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甘蔗对铅和镉的吸收特性及生理响应研究 摘要 铅( p b ) 和镉( c d ) 是土壤中重要的污染物质，随着工农业的发展和 人口数量的增加，土壤重金属污染日益严重，对人类健康和农业生产 构成了严重危险。人们已采取了各种方法来降低重金属污染带来的危 害。在众多的方法中，植物修复技术以其成本低、不破坏土壤组成、 重金属可循环再利用以及美化环境、能获得经济利益等优点而成为国 内外研究的热点，其中利用高生物量植物对重金属污染土壤进行修复 是植物修复的主要研究方向之一。 本研究通过土培盆栽试验，研究了紫皮甘蔗( s a c c h a r u m o j f i e e n a r u ml ，品种为义红果蔗) 在p b 、c d 单一污染及其p b 和c d 复合污染下的生理生化指标的变化，探索了植株各部分对p b 、c d 的 吸收、分配和积累差异的规律。本试验还研究了栽培过程中淋洗表面 活性剂十二烷基苯磺酸钠和茶皂甙对甘蔗吸收分配c d 的影响。以期 明确甘蔗对p b 、c d 胁迫的生理生化反应和逆境伤害，为甘蔗能否成 为修复重金属污染土壤的有效植物，甘蔗的安全性评价提供理论依 据，探索治理重金属污染土壤的新途径。试验结果表明： 1 、不同浓度的p b 、c d 污染都会影响甘蔗的生长。p b 单一污染 对甘蔗有低促高抑的作用，当土壤中p b 添加浓度为2 5 0m g k g 时， 浙江工商大学硕士学位论文 甘蔗的茎径、茎节长和甘茎产量都达到最大值，分别较对照提高了 9 。6 3 、9 0 2 署n1 3 4 7 。而c d 单一污染下，甘蔗的茎径、茎节长和 甘蔗产量均随着土壤中c d 浓度的增加而下降。 2 、甘蔗在不同浓度的p b 、c d 污染条件下表现出不同的生理响 应。在p b 单一污染条件下，叶片细胞膜透性与土壤中p b 添加浓度呈 线性相关，相关系数为0 9 9 9 ；叶片中叶绿素a 、叶绿素b 与土壤中 p b 添加浓度呈一阶指数衰减关系，相关系数分别为0 9 9 9 、0 9 9 9 ；叶 片中蛋白质含量、过氧化氢酶活力( c a t ) 矛h 蔗茎中可溶性糖含量均随 着土壤中p b 浓度的升高呈先增高后降低的趋势，临界点的p b 浓度为 2 5 0m g k g 左右。在c d 单一污染条件下，叶片细胞膜透性与土壤中 c d 添加浓度呈s 函数关系，相关系数为o 9 9 9 。叶片中叶绿素a 、叶 绿素b 、过氧化氢酶( c a t ) 活力及蔗茎中可溶性糖含量与土壤中c d 添加浓度呈一阶指数衰减关系，相关系数分别为0 9 9 8 、o 9 9 9 、0 9 9 7 和o 9 9 6 。 3 、p b 和c d 复合污染试验表明，同浓度处理下，不同重金属对 甘蔗生长影响的顺序依次为：c d p b + c d p b ；p b 在不同处理的甘 蔗中的总吸收量：单元素 两元素，而c d 为：两元素 单元素；p b 、 c d 元素在不同处理的土壤甘蔗体系中迁移的难易程度为：两元素处 理 单元素处理。 4 、甘蔗对p b 、c d 的吸收能力与吸收特性不同。p b 在甘蔗各部 分的分布规律为：根 叶 茎，而c d 则为：根 茎 叶；在土壤p b 添 l l 浙江工商大学硕士学位论文 加浓度1 0 0 1 0 0 0m g k g 之间，甘蔗对p b 的富集系数和迁移系数都小 于1 ，甘蔗地上部分对p b 的最大吸收量达到3 1 5m g 株。而在土壤 c d 添加浓度为1 0 0 1 0 0 0m g k g 之间，甘蔗对c d 的吸收能力较强， 其富集系数大于或接近于1 ，但其迁移系数都小于1 ，其地上部分对 c d 的吸收量最大达到6 5 3m g 株。各处理甘蔗蔗汁中的p b 含量随着 土壤中p b ( 1 0 0 1 0 0 0m g k g ) 浓度的增大而降低，但均高于对照，超 过国家食品卫生标准的规定。 5 、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和茶皂甙都能提高甘蔗各部分 富集c d 的浓度，相比较而言，茶皂甙更能提高甘蔗各部分对c d 的 吸收，根、茎、叶中c d 含量较对照分别提高了9 6 9 1 、1 5 6 8 0 ， 3 0 0 8 。 6 、在p b 单一污染条件下，甘蔗对土壤中p b 的最大吸收量达到 4 2 9g h a ，而在c d 单一污染条件下，甘蔗对土壤中c d 的最大吸收量 达到8 8 9g h a ，具有修复土壤p b 和c d 污染的潜力。 关键词：甘蔗；p b ；c d ；吸收；生理响应 i i i 浙江工商大学硕士学位论文 u p t a k ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e0 f s u g a r c a n et ol e a da n dc a d m i u m a bs t r a c t l e a d ( p b ) a n dc a d m i u m ( c d ) a r ei m p o r t a n tc o n t a m i n a n t si ns o i l sa n d b r i n gg r e a t t h r e a t e nt o a g r i c u l t u r e a n dh u m a nh e a l t h yw i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n d u s t r y a n d a g r i c u l t u r e i n o r d e rt or e d u c et h e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb r o u g h tf o r t hb yt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ，a l l k i n d so fm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt or e d u c et h eh a r mc a u s e db yh e a v y m e t a l s p h y t o r e m e d i a t o n ，e m e r g i n gi n r e c e n t y e a r s a s a n “g r e e n t e c h n o l o g yo fr e m e d i a t i o n ，h a sb e e nr e p o r t e dt ob eac o s t e f f e c t i v e ， n o n - i n t r u s i v e ，h e a v y m e t a lr e u s a b l e ，a e s t h e t i c a l l yp l e a s i n ga n ds o c i a l l y a c c e p t e dt e c h n o l o g yt or e m e d i a t ep o l l u t e ds o i l s o n ei m p o r t a n tr e s e a r c h f i e l do fp h y t o r e m e d i a t i o ni su s i n gh i g hb i o m a s sp l a n t st or e m e d i a t es o i l s p o l l u t e db yh e a v ym e t a l p o t e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i o l o g i c a lr e s p o n s eo fs u g a r c a n et op ba n dc d t h e p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d e x e si ns o m ep a r t so fs u g a r c a n e sw e r e s t u d i e du n d e rs i n g l ea n dc o m b i n e dp o l l u t i o nw i t hp ba n dc dp r o g r e s s i v e s t r e s s w ea l s op r o b e di n t ot h ed i f f e r e n c eo fs u g a r c a n ei n u p t a k e ， t r a n s l o c a t i o na n da c c u m u l a t i o no fp ba n dc df r o ms o i l s a tl a s t ，s o d i u m d o d e c y l b e n z e n es u l f o n a t ea n dt e as a p o n i nw e r ea p p l i e dt ot h ep o t e x p e r i m e n t si n o r d e rt o s t u d yt h ee f f e c tb e t w e e nc dc o n t e n ta n d i v 浙江工商大学硕士学位论文 s u r f a c t a n t s t h e t h e p u r p o s e o ft h er e s e a r c hi sm e a nt o e x p l i c i t u n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i o l o g i c a lr e s p o n s eo fs u g a r c a n et op ba n dc d ， o f f e r i n gt h et h e o r e t i c sf o rt h et o l e r a n c e ，p h y t o r e m e d i a t i o np o t e n t i a la n d h y g i e n i cs a f e t yo fs u g a r c a n et op ba n dc d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 p ba n dc dh a dd i f f e r e n te f f e c t so nt h eg r o w t ho fs u g a r c a n e w i t h t h ei n c r e a s i n go fp bc o n c e n t r a t i o n ，t h ed i a m e t e ro fs t e m s ，t h eb u r ll e n g t h o fs t e m sa n dt h eb i o m a s si n c r e a s e df i r s ta n dd e c r e a s e da f t e r w a r d s w h e n t h es o i lp ba d d e dc o n c e n t r a t i o nw a s2 5 0m g k g ，t h em a x i m u mv a l u e so f t h ed i a m e t e ro fs t e m s ，t h eb u r ll e n g t ho fs t e m sa n dt h eb i o m a s sw e r e g a i n e d i nc o m p a r i s o nt ot h ec o n t r o l ，t h e yi n c r e a s e db y9 6 3 ，9 0 2 a n d 13 4 7 ，r e s p e c t i v e l y w h i l et h ed i a m e t e ro fs t e m s ，t h eb u dl e n g t ho f s t e m sa n dt h eb i o m a s sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fc d c o n c e n t r a t i o ni nt h es o i l s 2 d i f f e r e n tp ba n dc dc o n c e n t r a t i o ni ns o i l sh a dd i f f e r e n te f f e c t so n t h e p h y s i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs u g a r c a n e i nt h ep bs i n g l ep o l l u t i o n e x p e r i m e n t ，t h e r ew a s a p o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e l a t i v e m e m b r a n ep e r m e a b i l i t ya n dt h ep bc o n c e n t r a t i o nw i t hac o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to 9 9 9 t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l l a ，c h l o r o p h y l lb ，a n d c a r o t e n o i do fl e a v e sp r e s e n t e ds i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o n sw i t ht h e p bc o n c e n t r a t i o ni nt h es o i l ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw a s0 9 9 4 ，0 9 9 4 a n d0 9 8 5 ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n c r e a s eo fp bc o n c e n t r a t i o n ，t h ep r o t e i n c o n t e n t ，t h ea c t i v i t yo fc a t a l a s e ( c a t ) o ft h el e a v e sa n dt h es o l u b l es u g a r o fs t e m si n c r e a s e df i r s ta n dd e c r e a s e da f t e r w a r d s t h ec r i t i c a l p b c o n c e n t r a t i o ni n s o i lw a sa r o u n d2 5 0m g k g i nt h ec ds i n g l ep o l l u t i o n e x p e r i m e n t ，t h er e l a t i v em e m b r a n ep e r m e a b i l i t yo ft h el e a v e si n c r e a s e d w i t ht h ec dc o n c e n t r a t i o ni nt h es o i lb ys - f u n c t i o na n dt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tw a s0 9 9 9 t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l la ，c h l o r o p h y l lb ，t h e a c t i v i t y o fc a t a l a s e ( c a t ) o fl e a v e sa n dt h e s o l u b l e s u g a ro fs t e m s i n c r e a s e dw i t ht h ec dc o n c e n t r a t i o ni nt h es o i l b yt h e f i r s to r d e r v 浙江工商大学硕上学位论文 e x p o n e n t i a la t t e n u a t i o nf u n c t i o n t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw a s0 9 9 8 、 o 9 9 9 、0 9 71 、o 9 9 7 a n do 9 9 6 ，r e s p e c t i v e l y 3 i nt h ec o m b i n e dp o l l u t i o np ba n dc de x p e r i m e n t ，d i f f e r e n th e a v y m e t a li nt h es a m ec o n c e n t r a t i o np r o d u c e dd i f f e r e n te f f e c t so nt h eg r o w t h o fs u g a r c a n ei nt h eo r d e r ：c d p b + c d p b t h eo r d e ro ft h et o t a lu p t a k e o fh e a v ym e t a lp bi ns u g a r c a n ew a s ：s i n g l ee l e m e n tt r e a t m e n t p b + c d t r e a t m e n ta n dc dw a s ：p b + c dt r e a t m e n t s i n g l ee l e m e n tt r e a t m e n t t h e o r d e ro ft h ed i f f i c u l t i e so fp ba n dc dm i g r a t i o ni ns u g a r c a n e s o i ls y s t e m s ： p b + c dt r e a t m e n t s i n g l ee l e m e n tt r e a t m e n t 4 s u g a r c a n eh a dd i f f e r e n tc a p a b i l i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fu p t a k e o fp ba n dc d t h ed i s t r i b u t i o no fp bw a si no r d e r ：r o o t s l e a v e s s t e m s a n dc dw a s ：r o o t s s t e m s 1 e a v e s t h et r a n s l o c t i o nf a c t o r ( t f ) v a l u e s a n dt h eb i o c o n c e n t r a t i o nf a c t o r ( b c f ) o fp bi ne v e r yt r e a t m e n tw e r el e s s t h a n1a n dt h ec a p a b i l i t yt ot r a n s p o r ta n da d s o r bo fp bw a sp o o r t h e m a x i m a lt o t a lp ba c c u m u l a t e di na e r i a lp a r t so fo n es u g a r c a n ew a s3 15 m g t fv a l u e so fc di ne v e r yt r e a t m e n tw e r en e a ro rm u c hh i g h e rt h a n1 ， b u tb c fv a l u e so fc dw e r el e s st h a n1 t h em a x i m a lt o t a lc d a c c u m u l a t e di na e r i a lp a r t so fo n es u g a r c a n ei s6 5 3m g t h ep bc o n t e n t i ns u g a r c a n eju i c ew a sh i g h e rt h a nt h ep r e s c r i b e dl i m i t so fc h i n af o o d s a f e t ys t a n d a r d ，a n dt h u sc o n s i d e r e dt h e yw e r en o ts a f et oe a t 5 s o d i u m d o d e c y l b e n z e n e s u l f o n a t ea n d t e a s a p o n i n c o u l d i m p r o v et h eu p t a k eo fc dc o n c e n t r a t i o nb ys u g a r c a n e i nc o m p a r i s o nt o t h ec o n t r o l ，t e as a p o n i nc a ni n c r e a s et h ec dc o n c e n t r a t i o ni nr o o t s ，s t e m s a n dl e a v e sb y9 6 91 ，15 6 8 0 a n d3 0 0 8 ，r e s p e c t i v e l y 6 t h ee s t i m a t e da m o u n to fh e a v ym e t a la c c u m u l a t e db ys u g a r c a n e w a s4 2 9g h af o rp ba n d8 8 9g h af o rc d v i 浙江工商大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：s u g a r c a n e ；p b ；c d ；u p t a k e ；p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e v i i 浙江t 商人学顶f ：学位论义 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 本人为获得浙江工商大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。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作 了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：加7 年7 月严日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文 的规定：浙江工商大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：耄墨皇臣导师签名：丝金垂 日期：7 奄1 年月厂户日 6 2 浙江工商大学硕士学位论文 第1 章引言 随着工农业生产的快速发展，以及盲目的认为土壤是一个具有无限净化容量 的处理系统，忽视土壤的环境承载能力，导致土壤中重金属含量逐年增加，其造 成的污染也日益严重。土壤一旦被重金属污染，不仅直接影响植物的生长发育， 而且重金属在植物根、茎、叶及籽粒中积累，严重影响农产品的品质，并通过食 物链，危及人类的身体健康。重金属污染给环境、经济带来巨大损失的同时也对 人体的健康构成了巨大的威胁。因此，通过研究植物吸收与分配重金属的规律， 评估土壤重金属污染对植物源食品的安全性，探索修复重金属污染土壤的途径并 有效地恢复土壤原有功能，一直是国际上的难点和热点研究课题。 重金属污染土壤的传统治理方法主要分为两类：( 1 ) 基于机械物理或物理 化学原理的工程措施，包括客土换土法、清洗法、热处理法、电化学法等：( 2 ) 基于污染物土壤化学行为的改良措施，如添加改良剂、抑制剂降低土壤污染物的 水溶性、扩散性和生物有效性，以减轻污染物对生态环境的危害。这两类方法往 往投资昂贵或需用复杂的设备，难以应用于大规模污染土壤的改良，大多数只能 暂时缓解重金属危害，而且常常导致土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化等， 并有可能造成二次污染，而限制了它的大面积应用。经过多年的探索，科学家们 提出的植物修复改良技术被认为是一种既能实现净化污染土壤又能产生良好生 态效应并具经济开发价值的方法，该方法具有治理效果的永久性、治理过程的原 位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等特点，而且 还具有技术上的优势，即利用现代生物技术提高它的修复效果，是一项具有广阔 应用前景的治理重金属污染土壤的全新技术。 浙江工商大学硕上学位论文 1 1 我国土壤重金属污染的现状 土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部 分。作为开放的缓冲动力学体系，土壤在与周围环境进彳j 二物质和能量的交换过程 中，不可避免地会有外源重金属进入这个体系，承担着环境中大约9 0 的来自各 方面的污染物。重金属对土壤的主要污染途径是工业废渣、废气中重金属的扩散、 沉降、累积，含重金属废水灌溉农田，以及含重金属农药、磷肥的大量施用。随 着人口数量的增加，矿产资源的大量开发利用、工业生产的迅速发展和各种化学 产品的广泛使用，环境中重金属污染4 k ) 及c a 、m g 、z n 、f e 、m n 等离子的吸收大大降低【2 2 】。魏海英等则也发现苔蓟植 物体内的k 含量随着c d 、p b 单一及复合污染处理浓度的增加而逐渐减少，缺k 可 能加速大羽藓植株体的死亡f 2 3 】。 1 4 植物耐p b 、c d 胁迫机理 重金属对植物的毒害是多方面的，植物抵抗重金属毒害的方式也是多样的。 目前比较认同的有以下几点：( 1 ) 植物对重金属的限制吸收及排出。限制重金属 离子跨膜的净吸收，可使植物耐受重金属污染。其机理表现在细胞膜的选择透过 5 浙江工商大学硕士学位论文 性、专一性的重金属离子通过改变根际化学性状来降低重金属的有效性等方面。 植物体把己进入体内的重金属排出也是一种有效的降低重金属毒害的方法。有研 究表明，植物质膜有主动排出金属离子的作用。( 2 ) 重金属离子的区域化分布。 植物把吸收的重金属积累在体内的一定部位，避免其进入细胞质，从而减轻该重 金属对植物的直接毒害，细胞壁和液泡是植物积累重金属的主要场所。还有研究 表明在一些超量积累植物叶片中，叶片表皮组织细胞含有高水平的重金属离子。 ( 3 ) 有机化合物的螯合作用。有机化合物在植物耐重金属毒害中具有重要作用， 这些有机化合物包括有机酸、氨基酸、肌醇六磷酸盐、多肽和蛋白质等。金属结 合蛋白有很高的结合重金属的能力。这类蛋白质包括金属硫蛋白( m t ) 和金属 螯合肽( p c ) 。( 4 ) 抗氧化防卫系统的保护作用。重金属能导致大量的活性氧自 由基产生，损伤主要的生物大分子及引起膜脂过氧化。植物中多种抗氧化防卫系 统能够清除自由基，保护细胞免受氧化胁迫的伤害。 总之，不同的重金属对植物的伤害机理不同，植物对不同的重金属也有不同 的防御机制。同一植物中可能涉及多种过程的防卫机制，所以不能用单一的耐性 机理来解释植物对重金属的耐性。 1 5p b 、c d 在植物体内的积累和分布 大多数重金属离子带有较高的正电性，易与植物组织中带负电的大分子化合 物结合。一般条件下，大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而在地上部的含 量较低。在植物根系中，重金属主要分布在质外体，或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀， 或与细胞壁结合。在植物地上部，各组织中的重金属含量一般比较低。但在一些 重金属超量积累植物中，其地上部重金属含量是普通植物的1 0 0 倍甚至1 0 0 0 倍以 上。另外，植物种类的差异直接决定了植物吸收重金属能力的差异。同一种植物 对不同的重金属的吸收富集能力不同，不同种类的植物对同一种重金属的吸收富 集能力也不同。 p b 在土壤中的溶解度和移动性很低，植物对p b 的吸收能力很低，向地上运 输的量则更低，当营养液中的p b 以水溶状态给予时，根也能吸收相当数量的p b ， 但p b 从根到地上部运转很有限，根中的p b 只有大约3 能运到地上部【2 4 】。一般的 植物吸收p b 以后主要集中于根部，其次为茎、叶柄、叶【2 5 , 2 6 】。但是对于一些比较 耐重金属p b 污染的植物，其地上部分特别是叶中p b 的含量要高于根部，一般其 6 浙江工商人学硕士学位论文 分布规律为叶 茎 根【2 7 28 1 。 c d 在土壤中的化学形态多以交换态c d 、专性吸附态c d 、铁锰氧化物结合态 和残余态c d 为主。不同植物对c d 的吸收移 累效应是不同的，关于c d 在作物各组 织的分布，国内外己有过不少研究。刘维涛等研究了1 1 种树木对c d 的吸收与 分布特征，发现c d 主要积累在树木根部，树木不同器官对c d 积累能力的总趋势 为根 叶及枝 树皮 树干。c d 含量在小麦、玉米、水稻等作物组织中分布为：根 茎 叶 籽粒，籽粒远远低于根系。王新掣3 0 , 3 1 1 研究发现水稻根对c d 的吸收累积 量占总量的7 0 8 0 ，籽实只占1 1 0 。水稻体内的c d 分布顺序为：根 茎叶 籽 粒，根中浓度为茎中的数倍到数十倍，茎中浓度为籽粒的数倍到数十倍。 1 6 重金属污染土壤的修复方法 目前，重金属污染土壤治理技术很多，各有利弊，根据使用手段的不同可分 为两大类，即物理化学修复和生物修复。 1 6 1 物理化学修复方法 ( 一) 客土和翻土法 将污染土壤深挖并移走，在深坑中填入来自其它地区的非污染土壤，这种处 理方法称为客土法。翻土法是将污染区的深层土壤挖出，并覆盖在污染土壤上。 这两种方法都可降低表层土壤的重金属含量，但并没有彻底清除土壤中重金属污 染。 ( 二) 土壤淋洗法 这种方法是将水泵入污染土壤，并加入一定的化学药品，如各种有机酸、无 机酸，氢氧化钠或重金属螯合剂e d t a 等，改变土壤的基本理化性质，增加污染 元素的水溶性，然后再将土壤中的水抽出，从而达到减少污染的目的，被抽出的 污水经过一系列净化处理后可以循环使用。 ( 三) 电动修复法 通过在污染土壤的两端插上电极，接通电源，利用土壤中带电粒子在电场中 向电性相反方向移动的特性，使它们积聚或沉淀在电极上，达到清除土壤中重金 属的目的。这种技术可用于p b 、c u 、z n 、c r 、c d 等污染土壤的修复。 ( 四) 化学稳定法 应用化学反应将污染土壤中的重金属氧化或还原，来达到降低土壤中重金属 7 浙江工商人学硕士学位论文 的活性，称为经济学稳定技术。针对不同的重金属污染，应采取不同的还原剂。 但必须注意的是，还原剂的使用可能会造成土壤的二次污染。 常用的物理化学修复方法还包括固化稳定技术和隔离包埋技术等。采用物理 化学技术治理污染土壤，严格来讲并没有彻底将土壤中的重金属清除，只是将污 染从高风险区转移到低风险区或同定在土壤中，暂时减少重金属对植物生态系统 的危害。而且，应用物理化学方法来清除土壤污染，耗资巨大，使用的化学药剂 还会造成土壤的二次污染。 1 6 2 生物修复方法 生物修复是利用生物技术治理污染土壤的一种新方法，包括利用动物、微生 物和植物来减少甚至清除土壤中的重金属或降低重金属的毒性。其中利用植物治 理污染土壤已成为土壤修复研究的热点。 ( 一) 植物修复的概念 一般来说，利用特定植物实施污染环境治理的技术可统称为植物修复 ( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 。通过植物对重金属元素或有机物质的特殊富集和降解能力 来去除环境中的污染物，或消除污染物的毒性，达到污染治理与生态修复的目的 f 3 2 】 o 近年来植物修复理论与实践的发展赋予植物修复技术以新的内涵。根据近年 来国内外研究现状和发展趋势，可将植物修复定义为直接利用绿色植物在原位去 除或控制土壤、沉积物、污泥、固体废弃物、地表水、地下水和大气环境中的污 染物，如重金属、类金属、放射性元素和有机污染物( 杀虫剂、有机溶剂、原油 和多环芳烃等) ，从而最大限度地降低其环境风险的一类环境友好技术【3 3 1 。 ( - - ) 植物修复的主要机制 植物修复主要修复机制有以下几种： ( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) ：利用高生物量的植物和适合的土壤改良 剂使金属从土壤转移并富积在植物的地上部分，再收割并进行后处理。植物提取 是目前研究最多并且最具有发展前景的植物修复方式。 ( 2 ) 植物过滤( p h y t o f i l t r a t i o n ) - 通过生物或非生物的过程，将根际周围溶 液中的污染物吸附或沉积在根部表面，或者吸收转移到根的内部，这种方式称为 根际过滤( r h i z o f i l t r a t i o n ) ：另外一种利用植物幼苗的类似方式称为幼苗过滤 ( b l a s t o f i l t r a t i o n ) 。它与植物提取有相似之处，即污染物都在植物体表或体内富 8 浙江工商大学硕士学位论文 集。 ( 3 ) 植物挥化( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) ：即通过植物和根际微生物的作用，将 环境中挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为毒性小的挥发态物质，释放到大 气中，不需收抉和处理含污染物的植物。植物挥发主要是针对s e 、h g 等挥发性 金属，污染物只是从土壤经植物转移到大气当中进行稀释。考虑到现场空气中的 挥发性金属浓度及金属的沉降，该方法实际上存在一定的风险。 ( 4 ) 植物稳定化( p h y t o s t a b l i z a t i o n ) ：土壤中的重金属可通过三种方式稳定 下来，即，被植物的根吸收、在体内富集，或者被吸附到根的表面，或者在根际 区沉淀下来；植物及其根部可防止污染物被风或水侵蚀而迁移，还可防止其在土 壤中渗漏及扩散。由于污染物仍然在原地，存在风险，该技术通常只作为一种暂 时的处理方式，土壤有待进一步处理。 ( 5 ) 水力泵技术( h y d r a u l i cp u m p i n g ) ：是利用一些根系深且发达的速生植物 强大的蒸腾作用，将植物作为一种生物泵来减少地表污染物下渗进入地下水或流 入地表水体的技术。水力泵技术的具体应用包括种植溪流、河岸植物，建立河岸 廊道和垃圾填埋场缓冲带等。此外，在垃圾填埋场地表可用植被覆盖来取代粘土 或塑料覆盖层，不仅可减少填埋场地表的侵蚀和渗滤液的流出量，而且有利于下 层废物的降解【3 4 1 。 ( 三) 植物修复的优点 与其它物理、化学及工程方面的治理方法相比较，植物修复法有其独特的优 占 、 ( 1 ) 成本低。植物修复法的成本较低，是物理、化学修复的替代方法。 ( 2 ) 对环境友好。植物的种植不仅能修复土壤污染，还可增加土壤有机质 含量，提高肥力，改善环境质量，是真正意义上的生态修复。 ( 3 ) 对金属含量高的植物，采取一定的技术手段处理，使金属得到回收， 可产生一定经济效益。 ( 5 ) 易操作，在污染地进行原位处理，对土壤破坏程度小，且不造成二次 污染。 ( 四) 植物修复强化措施 植物修复也存在着不足，归根到底就是修复效率的问题，为了提高植物修复 效率，增强植物修复效果，科学家们对植物修复技术进行了改良：用螯合剂和表 9 浙江工商大学硕士学位论文 面活性剂提高土壤中重金属的生物有效态和改善植物根部吸收环境，从而提高了 植物地上部对靶重金属的牵引力，促进植物对土壤重金属的吸收。 螯合剂通过螯合作用，将吸附在土壤颗粒及胶体表丽重金属离子解络下来， 然后利用自身较强的螯合作用和重金属离子形成强的螯合体。乙二胺四乙酸 ( e d t a ) 是目前研究中使用最多的螫合剂，它能在很宽 ￥j p h 范围内与大部分金 属形成稳定的复合物，可显著增加根际土壤中可交换态重金属含量，从而提高其 生物可利用性3 5 1 。w u 等嗍在印度芥菜根际施用e d t a ，发现施加3m m o l k ge d t a 可显著提高土壤浸提液中c u 、z n 、p b 币i c d 的浓度，且对土壤p h 值没有影响。王 激清等p 刀研究了氮肥形态和螯合剂对印度芥菜和高积累c d 油菜吸收c d 的影响， 结果表明，生长后期浇入e d t a 可增加植株地上部的吸c d 量和对土壤的净化率， 而浇入柠檬酸的作用相反。e d t a 等人工螯合剂也存在着很大的不足之处，其最 大的缺点是生物降解性较差、环境残留时间长、可能对地下水及相关环境造成二 次污染。 表面活性l u l l 通过降低表面张力和增流作用解吸被土壤吸附的金属。陈玉成 等例概括了表面活性剂强化重金属污染植物修复的可行性，根据乳化液膜分离、 胶团强化超滤、金属液泡吸收等技术探讨了表面活性