（环境工程专业论文）植物修复重金属有机物复合污染河道疏浚底泥的研究.pdf

中文摘要 重金属有机物复合污染底泥的植物修复是环境治理的热点和前沿领域，它利 用超积累植物能从底泥中超量吸收重金属和降解有机物的特性，达到减少底泥中 重金属和有机物含量之目的。目前复合污染植物修复的研究还很不完善，因此本 文以天津市大沽排污河疏浚底泥为试验对象，通过盆栽试验，研究了玉米、印度 芥菜、超积累油菜、紫花苜蓿、黑麦草、苋和不结球白菜等7 种植物对复合污染 疏浚底泥的修复情况及机理；并对天津市三大排污河沿岸的植物进行了筛选，为 植物修复复合污染底泥或土壤提供了科学依据和理论基础。主要研究结果如下： 适于底泥修复的植株种类为印度芥菜、黑麦草、玉米和紫花苜蓿；玉米和印 度芥菜轮作对重金属积累效果和对底泥中有机物尤其是对氯苯的降解效果比黑 麦草连茬、玉米和黑麦草互作、印度芥菜和黑麦草互作好。 首次从理论上证明了重金属在植物体内的解毒机理为重金属螯合在配合体 上，且配合体之间以及重金属和配合体形成架桥而聚集成团，形成金属结合蛋白 或者沉淀积累在植物体内。 柠檬酸和e d t a 是能够加速植物修复进程的理想螯合剂。分次投加e d t a 不 仅可以加速植物修复，减弱e d t a 的降解难题和e d t a 重金属螯合物的淋溶问 题对环境的风险；还能减弱其带给底泥和环境的不利影响。首次发现分三次投加 e d t a 明显增加了底泥颗粒的粒径，降低了其比表面积，有利于底泥颗粒吸附重 金属的释放，从理论上证明了受污染底泥实施加速植物修复的有效途径。 建立了植物吸收、迁移与积累重金属的数学模型。基于m a t l a b 的o d e 4 5 ， 利用植物积累不同重金属的相关关系，对玉米积累不同重金属的数量随生长时间 的变化情况进行了模拟和预测。通过模拟，不仅可以准确反应重金属在植物体内 的吸收、迁移和积累的过程和机理，还可以预测植物积累重金属的数量及植物修 复的最佳收获时间。 沿岸植物调研发现了对z n 有较高的富集能力的新植物种类一红蓼、费菜和萑 草，三者地上部分积累z n 量均大于地下，其中狺草地上部分积累的z n 量高选 4 6 1 4 1 1m g k g ；蒲公英和小蓟地上部的c d 含量均高于根部c d 含量，而且富集系数 均大于1 ，基本具备了超富集植物的特性，因此具备较大的继续研究价值。这些 植物的发现为污染河道底泥的综合治理及底泥填埋厂的植被覆盖提供了依据。 疏浚底泥园林应用，可促进植物生长，降低污染物进入食物链的风险性，又 弥补了园林土壤贫瘠的不足，是城市疏浚底泥资源化的较为理想的出路。修复底 泥农田利用，其重金属和有机污染物对地下水污染的潜在危险性大大降低。 关键词：植物修复，排污河道疏浚底泥，重金属一有机污染物，螯合剂 a b s t r a c t p h y t o r e m e d i a t i o ni s an e wt e c h n i q u et oc l e a n u ph e a v ym e t a l o r g a n i c c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t so rs o i l sw i t hs o m ea c c u m u l a t o r so rh y p e r a c c u m u l a t o r sw h i c h c a l lt a k eu ph e a v ym & a l ，t r a n s p o r ta n da c c u m u l a t et h e mi nt h e i ra b o v eg r o u n ds h o o t s t h e s ep l a n t sa l s oc a nd e c o m p o s eo r g a n i cc o n t a m i n a n t sa tt h es a m et i m e w h i l et h e m e c h a n i s m so fp h y t o r e m e d i a t i o nf o rc o m p l e xc o n t a m i n a t e ds o i l sa r en o t f u l l y u n d e r s t o o da n dt h et e c h n o l o g yi sn o te s t a b l i s h e dy e t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f u b i q u i t o u sp o l l u t e ds e w a g er i v e r s ，p o te x p e r i m e n t w a sc o n d u c t e dt o s t u d y p h y t o r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c ya n dm e c h a n i s mo fm a i z e , i n d i a nm u s t a r d , o i l s e e dr a p e , m e d i c o g os a t i v al ，l o l i u mm u l t i f l o r u ml ，a m a r a n t h u st r i c o l o rl ，a n dc h i n e s e c a b b a g ei nc l e a n i n gh e a v ym e t a l o r g a n i cc o n t a m i n a t e dd r e d g e ds e d i m e n t so fd a g u s e w a g er i v e r a tt h es a m et i m e ，t h ep l a n ts p e c i e sw e r ei n v e s t i g a t e di no r d e rt os c r e e n o u tn a t i v e h y p e r a c c u m u l a t o r s t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dw e r es u m m a r i z e d a s f o l l o w s ： m a i z e , n d i a nm u s t a r d , m e d i c o g os a t i v al ，a n dl o l i u mm u l t i f i o r u ml v v e r o s c r e e n e do u ta sf e a s i b l er e s t o r a t i o ns p e c i e s m a i z e i n d i a nm u s t a r dr o t a t i o ns y s t e mh a d t h eh i g h e s ta c c u m u l a t i o na m o u n t st oh e a v ym e t a l sa n dt h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yt o o r g a n i cc o n t a m i n a t i o n s ( e s p e c i a l l yt oc h l o r o b e n z e n e ) a m o n gc o a t i n u o u ss t u b b l e s l o l i u mm u l t i f l o r u ml ，m a i z ea n dl o l i u mm u l t i f l o r u ml c o c r o p p i n g ，i n d i a nm u s t a r d a n dl o l i u mm u l t i f l o r u ml c o c r o p p i n ga n dm a i z e i n d i a nm u s t a r dr o t a t i o ns y s t e m o n eo ft h ed e t o x i f i c a t i o nm e c h a n i s m sw a sc o n f i r m e di nt h et h e o r yt h a t m u l t i n u c l e a rh e a v ym e t a l sc h e l a t e do nl i g a n d ，a n dh e a v ym e t a la c c u m u l a t i o ni np l a n t e x i s t e di nt h em e t a l o r g a n i cc l u s t e r st h r o u g ht h eb r i d g i n go fl i g a n da n dh e a v ym e t a l s f o rt h ef i r s tt i m e c i t r i ca c i da n de d t ai ss u i t a b l ec h a l e t o rt oi m p r o v ep h y t o r e m e d i a t i o ne f f e c t b y a d d i n ge d t ai ns e v e r a lt i m e s ，i tn o to n l yc a na c c e l e r a t ep h y t o r e m e d i a t i o ne f f e c t , b u t a l s oc a na b a t es i d ee f f e c tt os e d i m e n ta n de n v i r o n m e n tb e c a u s ei tc a nl i g h t e nt h e d e c o m p o s i n gp r o b l e mo fe d t aa n dt h ee l u v i a t i o n r i s ko fe d t a h e a v ym e t a l s c h e l a t o rt oe n v i r o n m e n t 1 1 1 er e s u l t sw e r ef i n d e df o rt h ef i r s tt i m et h a tb ya d d i n g e d t at h r e et i m e st os e d i m e n t ，t h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo fs e d i m e n ti n c r e a s e d ，w h i l e s p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dc r y s t a ll a t t i c ei n t e n s i t yd e c r e a s e d ，w h i c hw e r ec o n t r i b u t e dt o t h ed e s o r p t i o no f h e a v ym e t a lf r o ms e d i m e n tp a r t i c l e am o d e lo fh e a v ym e t a la b s o r p t i o n ，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 nb yp l a n tw a s e s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h eh e a v ym e t a l sa c c u m u l a t i o np r o c e s sw i t hg r o w t ht i m e c o r r e s p o n d i n gt ot h ea c c u m u l a t i o nc o r r e l a t i v i t yo f h e a v ym e t a l s ，u s i n go d e 4 5s o l v e r o fm a t l a bs i m u l a t e dt h ea c c u m u l a t i o np r o c e s so fm 口觇t 0z n ，p b ，c u ，n i ，c d t h e m o d e la n ds i m u l a t i o nr e s u l tp r o v i d es c i e n t i f i cg i s tt ok n o wh e a v ym e t a la b s o r p t i o n ， 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 nm e c h a n i s mo fp l a n t s ，t of o r e c a s th e a v ym e t a l s a c c u m u l a t i o na m o u n ta n dt od e c i d et h eo p t i m a lt i m eo f h a r v e s ta n ds o i lr e m e d i a t i o n n e wz nh y p e r a c c u m u l a t o rs p e c i e sw e r ef i n e dt h o u g hi n v e s t i g a t i o na l o n gt h e r i v e rw h i c hw e r ep o l y g o n u mo r i e t a l el ，& a i z o o nl ，a n dh u m u l u ss c a n d e n s t h e a c c u m u l a t i o na m o u n to f z ni nt h es h o o t sw a sl a r g e rt h a ni nt h er o o t sa m o n gt h et h r e e s p e c i e s t h eh i g h e s ta c c u m u l a t i o na m o u n tw a si nt h es h o o t so fh u m u l u ss e a , d e n s , w h i c ha t t a i n e d4 6 1 4 11m g k g t h ec da c c u m u l a t i o na m o u n ti ns h o o t so fe s e g e t u m b g ea n dt a r a x a c u mm o n g o l i c u mw a sh i g h e rt h a ni nr o o t s t h eh y p e r a c c u m u l a t i o n c o e f f i c i e n tw a se x c e e d e do n ei nt h et w op l a n t s ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h et w op l a n t s p o s s e s s e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co fh y p e r a c c u m u l a t o ra n dt h ev a l u ef o rf u r t h e r r e s e a r c h t h ed i s c o v e r yo ft h i ss p e c i e sp r o v i d e dt h en a t i v ep l a n tt o i n t e g r a t i v e l y p h y t o r e m e d i a t et h es e w a g er i v e rs e d i m e n ta n dt h ev e g e t a t i o nc a t e g o r yt oc o v e rt h e s e d i m e n tf i l lp l a n t h o r t i c u l t u r a la p p l i c a t i o no fd r e d g e ds e d i m e n tc a np r o m o t et h eg r o w t ho fp l a n t ， w h i c hn o to n l yr e d u c e dt h er i s ko f c o n t a m i n a n te n t e r i n gf o o dc h a i n ，b u ta l s of e r t i l i z e d t h eb a r e e ng a r d e n ss o i l t h i sw a sag o o dw a yt ot u r nd r e d g e ds e w a g er i v e rs e d i m e n t i n t or e s o u r c e t h ep o t e n t i a lr i s ko fh e a v ym e t a la n do r g a n i cc o n t a m i n a n tt o g r o u n d w a t e ra n de n v i r o n m e n tw a sg r e a t l yr e d u c e db ya p p l i c a t i o no fp h y t o r e m e d i a t e d s e d i m e n tt h a nu n p h y t o r e m e d i a t e dd r e d g e ds e d i m e n tt of a r m l a n d k e yw o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n ，d r e d g e ds e w a g er i v e rs e d i m e n t , h e a v y m e t a l o r g a n i cc o n t a m i n a t i o n s ，c h e l a t o r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：玛伟芳 签字日期：b p 磊7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：写传芳 签字日期：2 0 0 佴1 月日 导师签名 狮髯 签字日期：炒b 年1 月善日 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 随着经济和社会的快速发展，我国许多城市的水体水质逐渐恶化，并且城市 排放污水的河道也处处弥漫着臭味。虽然我国提高了天然水体的保护措施、加大 了污水的处理力度，但由于水体中淤积了大量受污染的底泥，而河道底泥中污染 物的再释放会对河流水质产生二次污染，因此污染河道的治理工作迫在眉睫【l j 。 底泥疏浚作为一种较彻底的景观水体治理方法，逐渐被越来越多的地方政府所采 用，而疏浚产生的大量底泥的处置问题，成为疏浚方案能否顺利实施的关键因素。 疏浚底泥不仅量大、含水率高，而且污染较严重，含有重金属、农药、有机污染 物等有害成分，如果底泥不进行适当的处理，必然会对环境造成危害。而底泥中 的有益成分( 腐殖质、低分子量的有机酸等) 适宜植物生长，并且可以改良土壤 的理化性状，可以用于农业生产；但其中的有害物质，特别是其中的重金属具有 难迁移、易富集、危害大、随食物链传递等特点，成为限制底泥资源化的主要因 素【2 】重金属有机物复合污染环境的植物修复是指利用某些耐性或超积累植物 能从土壤中超量吸收转移一种或几种重金属的特性，从而达到减少土壤中重金属 和有机物含量之目的【引。 1 1 课题概况 1 1 1 课题来源 本课题是天津市科技发展计划项目“城市排污河道污染沉积物处置与资源化 研究( 项目编号：0 4 3 1 1 1 8 1 1 ) ”的一部分，该课题的主要研究内容是：分析排污 河污染沉积物的分布和组成，研究其对环境的影响和危害；筛选河道的最佳疏浚 方法，对沉积物脱水工艺及沉积物最终处置方案进行优化；基于不同的沉积物性 状及对环境的要求，研究重金属处理和污泥资源化的途径。因此本论文开展了利 用植物修复重金属一有机物复合污染河道底泥的研究，旨在为疏浚河道底泥处置 和资源化提供合理的途径。 1 1 2 课题研究现状 本课题以大沽排污河、先锋河和纪庄子河及其支流的疏浚沉积物作为主要的 研究对象河道总长8 3 6 公里，对天津市的污水排放起着至关重要的作用，图 1 - 1 为3 大排污河的平面示意图。 第一章文献综述：污染底泥的檀物修复技术 图1 1 天津市大沽排污河平面示意图 大沽排污河河底平均淤泥深度达2 米左右，最严重的达2 5 2 8 米，因此对 该河道的疏浚必然产生大量的疏浚底泥。由于沿河两岸植物丛生( 见图1 2 所示) ， 这就为植物修复河道疏浚底泥提供了可行的依据。 1 2 污染底泥的处理方案 图1 - 2 排污河道现场图片 对于重金属污染底泥和土壤的治理技术，常用的有物理、生物和化学等三类 方法。 2 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 1 2 1 物理化学技术 目前，在治理局部热点污染时，常用的物理化学方法有客土换土法、化学沉 淀法、离子交换法、电解法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法、膜分离法，淋 滤法、热处理法、玻璃化法、电动修复、生物还原法、络合浸提法等 1 2 1 1 换土法 此方法适用于小面积污染严重的土壤治理，一种是在被污染的土壤上覆盖一 层非污染土壤；另一种是将污染土壤部分或全部换掉。此方法最早在英国、荷兰、 美国等国家应用，对于降低作物体内重金属含量，治理土壤重金属污染而言是一 种切实有效的方法但该方法需花费大量的人力与财力，并且在换土过程中，存 在着占用土地、渗漏、污染环境等不良因素的影响【4 】因而，并不是一种理想的 土壤重金属污染治理方法 1 2 1 2 电动修复 电动修复是指在污染土壤中插入电极对，并通以直流电，使重金属在电场作 用下通过电渗析向电极室迁移，然后通过收集系统将其收集，并作进一步的集中 处理【5 】。电动修复做为一种原位修复技术，近年来发展很快，并且从经济上而言 也是可行的。但由于土壤系统中组分的复杂性，经常出现实际应用与实验结果相 反的现象，从而使这一方法的商业化受到了限制。 1 2 1 3 淋洗技术 土壤淋洗即利用提取剂将土壤中的固相重金属转移至液相中。含有提取剂的 土壤经清水洗涤后归还原位再利用，富含重金属的废液则进行进一步的处理。本 技术的关键在于提取剂的选择，既能提取重金属，又不破坏土壤的结构，但事实 上很难找到。如果处理不当的话，引入的提取剂很有可能造成二次污染 1 2 l 4 化学固化 化学固化就是加入土壤添加剂( 固化剂) 改变土壤的理化性质，通过重金属的 吸附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态，从而降低其生物有效性和迁移性 【5 】。但固化方法并不是一个永久性的措施，只是改变了重金属在土壤中的存在形 态，仍持留在土壤中。而且土壤很难恢复到原始状态，不适宜进一步利用。而且 目前缺乏对其长期稳定性和对生态系统的影响这方面的研究。因此很多学者对这 一方法持怀疑态度。 第一章文献综述：污染底泥的檀物修复技术 1 2 1 5 热处理法 对于具有挥发性的重金属，如汞等，热处理法可将其有效地从土壤中清除去。 其原理是向污染土壤通入热蒸汽或用低频加热的方法，促使其从土壤中挥发并回 收再处理【4 】。在处理土壤时，首先将土壤破碎，向土壤中加入能够使挥发性重金 属化合物分解的添加剂，然后，再分两个阶段通入低温气体和高温气体使土壤干 燥，去除其它易挥发物质，最后使土壤汞汽化，并收集挥发的汞蒸汽。热处理法 对于修复挥发性重金属污染土壤是一种行之有效的方法，并可以回收重金属，它 的不足之处是易使土壤有机质和土壤水遭到破坏，而且耗能较大。 这些物化方法各有优点，但不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、 易产生二次污染等缺点，特别是在处理低含量重金属污染时，其操作费用和原材 料成本相对过高1 3 ) 。另外，对于大面积污染区，这些治理方法更突出了费用昂贵、 技术可操作性差的缺点【刀。据报道，对l h m 2 面积的污染土壤进行客土换土法， 每l m 深度的土体的耗费竟可高达8 0 2 4 0 0 万美元i s 。因此寻求一种合理有效的 方法，成为当前的一个热点。 1 2 2 植物修复技术 1 2 2 1 植物修复技术的概念及含义 植物修复技术( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学 元素的理论为基础，利用植物及其共存的微生物体系，清除环境中的污染物的一 门环境治理技术1 9 1 。广义上的植物修复是指利用植物吸收、提取、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的技术的总称，而狭 义的植物修复技术主要是利用植物清除污染土壤的重金属。但随着对重金属植物 修复技术的研究，根际分泌物在微生物群落的进化选择过程中的作用，以及根际 物理化学特性的研究，植物修复技术的含义得到应用和延伸口0 1 。 依据美国环保局的定义【“】：目前植物修复的对象主要是有毒重金属和有机 污染物，而用于修复的植物既有乔木、灌木、草类，也包括作物、水生植物，修 复的介质可以是固相的土壤、沉积物，也可以是液相的水。 1 2 2 2 植物修复的类型 植物对生长环境中的无机污染物和有机污染物都有不同程度的吸收、挥发和 降解等修复作用，有的植物甚至同时具有上述几种作用。根据植物在某一方面的 修复功能和特点可将植物修复分为以下几种类型： 4 第一章：l , - l e t 综述：污染底泥的植物修复技术 1 植物提取( p h y t o c x l r a c t i o n ) 植物提取即利用重金属富集能力较高的植物超量吸收、积累一种或几种重金 属元素，并将其转移到地上部分，通过收获地上部分并集中处理【1 2 】来达到减少 重金属含量的目的植物提取可永久地去赊环境中的污染物，它借助植物羽状根 系所具有的强烈吸收能力和巨大的表面来达到去除或者减少底泥中重金属污染 的目的叫 但提取效率问题一直是困扰环境科学界的难题。用植物提取修复环境中的重 金属，成功与否取决于两个方面：植物体内重金属含量的高低和植物生物量的大 小。用于植物提取的理想植物其地上部分积累的一种或几种有毒重金属含量要比 在同样生长条件下的普通植物的重金属含量高百倍甚至千倍以上，而且植株生长 快、干物质积累量大。在进行植物修复时，可针对场地的具体条件( 湿度、土质、 气候等) 选择种植一种或多种超富集植物，使之生长一段时间后再砍伐，最后通 过焚烧或堆肥方式使金属元素得到循环、回收再利用植物的种植、砍伐和焚烧 的过程可重复多次，直至污染土壤中的污染物含量减少到允许值为止因此在植 物修复的实际操作中，植物体内重金属含量比植株生物量的大小更有意义【l 卅，因 为植株或灰分中的重金属含量越高，对植株或灰分进行二次处理的成本就越低， 甚至通过回收重金属产生经济效益。 目前，已经发现的超积累植物有数百种，广泛分布于4 5 个科，其中n i 超积累 植物最多，主要是十字花科庭芥属。m h g u 殖和v c r g n a n o 是发现超积累植物的先 驱。超积累植物的发现促进了植物修复技术的发展，n i c k s 和c h a m b e r s 的研究表 明，在蛇纹岩形成的富n i 的土壤上种植n i 的超积累植物s t r e p t a n t h u sp o l y g a l o i d e s ， 辅助施用n 、p 、k 后植物生物量增长5 倍，通过焚烧回收重金属，这种思想引入 到环境领域即形成重金属污染土壤的植物修复概念l t s l 1 6 1 。超积累植物的概念引 入我国后，我国学者对超积累植物的分布进行了一些调查，例如c h e n 和w e i 1 刀 在中国南方发现包括芝麻、酸模、牡篱在内的一批舡超积累植物。因此开展河 道沿岸的现场植物调研，以期找到适宜修复该种河道底泥的土著植物种类，具有 重要的现实意义。 2 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 植物挥发，是指通过植物的吸收，促进某些重金属或类金属转化为可挥发态， 挥发出土壤和植物表面，从而散发到大气中的过程【i 蜘一些金属如s e 、a 5 和h 毫 等可以生物甲基化而形成可挥发的分子。具体地说，植物在吸收营养物质过程中， 由于某些重金属元素与植物所需营养元素具有相似的化学结构会被植物吸收到 植物体内，如c d 与c a 、z n 相似，a s 与p 相似n 9 1 ，s e 与s 相似【2 0 】等。进入植物体内 ， 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 的金属污染物到达表皮层后被植物代谢掉，或是成为植物的成份之一，或是通过 气孔挥发到大气中阱1 1 2 2 如烟草能使毒性较大的二价汞离子转化为气态汞1 2 3 】 常见的体现植物挥发机理的植物有花椰菜( b r a s s i c ao l e r a c e ab o t r y t i sl ) 、卷心菜 ( b r a s s i c a o l e r a c e a c a p i t a t a 工i ) 、胡箩b ( d a u c u s c a r o t a l ) 、水稻( o r 弦a $ a f i v a l ) 、 苜蓿等( m e d i c a g o s a t i v a 上) 、大麦( h o r d e u m v u l g a r e l ) t 2 4 】等。 现代分子生物技术和基因工程的介入，使得植物挥发技术有了更大的发展， r u g h l 2 5 】等已成功的将细菌中的h 9 2 + 还原酶基因导入拟南芥，使植物耐汞的能力 大大提高，并且这种转基因植物还可将h 9 2 + 还原为挥发态的h g ，促进了h g 从土 壤中的挥发。但同时要注意的是分子汞仍然是有毒。a s 可能是另一个可被生物 吸收和挥发的元素，在植物体内，加主要积累在根部，较少向地上部运输。 3 植物钝化( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 植物钝化又叫植物稳定，是指利用一些植物的根际作用，即通过植物根系的 吸收沉淀或还原作用，改变土壤的物理、化学、生物等条件，降低重金属的活性， 使植物污染物惰性化或转变为低毒形态，或使其发生沉淀或被束缚在腐殖质上， 从而减轻有毒重金属对植物的毒害，减少其对环境和人类健康风险的一种污染治 理方法【2 6 】。在这一过程中，底泥或土壤中的重金属含量并没有减少，只是形态 发生变化。这方面最有应用前景的是p b 和c r 植物在钝化中主要有两种功能：一是保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏， 防止金属污染物的淋移；另一种是通过金属在根部的积累和沉淀或根系吸收来加 强土壤中污染物的固定。如植物能使c ，变为c ，【2 刀，c ，具有较高的毒性，而 c r 3 勺e 常难溶，且基本没有毒性。c u n n i n g l l a m 等渊在研究植物对土壤中p b 的固定 作用时，发现一些植物可以降低p b 的生物可利用性，缓解p b 对环境中生物的毒 害作用。 然而，植物固化并没有彻底清除土壤中的重金属，只是将其固定，使其对环 境中的生物暂时不产生毒害作用，没有从根本上解决重金属的污染问题【2 9 】。如 果环境条件发生变化，重金属的生物有效性又会发生改变。因此，植物稳定的持 久性令人怀疑。 4 植物过滤或根际过滤( p h y t o f i l t r a t i o no rr h i z o f i l t m t i o n ) ) 根际过滤又叫植物过滤技术，是指将特定的植物种植在重金属污染的介质 中，利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中重金属元素后， 将植物收获处理，达到治理水体重金属污染的目的 3 0 1 。水生植物、半水生植物 和陆生植物均可作为根系过滤的材料。用于根际过滤的理想植物为：根系生长迅 速、根系在一相对较长的时间内有较高的清除重金属的能力，例如水科植物浮萍 6 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 和水葫芦可有效吸收清除水体中的铜和硒 3 2 1 目前已筛选出的较为理想的根 系过滤植物有印度芥菜，向日葵，宽叶香蒲等等。植物幼苗特别适合用于废水的 处理，因为植物幼苗根系表面积与体积之比较大、生长迅速、吸收或吸附有毒金 属离子的能力强，而且培养过程简单 对于不同的金属离子来说，植物根系或幼苗清除有毒金属离子的机理不尽相 同如清除p b 的机理有沉淀和离子交换吸附，在丑j u n c e a 的根系细胞壁上形成沉 淀( 多为p b 的碳酸盐类【3 3 】) ，在其根系中主要与羟基结合；p b 也可交换性的吸 附到细胞壁的负电荷上，可能是果胶酸p 4 】。 1 2 2 , 3 植物修复的优点 植物修复属于原位修复的范畴，因此其与其它物理、化学和工程方面的治理 技术相比，利用植物修复的方法来治理重金属和有机物复合污染的底泥具有其独 特的优点： l 成本低，可以在大面积污染土壤和底泥上使用。据估计，把p b 含量从o 1 4 降低到0 0 4 ，每年种植3 季、每季收获干物质4 0 th a 1 ，共种植1 0 年。植物收 获后在填埋厂进行处理，在美国的条件下所需费用为2 7 9 ，o o o $ h a l ，而挖掘和填 埋的处理费用为1 , 6 2 0 ，0 0 0 5h a 1 ，用土壤淋洗法的处理费用为7 9 0 ，o o o $ h a 1 【3 5 1 2 植物修复可以使地表稳定，防止污染土壤因水土流失而带来的污染扩散， 且其不破坏生态环境，能使土壤保持好的结构和肥力，无需进行二次处理即可进 行农作物的种植，符合可持续发展的战略。 3 通过对植物的集中处理造成二次污染的机会较少，且通过对植物体内重金 属的回收，能产生一定的经济效益。因为n i 的市场价格为$ 7 5 0 0 t ，z n 为$ 1 0 0 0 t 。 4 植物修复的过程也是绿化环境的过程，易于为公众和社会所接受。 1 2 3 微生物修复技术 用微生物修复有机污染物的研究较多，而重金属污染的微生物修复方面的研 究和应用较少，近几年随着对植物根际微生物效应的研究不断深入，微生物修复 才引起人们的重视重金属污染的微生物修复主要包括：生物吸附( 重金属被生 物体所吸附的过程) 和生物氧化还原( 利用微生物改变重金属的氧化还原状态来 降低环境或水体的重金属水平) 。 生物吸附技术用于废水中重金属离子的治理，可以通过收集吸附重金属后的 植物体来降低水中的重金属。而在生物氧化还原方面，可利用微生物在好氧或厌 7 第章文献综述：污染底泥的植物修复技术 氧条件下，还原重金属离子来降低重金属的毒性，如c r 6 + 一c ，h 9 2 + _ h g o1 3 6 在微生物修复中，也常利用微生物的氧化反应。如在含高浓度重金属的污泥中加 入适量的s o ，微生物即可利用s o 作为电子供体将s o 氧化为硫酸盐，降低污泥的 口h ，提高重金属的移动性口7 】【3 明 由于植物联合微生物修复、尤其是菌根真菌能提高植物对重金属耐性和吸收 能力，因此微生物的作用也得到越来越多的研究 1 3 植物修复的机理 污染土壤、底泥的植物修复主要集中在利用超富集植物修复其中的重金属和 利用微生物降解其中的有机污染物，而近几年利用植物降解有机污染物也有实际 应用【3 9 1 1 4 0 1 而目前不论底泥或土壤污染都不是单一的污染，往往都是有机物与 重金属、甚至有机物与几种重金属的复合污染【4 l 】，因此必须了解植物富集重金 属的机制及其影响植物富集过程的外在环境诱导、植物及根际微生物对有机物的 降解机理、以及重金属和有机污染物的复合作用对植物和微生物的影响，以期找 到修复复合污染河道底泥的最佳技术方案 1 3 1 重金属的植物修复机理 植物对重金属的修复包括植物自身的吸收、运输和对重金属的忍耐、以及植 物的根际行为两方面的机制，具体的见图1 - 3 所示。 图1 3 超积累植物积累重金属的主要步骤6 9 l 8 第一章文献综述：污染底泥的檀物修复技术 1 3 1 1 植物对重金属的吸收和富集 1 根系的吸收 植物根系对重金属的吸收包括离子的主动吸收和被动吸收。金属离子的主动 吸收需要供给能量，其可以逆浓度梯度进行；离子的被动吸收不需要耗费代谢能。 对非超积累植物来说，自由离子是吸收的主要形态，而土壤或底泥溶液中的自由 离子浓度是非常有限的。而对超积累植物来说，离子的吸收可能有载体调节运输， 因为即使在外界重金属浓度很低时，其体内的重金属含量仍然高出普通植物很 多。b r o w n 等发现7 c a e r u l e s c e n s 对z n 的吸收可能存在主动吸收1 4 2 】，l a s a t 等报 道t c a e r u l e s c e n s 对z n 吸收的最大速率为非超积累植物t h l a s p i a r v e l k g e 的4 5 倍， 而i o n 值没有显著的差异，显示z n 的吸收主要受膜上的主动转运器( a c t i v e 植物能忍耐较高浓度的重金属是因为植物可以通过限制对重金属的吸收，降 低体内的重金属浓度 4 4 1 1 4 5 1 如小麦和玉米对重金属具有较强的耐受性，其中累 积的重金属量较少，而耐性较差的菜豆累积量较多嗍。蝇子草属的s f l e n ev u l g a r i s 耐细胞系中，c u 的累积量明显低于敏感细胞系 4 7 1 ，s c u c u b a l u s 的耐c d 细胞系 中，c d 的累积量也明显低于敏感细胞系【4 8 】，其耐性细胞系主要是通过降低重金属 c u 和c d 向细胞质中运输速率而解毒【4 9 】【5 0 l ；在同一植物种中，绒毛草( h o l c u s l a n a t u s ) 耐a s 品种体内a s 的累积速率远低于敏感品种。现已证明，耐a s 的绒 毛草品种基因组中有抑制砷酸盐塥$ 酸盐( a r s e n a t e p h o s p h a t e ) 吸收系统的基因， 该基因的表达能有效地降低细胞对a s 3 + 的吸收速率和细胞内a s 3 + 的累积速率， 从而减轻缸对植物的毒性刚。 2 向地上部的运输 超积累植物t c a e r u l e s c e n s 地上部分的z n 约有8 0 是以可溶的形态存在删】。 t o l a r 等报告该植物地上部分的可溶性z n 含量可达3 5 0 0 i _ t g g - 1 鲜重【5 2 】，l a s a t 等 证实z c a e r u l e s c e n s 吸收的z n 容易装载进木质部，木质部液汁中的z n 浓度是非 超积累植物t a r v e n s e 的5 倍多【5 3 1 。而在t a r v e n s e 中，根系中的z n 有较大一部 分分布在液泡中，不易装载进木质部而抑制向地上部的运输在木质部中，金属 元素与有机酸结合有利于元素向地上部分的运输。组氨酸和金属硫蛋白配合体可 以促进c d 向地上的运输【5 4 1 。n i 超富集植物a l y s s u ml e s b i a e u m 中的组氨酸在n i 的吸收和积累中有重要作用，在外界供应组氨酸可以促进a l y s s u mm o n t a n u m 根 系的n i 向地上部的运输【5 5 】s a l t 等人的研究证明t c a e r u l e s c e n s 的根中z n7 0 分布在原生质中，主要与组氨酸结合；在木质部液汁中z n 主要以水合阳离子形 9 第一章文献综述：污染底泥的植物修复技术 态运输，其余是柠檬酸1 5 6 1 因此，掌握不同重金属元素向地上运输的机理，以及能促进其向地上运输的 氨基酸和植物螯合剂对于提高植物修复效率有重要的意义。 3 重金属在植物体内的存贮 植物体内之所以能积累大量的重金属离子，是因为其在长期的进化过程中产 生了多种抵抗重金属毒害的机制，并且其可以通过自身的机制解除毒害作用。 1 ) 重金属超量富集植物可把重金属贮存在叶片的表皮毛( t r i c h o m e s ) 中，避 免重金属对叶肉细胞的直接伤害。如重金属c d 超量富集的芥菜( b r a s s i c ai u l l c e a l ) ，其叶片表皮毛中的c d 含量比叶片组织高4 3 倍，其主要的解毒机制之一就 是把c d 贮存在叶片的表皮毛中1 5 7 。在n i 超量积累植物a 1 e s b i a c u n 中，k r a m e r 等发现n i 主要贮存在表皮中【5 8 】；同样s a l t 等也报告b j u n e 叶片中c d 主要分 布在表皮组织；而在根系中，c d 主要以c d s 2 形式存在垆帅。 2 ) 植物对进入细胞内的重金属可通过区域化( 如a 1 和c d 累积在液泡或细