（环境工程专业论文）皂角苷强化黑麦草修复重金属污染土壤的效果及机制.pdf

plfrll ir l lll rii iii rrji y 17 5 3 8 5 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名：型 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盟导师签名：啦期： 摘要 摘要 在模拟p b 、c d 、z n 复合污染的土壤中施加皂角苷，研究皂角苷对十壤中重金属的解吸行为； 在室外模拟重金属复合污染的士壤上种植一年生黑麦草，并通过施加皂角苷强化黑麦草修复重金属 污染土壤，研究皂角苷对黑麦草修复的强化效果及机制，为皂角营强化植物修复提供依据。主要研 究结果如下： ( 1 ) 皂角苷质量分数为3 0 时，p b 、c d 、z n 的解吸率分别为1 0 8 6 、4 1 2 5 和8 4 5 ，再增 加皂角苷浓度，解吸率无明显增加。p b 、c d 、z n 的解吸过程均分为快反应和慢反应两个阶段，且均 为非均相扩散过程。经皂角苷解吸后，p b 的残渣态和碳酸盐结合态含量分别卜降4 2 3 1 和3 5 3 9 ， 水溶及可交换态含量略有增加，其他形态含量无明显变化：c d 的水溶及可交换态、碳酸盐态、f e - m n 氧化物态、有机结合态和残渣态含量分别下降4 8 2 5 、5 8 7 0 、5 4 3 9 0 , 6 、3 2 1 6 和4 1 8 2 ；z n 的 碳酸盐态含量降低2 9 1 9 ，水溶及可交换态含量增加2 7 7 5 4 ，其他形态无明显变化；皂角苷是通 过羧基基团与重金属配位形成可溶络合物而达到解吸效果的，皂角苷与z n 的络合能力相对较弱。 ( 2 ) 皂角苷可以提高黑麦草的生物量、富集系数和转运系数。皂角苷最佳投加浓度为l g k g ，此 时黑麦草地上部和根部生物量均达到最大，比对照组分别增加2 4 8 4 和2 7 7 3 ；黑麦草对p b 、c d 、 z n 的富集系数分别为0 6 l 、3 0 5 和0 7 6 ，分别比对照组增加1 6 9 8 、9 6 6 和7 3 9 ；转运系数分 别为0 8 8 、1 0 0 和1 3 5 ，分别比对照组增加1 8 9 2 、3 4 5 4 和5 2 3 2 。黑麦草体内叶绿素a 与叶 绿素b 含量的比值无显著变化，说明重金属对黑麦草叶绿素合成的抑制作用较小，并未影响黑麦草 的生长。皂角苷的投加没有改变土壤的p h 值。 ( 3 ) 皂角苷浓度为l g k g 时，与对照组相比，土壤有效态p b 、c d 、z n 含量分别增加1 0 3 3 、 1 8 3 3 和4 9 5 ，膜透性增加l1 3 4 ，s o d 、p o d 和c a t 的活性分别增加2 1 4 0 、1 4 1 0 和9 9 19 ， 表明：皂角苷通过增加土壤中有效态重金属的含量来提高重金属的生物有效性，促进植物对重金属 的吸收；皂角苷通过自身的两亲性改变黑麦草根部膜的结构和增加膜的透性，为重金属进入黑麦草 体内提供了有利条件；皂角菅通过提高黑麦草体内的超氧化物岐化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) 的活性，增强黑麦革对重金属的抗氧化能力，从而提高了黑麦草的生物量以 及对重金属的富集能力和转运能力。 关键词：植物修复，黑麦草，重金属，皂角苷，土壤 东南大学硕1 学位论文 a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t ，s a p o n i nw a sa d d e dt ot h es o i lc o n t a m i n a t e dw i t hp b ，c da n dz n ，a n dt h eb e h a v i o r o fh e a v ym e t a l sd e s o r p t i o nf r o m s o i lb ys a p o n i nw a ss t u d i e d t h r o u g hp o te x p e r i m e n to fr y e g r a s s ，s a p o n i n w a sa p p l i e dt oe n h a n c et h ep h y t o r e m e d i a t i o no fc o m p l e xc o n t a m i n a t i o n ，s i m u l t a n e o u s l yt h es t r e n g t h e n i n g e f f e c ta n dm e c h a n i s mo fs a p o n i nw e r er e s e a r c h e dt op r o v i d et h eb a s i sf o rt h es t r e n g t h e n i n gm e a s u r eo f p h y t o r e m e d i a t i o n t h e m a i nr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) 晰t h3 o o fs a p o n i na p p l i e dt ot h es o i l ，d e s o r p t i o ne f f i c i e n c i e so fp b ，c da n dz nw e r e10 8 6 41 2 5 a n d8 4 5 ，r e s p e c t i v e l y t h ed e s o r p t i o ne f f i c i e n c i e sd i dn o ti n c r e a s eo b v i o u s l yw i t ht h ec o n t e n to f s a p o n i nf u r t h e ri n c r e a s e d t h ed e s o r p t i o np r o c e s s e so fp b c da n dz nw h i c hw e r ea l ld i f f u s i o np r o c e s so f h e t e r o g e n e o u sp h a s ec o u l db ed i v i d e di n t ot w op h a s e s ：t h ef a s tp h a s ea n ds l o wp h a s e a f t e rd e s o r p t i o nb y s a p o n i n ，t h e c o n t e n t so fr e s i d u a la n dc a r b o n a t ef r a c t i o n so fp bd e c r e a s e d b y4 2 31 a n d 3 5 3 9 ，r e s p e c t i v e l y ；t h ec o n t e n t so fs o l u b l ef r a c t i o ns l i g h t l yi n c r e a s e d ，a n do t h e r sd i dn o tc h a n g e o b v i o u s l y t h ec o n c e n t r a t i o n so fs o l u b l e ，c a r b o n a t e , f e - m no x i d e ，o r g a n i cm a t t e ra n dr e s i d u a lf r a c t i o n so f c dr e d u c e db y4 8 2 5 ，5 8 7 0 ，5 4 3 9 0 , 4 ，3 2 16 a n d41 8 2 t h ec o n t e n t so fc a r b o n a t ef r a c t i o no fz n d e c r e a s e db y2 9 19 ；t h ec o n t e n t so fs o l u b l ef r a c t i o nm a r k e d l yi n c r e a s e d ，a n do t h e r sd i dn o tc h a n g e s i g n i f i c a n t l y h e a v ym e t a l sw e r ed e s o r b e db ys a p o n i n t h r o u g hc o m p l e x i n gw i t hs a p o n i n ，a n dt h ea b i l i t yo f z nc o m p l e x i n gw i t hs a p o n i nw a sw e a k e r ( 2 ) t h ed r yw e i g h to fr y e g r a s s ，a n db i o a c c u m u l a t i o nf a c t o r ( b a f ) a n dt r a n s l o c a t i o nf a c t o r ( t f ) b y r y e g r a s sw e r ee n h a n c e db ys a p o n i n w i t hlg k go fs a p o n i na p p l i e dt ot h es o i l t h ed r yw e i g h to fr y e g r a s s i n c r e a s e db y2 4 8 4 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o lg r o u p ；t h eb a f so fp b ，c da n dz nw e r e0 6 1 ，3 0 5a n d0 7 6 , r e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db yl6 6 0 ，9 6 6 a n d7 3 9 ；t h et f so fp b ，c da n dz nw e r e0 8 8 ，1 0 0a n d1 3 5 ， r e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db yl8 2 0 ，3 4 5 4 a n d5 2 3 2 s i m u l t a n e o u s l y , t h ec o n t e n tr a t i o no fc h l o r o p h y l la 秘 a n dc h l o r o p h y l lbi nr y e g r a s sd i dn o tc h a n g eo b v i o u s l y ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ep h o t o s y n t h e s i so fr y e g r a s s w a sn o ti n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l y 1 1 1 ep hv a l u e so fs o i lw e r en o ta f f e c t e db ys a p o n n i n ( 3 ) w i t i ll g k go fs a p o n i na p p l i e dt ot h es o i l ，t h ec o n t e n t so fa v a i l a b l ep b ，c da n dz ni n c r e a s e db y 1 0 3 3 1 8 3 3 a n d4 9 5 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o lg r o u p ；t h em e m b r a n ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s e db y 1 1 3 4 ；t h ea c t i v i t yo fs u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ，p e r o x i d a s e ( p o d ) a n dc a t a l a s e ( c a t ) i n c r e a s e db y 一 2 1 4 0 ，1 4 1 0 a n d9 9 1 鸲包r e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n t so fa v a i l a b l eh e a v ym e t a l si ns o i lw e r ee n h a n c e d i , ys a p o n i n , c o n s e q u e n t l yt h ea b s o r p t i o no fh e a v ym e t a l sb yr y e g r a s se n h a n c e d 1 1 圮s t r u c t u r eo fr y e g r a s s r o o tm e m b r a n ew a sc h a n g e da n dt h em e m b r a n ep e r m e a b i l i t yw a si n c r e a s e db ys a p o n i n ，w h i c hp r o v i d e dt h e e n t r a n c eo fh e a v ym e t a l si n t or y e g r a s sf o ra d v a n t a g e n ea c t i v i t yo fs o d p o da n dc a tw e r ee n h a n c e d b ys a p o n i n ，w h i c he n h a n c e dt h ea n t i o x i d a n ta b i l i t yo fr y e g r a s su n d e rh e a v ym e t a l ss t r e s s t h e r e b y , t h ed r y w e i g h t , b i o a c c u m u l a t i o nf a c t o r ( b a f ) a n dt r a n s l o c a t i o nf a c t o r ( t f ) i n c r e a s e 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 , r y e g r a s s , h e a v ym e t a l s , s a p o n i n , s o i l i l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 土壤重金属污染与治理l 1 1 1 七壤重金属污染现状l 1 1 2 土壤重金属污染的来源l 1 1 3 重金属在土壤中的存在形态l 1 1 4 土壤重金属污染的危害2 5 土壤重金属污染的治理方法2 1 2 重金属污染土壤植物修复3 1 2 1 超积累植物的筛选4 1 2 2 植物修复的强化措施4 1 2 3 植物修复的机理6 1 2 4 植物修复存在的问题和研究重点7 1 3 表面活性剂在重金属污染修复中的应用7 1 4 生物表面活性剂简介8 1 4 1 生物表面活性剂的制备8 1 4 2 生物表面活性剂的特点g 1 4 3 在重金属污染土壤修复中的应用8 1 5 研究目的、内容与特色9 1 5 1 研究目的9 1 5 2 研究内容9 1 5 3 研究特色9 第二章皂角苷对土壤中重金属的解吸过程及机制1 1 2 1 试验材料与方法1 l 2 1 1 试验材料1 l 2 1 2 试验方法l l 2 2 测定方法1 3 2 3 结果与讨论1 3 2 3 1 解吸效果1 3 2 3 2 解吸动力学过程1 4 2 3 3 解吸前后重金属形态变化1 5 2 3 4 解吸机制17 2 4 结论17 第三章皂角苷对黑麦草修复重金属污染的强化效果1 9 3 1 试验材料与方法1 9 3 1 1 试验材料1 9 3 1 2 试验方法2 0 3 2 结果与讨论2 0 3 2 1 生物量2 0 3 2 2 对重金属含量的影响2 1 1 1 1 东南人学硕士学位论文 3 2 3 对重金属富集、转运系数的影响2 2 3 2 4 对地上部重金属总量的影响2 4 3 2 5 对黑麦革体内叶绿素含量的影响一2 6 3 2 6 对土壤p h 值的影响一2 6 3 3 结论2 7 第四章 皂角苷对黑麦草修复重金属污染的强化机制2 8 4 1 试验材料与方法2 8 4 1 1 试验材料2 8 4 1 2 试验方法2 8 4 2 结果与讨论2 9 4 2 1 皂角苷对土壤有效态重金属含量的影响2 9 4 2 2 皂角苷对黑麦草根部膜透性的影响3 0 4 2 3 皂角苷对黑麦草抗氧化能力的影响3 l 4 3 结论3 4 第五章总结3 5 5 1 研究结论一3 5 5 2 展望3 5 j $ 【谢3 7 参考文献3 8 附j i 蹙q l l i v 第一章绪论 1 1 土壤重金属污染与治理 1 1 1 土壤重金属污染现状 第一章绪论 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。随着工业、城 市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重。在过去的5 0 年里，粗 略统计，排放到全球环境中的c d 达到2 2 万吨、c u9 3 9 万吨、p b7 8 3 万吨、z n1 3 5 万吨1 1 l 。目前， 我国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2 0 0 0 万公顷，约占耕地面积的l 5 。每年因重金属 污染的粮食达1 2 0 0 万吨，合计经济损失至少2 0 0 亿元【2 j 。此外，国内蔬菜重金属污染调查结果显示， 中国菜地士壤重金属污染形势更为严峻，珠三角地区近4 0 菜地重金属污染超标，其中1 0 属“严 重”超标l j j 。 在环境污染领域重金属元素一般是指对生物有显著毒性的金属元素，如h g 、c d 、p b 、c r 、z n 、 c u 、c o 、n i 、s n 、s b 等，通常也把a s 、b e 、l i 、s e 、b 、a l 等非金属和低原子量元素包括在内。 其中，p b 、c d 、z n 的污染比较突出1 4 5 1 。例如，重庆蔬菜重金属污染程度为c d p b h g ，近郊蔬菜 基地土壤重金属c d 超标率为3 6 7 1 6 1 。保定市污灌区土壤中p b 、c d 、z n 的检出超标率分别为5 0 、 8 7 5 和1 0 0 1 t l ，污染非常严重。高速公路两侧也不同程度的受到p b 、c d 、z n 等重金属污染。由 于我国大多数城市近郊和矿区土壤都受到不同程度重金属污染，导致许多地方粮食，蔬菜、水果等 食物中镉、锌和铅等重金属超标。 1 1 2 土壤重金属污染的来源 土壤重金属主要有自然和人为两方面的来源，其中人为来源是造成土壤重金属污染的主要原因。 人为来源主要包括以下几方面： 1 大气沉降：大气中重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放、汽车轮胎磨损产生的大量含 有重金属的有害气体和粉尘。大气中大多数重金属通过自然沉降和雨淋沉降进入土壤圈，造成土壤 中的重金属污染。 2 污水灌溉：灌溉是农业生产过程中不可缺少的环节，尤其是干旱的地区，灌溉显得尤为重要。 由于城市工业的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有许多重金属离子，随着污 水灌溉而进入土壤，导致靠近污染源头和城市工业区的土壤污染严重。据不完全统计1 8 1 ，由于污灌 引起土壤重金属污染的面积已达1 0 0 0 多万亩。 3 农药、化肥的使用：一般过磷酸盐中含有较多的重金属h g 、c d 、a s 、z n 、p b ，磷肥次之，氮 肥中p b 含量较高，一些农药中p b 、h g 、c d 、a s 含量较多，这些都可以造成七壤重金属污染。 4 重金属废弃物堆放：金属矿山开采、冶炼厂排弃的尾矿渣是造成土壤重金属污染的主要来源 之一。尾矿扬尘进入大气，最后通过大气沉降污染七壤；尾矿中的有害成分产生的大量酸性废水， 随着矿山排水和降雨带入水环境或者直接进入土壤，直接或间接造成土壤重金属污染。 1 1 3 重金属在土壤中的存在形态 重金属多属于过渡性元素，而过渡性金属的原子具有其特有的电子层结构，使其在土壤环境中 的化学行为具有一系列的特点：过渡元素具有可变化合价态，会在一定范围内发生氧化还原反应， 重金属的价态不同，其活性和存在形式也不同。重金属进入土壤后，一般通过溶解、沉淀、凝聚、 络合吸附等各种反应，最终以不同方式与各组分相互作用，形成不同的化学形态，并表现出不同的 东南人学硕l ：学位论文 活性，由丁：重金属的不同形态对于植物具有不同的生物有效性和毒性，而且当其存在环境发生变化 时，将导致重金属在同相和液相之间的转化叭。 在实际工作中，通常采用化学提取法研究重金属的形态，其中t e s s i e r 等f l l j 提出的五步提取法应 用晟为广泛：即将重金属分为可溶态( 包括水溶态和可交换态) 、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、 有机结合态及残渣态五种形态。 ( 1 ) 可溶态 该形态重金属是指交换吸附在土壤粘士矿物及其它成分上的金属离子。该存在形态金属离子最 容易被植物根部吸收，对植物的毒害也最大。 ( 2 ) 碳酸盐结合态 碳酸盐结合态是指碳酸盐沉淀结合的重金属离子，该形态对土壤环境特别是p h 值敏感，这种 形态重金属离子可被大幅度重新释放而被植物吸收。 ( 3 ) 铁锰氧化物结合态 铁锰氧化物结合态是指被土壤中氧化铁锰或黏粒矿物的专性交换位置所吸附的部分，不能被中 性盐溶液交换，只能被亲和力相似或更强的金属离子置换。t e s s i e r 等学者认为，铁锰氧化物具有巨 大的比表面，其对于金属离子有很强的吸附能力。 ( 4 ) 有机结合态 有机结合态是指以重金属离子为中心离子，以有机质活性基团为配位体的结合生成难溶于水的 物质，也属专性吸附。这类金属在氧化条件下，部分有机物分子会发生降解作用，导致部分元素溶 出，对环境会造成一定的影响。由于不同元素与有机化合物的结合能力差异较大，导致土壤重金属 有机态比例高低分化。 ( 5 ) 残渣态 残渣态金属一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等土壤晶格中，它们来源于土壤矿物，性质稳 定，在自然界正常条件下不易释放，能长期稳定在土壤中，不易被植物吸收。 影响重金属形态分布的因素很多，在不同的土壤条件下，包括土壤类型、土地利用方式、土壤 的物理化学性状( 土壤p h 、e h ，土壤无机和有机胶体的含量等) 等因素的差异，都可以引起土壤重 金属元素存在形态的变化。凡是可引起重金属元素价态、溶解度以及迁移途径等变化的因素均可影 响重金属在土壤中的化学行为、迁移和被植物的吸收。 1 1 4 土壤重金属污染的危害 土壤重金属由于具有隐蔽性与滞后性、累积性与地域性、不可逆转性且治理难而且周期长，因 此给环境带来了巨大危害。土壤重金属主要通过以下几种途径造成危害：一、受污染的重金属士壤 直接暴露在环境中，通过土壤颗粒等形式直接进入或间接地被动物或人所吸收；二、土壤中的重金 属可能通过雨水淋溶作用污染地下水及地表水，造成水资源的污染；三、土壤中的重金属被植物吸 收利用而进入食物链，对动物和人体产生毒害作用。 一些重金属离子通过口腔、皮肤进入人体后，与人体某些酶的活性中心硫基( - s h ) 有着特别强 的亲和力，金属离子极容易取代硫基上的氢，从而丧失其生物活性。还有一些重金属离子可以通过 与酶的非活性部位结合，从而改变活性部位的构象，或与起辅酶作用的重金属置换，同样能使生物 酶的活性减弱甚至丧- 失【圮l 。 1 1 5 土壤重金属污染的治理方法 土壤重金属污染日益严重，土壤中重金属不仅降低土壤肥力和作物产量与品质，而且恶化环境， 并通过食物链危及人类的生命和健康。因此，土壤重金属污染的治理已经引起了广泛的重视。目前， 2 第一章绪论 关于土壤重金属的治理方法主要有以下几种： 1 工程治理：主要有客十换十法、电化学法、十壤淋洗法、热处理法和玻璃化法等。该法较为 经典，治理彻底且稳定，但1 = 程量大，投资费用高，破坏t 壤结构，引起土壤肥力卜降，并且还要 对换出的污十进行堆放或处理。 2 化学治理：主要是通过向土壤中加入同化剂、有机质、化学试剂等改变士壤的p h 值、e h 等 物化性质，经氧化还原、沉淀、吸附、抑制、络合螯合和拮抗等作用来降低重金属的生物有效性。 该法在土壤原位上进行，简单易行，但它改变了七壤性质，且没有从根本上去除重金属。淋洗也是 一种常用的化学治理土壤重金属的方法，但淋洗液易造成地下水污染，土壤养分流失，土壤变性等 问题。 3 生物治理：生物治理l i 习是利用微生物或植物的生命代谢活动，对土壤中的重金属进行富集或 提取，通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属l 古l 定或解毒，降低其在土壤环境中 的移动性和生物可利用性。生物修复主要包括：微生物修复和植物修复，其效果较好、费用低、易 于管理与操作、不产生二次污染，因而日益受到人们的重视。 4 农业生态治理：主要有改变耕作制度、调整作物品种、选择重金属含量低的化肥、施用可固 定重金属的有机肥，调节土壤养分、水分等。该法虽然可操作性强，但存在周期长，效果不明显。 1 2 重金属污染土壤植物修复 目前采用的一些传统的土壤重金属治理方法，不仅非常昂贵，难以大规模改良，而且常常导致 土壤结构破坏、土壤生物活性下降和土壤肥力退化。因而，寻求一种投入低，又不改变土壤性质的 方法，越来越受到人们的关注。1 9 8 3 年，c h a n y 提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思 想，即植物修复。这实际上是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤 中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理后可将重金属移出土体，达到 治理土壤的目的l l 钔。由于植物修复具有投资少、不破坏场地结构、美化环境、不引起二次污染等优 点，成为一种可靠的、相对安全的环境友好修复技术。 植物修复是一项处于迅速发展中、具有广阔应用前景的新技术。植物修复以太阳能为驱动能源， 适用于中低强度污染的治理，不仅成本低，而且具有良好的综合生态效应，是治理土壤中重金属污 染的根本途径。 关于植物修复重金属的能力有以下几个评价指标： 富集系数( b i o a c c u m u l a t i o nf a c t o r ，b a f ) ，表征植物对某种元素的富集能力，定义如下： 富集系数= 差等篓宰鼍羹蓦蚕嘉菩攀黜 转运系数( t r a n s l o c a t i o nf a c t o r ，t f ) ，表征某种元素从植物地下部向植物地上部转运的能力， 定义如下： 转运系数= 差蓑差丰善蓑薯曩蓁篙裂 富集系数越大，表示植物富集该种元素的能力越强；转运系数越大，表示植物由地下部向地上 部运输重金属的能力越强。 植物的生物量( b i o m a s s ) 也是植物修复重金属能力的重要指标。一方面，生物量反映了植物在 重金属污染土壤上生长的耐受能力：另一方面，在富集系数差别不大的情况下，生物量越大的植物 体内富集的重金属总量就越大。 上述三个指标越大的植物越有利于植物修复。 3 东南人学硕i j 学位论文 1 2 1 超积累植物的筛选 超积累植物一般应具有以下特征f 1 5 i ：( 1 ) 植物地上部( 茎或叶) 重金属含量是普通植物在同一 生长条件卜重金属含量的1 0 0 倍：其临界含量分别为锌1 0 0 0 0m g k g ，镉1 0 0 m g k g ，铅、铜、镍 1 0 0 0 m g k g ，即富集系数大；( 2 ) 植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量，即转运系数犬； ( 3 ) 植物的生长没有出现明显的毒害症状，即重金属抗性强、生物量稳定。迄今发现超积累植物 7 0 0 多种，广泛分布于约5 0 个科，但绝大多数属于镍超积累植物i l 们，其他超积累植物相对较少。 r o b i n s o n 等1 1 7 j 报道了一种高生物量的n i 超积累植物b c o d d i i ，植物平均含n i 量为7 8 8 0 m g k g ；b r o w n 等1 1 8 】发现一种z n 超积累植物天蓝遏蓝菜。此外，还有c d 超积累植物油菜1 1 9 j 、p b 超积累植物土荆 芥等2 0 1 。 超积累植物虽然对重金属具有超强的富集能力，但目前发现的很多超积累植物通常生长缓慢、 植株矮小、地上部生物量小，再加上受气候、土壤环境条件以及重金属复合污染的制约，在实际应 用中能够去除土壤重金属的总量较小，作为土壤重金属修复植物，具有较小的经济和应用价值。一 些普通植物虽然对重金属耐性低，组织中重金属积累量也不高，但由于其生长速度快、生物量大， 在给定时期内带走的单位面积土壤中重金属总量也大，因为也具有极大的利用价值。故近年来，研 究思路已从寻找严格的超积累植物向寻找非超积累但具有高积累量且有较大生物量的植物方向转 变，并通过强化措施提高植物修复重金属污染土壤的效率。 1 2 2 植物修复的强化措施 由于待修复土壤养分缺乏、重金属活性低等缺点，单纯使用植物修复技术效率通常很低，因此 有必要采取一系列化学与工程措施，从土壤环境和植物两方面来提高植物修复的效率。 ( 1 ) 有机配体技术 土壤中的重金属不是在液相中，而是在同相上，并常被土壤牢固的结合，而植物只能吸收土壤 液相中的重金属。因此，植物修复效率不仅与其从土壤中提取重金属速率有关，还与土壤中重金属 的有效性相关【2 1 1 。向土壤中加入有机配体可以增加士壤溶液中重金属的浓度，促进植物对重金属的 吸收和富集。有机配体对土壤中重金属的活化作用主要是通过有机配体与土壤溶液中的重金属离子 结合，降低土壤液相中的金属离子浓度，为维持金属离子在液相和同相之间的平衡，重金属从土壤 表面解吸，由不溶态转化为可溶态，为植物的吸收创造有利条件。 目前使用的有机配体分为两类：一类是人工合成有机配体，如乙二胺四乙酸( e d t a ) 、二次乙 基三胺五乙酸( d t p a ) 、乙二胺( 氧乙基氮基) 四乙酸( e g t a ) 、氮川三乙酸( n t a ) 和 s ，s 一 z , z 胺二琥珀酸( e d d s ) 2 2 - 2 4 1 等以及各种化学表面活性剂；另一类是天然有机配体，主要是一些低 分子有机酸、如柠檬酸、草酸和酒石酸1 2 5 2 6 l 等。其中人工合成的有机配体因具有较强的活化能力而 被广泛应用。它可以使重金属从土壤微粒中解吸出来，增加重金属在土壤溶液中的浓度，并与重金 属形成易溶解的络合体，因此被大量应用到重金属污染土壤的螫合诱导植物修复项目中蒋先军等 p 7 】在印度芥菜收获前1 周加入e d t a ，收获后测定植物根和地上部的生物量以及h 2 0 、n h , 小1 0 3 、e d t a 等3 种提取剂提取的c d 浓度。结果表明，e d t a 加入土壤l 周后，土壤水溶态c d 增加了4 0 0 倍以 上，交换态c d 增加了4 0 倍以上。s t a n h o p e 掣2 8 l 研究表明，随e d t a 浓度的增加，土壤中c d 、c u 、 z n 、p b 、n i 的可溶态含量占其总含量的比例呈线性提高。 目前，对于重金属螯合物以何种形式向地上部分转移存在两种不同的观点：( 1 ) 以金属螯合物 的形式直接向地上部分转移：( 2 ) 与螯合物分离后向地上部分转移。 尽管添加有机配体可以显著增加土壤中有效态重金属含量，但e d t a 等人工合成有机配体的应 用还存在潜在风险和不利因素：可能由于其本身具有生物毒性而降低植物对重金属污染士壤的修 4 第一章绪论 复效率；一般残留期较艮不易降解，容易导致修复时连续种植的超积累植物或经修复后的土壤存 在环境风险；有些有机配体的加入会导致重金属活化后向深层七壤或地下水转移，引起十壤或水 体环境的二次污染；大部分人工合成有机配体价格比较昂贵，增加了修复成本。可见只有选择同 时具备以下性能的有机配体：对土壤的理化性质没有强的破坏作用；使用的有机配体必须价钱 比较经济具有实用性；对土壤中的重金属有很强的溶解能力；有机配体和重金属的结合体并不 对环境造成二次污染。因此基于以上考虑，研制安全、经济、有效的天然或人工有机配体是今后植 物修复有机配体强化技术的研究方向和重点。 ( 2 ) 基因工程技术 一些基因与植物吸收、转运重金属有密切关系，将这些基因转入目标植物的植物基因工程技术 可以改善植物性状，提高植物修复效率。近年来，基冈技术强化植物修复的研究主要包括以。i - ) l 个 方面：金属硫蛋白( m t s ) 基因、植物螯合肽( p c ) 基因一级相关基因。人们已经将这些基因克 隆并导入到植物体内，发现可以增强植物对重金属的耐性和积累能力。z h u 等1 2 9 刈通过估量表达两 个和p c 合成紧密相关的酶谷胱甘肽合成酶( g s ) 、r 谷胺酰半胱氨酸二肽酶( r g c s ) 的 基冈，提高了印度芥菜体内的谷胱甘肽和p c 含量，使其对多种重金属的耐性和累积能力提高。 金属转运蛋白。控制金属转运蛋白的基因同样可以改变植物对重金属的耐性和积累性。酵母转运蛋 白能与谷胱甘肽结合将c d 转移至液泡中，导入到彳t h a l i a n a 后，可以提高植物吸收镉的能力1 3 l j 。 改变重金属的代谢途径。增强抗氧化能力，增加植物体内的抗氧化酶含量也可以提高植物对重 金属的耐性。例如，e z a k j 等1 3 2 j 通过过量表达与谷胱甘肽s 转移酶以及过氧化物酶有关的基因，显 著提高了植物对铝的耐性。将细菌等耐重金属或吸附重金属基因转到修复植物中，以提高植物对 重金属的耐性和抗性，增强修复效果。f u e n t e 3 3 1 将细菌的有关基因导入烟草和木瓜，使其柠檬酸合 成酶基因( c s ) 过量表达，导致其柠檬酸分泌量增多，从而提高了植物对a l 的耐性。将抗病虫 基因整合到修复植物中，以提高修复植物的抗病虫能力。提高生物量。通过基因获得比传统育种 方法更快的繁殖速度和更大生物量的植物，同时能够从其他物种引入新基因，使得不需要通过传统 的育种方法就可获得新特征成为可能。g i s b e r t 等【3 4 1 将小麦t a p c s i 基因导入烟草体内，发现其对p b 、 c d 的耐性显著增加，茎比野生种增加1 6 0 ，而且转基因植物生长在高p b 浓度条件下重金属的积累 量是野生种的2 倍。 ( 3 ) 调控土壤p h 与e h 通过向土壤中投加酸性物质降低土壤p h ，增加重金属的生物有效性。土壤酸度对重金属化合物 的溶解与沉淀平衡的影响较为复杂。土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在，其可溶性受p h 值控 制，即土壤重金属随着p h 增加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。随士壤溶液p h 降低， 大多数重金属元素在土壤同相的吸附量和吸附能力减弱，大大提高了土壤溶液中重金属的浓度。此 外，土壤溶液的p h 值直接影响到重金属元素的离子活度。 土壤氧化还原电位( e h ) 可以改变重金属的化学形态，从而使重金属的生物有效性发生变化。 当e h 值提高时，土壤中一般重金属的溶解度会有不同程度的增加。此外，重金属常与硫形成难溶物， 当e h 值提高时，硫化物易发生氧化而使重金属释放出来，导致土壤溶液中重金属含量提高。 ( 4 ) 植物激素强化 植物激素是指在植物体内合成的，对植物的生长发育产生明显调节作用的微量生理活性物质。 极低浓度时，就能调节植物的生理过程。目前，公认的植物激素有5 类，即生长素( i a a ) 、赤霉素 ( g a ) 、细胞分裂素( c t k ) 、脱落酸( a b a ) 和乙烯( e t h ) 。植物激素通过促进植物生长、调节 植物的生理代谢或与重金属螫合，以达到大量吸收重金属或降低重金属的毒性提高植物的修复效果。 周建民掣”】将3 吲哚乙酸协同e d t a 强化玉米提取重金属，结果显示，添加3 吲哚乙酸时玉米生物 量比未加3 吲哚乙酸时增加4 0 o ，地上部c u 、z n 、c d 和p b 的累积量也分别增加2 7 o 、2 6 8 、 5 1 东南人学硕上学位论文 2 7 5 和3 2 8 。 ( 5 ) 农艺调控措施及田间管理 从根本上说，植物修复是一种农学方法。因此，采取恰当的农艺措施及田间管理是修复成功的 重要一环。将现代农业技术应用到植物修复中是提高修复效率的条捷径。通过适当改善植物的生 长环境，能加快其生长速率。土壤中施入n 、p 、k 肥料，一方面可以通过改变土壤的性质如p h 和 表面电荷或土壤与重金属离子直接作用，改变重金属形态及活性：另一方面，它们能提供大量营养 元素，保证植物正常生长，增强植物抗逆性。廖晓勇掣珀j 通过田间试验发现，适当施加磷肥可提高 蕨类植物蜈蚣草的生长速率和生物量。施磷量为2 0 0 k g h m 五时，蜈蚣草对a s 的累积量最高，分别是 对照和施磷量为6 0 k g h m 之时的2 1 4 倍和1 1 2 倍。此外，由于大部分富集植物只能积累一种或两种重 金属，而土壤重金属的污染一般为多种重金属的复合污染。为此，可先调