受能力和富集能力的花卉植物，并且通过植株的整个生长过 程能较有效地修复土壤中的污染物。 1 5 2 研究内容 1 ) 通过种子发芽和根生长耐性预实验，筛选耐性强的花卉植物进一步做盆 栽实验。并且探索植物对不同浓度梯度锡的耐性特征，为盆栽试验中锡浓度梯 9 第一章锡污染土壤的植物修复( 综述) 度的确定奠定参考基础。 2 ) 通过预实验选取的花卉植物进行锡污染土壤盆栽实验和水培梯度实验。 设置不同浓度梯度的锡。收获植物后，测定植物体内的锡含量，探索花卉植物 对锡的耐性和富集特征。比较水培条件和土壤条件下同种花卉对锡的不同响应， 并且确定花卉植物对锡污染的最大承受能力；同时为制定锡在土壤中的环境修 复标准奠定基础。 3 ) 通过实验，研究锡在土壤中的吸附解吸行为和在土壤中的主要离子活 度，以此探索其在土壤中的主要形态特征，寻找植物能否超积累锡的原因。 4 ) 选取宿根花卉植物进行高浓度锡污染土壤和s n - c u - p b - z n 复合重金属污染的 研究，探索宿根花卉对高浓度锡污染土壤的耐性和积累特点。研究锡与其他重金属 的交互作用，以及c u - p b - z n 复合重金属存在情况下花卉对锡的积累情况。 1 5 3 技术路线 ( 1 ) 花卉植物在s n 单一污染下的耐性特征及积累特性研究 锡在土壤中锡在土壤中 的吸附行为的解吸过程 研究及滞后效应 ( 3 ) 宿根花卉植物在s n c u - p b - z n 复合污染条件下的积累特征和交互作用 复合污染 条件 s n - c u - p b z n 复合 污染盆栽实验 1 0 植物耐性和积 累特征分析 移分配的影响l 一 因素和交互作y 用f 第二章对锡耐受性强的花卉植物的筛选 第二章对锡耐受性强的花卉植物的筛选 第一节材料与方法 2 1 1 供试花卉 本实验参试植物为一、二年生常见的草本花卉，其种子购自天津市西南花 卉市场。参试植物共8 种，其生活型见下表。 表2 1 参试植物物种及习性 2 1 2 药品与试剂 h p g 2 8 0 h 人工气候培养箱，9 0 m m 玻璃培养皿，定性滤纸，分析纯 s n c l 2 2 h 2 0 ，蒸馏水，真空干燥箱，1 双氧水，蛭石。 2 1 3 锡浓度的设定 参考我国尚未执行的锡锑汞工业污染物排放标准中规定【2 3 】排放水体中 总锡浓度控制在5 m g l 之内，以及国外有关数据：瑞典规定地面水锡的最高容许 浓度为0 1 m g l 和日本渔业用水锡含量规定要小于1 m 班；同时根据有关文献研 究，表2 2 是研究陆生蔬菜中稀有元素的含量【s 0 1 。从表中可以看到，s n 在各种蔬 菜中的浓度从4 2 8 蛩j 1 0 1 l m g k g 。可以作为锡污染土壤植物富集浓度的参考。因 此设定s n 寸( 以s n 2 + 计) 浓度为o 、0 4 m g l 、1 6 r a g l 、6 4 m g l 、1 7 5 m g l 。 第二章对锡耐受性强的花卉植物的筛选 表2 2 陆生蔬菜中稀有元素含量【5 l 】 陆生蔬菜质量以干重计。 2 1 4 实验方法 筛选颗粒饱满且大小一致的花卉种子，先用1 h 2 0 2 溶液浸泡1 5 m i n 左右， 然后用蒸馏水反复清洗，用滤纸吸干以备用。 采用蛭石培养方法。试验用蛭石持水性高、透气性好，且在高温高压下消 毒制成。分别称取5 0 9 干蛭石于9 0 m m 培养皿中铺平，加入上述浓度梯度的污染 物溶液1 0 m l ，使水土比为1 ：5 。平衡3 个小时后将花卉种子播种于蛭石中，每个 培养m 1 1 8 粒种子，每处理重复3 次。盖好玻璃培养皿，将种子放置于人工气候箱 内暗处培养，待种子发芽后，增加光照( 2 5 a ：1 恒温，相对湿度为2 0 - a ：5 ，光 期1 2 h ，光强2 0 0 0 l x ) 。根据情况每天用蒸馏水补充所蒸发的水量。第8 天统计 种子发芽数和胚根长度。计算出发芽率、相对发芽率、根伸长抑制率、胚根 对重金属的耐性指数。 2 1 5 数据处理 实验结束后，测定各处理浓度种子的发芽数、根伸长长度。计算种子发芽 率、根伸长抑制率、根对锡的耐性指数。数据采用s p s s1 7 0 和e x c e l 进行处理。 实验数据使用平均值士标准误差表示。 发芽率= 塑骂鬻产 ( 2 1 ) 根伸长抑制率= 室皇量堡塑鲨笔鐾至霉薯蓑鬈譬 型 。22 ， 耐性指数= 二室堕塞吾喜鑫蓑蔷主篓蔫蓑季笋。 泣3 ， 1 2 第二章对锡耐受性强的花卉植物的筛选 第二节结果与分析 2 2 1 种子萌发实验 由表2 3 可以看出，花卉种子的发芽率都比较低。在未染毒的情况下，发芽 率最高的风仙花也只达到7 8 4 ，说明供试种子的质量比较差，也可能与不同植 物种子对温度、光照和潮湿度的需求不同有关。 统计分析结果表明，花卉种子的发芽率在s n 的作用下并未表现出明显的规 律。在某些浓度下表现出抑制作用，某些浓度下又表现出促进萌发。例如，随 着污染物浓度的增加，香草种子发芽率与空白相比显著降低，而金鱼草种子发 芽率随锡浓度的增加显著上升( 庐0 0 5 ) ，蜀葵、金盏菊和百日草都出现了先下降 后上升再下降的趋势。这种不规律性可能与花卉种子对不同浓度s n 污染物的响 应不同有关。 实验结果表明，不同植物种子在相同s n 浓度下，对污染物的响应也不同。 在s n 浓度是1 7 5 m g t 时，凤仙花、香草、金鱼草、万寿菊、紫茉莉、百日草、 蜀葵和金盏菊的发芽抑制率分别为2 2 8 ，4 0 8 ，1 4 8 ，5 6 ，3 1 5 ，2 5 9 ， 2 和3 7 。有的抑制发芽，有的促进发芽。该浓度下风仙花、香草和百日草 发芽率与对照相比显著下降( p 金鱼草 万寿菊 蜀葵 金盏菊 风仙花 百日草 香草。 表2 38 种花卉在不同s n 浓度下的发芽率( 呦 s n 2 + 品种 ( r a g l ) 发芽指标 凤仙花 香草金鱼草万寿菊紫茉莉百日草 蜀葵金盏菊 0 发芽率( ) 7 8 4 士4 7 a6 6 7 d ：5 6 a 9 3 - 4 - 3 2 a6 8 5 士3 2 a 5 7 4 d ：3 2 a b3 1 5 - 4 - 3 2 e5 伽o a7 4 ：t - 6 4 a 0 4 发芽率( 呦 7 0 ：3 ：j ：3 1 a3 7 01 ：8 y o18 5 4 - 3 2 b6 3 0 - 立：8 5 a6 4 8 士3 2 b7 4 - 4 - 3 2 a0 0 士o o b 5 6 士o o a 1 6 发芽率( ) 5 3 蛀3 4 b3 5 2 _ - i = 3 2 b2 2 2 士5 6 06 4 8 士3 2 a6 4 8 士8 5 o1 8 5 士3 2 b7 6 3 5 a2 2 2 ：t ：5 6 6 4 发芽率( ) 6 1 1 士5 6 b 2 9 6 d ：3 2 b2 2 2 = 1 ：5 6 b7 2 2 - - 1 ：5 6 a7 2 2 士9 6 b dl1 i i - 0 o a c9 6 士3 5a7 4 d ：6 4 a 1 7 5 发芽率( ) 5 5 6 士5 6 b2 5 9 士3 2 b c2 4 i - 4 - 3 2 b 7 4 1 士8 5 a8 8 9 - j ：5 6 c5 6 士0 o a d7 6 d ：3 5 a3 7 士3 2 a 所列值为平均值标准偏差。同一列各浓度梯度相比的显著性( p 紫茉莉 万寿菊 风仙花 蜀葵 百日草 香草 金盏菊。 1 5 驰 加 o 加 琴v静器章 如o如如如如 d d 之之o o 4 4 嚣l霉 第二章对锡耐受性强的花卉植物的筛选 综合耐性指数的判断结果与根据在某一浓度下发芽率和根长抑制率情况的 判断结果，发现对耐性最强和最弱的两种植物的判断上三者之间基本保持一致。 但是，根据计算指标判断植物在污染条件下的耐性，仅能作定性判断，不能作 为定量标准。也就是说，上述指标仅对植物的耐性做出了初步的描述，只能作 为进一步判断的参考。鉴于金鱼草发芽率低，预实验的培养过程中生长缓慢。 综合三个判断指标，选择风仙花、万寿菊和紫茉莉进行盆栽确认实验。 表2 4 不同s n 浓度下花卉植物的耐性指数 s n品种 ( r a g l ) 凤仙花香草金鱼草万寿菊紫茉莉百日草蜀葵金盏菊 o 一一一一 一一一 一 o 40 9 0 1 2 53 4 4 0 5 90 9 6 0 8 40 9 5 1 6 o 8 91 1 43 8 00 7 21 0 90 8 l0 9 90 9 4 6 40 9 00 7 75 0 41 2 91 1 80 6 40 9 20 8 9 1 7 50 9 20 6 04 0 61 1 61 4 00 6 10 6 60 5 7 第三节小结 通过初步筛选得到3 种对s n 具有相对高的耐性花卉，分别是紫茉莉、凤仙 花和万寿菊。这三种花卉植物具有以下特点： 1 ) 对环境要求低，生长迅速，生物量大，分布广泛，能够耐贫瘠土壤； 2 ) 对介质中的s n 具有强的忍耐能力。 仅凭上述指标不能确认植物对s n 的积累能力，因此需要进一步实验研究这 三种花卉植物对s n 的富集特征。 1 6 第三章紫茉莉、风仙花和万寿菊对s n 的耐性及富集特征研究 第三章紫茉莉、凤仙花和万寿菊对s n 的耐性及富集特征研 究 第一节潜力花卉植物的盆栽梯度实验 3 1 1 材料与方法 根据预实验，筛选出紫茉莉、凤仙花和万寿菊3 种花卉植物做盆栽实验。进 一步探索花卉植物对s n 的耐受能力和积累情况。本章将从盆栽实验和水培实验 两方面研究草本花卉对s n 的耐性及富集特征。 3 1 1 1 盆栽实验场地环境条件 盆栽实验地点设在南开大学后花园温室内，该场地在天津市中心，海拔约 2 - 5 m ，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区，属暖温带半湿润大陆性 季风气候，四季明显。年平均气温1 2 摄氏度左右。全年无霜期大约2 1 0 天，山 区稍短。年平均降水量约5 5 0 - - 6 5 0 毫米。 3 1 1 2 实验器材 5 目筛子、w x - 4 0 0 0 微波快速消解系统、a a 2 4 0 f s 快速连续原子吸收分光 计( v a r l 、恒温恒湿培养箱、育苗盘、塑料花盆、铝箔纸、黑色塑料袋、1 0 0 0 m l 大烧杯、0 4 5 u r n 微孔滤膜、1 0 m l 容量瓶、浓硝酸、3 0 双氧水、烘箱、研钵、 剪刀、分析天平。 3 1 1 3 土壤样品 实验用土壤采自南开大学后花园，土壤以褐土为主。采样深度0 2 0 c m 。将 供试土壤风干、捣碎、剔除杂物过5 目筛，为防止土壤板结，加入一定量的蛭石， 使土壤与蛭石之比为3 ：1 。再取小部分土壤过2 m m 筛，对土壤部分理化性质指标 进行测定。土壤各理化性质及重金属元素含量见表3 1 。土壤部分理化指标的测 定采用如下方法： ( 1 ) p h 值测定选用玻璃电极法直接测定( 固液比为1 ：2 5 ) ； ( 2 ) 土壤全磷的测定采用钼锑抗比色一分光光度法测定； ( 3 ) 速效钾的测定采用四苯硼钠比浊法测定； 1 7 第三章紫荣莉、凤仙花和万寿菊对s n 的耐性及富集特征研究 ( 4 ) 全氮的测定采用半微量开氏法； ( 5 ) 有机质的测定采用重铬酸钾硫酸溶液外加法； ( 6 ) 锡含量的测定采用原子吸收分光光度计法。 表3 1 土壤理化性质及重金属元素含量 7 4 91 1 4 36 2 90 9 72 1 5 27 9 7 3 1 1 4 实验方法 采用盆栽进行土培实验，取上述风干土壤过5 目筛，每1 2 0 0 9 装盆 ( o = 1 2 c m ) ，并将固体态分析纯s n c l 2 - 2 h 2 0 加入塑料盆中混合均匀。参照我国 国家土壤环境质量标准和已有资料即锡在土壤中的背景值为：算术平均值 2 6 m g k g ，几何平均值2 3 m g k g 和云南个1 日锡矿山场地污染锡含量在 1 0 0 0 - 2 0 0 0 m g k g 左右设计锡的浓度。设置的锡含量( 以s n c l 2 2 h 2 0 计) 分别为 l o o m g k g 、5 0 0 m g k g 、1 0 0 0 m g k g 、2 0 0 0 m g k g ，( 以s n 2 + 分别为5 2 6 、2 6 3 、5 2 6 1 、 1 0 5 2 m g k g ) 。并设置对照，标记为0 ，共5 个水平。每个处理3 个重复。喷施清 水( 未检测