（环境科学专业论文）化学螯合剂和植物激素提高超富集植物提取重金属效率.pdf

中山人学硕l ：学位论文 东南景天叶片c u 、p b 、z n 的浓度最高上升了2 8 6 、1 2 9 、7 2 ；施加n t a 后，滇苦菜叶片c u 、p b 、z n 的浓度最高上升了1 2 4 、1 0 0 、6 8 ，东南 景天叶片c u 、p b 、z n 的浓度最高上升了7 7 3 、1 6 6 、6 7 。滇苦菜富集 系数和转运系数，东南景天富集系数在一定程度上得到了较大幅度的提升。 3 je d t a 能够有效提高两种植物对土壤重金属的提取效率：其中，滇苦菜c u 、 z n 的提取效率最大上升了4 3 和4 5 ：东南景天c u 、p b 、z n 的提取效率 最大上升了3 0 、2 0 、3 0 。施加n t a 后只有东南景天对c u 的提取效率 超过e d t a ，提升了6 8 ，其它重金属的最大提取均小于e d t a 处理的最大 提取。但是，两种螯合剂均会对植物生长产生抑制并导致生物量减产，在一 定程度上削弱了提高植物提取效率的成果。本研究中，n t a 对两种植物的生 物量减产高于e d t a ，表明n t a 的生物毒性高于e d t a 。土壤试验结果表明， 施加低剂量e d t a ( 5 m m o lk g 1 s o i l ) 能有效地提高两种超富集植物修复重金属 复合污染土壤的效率。 4 、水培试验中施加l 蛆后，与p b 溶液对照相比，滇苦菜的生物量、p b 转运和 富集、蒸腾作用都显著上升，说明从a 能够缓解p b 对滇苦菜的毒性胁迫作 用。1 0 0 1 t mi a a 处理中，滇苦菜根系和叶片生物量显著提高，蒸腾速率提高 了约2 0 ，叶片p b 浓度上升了3 7 3 ，叶片富集量上升了4 6 5 ，同时植物 提取效率也上升2 5 9 。滇苦菜对p b 提取效率的显著提高可能是通过i 从 缓解溶液中p b 毒性，改善根系生长状况并提高生物量，增强植物的蒸腾作 用，同时通过对养分元素吸收的调控来实现的。然而，施加e d t a 后，滇苦 菜对p b 的提取效率受到显著的抑制，这很可能是因为p b e d t a 复合物会阻 碍滇苦菜根系对p b 的吸收。本研究结果表明，施加植物激素i a a 可以提高 z n c d 超富集植物滇苦菜对重金属p b 的提取效率，可以视为辅助z n c d 超 富集植物滇苦菜修复多金属复合污染土壤的一种重要策略。 关键词：化学螯合剂植物激素重盒属污染超富集植物 中山人学硕i ：学位论文 e n h a n c i n g t h ep h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo f h y p e r a c c u m u l a t o r sw i t ht h ea p p l i c a t i o no fc h e m i c a l c h e l a t o r sa n dp h y t o h o r m o n e m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：d ur u i - j n n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i ur o n g l i a n g a b s t r a c t h e a v y m e t a lc o n t a m i n a t i o ni saw o d ds p r e a di s s u ec u r r e n t l y , p o s i n gg r e a tt h r e a tt ot h e s a f e t yo fe c o s y s t e ma n dh u m a nh e a l t h p h y t o e x t r a e t i o nt e c h n i q u e , k n o w na sa d o p t i n g g r e e np l a n t st oa b s o r ba n da c c u m u l a t eh e a v ym e t a l sf r o ms o i la n dp r o c e s s i n gt h e p l a n t sa f t e rh a r v e s t ，h a sa t t r a c t e dal o ta t t e n t i o ns i n c et h ei m p l e m e n t a t i o na i m sa t r e m o v i n gh e a v ym e t a l sf r o mt h es o i l i th a sb e e ns u g g e s t e dt h a to n eo ft h ek e y s t r a t e g i e st or e m e d i a t et h ep o l l u t e ds o i li s t oe n h a n c ep h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y t h r o u g hs c i e n t i f i ca p p r o a c h e s a p p l i c a t i o no fc h e m i c a lc h e l a t o r sa n dp h y t o h o r m o n e h a sb e e nc o n s i d e r e dt w oi m p o r t a n ts t r a t e g i e st oi n c r e a s ep h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , w h i l et h ee f f e c t sa n dm e c h a n i s m sm a ys h o wd i f f e r e n c e sa n ds i m i l a r i t i e sb e t w e e n t h e m i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so fe d t aa n dn t ao ne x t r a c t i n ga b i l i t i e so fh e a v ym e t a l c o n t a m i n a t e ds o i la n da s s i s t i n gh y p e r a c c u m u l a t o r sp i c r i sd i v a r i c a t aa n ds e d u m a l f r e d i it oe x t r a c th e a v ym e t a l s ，a n de f f e c t so fi a aa n de d t ao nl e a du p t a k eb y h y p e ra c c u m u l a t o rp i c r i sd i v a r i c a t aa r ed i s c u s s e dt op r o v i d eb e t t e ri n f o r m a t i o nf o r p h y t o r e m e d i a t i o ni nt h ef i e l d t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 e d t aa n dn t aa r ee f f e c t i v ei nm o b i l i z i n gc u ，p ba n dz ni nc o n t a m i n a t e d s o i l ，t h ee x t r a c t i n ga b i l i t i e si n c r e a s ew i t hi n c r e a s e da m o u n to fc h e l a t o r sa p p l i c a t i o n u 1 中山大学硕i ：学位论文 t h et r e a t m e n to f10 m m o lk g - 1 s o i le d t ac o u l dm o b i l i z e2 0 3 7 o fc u ，31 9 8 o fp b a n d6 3 9 o f z nf r o mt h ec o n t a m i n a t e ds o i l ；t h et r e a t m e n to f2 0 m m o lk g 1 s o i ln t ai s a b l et os o l u b l i s e2 8 0 2 o fc u ，2 7 6 6 o fp ba n d8 6 8 o fz n i nt h e10d a y s e x p e r i m e n tp e r i o d ，t h ec a p a b i l i t yo fe d t a t om o b i l i z em e t a l sd e c r e a s e sd r a m a t i c a l l y , w h e r e a sn t ar e m a i n se f f e c t i v eo f s o l u b l s i n gm e t a l s 2 i nap o te x p e r i m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fe d t aa n dn t ai se f f e c t i v ei n i n c r e a s i n gt h ee x t r a c t i o no fh e a v ym e t a l sb yt w oh y p e r a c c u m u l a t o r s ：a f t e ra p p l y i n g e d t a ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fc u ，p ba n dz ni nl e a v e so fp d i v a r i c a t ai n c r e a s e b y121 ，8 3 a n d7 3 ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fc u ，p ba n dz ni nl e a v e so f s a l f r e d i ii n c r e a s eb y2 8 6 ，12 9 a n d7 2 w i t hn t aa p p l i c a t i o n , t h eh i g h e s t c o n c e n t r a t i o n so fc u ，p ba n dz ni nl e a v e so fpd i v a r i c a t ai n c r e a s eb y12 4 ，10 0 a n d6 8 ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fc u ，p ba n dz ni nl e a v e so fs a l f r e d i ii n c r e a s e b y7 7 3 ，16 6 a n d6 7 m e a n w h i l e ，e n h a n c e m e n to f t h eb i o a c c u m u l a t i o nf a c t o ro f pd i v a r i c a t aa n d a l f r e d i i ，a n dt h et r a n s p o r t a t i o nf a c t o ro fpd i v a r i c a t ah a sb e e n o b s e r v e di nt h i sr e s e a r c h 3 e d t aa d d i t i o ni se f f e c t i v ei ne n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo fp h y t o e x t r a c t i o nb y t w oh y p e r a c c u m u l a t o r s ：w i t ht h ea p p l i c a t i o no fe d t a ，t h eh i g h e s tp h y t o e x t r a c t i o n e f f i c i e n c yo fc ua n dz no fpd i v a r i c a t ai n c r e a s eb y4 3 a n d4 5 ；t h eh i g h e s t p h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fc u ，p ba n dz no fs a l f r e d i ii n c r e a s eb y3 0 ，2 0 a n d 3 0 a p p l i c a t i o no fn t ao n l yi n c r e a s e st h ec up h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo f & a l f r e d i ib y6 8 h o w e v e r , b o t he d t aa n dn t ai n h i b i tt h eg r o w t ha n dc a u s et h e b i o m a s sr e d u c t i o no ft w oh y p e r a c c u m u l a t o r s ，t h u su n d e r m i n i n gt h ep h y t o e x t r a c t i o n e f f i c i e n c y i nt h i ss t u d y , t w oh y p e r a c c u m u l a t o r ss h o wg r e a t e ri n h i b i t i o na n db i o m a s s r e d u c t i o n 、) i r i t hn t a a p p l i c a t i o nt h a ne d t a ，i n d i c a t i n gn t ap o s e sg r e a t e rt o x i c i t y t h a ne d t aw h i c hm a yr e s u l tf r o mt h ef a c tt h a tb i o d e g r a d a t i o no fe d t ai sb e t t e rt h a n n t ai nt h i se x p e r i m e n t r e s u l t so fp o te x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tl o wd o s ea p p l i c a t i o n o fe d t a ( 5 m m o lk g 1 s o i l ) w a se f f e c t i v ei ne n h a n c i n gt h ep h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y o ft w oh y p e r a c c u m u l a t o r si nm u l t i - m e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l 4 i nah y d r o p o n i ce x p e r i m e n t ，pd i v a r i c a t ar e s p o n d st op bb ya ni n c r e a s e d b i o m a s sa n de n h a n c e dt r a n s p i r a t i o n ，a c c u m u l a t i o na n dt r a n s l o c a t i o no fp bi np r e s e n c e 中山人学硕i ：学位论文 o fp h y t o h o r m o n e i a a ，w h i c ha l s or e d u c e dt h ei n h i b i t i n ge f f e c t so fp bo n t r a n s p i r a t i o nw i t h o u tr e d u c i n gt h eu p t a k eo fp b ，i n d i c a t i n gt h a ti a aa p p l i c a t i o nc o u l d a l l e v i a t et h et o x i c i t yo fp bt o 尸d i v a r i c a t a t h ea p p l i c a t i o no f10 0 i t mi a a s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h er o o t sa n dl e a v e sb i o m a s s ；a n dp l a n tt r a n s p i r a t i o ni n c r e a s e s b y2 0 ，p bc o n c e n t r a t i o ni nl e a v e si n c r e a s e sb ya b o u t3 7 3 a sc o m p a r e dt o t r e a t m e n te x p o s e dt op ba l o n e ，t h ep bu p t a k eo fl e a v e si sa l s oi n c r e a s e db ya b o u t 4 6 5 a n dt h ep h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sb y2 5 9 t h e e n h a n c e dp h y t o e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yc o u l db ea t t r i b u t e dt oi a at h r o u g ha l l e v i a t i n gp b t o x i c i t y , c r e a t i n gab e t t e rr o o ts y s t e ma n db i o m a s s ，p r o m o t i n gah i g h e rt r a n s p i r a t i o n r a t ea sw e l la sr e g u l a t i n gt h el e v e lo fn u t r i e n td e m e n t s o nt h ec o n t r a r y , i n e f f i c i e n c y o fp h y t o e x t r a c t i o nw a sf o u n dw i t he d t ao rt h ec o m b i n a t i o no f 姒a n de d t a p r o b a b l yb e c a u s em o s tp bw a si nt h ef o r mo fp b - e d t ac o m p l e xw h i c hb l o c k e dt h e u p t a k eb yp d i v a r i c a t a t h ep r e s e n ts t u d yd e m o n s t r a t e dt h a ti a aw a sa b l et oe n h a n c e t h ep h y t o e x t r a c t i o no fp bb yz n c dh y p e r a c c u m u l a t o rpd i v a r i c a t a ，p r o v i d i n ga f e a s i b l em e t h o df o rt h ep h y t o r e m e d i a t i o no f p o l y m e t a u i cc o n t a m i n a t e ds o i l s k e yw o r d s ：c h e m i c a lc h e l a t o r s ，p h y t o h o r m o n e ，h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o n ， h y p e r a c c u m u l a t o r v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名勿 p 兽名 易其夕b 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，l i p ：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文 靴做储戤一师签名：i 峥概 i 幽广年石月厂日 中山人学硕i ：学位论文 第1 章前言 1 1 土壤重金属污染概况 重金属( h e a v ym e t a l ) 是在生物学效应和工业生产等方面具有重要意义的一 大类元素，一般指的是密度大于5 9 锄3 的金属，大约有4 5 种( a l l o w a y , 1 9 9 7 ) 。 自工业革命以来，随着社会生产的发展和人类活动的不断加剧，重金属污染已经 成为人们关注的全球性的环境问题。环境污染中所指的重金属主要包括p b 、z n 、 c u 、c d 、c r 、n i 、h g 、a s 、s n 、c o 等( m u l l i g a ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 伴随着全球工业化的发展，工业“三废的大量排放、农药和化肥的大量使 用、污水和污泥的直接农用、矿山开采、金属冶炼与加工、电池生产和油漆制造、 城市生活垃圾的不断产生，以及战争与军事训练等人类活动，污染了大量的土壤 ( a l l o w a y , 19 9 5 ) 。 土壤重金属污染会造成一系列的问题，威胁人类的健康和生态系统的正常功 能。例如矿山尾矿中大量存在的硫元素与水和大气中的氧发生反应生成酸性矿山 废水( a m d ) ，其极强的酸性和富含的高浓度重盒属，随着降雨和矿山排水带入水 环境或直接进入土壤，直接或间接地造成土壤重金属污染( s t o l t z , 2 0 0 4 ) ，不但会 导致土壤退化、农作物减产及其品质的下降，而且会通过污染地表水和地下水( 王 向健等，2 0 0 4 ) 、进入食物链等途径危及人类的健康，对生态环境造成极大的危害。 与大气和水体等流体介质相比，重金属一旦进入土壤，不容易分解，在土壤 中停留的时间更长、迁移转化更加复杂，更加难以治理。土壤重盒属污染有其独 特的特点，包括普遍性、隐蔽性和滞后性、长期性和累积性、不可逆转性、多样 性和难治理性( 陈怀满等，1 9 9 6 ) 。长期以来积累在土壤中的难降解重金属污染物 很难通过土壤自净作用进行恢复，一些被重金属污染的土壤可能需要1 0 0 2 0 0 年 才能够恢复( a n d e r s o n ，1 9 9 3 ) 。 1 2 土壤重金属复合污染 复合污染是指两种及以上不同种类不同性质的污染物，或两种及以上不同类 型的污染物或不同来源的同种污染物，在同一环境中同时存在所形成的环境污染 现象( 何勇田等，1 9 9 4 ) 。 中山大学硕 ：学位论文 土壤中的重金属很少以单一的形式存在，往往表现出多种重金属以及重金属 和其他污染物共同构成的复合污染( 谢正苗等，1 9 9 7 ) 。土壤重金属的复合污染能 导致重金属之间发生交互作用，使得土壤的生态毒性发生变化，同时会影响重金 属污染物赋存状态及其生物可利用性，这些为重金属污染土壤的治理与修复工作 带来了困难( 周东美等，2 0 0 4 ) 。 土壤重金属复合污染的交互作用较为复杂，其机理主要包括：竞争结合位点 ( s t e w a r te ta 1 ，1 9 9 9 ) 、干扰正常生理过程( 秦天才等，1 9 9 8 ) 、螫合作用和沉淀作用 ( s h a r m ae ta 1 ，1 9 9 9 ) 。同时，土壤重金属复合污染的机理也与土壤的特殊性质、 重金属浓度及其比例、植物种类和不同组织部位等都有一定的关系( a b d e l s a b o u r e ta 1 ，1 9 8 8 ；w e l t j e ，1 9 9 8 ) 。 1 3 重金属污染土壤修复技术研究进展 1 3 1 物理修复方法 1 1 换土法。换土法一般是指通过土壤深翻过程，将污染土壤翻至土壤底层， 也指移除污染土壤同时换上清洁土壤，或是将清洁土壤覆盖污染土壤，从而将污 染土壤与生态系统有效地进行分离，以减低重金属对环境的影响。换土法适用于 重金属污染严重的、面积相对较小的土壤修复，缺点是由于操作、运输以及特定 填埋场条件等使得工程量较大同时费用较高，不能够广泛进行推广和使用。 2 ) 玻璃化法。玻璃化法是指在高温高压条件下，重金属污染土壤形成玻璃 态物质，使得重金属被固定在该玻璃态物质中，从而达到修复重金属污染土壤的 目的。玻璃化法同样适用于重金属重度污染土壤的修复工作，其优点在于见效速 度快，并且能从根本上消除重金属污染；缺点是工程量较大，费用昂贵。 1 3 2 化学修复方法 1 ) 化学固定法。化学固定是指通过向土壤中施加一定量的化学改良物质， 使其与土壤中的重金属发生化学反应，将重金属固定在土壤中或转化为可移动性 差、毒性较低赋存形念，实现降低重会属在土壤中的生物有效性的目的，从而减 少了重金属向地下水、水体、植物和其它环境的迁移。可施用的化学改良物质包 括有机物质、粘土矿物、多金属氧化物以及其它生物材料等。在沈阳张士污灌区 的试验表明，当每公顷土壤施加1 5 0 0 1 7 0 0 k g 石灰时，作物籽实中c d 含量显著 2 中山人学硕i ：学位论义 下降了5 0 ( 陈怀满等，1 9 9 9 ) 。化学固定法适用于大面积、污染程度重的土壤修 复，其成本较物理修复方法相对较低。其缺点是不能从根本上移除土壤中的重金 属，只能在一定时期内达到稳定土壤中重金属的目的，经过一段时间后，随着环 境条件的变化和化学改良物质的分解或失效，固定在土壤中的重金属可以从土壤 中缓慢释放，重新变为生物可利用形态，再次造成环境风险。 2 ) 化学淋洗法。化学淋洗是指通过施加化学试剂进行辅助的方法，溶解或 活化土壤中不可移动或难以移动的重金属，把土壤固相中的重金属转移到土壤液 相中，增强重会属在土壤中的移动性，通过淋沈的方式将淋洗液浓缩并进一步处 理，进而达到有效移除土壤中重金属的目的。化学淋洗方法一般应用于异位土壤 修复中，也能够从根本上修复重金属污染土壤，缺点在于可能会破坏土壤结构。 化学淋洗法的关键是淋洗剂的选择，既不破坏土壤结构，有能够有效的提取土壤 中的重金属( 崔德杰等，2 0 0 4 ) 。用于化学淋洗的试剂包括螯合剂、表面活性剂、 有机酸和无机酸、碱和盐等。与化学淋洗相对应的一种土壤化学修复方法为化学 冲洗法，一般应用于原位土壤修复中，通过施加水或化学试剂以移除土壤中重金， 化学冲洗法的缺点是容易导致地下水受重金属污染，从而造成环境生态风险。 1 3 3 生物修复方法 生物修复是指利用生物技术来修复重金属污染土壤的一种方法，包括动物修 复、微生物修复、植物修复三类。由于生物修复方法效果较好，成本较物理、化 学修复低，并且易于操作，因此越来越受到人们的关注，已经成为修复重金属污 染土壤的研究热点。 1 ) 动物修复。动物修复一般指土壤中的一些低等动物，例如蚯4 1 ( 高岩等， 2 0 0 5 ) 强化修复重金属污染的土壤，一定程度上达到降低土壤中重金属含量的方 法。 2 ) 微生物修复。微生物修复是指微生物通过沉淀、氧化还原反应、胞外络 合以及胞内累积等作用，改变土壤中重金属的化学特性，降低土壤中重金属的毒 性，改变植物的根际微环境，从而达到达到降低或消除土壤重金属污染的目的( 崔 德杰等，2 0 0 4 ；耿春女等，2 0 0 2 ) 。也有文献报道蚯蚓和菌根联合修复重金属污染 土壤，研究发现接种蚯蚓可以提高菌根的侵染率，二者具有促进c d 向黑麦草地 上部转移的协同作用( 成杰民等，2 0 0 5 ) 。 3 中山人学硕l ：学位论文 3 ) 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 。植物修复一般指利用自然生长的植物或转 基因来稳定、降解或富集环境介质中的污染物，以达到修复和改善污染环境的目 标的一类技术总称( s a l te ta 1 ，1 9 9 5 a ；p i l o n - s m i t h s ，2 0 0 5 ；p a d m a v a t h i a m m ae ta 1 ， 2 0 0 7 ) 。相比传统的物理和化学修复技术方法，植物修复具有低成本、环境友好 和保持土壤生产力等特点，因此植物修复也逐步成为国际土壤重金属污染修复的 研究热点领域。根据重金属污染土壤的植物修复技术的作用过程和机理，该技术 可分为以下几种类型： ( 1 ) 植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 植物稳定是指利用耐重金属植物根系的吸收和沉淀来固定土壤中的重金属， 降低土壤中重金属的移动性和生物可利用性，进而降低重金属扩散到地下水和食 物链对生态环境和人类健康所产生的风险( p u l f o r de ta 1 ，2 0 0 3 ) 。植物稳定技术目 前主要用于矿区污染土壤的修复，其优点是成本低、易于操作，缺点是周期长， 并且不能从根本上消除重金属污染。 ( 2 ) 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 植物挥发是指利用某些植物的特殊生理活动来吸收、积累重金属，并促使重 金属转变为可挥发形态，进而从植物表面或土壤表面挥发逸出，达到降低土壤重 金属污染的目的( b a n u e l o s e ta 1 1 9 9 3 ) 。目前植物挥发技术方面研究较多的是液体 金属元素h g 和非金属元素s e 。植物挥发技术的优点是成本较低、不需要收获和 处理植物，缺点是金属污染会逸散到大气中，可能造成二次污染，对环境和人类 健康存在一定的影响。 ( 3 ) 根际过滤( r h i z o f d t r a t i o n ) 根际过滤是指发挥某些植物的羽状根系所具有的强烈吸持作用，通过吸收、 农集和沉淀作用来去除污水中的重金属，最后收获和处理植物，已达到修复重金 属污染水体的目的( d u s h e n k k o ve ta 1 1 9 9 5 ) 。根际过滤技术适用于重金属污染水 体的修复。 ( 4 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 植物提取是指利用某些植物吸取土壤中一种或几种重金属污染物，并转移和 储存在植物体内，最后通过收获和处理植物以达到修复重金属污染土壤的目的 ( s a l te ta 1 ，1 9 9 8 ) 。用于植物提取技术的植物有两类：超富集植物和大生物量植物。 4 中山人学硕 ：学位论文 植物提取策略也可分为两类：连续植物提取策略和螫合剂强化植物提取策略；连 续植物是指用通过连续种植超富集植物或大生物量植物来降低土壤重金属污染。 植物提取技术能够彻底地清除土壤中的重金属，从而减轻土壤污染，是目前植物 修复研究的主要和热点方面。 1 4 超富集植物与植物提取 1 4 1 超富集植物的定义 19 7 7 年，b r o o k se ta 1 ( 19 7 7 ) 首次提出超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 概念； 1 9 8 3 年，c h a n e y ( 1 9 8 3 ) 提出利用超富集植物清楚土壤中中金属污染的思想。超富 集植物是指根系能够大量吸收重金属并转运到地上部的植物。通常认为在相同的 环境条件下，超富集植物所富集的重金属含量超过普通植物1 0 0 倍( b a k e re ta 1 ， 1 9 8 9 ) ，同时植物地上部( 茎和叶) 重金属含量应大于植物根系的重金属含量 ( b r o o k se ta 1 ，1 9 9 8 ) 。也有学者提出富集系数和耐性也是衡量超富集植物的重要 特征：富集系数指的是植物地上部重金属含量与土壤重金属含量比值大于l ；耐 性特征是指对于人为控制实验条件下的植物来说，重金属胁迫下植物地上部生物 量与对照相比没有明显下降( 魏树和等，2 0 0 4 ) 。目前世界上已报道的超富集植物 超过5 0 0 种，广泛分布于植物界的5 0 个科以上，其中以n i 的超富集植物种类最 多。 1 4 2 多金属超富集植物 多金属超富集植物指的是能够富集两种或两种以上重金属的植物，目前发现 的能同时超富集两种或以上重盒属的植物有1 4 种。例如t h l a s p ic a e r u l e s c e n s ( 天 蓝遏蓝菜) 地上部能够积累近3 0 0 0 0 m gk g 的z n 和1 0 0 0 0 m gk g - 1 的c d ，并不表 现明显的中毒现象( s h e ne ta 1 ，1 9 9 7 ；l o n b ie ta 1 ，2 0 0 0 ) ：同样的，s e d u ma l f r e d i i ( 东 南景天) 地上部能够富集2 0 0 0 0 m gk 岔1 的z n 和近9 0 0 0 m gk 9 1 的c d ( y a n ge ta 1 ， 2 0 0 2 ；y a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) ：p i c r i sd i v a r i c a t a ( 滇苦菜) 的叶片能够富集1 5 1 3 8 m gk g - 的z n 和3 6 4 m gk 9 1 的c d 同时不出现中毒症状( t a n ge ta 1 ，2 0 0 9 ) ：a r a b i s p a n i c u l a t a ( 圆锥南芥) 在水培条件下可吸收2 2 8 8 2 m gk 矿1 的p b 、7 7 4 4 2 m gk g 1 的 z n 和3 5 6 9 r n gk g 1 的c d ，是一种具有修复潜力的三金属超富集植物( 汤叶涛等， 2 0 0 5 ) 。 5 中山人学硕1 ：学位论文 1 4 3 超富集植物进行提取的优缺点 采用超富集植物提取重金属的优点主要有：成本较低、价格低廉；原位修复， 相比传统的物理化学修复技术，减少了对土壤结构的破坏；环境友好，太阳能驱 动；条件易于控制，简单易操作；能从根本上缓解和清除重金属污染；能产生一 定的经济效益，提取的重金属可以回收利用。 尽管应用超富集植物修复重金属污染具有以上的一些优点，拥有较大的潜 力，但是仍然存在着一些不足之处，主要有( c l e m e n sc ta 1 ，2 0 0 2 ；p i e c h a l a ke ta 1 ， 2 0 0 3 ；s t e w a r te ta 1 ，1 9 9 9 ；e r n s t ，2 0 0 5 ；p i l o n s m i t s ，2 0 0 5 ) ：超富集植物的生长需 要适宜的条件，对土壤肥力、气候、水分、酸碱度、灌溉与排水系统等需要一定 的要求；大多数超富集植物生物量低、生长缓慢，达到环境质量标准要求的修 复周期较长；超富集植物根系一般较浅不够发达，对表层污染土壤的修复较为 有效，但是对深层土壤污染修复效果不佳；用于修复的植物多为野生型植物， 区域性分布较强，严格的适生性使成功引种受到严重限制绝大多数超富集植物 对重金属富集具有专一性，只能忍耐和富集一种或两种在一定浓度范围内的重金 属元素，当土壤中目标重金属含量过高或存在其他重金属时会表现出某些中毒症 状，从而限制了对重金属复合污染土壤的修复；需要处理好植物的落叶，否则 可能发生二次污染；受重金属的生物有效性限制，部分中度和高度污土壤中重 金属的植物有效性并不高，导致超富集植物无法从土壤中大量提取重金属，使得 修复效率低下。 1 4 4 超富集植物富集重金属的根系机制 1 ) 根际活化作用。一些研究认为，超富集植物能够通过其根系分泌某些分 泌物( 例如质子、有机酸等) 酸化、沉淀、螯合等过程改变植物的根际环境，促进 根际周围重金属的溶解和释放，提高重金属的植物有效性，最终增加了超富集植 物对重金属的吸收( m ae ta 1 ，1 9 9 7 ) 。m c g r a t he l ：a 1 ( 1 9 9 7 ) 研究发现硝酸铵提取态 z n 在生长期间减少仅占t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 吸收量的1 0 ，推断可能是因为植 物根系分泌物活化了土壤中部分难移动的z n 。z h a oe ta 1 ( 2 0 0 1 ) 的研究指出，根 系分泌物不能够提高重金属的活化效率，因而不是超富集植物吸收重金属的机 制；h u t c h i n s o ne ta 1 ( 2 0 0 0 ) 通过同位素稀释技术得出zc a e r u l e s c e n s 只能利用土 壤中有效念的重会属，而w h i t i n g e ta 1 ( 2 0 0 1 ) 通过zc a e r u l e s c e n s 与的套种，间接 6 中山人学硕1 ：学位论文 证明zc a e r u l e s c e n s 并不能有效利用或移动土壤中稳定态重金属。因此目前还缺 乏直接的证据证明根际酸化和根系分泌物能促进土壤中重金属溶解和根系吸收。 2 1 重金属跨根细胞膜运输。重金属进入超富集植物的根部分为两个阶段， 首先是根系细胞壁的吸附过程，其次是金属离子的跨细胞膜吸收过程。富集型 zc a e r u l e s c e n s 和非富集型za r v e n s e 相比，在吸收z n 时，两者的k m ( 米氏常数) 没有明显区别，但是zc a e r u l e s c e n s 的v m a x ( 最大吸收速率) 约为z 口恍淞p 的4 5 倍，间接证明zc a e r u l e s c e n s 根部细胞质膜上有更多( 更密) 的z n 2 + 运载蛋白( l 嬲a t e ta 1 ，1 9 9 6 ) ；p e n c ee ta l 。( 2 0 0 0 ) 的分子生物学研究证实了l a s a t 等人的观点。 3 ) 根系觅食作用。研究表明，一些超富集植物对重金属的吸收存在觅食性 现象。s c h w a r t ze ta 1 ( 19 9 9 ) 和w h i t i n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 发现zc a e r u l e s c e n s 在富z n 斑 块出现了根系增生现象，这些研究表明zc a e r u l e s c e n s 具有一定的z n 觅食性行 为。h a i n e s ( 2 0 0 0 ) 研究发现，当z n 在土壤中异质分布时zc a e r u l e s c e n s 表现出了根 部z n 觅食性反应，6 7 根系分布在含z n 较高的区域( 斑块) 内，同时，相比z n 均质分布条件，异质条件下zc a e r u l e s c e n s 有相似的地上部z n 含量，并取得了 更高的生物量。l i ue ta 1 ( 2 0 1 0 ) 的土壤试验发现，s e d u ma t f r e 砌约9 0 的根系分 布在富z n c d 区域，显示出了极强的觅食性特征，并推断& a l f r e d i i 的觅食性机 制可能与其对z n c d 的内在需求有关。 1 5 提高植物提取效率的途径 1 5 1 水分调节 某些超富集植物是在矿山干旱土壤中发现的，它们不仅能够忍耐高浓度的土 壤重会属，还能够耐受干旱的生长条件，例如在云南矿山发现的滇苦菜( 汤叶涛 等：2 0 0 9 ) 。但是在过度缺乏水分的情况下，一些超富集植物对重金属污染土壤的 修复效率会大打折手l ：l ( a n g e le ta 1 ，2 0 0 3 ；m a r c h i o le ta 1 ，2 0 0 4 ) 。因此需要进行合理 的水分调节管理，从而提高植物提取效率( w h i t i n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。a n g e le ta 1 ( 2 0 0 3 ) 发现两种n i 超富集植物在田间持水量8 0 时的修复能力分别是3 0 持水量条件 下的7 7 倍和3 7 倍，在土壤水分含量很低时，植物的生长会受到明显的抑制，而 随着f f l 间持水量的增加，超富集植物的重金属含量也随之升高。 1 5 2 栽培调节 7 中山大学硕十学位论文 栽培措施虽然不同于超富集植物的生理内在机制，也未改变土壤性质，但是 在修复污染土壤时，