（环境工程专业论文）二月兰对土壤Cd、Zn污染修复及外源细菌强化作用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文主要以二月兰( o r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l ) ) 为实验材料，通过温室 土培方法研究二月兰对单一c d 污染、c d z n 复合污染土壤的修复效应；以及将 从重金属污泥中筛选的抗性细菌分别接种到二月兰根际，考察外源细菌对二月兰 吸收积累c d 和z n 的强化作用。主要研究结果如下： ( 1 ) 在单一c d 污染土壤中，二月兰株高、生物量、叶片叶绿素含量随镉 浓度的增加而减少；随着植物生长时间的延长，株高和生物量增加，叶绿素含量 在土壤c d 处理浓度为0 - - 1 5 0m g k f l 内升高，叶绿素含量在土壤镉浓度大于1 5 0 m g k f l 降低。镉对二月兰s o d 、p o d 和c a t 酶的活性均存在低浓度下的激活 和高浓度下的抑制作用；随着植物生长时间的延长，较低浓度镉( 0 1 0 0 m g k g - ) 下植物s o d 、p o d 、c a t 活性增加，高浓度镉对s o d 、p o d 、c a t 活性抑制作 用增强。 二月兰对镉的单株积累量随着土壤镉浓度的增加先升后降，在土壤镉浓度为 1 5 0 m g k g 1 和2 0 0m g k g - 1 时最高，这两个处理间无显著性差异( p o 0 5 ) 。随植 物生长时问的延长，二月兰对镉的富集量增加，但增幅减小。二月兰对镉的积累 主要分布在地上部分，证明了二月兰有较高修复镉污染的潜力。 土壤c a 单一污染对脲酶活性有一定的抑制作用，并且随着c d 处理浓度的 增加，脲酶活性的抑制率增加。经过种植二月兰后，根际土壤中的脲酶活性得到 了不同程度的恢复，脲酶活性恢复率随种植时间的增加而增加。 ( 2 ) 在c d z n 复合污染中，镉和锌对二月兰生物量的影响表现为协同抑制 作用。二月兰吸收和积累镉( 锌) 随土壤镉( 锌) 处理浓度的增加而增加。在同一 镉处理浓度下，二月兰根部和地上部对镉的积累量随土壤锌处理浓度的增加而减 少。在同一锌处理浓度下，地上部的锌积累量随镉处理浓度的增加而减少；根部 对锌的积累量在z n 2 5 0m g k 9 1 时随镉处理浓度的增加而增加，在z n s 0 0n a g k g - 1 和z n 7 5 0n a g k g - 1 时随镉处理浓度的增加而减小。 ( 3 ) 试验所分离的枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、蜡样芽孢杆菌( b a c i l l u s c e r e u s ) 、巨大芽孢杆菌( b a c i l l u sm e g a t e r i u m ) 、黄杆菌( f l a v o b a c t e r i u ms p ) 和铜绿假 上海大学硕士学位论文 单胞菌( e s c u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 均促迸了二月兰根生长，增加了根长。在植物生 长的整个试验阶段，不同c a 抗性细菌对二月兰地上部干重影响不同，其中巨大 芽孢杆菌处理的植物地上部干重较对照有所增加，但差异性不明显；枯草芽孢杆 菌、蜡样芽孢杆菌和铜绿假单胞菌处理的植物地上部干重较对照明显减少，减幅 达3 9 红2 1 ；4 个c d 抗性细菌均提高了二月兰根部和地上部镉的富集量，与对 照相比差异性显著( o 0 5 ) ，其中巨大芽胞杆菌的促进效果最显著，其处理的 二月兰根部和地上部对镉的富集量分别比对照增加7 6 - - 1 2 9 和1 5 r 1 8 7 。4 个z n 抗性细菌均提高了植物地上部生物量，较对照增加7 屯o ；4 个z n 抗性 细菌处理的二月兰根部和地上部对锌的富集量较对照均显著增加( 班0 0 5 ) ，其 中黄杆菌处理的植物根部和地上部锌的富集量最大，分别比对照增加3 8 - , - 1 2 1 和2 3 - - 11 9 。可见，筛选的细菌与植物根际联合对土壤重金属镉、锌修复效应 明显。 关键词：二月兰重金属污染土壤植物修复抗性细菌 i i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i ss t u d yo r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( l 、i ss e l e c t e da st h ee x p e r i m e n tp l a n t g r e e n h o u s es t u d y , p o te x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t eg r o w t hr e s p o n s ea n dc d p h y t o e x t r a e t i o no fo v i o l a c e u si nc dc o n t a m i n t a e ds o i l sa td i f f e r e n tg r o w t hp e r i o do f 6 5 a , 1 0 5 da n d1 4 5 d a f t e rt h a tt h es t u d yo f g r o w t hr e s p o n s ea n dc d ，z na c c u m u l a t i o n o fo v i o l a c e u si nc d z nc o m p l e xc o n t a m i n a t e ds o i lw a sa l s oc o n d u c t e d i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so fc d t o l e r a n tb a c t e r i aa n dz n - t o l e r a n tb a c t e r i ai s o l a t e df r o mh e a v i l y m e t a l - c o n t a m i n a t e ds l u d g e , w e r es t u d i e do na c c u m u l a t i o no fc da n dz nb y o v i o l a c e u s ，f o rd e v e l o p m e n to fp l a n t - m i c r o b es y s t e m sf o rp h y t o r e m e d i a t i o n t h e m a j o rr e s u l t sw e r es u n u n a r i z e d 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) i ns i n g l ec dc o n t a m i n a t e ds o i l ，t h ep l a n th e i g h t ，b i o m a s sa n dc h l o r o p h y l l c o n t e n ti nl e a v e so fo v i o l a c e u sd e c r e a s e da l o n g 丽mt h ei n c r e a s eo fc d c o n c e n t r a t i o n si ns o i la tt h es a l t l eg r o w t hp e r i o d t h ep l a n th e i g h ta n db i o m a s s i n c r e a s e da l o n gw i t l lt h ei n c r e a s i n gg r o w t ht i m ea tt h es a m ec dc o n c e n t r a t i o ni ns o i l t h ee h l o r o p h y l lc o n t e n ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gg r o w t ht i m eb e l o w15 0m g k g 1 c dt r e a t m e n t ，b u td e c r e a s e dl a t e ra th i g h e rc o n c e n t r a t i o n so fc d t h es o d ，p o da n d c a t a c t i v i t yi nl e a v e so fo v i o l a c e u sa l lg r a d u a l l yi n c r e a s e da l o n gw i t ht h ei n c r e a s e o fc dc o n c e n t r a t i o n si ns o i l ，b u td e c r e a s e dl a t e ra th i g h e rc o n c e n t r a t i o n so fc d t h e s o d p o da n dc a ta c t i v i t yi n c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s i n gg r o w t ht i m ea tc d c o n c e n t r a t i o n s r a n g ef r o m0 - - 1 0 0 r a g k 9 1 i n s o i l ，b u td e c r e a s e dl a t e r a th i g h e r c o n c e n t r a t i o n so f c d t h ea c c u m u l a t i o no fc di n s i n g l ep l a n to fo v i o l a c e u si n c r e a s e da t c d c o n c e n t r a t i o n sr a n g ef r o m0 2 0 0 m g k 菩1i ns o i l ，a n dt h e nd e c r e a s e da t2 5 0m g k g - 1 c dc o n c e n t r a t i o n t h ea c c u m u l a t i o no fc di ndv i o l a c e u si n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n gg r o w t ht i m e , b u tt h eg r o w t hs p e e dd e c r e a s e d t h ec da c c u m u l a t i o ni n s h o o t sw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti nr o o t s i ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o rp h y t o e x t r a c t i o n t h es i n g l ec dc o n t a m i n a n tr e s t r a i n e dt h eu r e a s ea c t i v i t yi ns o i l w h e nc d c o n c e n t r a t i o ni ns o i li n c r e a s e d ，t h eu r e a s ea c t i v i t yd e c r e a s e d a f t e rp l a n t i n g i l l 上海大学硕士学位论文 o v i o l a c e u s ，t h eu r e a s ea c t i v i t yi nr h i z o s p h e r ew a sr e c o v e r e dt os o m ee x t e n ta n dt h e e f f e c to f u r e a s ea c t i v i t yr e c o v e r i n gi n c r e a s e d 谢l l li n c r e a s i n gp l a n tt i m e ( 2 ) i nc d z nc o m p l e xc o n t a m i n a t e ds o i l ，t h ea c c u m u l a t i o no f c d ( z n ) i n c r e a s e d w i t l lt h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fc d ( z n ) i ns o i l a tt h es a m ec dc o n c e n t r a t i o ni n s o l l ，t h ec dc o n t e n to fa c c u m u l a t i o ni ns h o o t sa n dr o o t sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n gz nc o n c e n t r a t i o ni ns o i l a tt h es a n l ec dc o n c e n t r a t i o ni ns o i l ，t h ez n c o n c e n t r a t i o no f a c c u m u l a t i o ni ns h o o t sd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc dc o n c e n t r a t i o n ， w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fa c c u m u l a t i o no fz ni nr o o t si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g c dc o n c e n t r a t i o ni ns o i la tt h ez ns u p p l ya t2 5 0 r a g k g 1i n s o i la n dt h e nd e c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gc dc o n c e n t r a t i o na tz ns u p p l ya t5 0 0m g k 9 1a n d7 5 0m g k 9 1i ns o i l t h ee f f e c to f z na n dc do nt h ep l a n tg r o w t h ， a b s o r p t i o na n da c c u m u l a t i o no f c do r z nd e p e n do nc d z nc o m p l e xl e v e la n dd i f f e r e n tp a r t so fo v i o l a c e u s ( 3 ) t h e i s o l a t e ds t r a i n s ，i n c l u d i n g b s u b t i l i s ，b c e r e u s ，b m e g a t e r i u m ， f l a v o b a c t e r i u ms p a n dp a e r u g i n o s a ，w e r ec a p a b l eo fs t i m u l a t i n gr o o te l o n g a t i o no f 0 v i o l a c e u ss e e d l i n g se i t h e ri nt h ep r e s e n c eo ra b s e n c e o f t o x i cc da n dz n d u r i n gt h e w h o l eg r o w t hp e r i o d ，f o u rc d - t o l e r a n tb a c t e r i ah a v ed i f f e r e n te f f e c to nt h ep l a n t b i o m a s s t h ec d - t o l e r a n tb a c t e r i a lt r e a t m e n t se x c e p tb m e g a t e h u md e c r e a s e ds h o o t b i o m a s sb y3 2 1 f o u rc d t o l e r a n tb a c t e r i aa l l s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h e a c c u m u l a t i o ni nr o o t sa n ds h o o t so fo v i o l a c e u s b m e g a t e r i u mi n o c u l a t i o nw a st h e m o s te f f e c t i v ei ni n c r e a s i n gc da c c u m u l a t i o nb y 7 6 1 2 9 ( r o o t ) a n db y15 - 18 7 ( s h o o t ) c o m p a r e dw i t hn o n i n o c u l a t e dp l a n t s i na d d i t i o n ，f o u rz n - t o l e r a n tb a c t e r i a h a v ea l s od r a m a t i c a l l y i m p r o v e dt h e s h o o tb i o m a s sb y7 一2 0 c o m p a r i n gt o n o n - i n o c u l a t e dp l a n t s d i f f e r e n tb a c t e r i a ls t r a i n ss h o w e dd i f f e r e n tc a p a c i t i e st o e n h a n c ep l a n tz na c c u m u l a t i o n ( p o 0 5 ) f o re x a m p l e ，f l a v o b a c t e r i u ms p ，i n c r e a s i n g 3 8 1 2 1 a n d2 3 , - 11 9 z na c c u m u l a t i o ni nt h er o o t sa n ds h o o t sr e s p e c t i v e l y , w a si d e n t i f i e da st h eb e s tc a n d i d a t ef o re n h a n c i n gz na c c u m u l a t i o nb yp l a n t s k e y w o r d s ：o r y c h o p h r a g m u sv i o l a c e u s ( 厶) ，h e a v i l ym e t a l c o n t a m i n a t e ds o i l s ， p h y t o r e m e d i a t i o n , r e s i s t a n tb a c t e r i a 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：聋盔缝：e t 期：幽：圣 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 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士学位论文 第一章文献综述 土壤是人类赖以生存发展所必需的生产资料，它是人类社会最基本、最重 要、不可替代的自然资源之一。然而近年来，由于工农业的发展，土壤的重金 属污染日益严重，己远远超过了土壤的自净能力【i 】。土壤重金属污染不仅可以 导致土壤肥力退化、农作物产量和品质降低，而且引发水资源的污染，并通过 食物链危害人类的生命和健康，可见修复重金属污染土壤己显得非常迫切。然 而，纵观土壤修复的各种方法，无论是玻璃化、电动力学、热处理、表面活性 剂还是植物修复等修复技术，世界范围内至今仍然没有完全成熟的技术【2 1 。无 疑土壤重金属污染修复研究己成为当前国内外的热点科学问题和前沿研究领 域 3 棚。 1 1 土壤重金属污染 1 1 1 重金属污染现状 土壤作为人类赖以生存的生态环境的重要组成部分，受重金属污染日趋严 重。据估计，过去5 0 年中，全球排放到环境中的c d 达到2 2 0 x1 0 4 t 、c u 约9 3 9 x1 0 5 t 、p b 为7 8 3 x1 0 5 t 、z n 为1 3 5 1 0 6 t f 引。我国土壤重金属污染也相当严重， 每年释放到环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中铅为3 4 6 万吨，镉为3 9 万吨【8 1 。据估测，目前我国受污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m ：，约占耕地总面积 的1 5 ，每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1 0 0 0 万吨，直接经济损失达1 0 0 多亿元【引。我国重金属污染的状况约占污染面积的3 0 - 4 0 ，据陈怀满等对江 西、湖南、广东、福建的研究表明，在所调查的3 0 0 多个样点中，平均约有6 8 的样点受到不同程度的重金属污染。据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约 1 4 0 万h m 2 的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的6 4 8 ， 其中轻度污染的占4 6 7 ，中度污染的占9 7 ，严重污染的占8 ，4 哈”。2 0 0 0 年全国2 2 1 0 8k g 粮食调查发现，粮食中重金属含量如：p b 、c d 、h g 、s e 等 超标率达1 0 f 埘。我国农田镉污染状况令人担忧，某污灌区农田土壤中镉含量 上海大学硕士学位论文 高达1 3 0m g k 9 1 ，我国污灌区己有1 1 处到了生产“镉米”的程度“】。 1 1 2 重金属污染来源 导致土壤污染的重金属主要包括a s 、c d 、c o 、c r 、c u 、h g 、m n 、n i 、p b 、 z n 等。土壤重金属污染的来源有自然的和人为的因素，主要来源于人类在生产 生活中排放的废弃物【1 2 1 ，如：工业污染源。主要是基础工业特别是采矿和冶 炼业是向环境中释放重金属的主要污染源。生活污染源。生活垃圾中含有的重 金属能渗到土壤中；生活废水中的有机物可以吸收重金属，用这些水灌溉也可污 染土壤。交通污染源。机车的燃料中所含的重金属如对土壤的污染。农业污 染源。主要是农药、化肥等农资和不恰当的灌溉会造成土壤污染。我国土壤重金 属的主要污染源是污灌和固体废弃物施用矿山开采与冶炼、农药与肥料。表1 - 1 列出了土壤中主要存在的九种重金属的污染来源【l ”。 表1 - 1 土壤中重金属污染物和主要来源 t a b l e1 - 1t h em a i n $ o l l l - c eo f h e a v ym e t a lo ns o i l s 重金属种类 主要污染源 汞( h g ) 镉( c d ) 铜( c u ) 锌( z n ) 铅( p b ) 铬( c r ) 镍( n i ) 砷( a s ) 硒( s e ) 制烧碱、汞化合物生产等工业废水和污泥，含汞农药，汞蒸汽 冶炼、电镀、燃烧等工业废水，电池制造、污泥和废气，肥料杂质 冶炼、铜制品生产等废水、废渣和污泥，含铜农药 冶炼、镀锌、纺织等工业废水和污泥、废渣、含锌农药，磷肥 颜料、冶炼等工业废水，防爆汽油燃烧排气，农药 冶炼，电镀、制革、印染等工业废水和污泥 冶炼、电镀、炼油、染料等工业废水和污泥 硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业废水、废气、农药 电子、电器、油漆，墨水等工业的排放物 1 1 3 重金属污染危害性 1 1 3 1 对植物的影响 污染土壤中的重金属通过作物根部的吸收进入作物体内，蓄积到一定程度后 会对作物产生毒害。重金属污染对植物最直观的影响表现为长势减缓，即根系生 2 上海大学硕士学位论文 长受抑制、生物量下降等。王友保和刘登义等人【4 】的研究表明，小麦在c u 毒害 下，除叶片细小、普遍失绿外，还形成特征性的狮尾根，当c u 浓度达2 0 0 0 m g k g 1 时，植株萎焉，几乎停止生长。许多研究表明，重金属通过影响光合过程中的电 子传递和破坏叶绿体的完整性而影响植物的光合作用【1 5 _ 6 】。 重金属是脂质过氧化的诱导剂，当重金属处理植物时，细胞内自由基的产生 和清除之间的平衡受到破坏，导致大量的活性氧自由基产生，自由基引发膜中不 饱和脂肪酸产生过氧化反应，破坏膜的结构和功能。孔祥生掣1 7 1 利用不同浓度 的c d 处理玉米幼苗，发现随着c d 2 + 浓度的增加和c d 2 + 毒害时间的延长，膜脂过 氧化产物丙二醛( m d a ) 含量上升，超氧化物歧化酶( s o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) 活性降低，质膜透性增大，幼苗的生长受到抑制。重金属对植物细胞的各种生理 生化反应的影响是多元化的，重金属可通过引起植物可溶性碳水化合物、叶绿素 含量、酶和蛋白质的活性等的变化而引起植物细胞的生理变化【l ”。 1 1 4 2 对土壤的影响 当土壤受到重金属污染，土壤微生物数量和种群结构会发生改变，微生物参 与的土壤生化反应也受到影响。k a n d e l e r 等【1 9 】研究指出c u ，z n ，p b 等重金属污 染矿区土壤的微生物生物量受到严重影响，靠近矿区附近土壤的微生物生物量明 显低于远离矿区土壤的微生物生物量。重金属在土壤中的积累能全部或部分抑制 许多生化反应改变反应方向和速度，从而破坏土壤中原有有机物或无机物所固有 的化学平衡和转化【2 们。研究表明，进入土壤中的重金属能使土壤酶活性降低， 在众多的土壤酶当中，磷酸酶、脲酶、蛋白酶和脱氢酶对重金属污染最敏感。和 文详等口1 1 发现污灌土样中脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶、多酚氧化酶、过氧 化物酶和碱性磷酸酶的活性均明显低于清灌土样中这7 种酶的活性。 1 1 4 3 对人体的危害 通过土壤影响人体健康的重金属有h g 、c d 、p b 、a s 、c u 和z n 等，土壤中 的重金属含量不同对人体的影响也不同。微量重金属与人体生命过程联系密切， 能够调节机体内的生物酶活性，促进宏量元素在体内的循环，参与激素的合成等， 在新陈代谢中起着十分重要的作用【2 2 1 。低剂量的重金属能引起急或慢性中毒， 抑制酶的活性，破坏正常的生物化学反应，如c u 和v 具有抗生殖作用，p b 和 h g 能影响胚胎正常发育，p b 对儿童有很强的神经毒性等2 4 1 。重大的重金属污 3 上海大学硕士学位论文 染事件有“米镉油”事件和水俣病等。 另外，土壤的重金属污染还间接导致生态环境的其他组成部分一大气和水体 的污染。含污染物质浓度较高的污染表上容易在风力和水力作用下分别进入到大 气和水体中，导致大气污染、地表水和地下水污染以及生态系统退化等其它次生 生态环境问题2 6 1 。 而且，土壤重金属污染相比大气污染和水体污染而言，具有长期性、隐蔽性、 不可逆性、易迁移以及不能完全被分解或消逝的特点，因此危害严重、治理困难。 如何有效地防治和解决土壤重金属污染问题越来越受到世界各国的重视【2 刀。 1 1 4 重金属土壤污染的治理方法 目前，重金属污染土壤修复技术的基本原理主要有固化作用和活化作用【2 7 1 ， 围绕这2 个方面，已相应地提出了物理、化学和生物修复技术【2 引。 1 1 4 1 物理修复技术 物理修复是最先发展起来的修复技术之一，包括电动修复、改土换土法、热 解析法、玻璃化技术等，对于污染重、面积小的土壤修复效果明显，是一种治本 措施，且适应性广，但存在二次污染问题，容易导致土壤的结构破坏和肥力下降， 对污染面积较大的土壤需要消耗大量的人力与财力。因此，降低修复成本，减少 二次污染的风险等是该方法嗜待解决的问题，随着生物修复及复合技术的发展， 物理修复中的一些技术将被逐渐取代。 电动修复是在电场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式将土壤中的污染 物带到电极两端，经工程化的收集系统收集起来进行集中处理。该技术最先由美 国路易斯安娜州立大学提出，随后得到迅速发展，目前该技术可有效地去除土壤 中的重金属，并已进入商业化阶段。研究表明，电流能打破所有的金属一土壤键， 该技术对低渗透性土壤中的铅、砷、镉、铜等重金属非常有效2 9 3 0 1 。最近研究 发现土壤p h 值是影响电动修复的关键因素，因而电动修复过程中可以通过控制 p h 值来改善修复效果【3 0 1 。在电动修复过程中，有时需通过施加一些增强剂来提 高污染物的溶解度，尤其是高碱性和高吸附容量的污染土壤的修复，这在试验中 得到了验证【孔3 2 1 。有试验发现使用离子交换膜也能增加电动修复技术的效率【3 引。 总的说来，土壤中水溶态和可交换态重金属极易被电动修复，而以有机结合态和 4 上海大学硕士学位论文 残留态存在的重金属较难去除。电动修复具有能耗低、修复彻底、经济效益高等 优点，是一门有较好发展前途的绿色修复技术，在修复重金属污染土壤方面有着 良好的应用前景，但该技术对大规模污染土壤的就地修复仍不完善。 改土法包括客土、换土、去表土、深耕翻土等措施，一般只用于土层深厚且 污染较轻的情况，其在日本得到了广泛的实际应用。该方法也适用污染重、面 积小的地区，在2 0 世纪9 0 年代前应用较广，具有效果显著、稳定等特点，且不 受土壤条件限制，但该法只是把环境问题从高危区转移到低危区，具有前面提到 的物理修复的一般性缺点。 热解吸法是对挥发性重金属污染的土壤加热升温，将挥发性污染物( 主要是 h g 、s o 从土壤中解吸出来。热解吸法对于修复汞污染土壤是一种行之有效的方 法，并可回收汞。美国一家公司己成功应用该技术进行现场治理，治理后土壤中 汞的质量浓度降到了背景值( 1 的 条件( s 和r 分别指植物地上部和根部重金属的含量) 。 迄今发现超富集植物超过5 0 0 种，广泛分布于约5 0 个科，最重要的超富 集植物主要集中在十字花科，世界上研究得最多的植物主要在芸苔属( b r a s s i c a ) ， 庭芥属( a l y s s u m s ) 及遏蓝菜属( t h l a s p i ) f 4 6 4 7 。这些超富集植物大多是在气 候温和的欧洲、美国、新西兰及澳大利亚的污染地区发现的。超富集植物在自然 7 上海大学硕士学位论文 状态下的分布很有限，并且还表现出多生长在污染地区的特性，目前还没有发现 哪一种植物具有广泛的重金属超富集特性州；同时，对不同重金属有超富集作用 的植物种的分布也很不均匀。目前我国发现的超富集植物见表l - 2 。 表1 2 我国发现的超富集植物 t a b l e1 - 2h y p e r a c c u m u l a t i n gp l a n t si d e n t i f i e di nc h i n a 1 2 2 植物修复机理 环境中过量的重金属会影响植物的正常生长和发育，尽管如此，不少植物仍 能在高浓度的重金属环境中生长、繁殖并完成生活史，这表明在长期进化过程中 植物本身会发生一系列生理生化以及分子生物学方面的变化，形成特定的抗性机 理，以适应变化了的环境，相应地产生了对重金属的抗性。 b a k e 4 5 8 1 认为植物对重金属抗性的获得可通过两种途径，避性( a v o i d a n c e ) 和 耐性( t o l e r a n c e ) 。这两条途径并不排斥，往往能统一作用于一个植物上。 8 上海大学硕士学位论文 避性指的是一些植物可通过某种外部机制保护自己，使其不吸收环境中高含 量的重金属从而免受毒害。在这种情况下，植物体内重金属的浓度并不古【5 8 1 。 其避性机制包括：限制重金属离子跨膜吸收。植物可通过限制重金属离子跨 膜吸收，降低体内的重金属离子的浓度。现已证明，主要是通过降低重金属向细 胞质中运输而解毒【5 9 1 。与体外分泌物络合。在重金属胁迫条件下，植物可反 馈分泌一些物质，通过这些物质与重金属离子发生络合反应，降低植物周围环境 中有效态的重金属离子含量，避免植物受害。 耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，使植物能生存于高含量的重金 属环境中而不受伤害，此时植物体内具有较高浓度的重金属。b a k d 鲳】认为植物 耐性又具备两条基本途径，即金属排斥性( m e t a le x c l u s i o n ) 和金属积累( m e t a l a c c u m u l a t i o n ) 。 所谓金属排斥性即重金属被植物吸收后又被排出体外或重金属在植物体内 的运输受到阻碍。植物对重金属的排斥主要有以下2 种方式：排除体外。n i e s 和s i n e r 【6 0 i 研究了不同耐性植物的金属离子吸收与代谢的关系，认为植物原生质 膜有主动排出金属离子的作用。植物还可以通过老叶的脱落把重金属离子排出体 外。根富集重金属离子，限制运输。许多研究认为，一些耐性植物能在根部积 累大量重金属离子而限制向地上部分运输，从而使地上部分免遭伤害，一定程度 上提高了植物的耐性。s a l t 等【6 1 】报道，在重金属胁迫条件下，i n d i n am u s t a r d 根 部重金属离子含量明显高于地上部分。遭受z n 、p b 和c d 污染的芦苇，其根部 这些离子的含量比地上部分高1 0 倍多【6 2 1 。 植物耐性的另一个途径是金属积累，但可自身解毒，即重金属在植物体内积 累，但以不具生物活性的解毒形式存在。植物的重金属蓄积又有几种不同的抗性 机理。与细胞壁结合。研究认为，植物细胞壁是重金属离子进入的第一道屏 障，它的金属沉淀作用可能是一些植物耐重金属的原因，这种作用能阻止重金属 离子进入细胞原生质而使其免受伤害。n i s h i z o n o 等人发现植物( a t h y r i u m y o k o s c e n s ) 细胞壁中积累了大量的c u 、z n 、c d ，占整个细胞总量的7 0 , - - 9 0 ， 这些重金属以离子形式存在或直接结合在细胞壁物质上【6 3 j 。m o l o n e 掣6 4 1 在电子 显微镜下更直接地证明了细胞壁的重金属沉淀作用。进入液泡。液泡里含有的 各种蛋白质、糖、有机酸、有机碱等都能与重金属结合而解毒，因此液泡常被认 9 上海大学硕士学位论文 为是分隔重金属元素的机构。w a n g 等f 6 5 】曾对烟草液泡中c d 的化学状态模拟中发 现，液泡内c d 与无机磷酸根能形成磷酸盐沉淀，r a u s e r 和a c k e r l e y1 6 6 于1 9 8 7 年 也在电子显微镜下观察到了c d 在植物液泡中的结晶，更自接地证明了植物液泡 对重金属元素的区域化作用。重金属结合蛋白的解毒作用当植物细胞壁上能 结合的金属离子的结合点达到饱和时，重金属离子不可避免的进入细胞质中，此 时关键性的抗性机制则由存在于细胞质中的一些金属络合体承担。目前在植物中 发现两种主要的重金属结合肽，即金属硫蛋白( m e t a l l o t h i o n e i n , m t ) 和植物络 合素( p h y t o c h e l a t i o n ，p c ) ，m t 和p c 能与重金属离子螯合形成无毒的化合物降 低了细胞内游离的重金属离子的浓度，减低重金属离子的活性，从而起到减轻或 解除重金属离子的毒害作用【6 7 1 。多种重金属离子可诱导p c 合成，例如c d 2 十、c 0 2 + 、 a 矿、h f + 、p b 2 + 、z n 2 + 等，并能与p c 形成复合物，研究表明p c 与重金属解毒有 关【6 8 1 。区域化( c o m p a r t m e n t a l i z a t i o n ) 。在组织和细胞水平上，重金属在超积 累植物的叶片中都存在着区域化分布。耐重金属植物能将过量金属运输和贮存在 代谢不活跃的器官或亚细胞区域从而达到解毒的目的。在组织水平上，重金属主 要分布于表皮细胞、亚表皮细胞和表皮中；在细胞水平上，重金属主要分布于质 外体和液泡中。己有研究证实，z n 超积累植物t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 的根和地上部 细胞能将过量的锌积累在液泡里【6 9 】。 重金属在植物体内的积累主要分为三步：有害金属的吸收、转移和生理耐性 机制。溶解在土壤溶液中的金属离子可以通过胞外或胞内路径进入根部。金属离 子进入根部后，或者被贮存，或者被转运到地表部分。金属转运到地表部分可能 发生在木质部，但是植物可以通过韧皮部使金属在体内重新分配。对某些金属积 累植物的木质部液体的分析表明：有机酸参与了金属转运。 1 2 3 植物修复研究进展 科学家们对重金属污染土壤的植物修复研究已经有二十多年的历史，植物修 复技术在理论体系、修复机理和修复技术上均取得了一些研究成果f 7 0 1 。在理论 基 击方面，包括超量积累和耐性去污植物资源的筛选，植物分解、富集和稳定化 污染物的机制，污染物在植物体系中的迁移和转化规律，在植物微生物体系中的 作用规律，在植物土壤体系中的作用规律，特定植物的生理特性、栽培特性、生 1 0 上海大学硕士学位论文 物化学、遗传学、分子生物学和遗传工程。在实际应用方面，包括选择植物种， 各种植物的搭配，工程设计规范和工程治理标准，提高去除效率和减少费用，克 服生物修复局限性，扩大生物修复应用范围以及和其它修复技术结合使用等闯 题。根据主要研究内容，大致可归为以下几个方面： ( 1 ) 寻找具有良好遗传形状的积累植物和超积累植物。如筛选突变株可以 产生有用的超量积累植株。如豌豆_ ( p i s u ms a t i v u m ) 的突变株是单基因突变，积累 的铁比野生型高1 0 - 1 0 0 倍【7 1 7 2 1 。拟南芥属( a r a b i d o p s i s ) 积累镁的突变株可比野 生型积累的镁高1 0 倍 7 3 】。 ( 2 ) 通过农艺手段提高植物修复效率。包括：注重污染土壤的耕翻和整 平；调节水肥比例；调解温度、光照及土壤水分环境缩短修复周期；注意 病虫害的防治；修复植物的搭配种植。 ( 3 ) 提高土壤中重金属的生物有效性。通过一些活化措施，增加土壤溶液 中的重金属的浓度，从而提高对重金属污染土壤的修复效率( 体7 5 1 。降低土壤 p h 值。调解土壤e h 。对于固定重金属的难溶性物质硫化物来说，提高e h ， 硫化物会变得不稳定而氧化，使重金属释放出来，提高土壤溶液中重金属浓度。 对于富含铁、锰等氧化物的土壤来说，e h 的降低会使其部分溶解，与之吸附或 共沉淀的重金属离子便被释放出来。调节土壤e h 大小的方法一般是通过灌水和 晾田的方式进行，如水田的干湿灌溉法、水田和旱田轮作等。此外，增加土壤有 机质也会降低土壤的e h 。施加螯合剂。h u a n g 等通过实验发现在p b 污染的土 壤上( 土壤p b 浓度为2 5 0 0 r a g k 岔1 ) 种植玉米和豌豆，加入e d t a 后，土壤溶液中 p b 含量由4 m g l 1 增加到4 0 0 0 r n g l ，玉米和豌豆地上部的p b 浓度从5 0 0 m g k g l 提高到1 00 0 0 m g k 9 1 以上【徊。微生物制剂的使用。通常将特效微生物做成某 种剂型，以根部追施的方式与植物相结合【2 】。 ( 4 ) 采用基因工程是获得超量积累植物的新方法f 7 l 】。据报道，通过引入金 属硫蛋白( m r ) 基因或弓 入编码m e ra ( 汞离子还原酶) 的半合成基因增加了植物对 金属的耐受性。转基因植物拟南芥属可将汞离子还原为可挥发h g ( o ) ，使其对汞 的耐受性提高到1 0 0 p m 0 1 l 1 。另外，分离克隆耐性和超积累基因，转入生长快 且生物量大的植物中，从而培育出可以高效去除环境中重金属污染物的植物，为 重金属污染土壤的修复提供理想的材料【7 7 1 。 上海大学硕士学位论文 1 2 4 植物修复的优点与局限性 植物修复与物理化学修复和微生物修复相比，有其独到的优点 7 8 - $ 0 】。在修 复土壤的同时也净化、绿化了周围的环境；对环境扰动少，对土壤来说属于原 位处理；修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复净 化后的土壤适合于多种农作物的生长；植物固化技术使地表长期稳定，控制风 蚀水蚀，减少水土流失，有利于生态环境改善和野生生物的繁衍；成本较低， 据美国c u n n i n g h a m 等研究，植物修复的费用仅o 0 2 1 0 $ i n 2 ，比物理化学修复 费用低几个数量级。 植物是活的生物体，需要有合适的生存条件，因此植物修复有其一定的局限 性。要针对不同污染种类、污染程度的土壤选择不同的生态型植物，一种植物 通常只耐受或吸收一种或两种重金属元素，对土壤中其他浓度较高的重金属则表 现出某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的 应用；植物修复过程比物理化学过程缓慢，对土壤肥力、气候、水分、盐度、 酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定的要求，因