（环境工程专业论文）重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名垄重日期五! ! 盘! 日望日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部和部分内容 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄! 童 导师签名： 日期：趁堕目2 。目 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 摘要 为了达到植物修复重金属污染土壤的目的，本试验选择十种植物分别针对 锌、铅、铜、铬、镉五种重金属展开了水培和砂培条件下的耐性植物筛选试验和 富集试验，并对筛选出来的耐性植物进行土培条件下的富集试验，随后进行了铅 锌复合胁迫下和添加诱导物质的盆栽试验，研究其对重金属污染的富集效应。 在野生植物耐性、富集性试验中选择喜早莲子草似l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e s ) 和鸭趾草( c o m m e l i n ac o m m u n i s ) 作为筛选对象。通过对喜旱莲子革五种重金属水 培条件下根伸长抑制率的比较，发现喜旱莲子草对铅、锌的耐性要好于铜、镉和 铬；在喜旱莲子草对铅、锌的水培富集试验中，当铅浓度为4 0 m g l 时，植株有 最大的富集系数4 9 ，而富集量是当铅浓度为8 0 m g l 时，达到了最大值3 2 9 4 1 2 m g k g ；在锌6 0 m g l 时，喜旱莲子草同时达到最大的富集系数6 3 和富集量 3 7 9 0 7 0 m g k g ，综合分析可知喜旱莲子草适合低浓度的铅、锌污染土壤修复。鸭 趾草耐性试验表明在五种重金属胁迫下鸭趾草对铜耐性最好，对铅次之。鸭趾草 对铅的富集试验结果表明鸭趾草对铅和喜早莲子草对铅采取了不同的抵御、富集 策略。在铅6 0 m g l 时，鸭趾草有最大富集量2 7 7 9 4 1 m g k g 和最大富集系数4 6 2 4 。 和喜旱莲子草一样，鸭趾草不太适合高浓度铅污染的土壤修复。 十字花科( c r u c i f e r a es p e c i e s ) 植物筛选实验通过对八种十字花科植物种子萌 发率的比较，得出二月兰( q r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) o e s c h u 功和新丰甘蓝 ( b r a s s i c a “l o r a p a p a s q x f ) 对锌的耐性最强。在随后的幼苗生长实验中，考察锌胁 迫下新丰甘蓝和二月兰生长状况，通过胚根伸长的比较，发现二月兰对于锌的耐 性要比新丰甘蓝高。接下来进行二月兰的盆栽试验以检验其对锌的富集能力。 二月兰单一锌胁迫下土壤盆栽实验结果表明当土壤中锌浓度低于7 5 0 m g k g 时，其富集能力要强于目前公认的富集性植物印度芥菜，并且地上部具有较强的 富集能力；依单一锌胁迫实验结果，进行了锌铅复合污染的盆栽实验，结果表明 铅的存在降低了二月兰地上部对锌的富集量；最后，通过根垫法研究添加不同浓 度e d t a 和柠檬酸条件下根际与非根际土壤重金属形态变化以及诱导物质对二 月兰生长、富集重金属效能的影响。结果表明e d t a 添加量为1 0 m g k g 时，可 以有效提高二月兰地上部富集量；和参照样相比，增加量为4 2 1 3 。 关键词：植物修复重金属十字花科二月兰 第3 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 a b s t r a c t i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs u c c e s s f u lp h y t o r e m e d i a t i o no fh e a v ym e t a l p o l l u t e ds o i l ，t e ns p e c i e so fp l a n t s a r ec h o s e na st h et e s tm a t e r i a l s t h et o l e r a n t s p e c i e ss e l e c t i n gt e s ta n dt h ea c c u m u l a t i o nt e s ta r ec a r r i e do u tu n d e rt h eh y d r o p o n i c a n ds a n d p l a n t i n gc o n d i t i o n ，a n dt h es o i l - p l a n t i n gt e s ti sc a r r i e do u tt oc h e c kw h e t h e r t h es e l e c t e dt o l e r a n tp l a n tc a nb ea b l et oh y p e r a c c u m u l a t eh e a v ym e t a l a l s o ，t h e s o i l p l a n t i n g t e s tu n d e rt h ec o n t a m i n a t i o no f m u l t i p l eh e a v y m e t a l sa n dt h e a c c u m u l a t i n g t e s ti n d u c e db ye d t a a n dc i t r i ca c i do b t a i ns a r i s f y i n ga n s w e r i nt h et o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o n t e s to fw i l d p l a n t s ，a l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e sa n dc o m m e l i n a c o m m u n i sa r ec h o s e na st h ec a n d i d a t e s b yc o m p a r i n g t h e r e s t r a i n i n g r a t eo fr o o t e l o n g a t i o n o fa l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e su n d e rt h e c o n t a m i n a t i o no ff i v ed i f f e r e n th e a v ym e t a l si nt h eh y d r o p o n i ct o l e r a n c et e s t ，i ti s f o u n dt h a ta l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e sc a ne n d u r eb e t t e ri nt h es o l u t i o no f z i n ca n d l e a dt h a ni nt h es o l u t i o no fc o p p e r ，c a d m i u ma n dc h r o m i u m ；i nt h eh y d r o p o n i c a c c u m u l a t i o nt e s to fa l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e s t o l e a d ，t h e a c c u m u l a t i o n c o e f f i c i e n to f a l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e st ol e a dr e a c h e s4 9w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n o fl e a ds o l u t i o ni s 4 0 m g l ，a n d t h e a c c u m u l a t i n g m a s s g e t s t h em a x i m u mo f 3 2 9 4 1 2 m g k gw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fl e a di s8 0 m g l i nt h ea c c u m u l a t i o nt e s tt o z i n c ，w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f z i n ci s6 0 m g l ，t h ea l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e sg e t s b o t ho fi t s h i g h e s ta c c u m u l a t i n gc o e f f i c i e n ta n da c c u m u l a t i n gm a s s ，a n dt h ev a l u ei s 6 3a n d3 7 9 0 7 0 m g k gr e s p e c t i v e l y f r o mt h es t u d yi ti sk n o w nt h a ta l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e sc a nb eu s e dt op h y t o r e m e d i a t et h es o i ls l i g h t l yp o l l u t e db yl e a da n d z i n ci nt h eh y d r o p o n i ct o l e r a n c et e s to fc o m m e l i n ac o m m u n i si nf i v e s p e c i e so f h e a v ym e t a l st h er e s u l ts h o w s t h a tt h et o l e r a n c eo fc o m m e l i n ac o m m u n i st oc o p p e ri s t h eb e s ta n dt h a to fl e a di sw o r s et h a nc o p p e rb u tb e r e rt h a nt h eo t h e rt h r e eh e a v y m e t a l s i nt h ea c c u m u l a t i o nt e s to fc o m m e l i n ac o m m u n i st ol e a d ，i ti sf o u n d o b v i o u s l yt h a tc o m m e i i n ac o m m u n i sa d o p t sa d i f f e r e n td e f e n d i n ga n da c c u m u l a t i n g s t r a t e g y f r o ma l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fl e a di s 6 0 m g l ，c o m m e l i n a c o m m u n i sr e a c h e s i t s h i g h e s ta c c u m u l a t i n g m a s so f 2 7 7 9 4 1 m g k ga n dh i g h e s ta c c u m u l a t i n gc o e f f i c i e n to f 4 6 2 4 j u s tl i k ea l t e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e s ，c o m m e l i n a c o m m u n i si s a d a p t e d t ot h e p h y t o r e m e d i a t i o n o fs o i l s l i g h t l yp o l l u t e db y l e a d i nt h et e s ts e l e c t i n gt o l e r a n c ep l a n t sf r o mc r u c i f e r a es p e c i e s ，b yc o m p a r i n gt h e 第4 页 j 二海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 s e e d sb u r g e o n i n gc o e f f i c i e n to f e i g h tc r u c i f e r a es p e c i e s ，i ti sf o u n dt h a tt h et o l e r a n c e o fq r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) o e , s c h u l za n db r a s s i e ac a u l o r a p ap a s qj 万t o z i n ci st h eb e s t i nt h ef o l l o w i n gs e e d l i n gg r o w i n g t e s t ，b yc o m p a r i n g t h ee l o n g a t i o n o fr a d i c e l s ，i ti sf o u n dt h a tt h et o l e r a n c eo fq r y c h o p h r a g m u s v i o l a c e u s ( l ，) o e s c h u l zt oz i n ci sb e t t e rt h a nb r a s s i c ac a u l o r a p ap a s q 疆s ot h es t u d yo f s o i l p l a n t i n gt e s to fq r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( 三) o e s c h u l z i sc a r r i e do u ti no r d e r t oc h e c ki t sa c c u m u l a t i n gc a p a c i t yt oz i n c t h es o i l p l a n t i n gt e s to fq r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) o e s c h u l zu n d e rt h e c o n t a m i n a t i o no fz ns h o w st h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fz ni nt h es o i li sl o w e rt h a n 7 5 0 m g k g ，t h ea c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo fq r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) o e s c h u l z i sb e t t e rt h a nt h ew o r l d w i d e l ya c k n o w l e d g e dh y p e r a e c u m u l a t e dp l a n t 。b r a s s i c a j u n c e a ，a n di t su p p e r - g r o u n db o d y c a na c c u m u l a t em u c hm o r ez i n ct h a nt h er o o t b a s e do nt h er e s u l to f s i n g l e z nt e s t ，t h em u l t i p l ep b - z n t e s ti sc a r r i e do u ta n di t s h o w st h a tt h ec o e x i s t a n c eo fp bc a nr e d u c et h ea c c u m u l a t i o nm a s so fz ni nt h e u p p e r - g r o u n db o d y o f q r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( 工) o e s c h u l z f i n a l l y , b yu s i n gt h em e t h o d o fr h i z o - u n d e r l a y , t h ev a r i a t i o no ft h ef o r m so fz n i nt h ea r e ao fb o t hr h i z o s p h e r ea n dt h en o r l r h i z o s p h e r ew a sr e s e a r c h e da n dt h ee f f e c t o ft h ea d d i t i o no fi n d u c e m e n to fe d t aa n dc i t r i ca c i di n t os o i lo nt h ep l a n tg r o w i n g ， h e a v ym e t a la c c u m u l a t i o nw a ss t u d i e dt h o r o u g h l y t h er e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h e a d d i t i o no fe d t ai s1 o m g k g ，t h ea c c u m u l a t i o no fz n i nt h eu p p e r g r o u n db o d yc a n b ee n h a n c e de f f e c t i v e l y , c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l ，4 2 1 3 o f t h ea c c u m u l a t i o n m a s s j sj n c r e a s e d k e yw o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n h e a v y m e t a l c r u c i f e r a es p e c i e s q r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) o e s c h u l z 第5 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 第一章重金属污染土壤的植物修复技术研究现状 1 1 引言 土壤作为环境的主要组成部分，不仅提供人类生存再吁需的各种营养物质，而 且接受来自工业上和生活中的各类废水，固体废弃物以及大气降尘中的污染物 质，还包括诸如农药、化肥等物质。重金属在土壤中难降解，毒性强，积累效应 复杂。土壤重金属污染的来源主要包括：工业污染源、交通污染源、农业污染 源和生活污染源，还有事故和战争造成的污染”1 。据统计，我国约有3 万多公顷 土地受汞的污染，有1 万多公顷土地受镉的污染，每年仅生产镉米就达5 万吨以上， 而每年因污染而损失的粮食约1 2 0 0 万吨，严重影响了我国的粮食生产和食物安全 3 1 。因此，改良并恢复受铅、锌、铜、镉、铬，汞等重金属污染土壤的生产能力， 已经成为我国农业可持续发展和环境质量改善中多学科共同感兴趣的问题。 下面着重介绍重金属污染土壤的一些基本情况，以及目前植物修复的几种类 型，并且探讨了植物修复的生物学机理，最后比较分析了植物修复的优缺点。 1 2 土壤重金属污染现状分析 1 2 1 土壤重金属污染的主要特征 土壤重金属污染的主要特征包括重金属污染的化学特征、重金属在土壤环境 中的分布特征以及生态效应特征。 1 重金属污染的化学特征 1 ) 重金属大多属于过渡性元素，而过渡性元素的原子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特点。过渡元素具有可变价态，能 在一一定范围内发生氧化还原反应，重金属的价态不同，其活性和毒性是不同的； 2 ) 重金属在环境中易发生水解反应生成氢氧化物，也可以与一些无机酸反 应生成硫化物、碳酸盐、磷酸盐等沉淀物，从而积累于土壤中； 3 ) 重金属可以作为中心离子与阴离子或简单分子形成配位络合物，也可以 与有机物形成螫合物。 2 重金属污染的分布特征 熏金属是构成地壳的元素，在土壤环境中分布广泛，而且由于成土母岩、母 质、成土过程等因素的差异，重金属元素在土壤环境中的背景值存在差异。 第6 页 卜海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 3 重金属污染的生态效应特征 1 ) 一般重金属对生物体产生的毒性的浓度范围有的较大，而有的则很小； 2 ) 不同类型的重金属对作物产生的危害情况有所不同； 3 ) 微生物一般不能降解重金属，相反地，某些重金属可以在土壤微生物作 用下转化为金属有机化合物，如甲基汞等，产生更大的毒性； 4 ) 同种金属，由于在壤中存在的形态不同，其迁移转化特点和污染性质、 危害程度也不相同； 5 ) 植物从土壤中提取重金属，可经过食物链进入人体，并在人体内成千百 倍地富集起来，产生慢性或急性中毒。 1 2 2 重金属在土壤中的迁移方式 1 物理迁移 土壤溶液中的重金属离子或络离子可以随水迁移至地面水体或是地下水体。 重金属还可以通过多种途径被包含于矿物颗粒内或被吸附于土壤胶体表面上，随 土壤水份的流动或以尘土飞扬的形式而被机械搬运。 2 生物迁移 主要是指植物通过根系从土壤中吸收某些化学形态的重金属，并在植物体内 积累起来。另外，土壤微生物的吸收以及壤动物啃食重金属含量较高的表土， 也是重金属发生生物迁移的一种途径。 3 物理化学迁移 主要指土壤环境中的重金属污染物与土壤无机胶体结合，发生非专性吸附或 专性吸附，或被土壤中有机胶体络合或螫合，或者由有机胶体表面吸附。另外， 重金属化合物的溶解和沉淀作用，是土壤环境中重金属元素化学迁移的重要形 式，它主要受土壤p h 、e h 和土壤中存在的其他物质( 如富里酸、胡敏酸) 的影响。 1 2 3 土壤重金属的赋存形态 目前，大多数研究工作者认为土壤环境中重金属赋存形态可分为：水溶态 ( 以去离子水为浸提剂) ；交换态( 以m g c l 2 溶液为浸提剂) ；碳酸盐结合态 ( 以n a a c h a c 溶液为浸提剂) ；铁锰氧化物结合态( 以n h 2 0 h - h c l 为浸提 剂) ；有机结合态( 以h 2 0 2 为浸提剂) ；残留态( 以h c l 0 4 一h f 消化，1 ：1h c l 浸提剂) 。由于水溶态一般含量较低，又不易与交换态区分，常将水溶态合并到 第7 页 上海大学硕士学位论文 重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 交换态中【5 】。 植物修复中植物可以吸收利用的重金属形态一般是水溶态和交换态的重金 属。但是，目前并不确定土壤各形态重金属与植物吸收的重金属之间的关系。植 物吸收的重金属是否就局限于水溶态或是交换态的重金属现在并不肯定。 1 2 4 影响土壤中重金属元素化学行为的主要因素 重金属元素在土壤中的化学行为，如赋存的状况、形态，元素迁移状况等等 不仅与元素的性质有关，还决定于其存在的自然地理条件，尤其是土壤类型及其 性质。有研究资料表明，在不同的壤环境条件下，包括土壤类型、土地利用方 式( 水田、旱地、果园、牧场等) ，以及土壤的p h ，e h ，土壤无机和有机胶体的 含量等因素的差异，都可引起土壤重金属元索赋存形态的变化【6 】。通过调查我国 的九种主要土壤类型( 砖红壤、红壤、黄褐土、褐色土、栗钙土、黑钙土、黑土、 灰钙土、灰漠土) 和同一地域的棕壤和四种褐土亚类以及红壤带中的非地带性土 壤，发现重金属c d 、p b 、c u 赋存状态及形态的分异特征，如土壤中p b 的水溶 态、交换态和弱结合态的相对百分含量随土壤地理带的分布，具有南高北低、东 高西低的分异规律，碳酸盐态铅则表现出因含碳酸盐甚高的西部和北部土壤中， 较南部和东部高。有机质硫化物态p b 具明显的东高西低的分异规律。而同一地 域各亚类的土壤间差异相对较小【7 1 。这些差异是由不同土壤的性质差异造成的。 1 3 重金属污染土壤的植物修复概述 1 3 1 重金属污染土壤的修复途径 目前，世界范围内治理土壤重金属污染的途径主要分为两种【8 1 。第一种方法 是从土壤中直接去除掉重金属，包括排土法，客土法等一些物理方法。据报道， 对1 h m 2 面积的污染土壤用客土法治理，每l 米深度土体的耗费高达8 0 0 2 4 0 0 万 美元，代价实在惊人【9 1 。用上述方法进行治理时，需用设备比较复杂，还要打乱 土层结构，导致土壤肥力下降，生物活性降低，农作物减产，对大面积的污染更 是无可奈何。美国环保局将固化作用和稳定化作用( s o l i d i f i c a t i o n s t a b i l i z a t i o n ， s s ) 确定为一有效治理技术。而所谓s s 技术，就是将污染土壤从现场挖出后置 于一定的处理设施中，将污染土壤、沉积物与某种粘合剂混合，通过粘合剂使土 壤、沉积物中的重金属发生固定，使其不再向周围环境迁移【1 0 】；第二种方法是改 变重金属在土壤中的赋存形态，降低土壤中重金属的毒性。主要采用一些化学法， 第8 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 常见是添加有机肥料、化学改良剂、沉淀剂和粘合剂1 4 1 。这些方法只能将土壤 中的重金属固定在土壤中而不能彻底提取出来。还有一些方法如电化学法、热解 吸法和冲洗法。其中热解吸法可以将挥发性h g 从土壤中解吸出来，当达到一定 体积后回收利用【l ”。此类方法大多不仅非常昂贵，而且处理方法多复杂不利于实 际使用，难以大规模改良，适用范围小，常常导致土壤结构破坏、土壤生物活性 下降、土壤活力退化，效果都不尽如人意m ，”】。此外，这些传统的工艺方法在治 理过程中往往会产生二次污染，不能从根本上解决问题。因而寻求一种投入低， 又可维持土壤肥力的新方法替代老的治理方法一直是众人瞩目的焦点。 1 3 2 重金属污染土壤的植物修复技术 植物修复技术是近十几年来发展起来的一种污染土壤的治理技术。植物修复 技术经过近十年的研究，有些研究成果即将进入市场。据预测，美国应用这一技 术的市场潜力在1 9 9 8 年达1 6 5 0 万2 9 5 0 万美元，而在2 0 0 5 年将增至2 1 4 亿- - 3 7 亿美元。而中欧一些国家由于前几十年经济发展中带来严重的环境问题，其市场 潜力将会更大。目前中国的土壤重金属污染问题也是急待解决，不过总体来说， 还缺乏切实可行的技术手段。植物修复是一种很有潜力的技术，它具有很多其他 方法不具有的优点f 1 3 】。植物修复从原理上考虑可以分为以下几种类型：植物吸收 提取、植物挥发、植物过滤或根际滤除以及植物稳定等0 9 , 2 0 1 。 1 植物提取 在植物提取中，s a l t 等| 2 l i 把利用重金属超富集植物来吸收土壤重金属并降低 其含量的方法称之为持续植物提取( c o n t i n u o u sp h y t o e x t r a c t i o n ) ，而把利用螯合剂 来促进普通植物吸收土壤重金属的方法称之为诱导性植物提取( i n d u c e d p h y t o e x t r a c t i o n ) 。植物修复概念的早期验证是在英国小规模田间试验中进行的。 多种超积累植物种植在曾多年施用富含重金属的工业污泥试验地上。示范性试验 表明十字花科遏蓝菜属植物( t h l a s p ic a r u l e s c e n s ) 具有很大的吸取锌和镉的潜力。 这种植物是一种可在富锌、铅、镉和镍土壤上生长的野生草本植物【2 2 l 。 2 植物挥发 植物挥发( p h y t o v i o l i z a t i o n ) 原理是利用植物根系吸收有害金属并将吸入的重 金属挥发入大气中，已有研究主要针对挥发性重金属元素h g 【2 3 1 干口易于形成生物 毒性低的挥发性有机物的元素s e 2 4 2 7 1 。有人研究了利用植物挥发去除环境中汞， 第9 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 即将细菌体内的汞还原酶基因转入芥子科植物a r a b i d o p s i s 中，这一基因在该植 物体内表达，将植物从环境中吸收的汞还原为h g ( o ) ，使其成为气体而挥发【2 8 1 。 另有研究表明利用植物也可将环境中的s e 转化为气态形式( 二甲基硒和二甲基二 硒1 2 9 1 。由于这一方法只适用于挥发性污染物，应用范围很小，并且将污染物转 移到大气中对人类和生物有一定的风险，因此它的应用将受到限制口“。 3 植物稳定 植物稳定是利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生 物有效性和防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的污染风 险。当污染物从土壤中清理掉不太可行时，这一技术似乎是很好的选择。尤其是 对疏水污染物和金属元素。由于污染物仍在土壤中，这一技术的应用难度较大， 有时可以通过施肥、加入客土、增加有机质等措施来促进这技术的实现。与其 它技术相比这一技术应用花费较低【3 1 】。 4 根际过滤 根际过滤主要是指污染物被植物根系吸附或在根系上沉淀。这一技术主要用 于水渍环境下的重金属元素提取，对亲脂性物质污染也可应用【3 l 】。 1 3 3 重金属污染土壤的植物修复物种选取 早在上个世纪中叶就有一些科学家提出了植物修复的思想，例如，m i n g u z z i 和v e r g n a n o 在1 9 4 8 年报道，一种庭荠属植物似l y s s u mb e r b o l o n i i ) 干物质中含 n i 量达1 ，而灰分中达1 0 。近几十年来国外在植物修复领域有了长足的发展 和进步，b r o o k s t 8 1 于1 9 7 7 年在扎伊尔发现的一种植物a e o l l a n t h u s6 知r m i f o l i u s ， 其叶片中发现c u 富集量达到1 3 7 0 0 m g k g 。目前国内在植物修复方向也有了很大 的进展，已经筛选出一批本地的耐性物种。譬如有学者发现能大量富集砷的风尾 蕨属植物蜈蚣草( 尸耙，括v i t t a t a ) ；韦朝阳等口2 1 在湖南高砷区发现了与蜈蚣草 同属，生境相同的另一种凤尾蕨属植物大叶井口边草( p t e r i sc r e t i c a l ) ，对砷也 具有明显的富集功能：另一种富集植物印度芥菜( b r a s s i c aj u n c e a ) 在 c u 2 5 0 m g k g ，p b 5 0 0 m g k g ，或z n 5 0 0 m g k g 的污染土壤上，能忍耐并且正常生长， 在含c d 2 0 0 m g ，k g 时，才发生镉中毒而出现失绿黄化症状p 3 j ；苏德纯等人m 1 研究 了芥菜型油菜溪口花籽对c d 的吸收富集情况，发现其地上部吸收量明显高于目 前公认的印度芥菜，是一种可以在我国利用的植物种。 第1 0 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 目前，一些科研工作者通过在污染区寻找并发现到一些富集性植物。例如在 某些矿山和冶炼厂附近地区就有一些耐重金属污染的生态型植物群落分布，而同 种的这些植物在其他非污染地区却不具有重金属耐性。这就是重金属污染胁迫下 普通植物种群发生进化的结果】。杨肖娥1 对古老铅锌矿山生态型东南景天的研 究结果表明，两种生态型东南景天耐高z n 胁追存在显著差异，古老铅锌矿山生 态型由于长期生长在富含高z n 的土壤和废矿堆上，具有很强的忍耐性。在介质 中z n 浓度高达2 4 4 7 a m o l l 。的条件下，生长健壮，未表现任何中毒症状；而非 矿山生态型对介质中的z n 高度敏感，当介质z n 浓度为1 2 2 4 i t m o l l “和 2 4 4 7 p m o l - l 4 时，植株在处理4 d 后表现出失水萎焉症状，生长受阻，根尖坏死， 褐化，其症状随着营养液中z n 浓度增加越趋严重。非矿山生态型的叶片、茎和 根系的干物质产量均随着z n 浓度的增加而直线下降。从而表明，生长在古老铅 锌矿山的东南景天种群是一种抗z n 污染生态型。目前一些超富集植物往往就是 在这些地区发现并进一步得到证实。所以在我国范围内，对与那些国外已有报道 的耐性植物同种属的本地植物开展耐性、富集性的研究具有很重要的现实意义。 另外，对于本地一般性富集植物的研究同样也显得十分重要。例如有人研究双穗 雀稗以及海州香薷并取得了一定的进展9 7 那】。直接在重金属污染地区发现、搜寻 适应性植物常常是一种发现富集植物的手段方法。对于各种超富集或者是一般性 富集植物，还应研究如何通过采取不同的诱导措施来提高其对重金属的富集效率 【3 9 1 。 对于植物修复技术来说，耐性物种的选取是首要的一步，也是很关键的一步。 根据植物对重金属的富集情况，可以把植物分为般性植物、富集性植物和超富 集植物。一般来说，大部分植物都可以或多或少的吸收重金属，例如玉米、小麦、 豌豆、水芹菜等等 4 0 , 4 1 ；富集性植物如印度芥菜，它对不同几种重金属都具有一 定耐性和富集性【4 2 】，另外香根草也是一种富集性植物【4 3 】；十字花科遏蓝菜属的 t h l a s p ic a e r u l e s e c e n s 是一种超富集性植物，它可以大量富集c u 、z n 、c d 等重金 属1 4 “。r e e v e & b a k e r 4 5 1 对b a k e r 和b r o o k s ( 1 9 8 9 ) 最初提出z n 超积累植物的临界标 准为1 0 0 0 0 m g - k 9 4 f d w ) 的观点提出异议，认为这标准太严格，他们提出 3 0 0 0 r a g - k 9 1 ( d w ) f f t j 标准更合理，当某植物地上部z n 含量为3 0 0 0 m g k g 。时，尤 其是当它同时能富集其它毒害金属( 如c d 和p b 等) 时，则其具有很强的植物 修复能力| 4 6 - 4 ”。可以被认为是一种超富集植物。 第1 1 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 从事植物修复研究与发展的国际著名美籍科学家c h a n e y 博士1 5 0 3 预言，总有 一天这些很有价值的植物会被用来清洁重金属( c d 、p b 、n i 、z n ) 或放射性核素 ( u 、c s 、s r 、c o ) 污染的农地和矿区。其成本可能不到各种物理化学处理技术的 十分之一，并且通过回收和出售植物中的金属理h y ! q m 坷d g ) 丕可进一步降低植 物修复的成本。 1 4 重金属污染土壤植物修复的生物学机理 1 4 1 重金属对植物的伤害效应及伤害机理 一些重金属是植物生长所必须的微量元素，例如锌、锰、铁，另外一些是有 害元素，如铅、砷、镉。即使是生长必须的微量元素，也是有一定限度的，如果 环境中重金属超过某一临界值，植物生长，新陈代谢必然会受到极大的限制。作 物根部会受到严重损害，根部的破坏使植物对水分和养分的吸收受到影响，造成 生长不良，甚至死亡【5 ”。 重金属对于植物的伤害一般有直接伤害和间接伤害两种。 1 4 1 1 直接伤害 直接伤害是指当植物在重金属环境中生长时，重金属会首先并直接地影响到 细胞质膜，对植物细胞质膜的选择透性、组成、结构和生理生化等的伤害会随着 重金属浓度增加，胁迫时间加长而增加。而当植物质膜受到伤害后，外界重金属 等有毒物质进入细胞、细胞内的有机物和离子物质外渗，结果导致了植物体内机 能紊乱1 5 ”。 在植物生长发育初期，重金属会对生长发育造成一定的影响。重金属胁迫下 的种子萌发会因为一些诸如淀粉酶、蛋白酶的抑制而影响种子体内淀粉和蛋白质 的分解，从而影响种子萌发所需的物质和能量，导致种予萌发被抑制。 根系是植物与外界进行物质交换的主要通道，植物受到重金属胁迫后会造成 根系的损伤，根系生长受阻、主根变短、侧根数减少，生长代谢会受到抑制，影 响植物对营养成分以及水分的吸收。导致植物生长所需的物质减少。必然会影响 植物的生长。这是一种重金属对植物根系的直接破坏。 重金属会致使植株正常生长受到抑制，一般表现为叶片发黄、植株整体显得 矮小等等。例如，当绿豆( p h a s e o l u sv u l g a r i s ) 用3 p m o l l 的c d ”处理4 h 后， 叶片细胞的伸长生长和初生叶的水分含量比对照减少1 0 ，而对叶片膨压无明显 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 影响。大多数c d 2 + 是结合再细胞壁上的，导致中胶层中果胶的交联，由此导致 i 细胞伸长生长受抑，也可能是镉对生长素代谢和生长素载体的影响【5 3 】。 目前研究表明进入植物细胞内的重金属会对以下一些植物生理过程造成影 响。 1 水分代谢 某些重金属会引起植物缺水，重金属对植物蒸腾作用的影响也十分明显。在 低浓度毒物的刺激下，细胞膨胀，气孔阻力减小，蒸腾加速。当污染浓度超过一 定值后，气孔阻力增加或气孔关闭，蒸腾强度降低。王焕校【5 4 1 认为蒸腾下降可能 与重金属诱导的植物体内a b a 浓度增加有关。重金属对植物水分代谢的影响了 解较少，具体机理尚不清楚，有待进一步研究。 2 光合作用 实验表明，重金属的胁迫对于植物光合作用基本都是抑制的，抑制效应与重 金属胁迫的程度成正相关。在植物生长的不同时期，植物对重金属的耐性是不一 样的，一般来说，成熟植株对重金属的耐性要比幼苗期及生长期的植株耐性要强。 重金属胁迫对于植物的叶绿体和叶绿素等光合系统许多方面的变化都会产生影 响。彭鸣等在进行玉米的c d 、p b 重金属胁迫实验时，发现叶绿体结构发生显著 变化、叶绿体膜系统遭到破坏、基粒片层消失、类囊体出现空泡。高浓度条件下， 膜系统开始崩溃，说明叶绿体功能遭到破坏。 3 呼吸作用 在重金属胁迫下，植物的呼吸作用受到严重影响，使植物生命活动的能量不 能得到正常供给。已有资料表明，线粒体是植物体内呼吸作用的场所，所以重金 属对植物体的作用必然对线粒体产生危害。研究表明高浓度的镉和铅对于玉米的 线粒体的伤害是不可逆转的，可以造成植物呼吸作用降低，引起植物细胞死亡。 另外还有一些生理过程如碳水化合物代谢、氮素代谢、核酸代谢、植物激素 也受到了很强烈的抑制。一般来说，抑制程度与胁迫程度成正比。 1 4 。1 2 闻接伤害 土壤是植物的天然培养基，植物所受的重金属胁迫主要是来自土壤中的重金 属。重金属污染对土壤有一定的影响。主要是在抑制土壤中间原有的一些生化反 应，破坏土壤中固有的化学平衡和动态转化。有研究表明污灌土样中脲酶、过氧 第1 3 页 上海大学硕士学位论文重金属耐性植物筛选及二月兰对锌的富集效应研究 化物酶和蛋白酶等酶的活性均低于清灌土样。目前利用土壤一些敏感性酶活性变 化作为土壤污染的指标是一种土壤监测的途径。 同样道理，重金属可以改变土壤中间原有的微生物体系，减少微生物群落数 量，降低呼吸速率。在重金属胁迫下，微生物已经失去了原来特有的生态特性， 表现出一定的毒害现象。 重金属改变了土壤的一些理化性质，破坏了与植物共生的自然微生物群落， 势必会给植物生长带来一系列间接的负面影响。 1 4 2 耐性植物对重金属的富集机理 1 4 2 1 耐性植物对土壤重金属的活化作用 研究表明超富集植物可以分泌一系列的物质，通过提高土壤中可利用态重金 属的比例来增加超富集植物对重金属的吸收富集量l 。一般来说，有以下几个途 径： 1 植物根系分泌质子降低根际环境的p h 值，增进重金属溶解； 2 植物根系分泌特殊有机酸等有机物促进根际土壤重金属溶解： 3 植物根系分泌螯合物( p c 、金属硫蛋白等) 结合、溶解与土壤结合的重 金属。 根系分泌物对重金属的根际形态转化起着重要的作用。根分泌物对重金属的 影响并不只是简单的化学反应，而且根系的分泌作用也在积极的改变着微生物的 活动状态、土壤的理化性质，而这些变化反过来又进一步影响重金属在根际环境 中的迁移和转化【5 6 】。 1 4 2 2 重金属耐性植物吸收重金属的生理特征 能够用作重金属污染土壤植物修复的植物必须具备以下特点：一是根系可以 活化土壤重金属并对重金属有很强的吸收能力；二是植物吸收的重金属易于向地 上部转运：三是重金属可以在地上部分积累1 。 耐性植物之所以有耐性可能是采取了以下两种抗性机制： 一是抵御排斥，对于某类植物来说，重金属在该类植物体内的运输受阻，被 植物吸收后又排出体外m 】；还有一种类型的植物，它们在重金属胁迫条件下，可 诱导分泌一些物质，在土壤或者水体环境中，这些物质与重金属离子结合，降低 植物根系周围环境中有效态的重金属离子含量，避免植物受害。但是这种植物对 第1 4 页 上海大