（环境工程专业论文）淮南矿区环境修复本植物中重金属分布特征研究.pdf

摘要 捅要 淮南市是一个矿业城市，在矿产资源开发的同时对周围环境造成了一定的影 响，其中土壤重金属污染比较严重是导致环境遭到破坏的重要原因之一。本文主 要以潘一、大通和新庄孜三个复垦区为研究对象，研究不同木本植物中重金属的 含量分布特征，以及重金属在植物各器官中的含量分布，旨在探明复垦区不同植 物对重金属富集和耐性特征。植物修复技术作为一种新的技术手段，在治理土壤 重金属污染的领域得到应用和推广，但一些超富集植物主要限制在草本和水生植 物。通过对木本植物重金属含量吸收积累特征的研究得到如下结论： 1 水杉、杨树、雪松、枫杨、红花橙木、紫穗槐和金叶女贞体内含c u 量较高， 而且其富集系数大于1 o ，富集能力较强，对c u 具有较强的耐性，西班牙大叶栎、 大叶栀子和锦带花积累的c u 含量较低，在普通植物体内c u 含量的平均浓度以下。 c u 在水杉、枫杨、红花继木、紫穗槐和金叶女贞根部含量高于地上部分，为指示 型植物，杨树和雪松体内的c u 主要积累在枝叶中，转运能力较强，为富集型植 物。 2 木本植物中z n 元素的含量均低于普通植物体内平均浓度，其中部分杨树、 高杆女贞和四川桧的富集系数大于1 0 ，其它植物富集系数都小于1 0 ，杨树、高 杆女贞和四川桧富集z n 的能力相对较强，西班牙大叶栎、粉团蔷薇含量较低， 为规避型植物，z n 在植物各器官的含量分布规律为：地上 地下，表现出一定的 向上转运能力。 3 分析两个复垦区植物中c r 和n i 的含量，均达到普通植物中c r 、n i 平均含 量的水平以上。如四川桧、西班牙大叶栎、粉团蔷薇、雪松和杨树，虽然富集系 数较小，但生物量大仍能积累较多的c r 与n i 元素，可考虑作为c r 、n i 污染矿区 土壤的修复植物。部分区域杨树叶富集系数大于1 0 ，可能叶片从空气中吸收了 c r 元素。除雪松和大叶女贞枝是c r 积累的主要器官外，其它植物积累c r 的顺序 为：根 枝 叶，n i 在植物各器官的分布规律性不强，不同的植物器官中n i 的含 量分布差异显著。 4 金叶女贞、枸树、水杉、大叶栀子和高杆女贞体内p b 的含量相对较高，而 且主要分布在地上部分，其中金叶女贞枝的富集系数大于1 0 ，具有较强的富集能 力和转运能力，枸树和高杆女贞富集系数大于0 5 ，可首选为p b 污染矿区的修复 植物。粉团蔷薇、刺槐和桃树根中p b 含量较低，富集系数较小，而且枝叶的富 集系数大于根，能抵制p b 吸收至体内，属于规避型植物。 安徽理丁大学硕十学位论文 5 杨树、四川桧和水杉c d 含量相对较高，富集系数大于1 0 ，富集能力较强， 地上器官富集系数大于地下，向上转运能力较强，为c d 的富集型植物，可作为 c d 污染区域的修复植物，高杆女贞、雪松、臭椿、苦楝也具有一定的富集能力和 转运能力，对c d 污染的土壤具有修复潜力。 6 潘一复垦区植物根系中c r 与n i 显著相关，c u 与p b 相关性不明显。大通 复垦区植物根系n i 与c u 、c r 都显著相关，c u 与z n 的相关性不明显，而植物根 部其它重金属两两之间的相关系数很低，部分为负值，无明显的相关性。 图【1 6 】表【1 0 】参 7 8 】 关键词：木本植物；重金属；器官；分布；富集 分类号：x 5 3 摘 要 a b s t r a c t h u a i l l a i li sam i m n gc i 饥w t l i c hb r i n g sa _ b o u tc e n a i ni n n u e n c eo nt l l es u r u n d i n g e n v i r 0 i l i l l e mw i l i l ed e v e l o p i n gt l l em i i l e r a lr e s o u r c e ，i nw h i c hm o r es 耐o u sh e a v y m e t a lp o l l u t i o ni ns o i l i so n eo ft h ei i l l p o r t 觚tr c 嬲o n st 0i e a dt 0 l ed e s t m c t i o no ft h e 饥v 沛姗e n t i i lt h i sp a p e r ，m e 1 r e er e c l 锄a t i o na r e 硒o ft h ep 柚妒，d a t o n g 觚d ) ( i n z h u 锄g z iw e r c 仃e a t e d a sm es t u d yo b j e c t s n l ec o n t e n td i 嘶b u t i o no fh e a y ym e t a l si i l d i 丘e r e n tw o o d yp l 锄t sa i l dc o n t e n td i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l si np l a n to r g a n sw e r c s t u d i e d ，i no r d e rt 0i d e n t i 匆t h ec h a r ：l c t e r i s t i c so fa c c 啪u l a t i o na n dt o l e r 孤c eo f d i f f i e r e n t p l 锄t s i nr e c l 锄a t i o na r e at 0 h e a 、，y m e t a l a san e wt e c h i l i q u e ， p h y t o r e m e d i a t i o n i sa p p l i e d 锄dp r o m o t e di i lt h ea r e 嬲o fh e a _ v ym e t a lp o l l u t i o n g o v e m 卸c e b u t s 0 m eh y p e r a c c 眦u l a t o r sa r el i i i l i t e dm a i n l yi nh e r b a c e o u s 卸da q u a t i c p l a l l t s t i u o u g l lt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c so fw o o d yp i 锄t su p t a k e 肌da c c 啪u l a t i o n o f h e a 、7m e t a lc o n t e n t ，t l l ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e 西v e n ： 1 f i r ，p o p l 瓯c e d 碣m a p l e ，l o r o p e t a j 哪，a m o r p h a a i l dg o l dl e a f 研v e ta r ew i m l l i g h e rc uc o n t e n ti nt h eb o d y ，a i l dt h ee n r i c h m e n tc o e 硒c i e n ti so v e r1 o ，w i t l lb e t t e r c o n c e n t 枷o na b i l i t y 锄dw i t hm o r es t r o n gp a t i e n c eo nt l l ec uc o n t e n t ，s p a i l l l a r g e l e a v e do a l ( ，b i gl e a fg a r d e n i aa n dj i i lb e l th a v el o wl e v e lo fa c c 哪u l a l i o no fc u ， c uc o n t e n ti i lg e n e r a lp l 锄t si sb e l o wt h ea v e r a g ec o n c e n 仃a t i o n c ui nr o o t si sl l i g i l e r t i l a i ia b o v e g r o u l l do fm e t a s e q u o i 砧m a p l e ，f e d r l o w e r e dl o r o p e t a l 啪，g o l dl e a fp r i v e t a sd i r e c t t ) ，p e p l a i l t s ，p o p l a ra i l dc e d a rm a i l l l ya c c 啪u l a t ec ui i l t l l eb 姗c h e sa i l d l e a v e s ，诮t hb e t t e rt r 蛐s p o r ta b i l i t y i st l l er i c hs e t - t y p ep l a i l t s 2 z nl e v e li i lw o o d yp l a i l t si sl o w e rt h 觚a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fn 0 姗a lp l a n t s ，n l ee 耐c 1 1 i i l e n tf a c t o r so fs o m eo fp o p l 碣 l i g u s t m ml u c i d 岫a i t o na n ds i c h 啪 c y p r e s sa r ea b o v e1 0 ，t h ee 耐c e n tf a c t o r so fo t h e rp l a l l t sa r eb e l o w1 0 ，p o p l a r l i g u s t n 吼l u c i d 哪a i t o n 锄ds i c h 啪c ) ，p r e s sh a v er e l a t i v e l ys t r o n ge i l r i c l l i i l e n ta b i l i t y o f z n ，s p a i nf i s 恤d o u g hm s eh a v eal o wl e v e l ，i se v a d e t ) ，p ep l 肌t d i s t 曲u t i o no f z nc o n t e n tmp l 锄to r g a i l si s ：o v e 玛m u i l d u n d e 玛r o u n d ，s h o w i n gac e r t a i nd e g r e eo f u p w 2 们t r 锄s p o r tc a p a c i 够 3 c r 锄dn ic o n t e n ti np l a l l t so ft v 旧r e c l 锄a t i o na r e aa r e 锄a l y z e d ，d b 0 v em e a v e r a g el e v e lo fc ra i l dn ic o n t e n ti nc o m m o np l a n t s s u c ha ss i c h 啪c y p r e s s ，s p a i n l a 唱e l e a v e do a k ，d o u 曲r o s e ，c e d a ra n dp o p l 瓯a h h o u g l lt h ee 耐c h r n e n tc o e 伍c i e n ti s i i i 安徽理j r 大学硕：十= 学位论文 s m a l l ，b u ts t i l l h a v el a r g ea c c 啪u l a t i o no fm o r eb i o c r 锄dn ie l e m e n t s ，c a nb e c o i l s i d e r e d 勰r 印a i rp l 锄t si nm i i l i n ga r e a 晰t hs o i lc o n 细j n a t e db yc r ，n i ：e i l r i c l l i i l e n tf a c t o ro fp o p l a rl e a v e si ns o m ea r e 鹄i sa b o v c1 o ，c re l e m e n t sm a y b e a b s o r b e db yl e a v e sf b mt 1 1 ea i r i na d d i t i o nt ob r a n c h e so fc e d a ra n dl i g u s t n 髓a r cm e m a i l lo 玛a i l st 0 c u m u la ：t ec r ，o t h e rp l a n t sa c c 吼u l a t i n gc ro r d e r ：r o o t b m c h l e a e n ed i s 仃i b u t i o nr e g u l a r i 锣o fn ii np l 趾to 唱a n si sn o to b v i o l l s ，d i 妯b u t i o n so fn i c o n t e n ti nd i 仃e r e n tp l 觚to 玛a i l s 黜s i g i l i f i c 觚t l yd i 行e r e n t 4 c 觚i f o n l i ap r i v e t ，c i t r 嶙t r e e s ，f i r ，b i gl e a fg a r d e n i aa i l dl i g u s t 】眦nl u c i d 啪a i t o n l l a _ v er e l a t i v e l yl l i g hc o n t e n to fp bi i lb o d y ，b u tm a i l l l yi nt h ep 眦sa b o v e g r o u i l d ，o f w h i c hb r a j l c ho fc a l i f b m i ap r i v e te i l r i c l 吼e n tc o e m c i e n ti sa b o v e1 o ，嘶t l ls 仃o n g a b i l i 够o fa c c u m u l a t ea n dt r 趴s p o r t ，e n r i c l u i l e n tf l a c t o ro fc i t n l s 仃e e s 锄dl i g u s 咖m l u c i d u 】 i la i t o ni sa b o v eo 5 ，c a nb et h ef i r s tc h o i c e 雒t h er e p a i rp l 觚t si i la r e ap o l l u t e d b yp b p bc o n t e mi i l r o o to fd o u 曲r o s e s ，a c a c i a 距dp e a c hw 嬲l o 、v e r ，e i l r i c h e n t c o e m c i e n ti ss m a l l ，锄dt h ee 商c h m e n tf k t o rb 啪c h e si sm o r eo v e rm 舭r o o t s ，c 孤 r e s i s tt h ep bt 0b ea b s o r b e di n t ot h eb o d y b e l o n g e dt oe v a d e - 哆p ep l a n t 5 c di np o p l 码s i c h u a i lc y p r e s sa n dm e t 嬲e q u o i ai sr e l a t i v e i yt l i g h ，e n r i c h m e n t f a c t o ri sa b o v e1 0 ，m ec o n c e n t r a t i o na b i l i 锣i ss t r o n g ，e 面c l 皿e n tf 砬t o ro fo 玛a n a b o v e g r o 岫di sm o r eo v e rt h a n 岫d e r g r o u l l d ，a b i l i t yo fu p w a 帕缸锄s p o r ti ss t r o n g ，嬲 c d - e 耐c 胁e n tt y p ep l a n t s ，c o u l db et 1 e a t e da sr e p a i rp l a n ti na r e a sc o n 缸u n i n a t e dc d ， l i g l l s t m ml u c i d u ma i t 0 玛c e d a r ，n - e eo fh e a v e n ，n e e ma l s oh 硒ac e r t a i na b i l i 锣o f a c c 啪u l a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hh a sp o t e n t i a l lt 0r e p a i rs o i lc o n t m n i n a t e db y c d 6 c ra i l dn i h a v es i g i l i f i c 锄t l yr e l a t i v i t ) ri i lp l a n tr o o t si i lp a i l y ir e c l 锄a t i o na r e 如 r e l a t i v i t ) ro fc u 卸dp bi s 埘毗o b v i o u s r e l a t i v i 够o fn i 甜l dc uc ri np l a n tr o o t so f d a t o n gr e c l 锄a t i o nd i s t r i c ti so b v i o u s ，r e l a t i v i 够o fc ua n dz ni sn o to b v i o u s ，孤l d c o n e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo t h e rh e a 、，) rm e t a l si np l a n tr o o t si sl o w e rp a i n i s e ，s o m ei s n e g a t i v e ，c o 仃e l a t i o ni 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复的治理技术和利用模式的不同，其复垦率也相差很大。如美国治理矿山环境时， 具有较先进的治理技术并且不强调修复后农用，而是把恢复矿山破坏之前的生态 状态作为首要的任务，所以他们的复垦率高达8 5 以上。英国在生态修复治理工 作中则是以土壤污染物指导限值( s g v ) 来指导矿区的复垦利用，这个指导限值可 以反映出危害人体健康和危害环境的污染物浓度1 4 】。国外大多先进工业化国家都 采用综合模式治理矿山环境，既能达到土地、环境的恢复，又能做到修复后的综 合利用。近年来我国矿山生态治理率较低，并且用途单一，相比于地质灾害、水 土流失治理等，关注更多的是植物修复。通过在矿区土壤中种植重金属超富集植 物，来吸收和富集土壤中的重金属元素，通过收割等手段清除土壤重金属的含量， 恢复土壤功能1 5 驯。 1 1 土壤中重金属的来源 我们所处的自然环境是由土壤、水和大气组成的生态系统，这个生态系统的 任何一个环节受到污染都会引起其它环节的变化。所以土壤环境一旦遭到污染， 其影响将会是巨大的、持久的。随着社会工业化的发展，大气、水、固体垃圾、 农药化肥等成为土壤重金属污染的重要来源。 1 大气沉降 采矿冶炼矿业的烟气、汽车尾气是大气中重金属的主要来源。在一些矿业城 市，大量的富含重金属的烟气顺烟囱排放的大气中，并沿着这些工业区向四周扩 散，通过颗粒物的自然沉降或随降雨落到地面，进入土壤。在人口密度较大、机 动车辆数量较多的城市，由于汽车的尾气排放、车辆与公路摩擦产生大量的有毒 有害气体和粉尘，导致沿路地区土壤中有毒重金属等污染物含量的增加。污染程 度与距城市距离、人口密度、机车数量等有关，而且呈正相关。一般污染最为严 重的是工业比较发达的城市近郊地区【l 们。 2 农业来源 我国是农业大国，农业中的施肥、灌溉、喷洒农药等都是重要的重金属来源 【1 1 12 1 。农田中使用的农药、化肥中含有p b 、c d 、h g 、a s 等元素，洒到土壤表层， 安徽理工大学硕： ：学位论文 经过耕作进入土壤中，导致重金属含量增加。因为污泥富含有机质和n 、p 、k 等 营养元素，所以一些地区用污泥作为化肥施用，但在施加营养元素的同时也引入 了大量的重金属元素。 农用的薄膜也是一个重要污染源，其在生产中加入一定的热稳定剂中，其中 含有c d 、p b 等金属元素，地膜在使用过程中或者使用后腐烂在土壤表层，重金 属等污染物进入土壤，造成土壤环境的污染。 3 污水灌溉 生活污水中富含有机质、n 、p 、k 等多种植物所需的营养元素，直接排放的 田地中可以促进植物的生长，但是污水中也含有c u 、f e 、p b 、z n 、c d 、n i 等重 金属元素，长期使用污水灌溉，也会导致重金属在土壤中的积累。工业废水中含 有较多的有毒有害的元素，特别是未经过处理的，它们与生活污水汇集一起排入 到水体，然后用于灌溉，从而使重金属元素顺水进入土壤。 近年来，污水灌溉在我国农业灌溉中的地位越来越重要，特别是北方地区， 由于干旱少雨，所以污水灌溉成为其最普遍的灌溉方式，约占我国污灌总面积的 9 0 以上，所以，北方地区的土壤污染较严重，危险性较大【1 3 l 。 4 固体垃圾堆积 金属矿山的开采、冶炼过程中会产生大量的矿渣和冶炼废渣等，这些废弃物 中含有较高的重金属元素，被大量堆积在土地上，重金属随着矿山排水和降雨等 向四周扩散，并随径流进入到水体或直接进入土壤，进而给土壤造成了重金属污 染。不同的废弃物和垃圾污染物中含有不同的重金属，含量和释放率是影响其在 土壤中的含量和形态分布的因素。如铬渣堆放区中c d 、h g 、p b 为含量和释放率 较高，c r 、c u 的含量较低，所以该区土壤主要为c d 、h g 、p b 污染。 垃圾渗滤液污染区主要在堆放区周围或河流的下游，并且在河流的不同河段 污染程度受污染源( 垃圾堆) 的影响。一般从河流污染源处向下游，重金属污染 程度呈现降低的趋势，主要是因为重金属元素迁移能力和水体自净能力在起作用。 对于土壤重金属污染而言，由废水引起的要比由废渣引起的多，废渣中的重 金属等污染物一般会先进入水体，然后再进入土壤，或者是废水和废渣污染同时 进行，导致土壤重金属污染的危害增加i l 引。 1 2 矿区环境中重金属的危害 在我国采矿区，矿渣、煤矸石等是土壤重金属的重要来源，矿山开采后，这 些矿物垃圾留在了地表，在外界条件的影响下风化，释放出的重金属迁移到周围 l 绪论 的土壤、水体和大气中，从而给周围的环境造成一定的污染，进而会进入食物链， 危害动植物，影响人类的健康。 1 直接危害 污染土壤中的重金属对土壤中的作物和微生物都会造成直接的伤害。作物通 过根部吸收土壤中的重金属，并在植物体内积累，当积累到一定的浓度时，植物 就会受到重金属的毒害作用，s u 鲥锄t 0i 函s e n 协n o 等人通过增加培养液中c d 2 + 和p b 2 + 的浓度发现龙舌兰和绢毛鸢尾的光合作用能力和生物量降低【1 5 】。如：周青 等人【1 6 】研究c d 污染下菜豆幼苗生长情况，结果发现，3 0um o 儿的c d 严重抑制 了菜豆的生长，其株高和主根长度都下降了3 0 以上，并且叶、茎、根的重量也 锐减等，当c d 浓度达到5 0um o 儿时，菜豆幼苗的生理生化特性都发生了改变。 这些可能是因为c d 的存在干扰了菜豆幼苗的光合作用与蛋白质合成，并促使植 物代谢发生紊乱。植物根部土壤中重金属的存在可以影响植物的生长发育。如在 c u 污染的土壤中种植的小麦，其根部的营养元素( 主要p 、k 、c a 、f e 和m g 等) 含量较低，因为重金属抑制了植物根部对营养元素的吸收和运输，从而抑制了植 物的生长发育。许多研究表明复合重金属污染的土壤可以加剧对植物的危害，如 2 0 0 1 年许桂莲等人采用溶液培养法，研究小麦幼苗在c d 和z n 环境下对c a 、f e 、 m n 的吸收，结果发现，小麦幼苗对z n 、c d 的吸收量与溶液中c d 2 + 、z n 2 + 浓度呈 正相关，z n 、c d 共同作用时，对c a 、m n 的吸收会受到抑制；在c d 或z n 单独 存在时促进小麦对f e 的吸收，但z n 和c d 同时存在时，则f e 的吸收则受到抑制 【1 7 】 o 土壤中的重金属还可以影响土壤微生物，而且对微生物的影响受到土壤性质、 土壤中重金属种类以及植物的性质等多种因素的影响。p e t e rc l l r i s t i e 发现了锌污 染的土壤中，根际菌的存在可以有效的抑制植物根系对土壤中z n 的吸收f l 引。另 外还有研究发现某些重金属的存在还可以降低微生物的数量及活性，h a i l i 等发 现，重金属c d 污染的土壤中的细菌、真菌和放线菌数量受到抑制，明显少于未 受污染的土壤。 2 问接危害 环境中的重金属在物理、化学和生物的作用下其形态或性质会发生改变，转 化成毒性更强的污染物。如工业排放的废水中含有大量的h g ，在外界环境中发生 物理、化学变化，或者在生物的作用下转化为有机态汞，其主要成分为毒性较强 的甲基汞，被动植物摄取吸收，从而影响其正常生长和发育，被人类吸收后则表 现出“水俣病 。环境中的重金属被植物吸收后再通过“植物一动物一人类 食物 安徽理： 人学硕士学位论文 链传递，在传递过程中其浓度逐渐积累，危害放大，最终对人体的危害最为严重 【1 9 1 o 1 3 国内外研究现状 1 3 1 植物修复技术 植物修复技术作为一种技术手段，采用植物来清除受污染土壤、水体中的污 染物，可以作为生物修复的辅助技术，植物根系和土壤微生物共同作用，提高污 染物的去除率。所有的植物都需要从外界环境中摄取营养物质，包括重金属，一 些植物具有超量吸收并累积大量重金属的能力，甚至有些重金属并不是植物生长 发育所必需的，这些植物被称为修复植物。在植物修复发展的初期，仅限于实验 室研究和少量的田间试验，直到大部分的西方和的东方发达国家的土地受到重金 属污染时t 才展开了大量的植物修复的研列2 们。 沈振斟2 1 l 对重金属超累积植物研究的进展进行了阐述，其中提到了对重金属 超累积植物( h y p e r a c c 啪u l a t o r ) 的研究始于19 7 7 年，当时b r o o k s 用这个概念来 定义n i 含量大于1 0 0 0pg 儋的植物，后来j 碉盹对此进行了修改。目前这一概念 被广泛应用。到了1 9 8 3 年，c h a n e y 在此基础上提出了一种思想，就是利用一些 重金属的超富集植物来去除土壤中的此类重金属，降低土壤中的重金属含量，此 技术即植物修复( p h y t o r c m e d i a t i o n ) 【2 2 1 。同年，美国科学家c h 锄e y 【2 3 1 提出在重 金属污染的土壤上种植一些植物，利用这些植物的吸收富集重金属的特性，达到 去除土壤中重金属的目的。这种技术相对于传统的土壤污染治理方法，具有更加 高效、经济和生念协调性的优势，以至于广泛地应用于国际学术界【2 4 1 。 美国国家环保局从广义上定义了植物修复技术【2 5 】：简单的说是利用植物吸 收、挥发或固定土壤中的重金属，以达到降低其在土壤中的含量和有毒有害物的 含量，减少其对动植物的危害的目的。具体的作用方式根据其修复的机理和过程 归纳为4 类： 1 植物提取 植物提取技术也称为植物萃取技术，主要是利用一些重金属超累积植物吸收 土壤或水环境中的金属离子或其它污染物，并将它们运送到植物的地上部分，通 过收割植物来达到去除土壤重金属或污染物的目的1 2 6 j 。一般，在长期的环境影响 下，植物的性能会发生改变，在高浓度重金属的土壤中，植物的适应了重金属胁 迫作用，而能够长期的生存下来，这些植物主要有三种情况1 2 。7 】：1 ) 此类情况， l 绪论 植物能够吸收大量的重金属元素，并且这些元素大部分被储存于植物的根系中， 而只有很少部分或不能向地上部分转运。可用于在重金属污染的土壤中种植农作 物( 食用根的作物除外) ，通过收割达到去除土壤重金属，并能得到符合食用要求 的农产品的目的。2 ) 植物也能够吸收大量重金属元素，与第一类不同的是根系吸 收的重金属元素被大量转移到地上部分，并且植物的生长不受影响。此种情况可 用于植物提取，通过种植合适的植物来清除土壤中的重金属。3 ) 植物少量的吸收 甚至不吸收重金属元素，具有较强的耐性，植物能够正常的生长。此种情况下种 植大量的农作物，可以得到低重金属含量，符合较高的食用要求的产品，但是， 去除土壤中重金属的能力较低。在植物修复的方法中，植物提取技术是最具有发 展前景的一种技术。 2 根际过滤 根际过滤技术多用于水体污染修复，生长在水中的耐性植物，通过根系的根 孔在水流的作用下吸收重金属元素，并沉淀下来保存于根系细胞中。用于根际过 滤的植物一般为水生和半水生的植物，如浮萍和水葫芦，可以用于去除水中的c u 和c d 等元素【2 8 ，2 9 1 ，还有一些陆生植物也可以作为根际过滤的材料，如向日葵、 印度芥菜等。根际过滤主要用来处理一些富含重金属的工业废水，如石油天然气 生产过程中产生的废水。 3 植物挥发 植物挥发技术是一种可以将土壤中的污染物转化成挥发态挥发掉的一种方 法，此种方法主要是植物在其根系分泌的一些特殊的物质和土壤微生物的作用下， 吸收土壤中的污染物，然后转化成挥发态，降低污染物的毒性，排出植物体外， 从而达到清除土壤污染物并且减轻对环境的危害的目的1 3 们。使用植物挥发技术去 除的重金属主要是土壤中的h g 和s e ，土壤中存在的二价汞毒性很大，可以在富 含h g 的土壤中种植烟草去除h g 污染，因为烟草可以将二价汞转化为毒性稍小的 气态汞【3 l j 而挥发出去。在含有4 7 的三价硒的土壤中种植洋麻可除硒，洋麻可将 土壤中的三价硒转化为甲基硒而得到去除【3 2 1 。 4 植物稳定 植物稳定技术，也称为植物固定技术，是指土壤中的有毒重金属在植物的作 用的下，转化为其它形态的重金属，减轻流动性，降低毒性，从而减轻了对外界 环境( 包括土壤、水和大气等) 的危害【3 3 1 。这种技术并不能使土壤中的重金属减 少，只是存在的形态发生了改变，例如，土壤中存在的c ，毒性较强，而印度芥 菜( b j u i l c e a ) 的根能使其还原为c r 3 + 离子，降低了毒性，但是这只是暂时的固定了 安徽理：l ：人学硕十学位论文 其毒性，并不能从土壤中去除，对环境的污染也只是得到暂时减轻的效果，外界 环境条件的改变可能就会导致重金属生物有效性的改变。植物稳定技术可以用于 危险物品的处理上，如废弃的重金属污染和放射性核元素污染物，这些物品对环 境的危害极大，不易处理，所以可以利用此技术原地固定这两类污染物，降低污 染风险。目前此技术已经应用于矿区污染修复中。 适合植物稳定技术的植物必须具备一定的特性：具有较强的重金属耐性，能 够使有毒重金属在土壤中固定，吸收的重金属被沉淀累积于植物的根系中，很少 或者不能向地上部分运输，避免了对地上部分污染的可能性或处理地上部分的必 要性。在植物稳定中，所种植的植物主要体现两方面的功能：1 ) 在重金属污染严 重的土壤中种植的植物容易受到毒害，成活率极低，导致这种土地的荒芜，土壤 受到侵蚀，水土流失严重，有毒重金属等污染物向周围的环境扩散。所以种植一 些耐性植物可以有效的防止土壤的侵蚀，减少有毒重金属的淋移，降低环境污染 的可能性。2 ) 植物的根表细胞可以吸收重金属，并能将其沉淀和积累，加强污染 物在环境中的稳定性，减轻对外界环境的污染。另外，植物根系环境( 如p h 和 e h 值) 和土壤中的微生物的共同作用，也可以使污染物的化学形态发生改变。 1 3 2 植物对重金属富集的研究 超富集植物，是指那些能够超量吸收积累重金属并具有将其运移到地上部各 器官能力的植物。目前世界上发现的超富集植物有4 0 0 多种，其中有7 0 的为n i 的超富集植物，c d 超富集植物仅两种，我国地大物博，物种繁多，能为开展植物 修复技术的研究提供了良好基础，然而就目前而言，我国研究发现的超富集植物 种类很少，这与我国植物多样性的现状相悖。所以，研究植物中的重金属含量及 分布情况，从众多的植物种类中筛选出具有超富集能力的植物是当前我们研究的 重点。一般，超富集植物需要具备两个条件：植物地上部富集的重金属达到一个 浓度临界值，目前大多数人采用的是b r o o k s 和b a l ( e 于1 9 8 3 年提出参考值【3 4 j ； 植物具有向上转运能力，地上部重金属含量高于根部。 一般我们认为重金属在植物各器官中的分布为：根 茎 叶 果实，因为植物 组织对重金属的转运有一种壁垒作用，能够抑制重金属从根部向上运输【3 5 1 。有研 究水稻和小麦各器官对重金属p b 的富集特点，地下 茎叶 籽粒，其中根对p b 的 积累量很大，占总积累量的9 5 ，而只有很少量的p b 被转运到籽粒中，仅为总 量的0 0 1 加3 ，说明植物从土壤中吸收的p b 元素大部分被积累在根部，水稻 的茎叶中p b 含量仅为5 。对于c d 元素的吸收，大多积累在植物的根系中，小 l 绪论 麦从土壤中吸收的c d 元素，有7 0 8 0 的积累于根系中，而仅有l l o 的富 集在小麦粒中，这可能是因为小麦根的细胞中含有大量的蛋白质、糖类、核酸等 有机化合物，c d 从土壤中进入根的皮层细胞中与这些物质发生络合反应生成稳定 和络合物和不溶物而被固定，导致不能向上转趔3 6 1 。豆科作物中的菜豆，大部分 c d 也积累在地下部分，地上部分含量较低。但是这种规律并不适合于所有的植物， 如烟草中积累c d 元素最多的器官是叶而不是根，叶中的c d 含量占总量的8 0 。 我们所研究的植物中的重金属大多数来自于土壤，通过植物的根系的吸收作用得 到，还有一部分来自空气，有些元素如p b 、h g 和z n 等，主要是通过植物叶片的 吸收作用。郑路等人在研究生长在污染空气中的蔬菜时发现，蔬菜的叶面积大而 且粗糙的，p b 的含量较高，反之，那些叶面较小、表面光滑的p b 含量较低，所 以他们认为5 0 以上的p b 是通过叶片从大气中吸收得到的。 对重金属的吸收和累积不只在种间( 不同种、属) 存在差异，在同种植物的 不同品种间也存在差异。2 0 世纪8 0 年代以来，国外对这方面的做了大量的研究， 结果表明，植物积累重金属种间差异比较明显。胡斌【3 7 】研究农作物发现，水稻、 小麦、蚕豆、玉米等对c d 、z n 和p b 的吸收和积累具有明显差异，其中小麦对 z n 和c d 的吸收小于水稻和玉米，而对a s 和h g 的吸收较少，小于水稻和玉米。 有人做了进一步的研究，发现不只在种间存在差异，在不同的品种( 同一种、属) 中也存在差异，1 9 9 9 年吴启堂等人【3 8 l ，在广州研究了不同品种的水稻对c d 吸收 和积累的差异，结果显示，生长在同一土壤上的2 0 多个品种的水稻，不同品种的 糙米c d 含量差异可达到1 倍以上。 2 0 0 9 年郭胜强等人研究了城市工业区土壤和植物中的重金属含量分布特征， 其中他选择了该区的3 种草本植物繁缕、牛筋草和狗尾草进行研究，发现重金属 p b 在狗尾草的根部含量最大，达到了2 5 5 4 7 0 m g l ( g ，却在茎叶中的含量较低，而 其它重金属c u 、z n 、c r 和n i 在3 种植物中的含量均相对较低【3 9 】。 2 0 0 3 年陈玉成等人研究重庆市土壤蔬菜系统中的重金属分布特征，通过去 现场进行采样并进行了盆栽试验，结果发现，重庆市的蔬菜中总体没有达到污染 水平，其中叶菜类的富集能力最强，并且其体内的c d 、h g 和p b 等进入了临界级， 富集能力最小的是瓜类，并且，不同重金属在植物中的富集能力为 c d h g p b a s 【4 0 j 。 1 3 3 木本植物修复的研究 对于植物中重金属的研究中，研究者把重点放在草本植物1 4 1 l 和农作物上，草 安徽理：r 人学硕士学位论文 本植物多为一年生，且具有较强的重金属富集能力，并且容易通过收割等手段达 到清除土壤重金属的目的。而对于利用木本植物吸收富集重金属的研究已有大量 报道【4 2 删，一些木本植物也具有较高的重金属富集能力和富集量，所以在一些特 殊的区域采用种植木本植物也可以起到去除重金属的目的，并且还可以起到绿化 环境，净化空气的作用。所以研究木本植物中重金属的分布特征是必要的，郭艳 丽等研究发现杨树和柳树都是张士灌区土壤重金属污染修复的理想植物【4 5 1 。范俊 岗l 4 6 j 在研究森林生态系统中重金属的污染情况中重点探讨了木本植物中重金属 的含量分布特征，其中提到加拿大杨树各器官重金属的含量存在差异，并且元素 的含量大小为z n c u a s p b c d ，并且与土壤环境中的浓度含量呈正相关，随着 季节的变化，不同的重金属元素在各器官中发生迁移。早在1 9 9 6 年余国营发现杨 树对重金属的吸收能力要明显高于松树，而且要高出草本植物对重金属吸收量的 1 0 l o o 倍，具有较大的生物量。 木本植物与草本植物不同，它对重金属具有较强的吸收和积累能力一卜5 0 j ，如 刺槐、白毛杨、垂柳、接骨木、臭椿、油松、马尾松、木麻黄、小叶榕等，这些 木本植物都对土壤中的重金属具有一定吸收蓄积能力，改善土壤的污染环境。如 木本植物纸皮桦对h g 的富集能力较强，可吸收积累1 0 m g l 【g 的h g ，杨柳是一类 速生植物，植株高大，可吸收c d 、h g 的含量分别为3 4 9 3 m g l ( g 、4 7 1 9 m g 依g ， 可超过对照植株中含量的1 0 倍以上，但是其生长状态依然正常1 5 ，同时实验证 明，供试植物转运到茎部的c d 为总c d 量的9 2 5 3 9 ，而且其不与食物链相 连，对动物和人类的危害较小，富集了大量重金属植物还可作为建筑和工业材料， 从而降低了土壤重金属污染的危害。 木本植物根系发达，可以从土壤中吸收较多的重金属等污染物，其吸收能力 较强【5 2 5 3