（环境科学专业论文）重金属抗性花卉筛选及牵牛对镉、铬、汞积累特性的研究.pdf

重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 s c r e e n i n go fh e a v y m e t a lr e s i s t a n c ef l o w e ra n da c c u m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho f p h a r b i t i sn i lt oc a d m i u m ，c h r o m i u ma n d m e r c u r y a b s tr a c t as c r e e n i n ge x p e r i m e n tw a sp l a n n e dw i t h2 5k i n d so fo m a r n e n t a l p l a n t si na l li nv i t r o s y s t e mf o rt h es e l e c t i o no f h y p e r a c c u m u l a t i o n s ，r e s p o n s e so f p h a r b i t i sn i ls e e d st oc d 2 + ，c l 舻， h 9 2 + ，a s ”s t r e s sw e r ee v a l u a t e db y 恤g e r m i n a t i o n ，r o o tl e n g t ha n dr o o td r yw e i g h t ，t h e r e s u l t sr e v e a l e dt h a tp h a r b i 矗sn i ls e e d sh a das t r o n gp a i l e n e eo nc d 计，c r 叶。h 9 2 + s t r e s s t h e nap o te x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt os t u d yt h eg r o w t hr e s p o n s e sa n da c c u m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp h a r b i “s 以订t 0c d 计，c r o + ，h 9 2 十s i n g l ep o l l u t i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a t l o w e rc o n c e n t r a t i o np l a y e dap r o m o t i n gr o l ei nt h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fp h a r b i t i sn i l , b u tw h e ni tp a s s e sac e r t a i nc o n c e n t r a t i o n ，i tw i l lp r o d u c ep o i s o n o u se f f e c t d i f f e r e n to r g a n s h a v ed i f f e r e n th e a v ym e t a l sa c c u m u l a t i o n ，c d 2 + i nl e a v e s 。c r o 十a n dh 9 2 + i nr o o t sh a v eah i g h e r a c c u m u l a t i o n b o t ht fa n db fo ft h et h r e eh e a v ym e t a l sr e v e a l e dad e c r e a s i n gt r e n dw i t ht h e i n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l si ns o i l ；i nt h ec a s eo ft h es a m e1 0 w e rc o n c e n t r a t i o n ( 2 0m g k g ) ，t h ea c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo fh e a v ym e t a l sw a si n t h e f o l l o w i n g o r d e r ： c d 2 + c r 6 + h 9 2 + ，a n dt h et r a n s l o c a t i o nc a p a c i t yo fh e a v ym e t a l sw a si nt h ef o l l o w i n go r d e r ： c r 叶 c d z + h g z 十；i nt h ec a s eo ft h es a n l eh i g h e rc o n c e n t r a t i o n ( 5 0m g k g ) ，t h ea c c u m u l a t i o n c a p a c i t yo fh e a v ym e t a l sw a si nt h ef o l l o w i n go r d e r ：c d z 十 h g z 十 c r o + a n dt h et r a n s l o c a t i o n c a p a c i t yo fh e a v ym e t a l sw a si nt h ef o l l o w i n go r d e r ：c r 酬- c d 2 十 h 9 2 + m e a n w h i l e ，s e v e r a l k i n d so fd e f e n s ee 1 z y m ea c t i v i t i e s ( p o d ，c a t ，p p o ，p a l ) ，c o n d u c t i v i t y ，m d a ，c h l o r o p h y l l c o n 锄a n ds o l u b l ep r o t e i nc o n t e n tw e r em e a s u r e d b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s t h er e s i s t a n c e c a p a c i t yo f p h a r b i 矗sn i lt oh e a v ym e t a l sw a si nt h ef o l l o w i n g0 r d e r ：c ，哆h g z + ： c d z 十 a tt h es a m et i m e ，c o n d u c t e dt o s t u d y t h eg r o w t hr e s p o n s e sa n da c c u m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp h a r b f t i sn i lt oc d - c ra n dc d - h gc o m p o u n dc o n t a m i n a t i o n t h er e s u l t s r e v e a l e dt h a tw i t h i nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o nr a n g ec d c r ( c 扩十 5 ，c r y - 2 0 ) a n dc d - h g ( c d 2 + 5 0 ) a n dc d - h g ( c d 2 + 2 0 ，h 9 2 + 5 0 ) i tw a s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ei n f l u e n c eo fg r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so fp h a r b f 出n i la n dt h ea b s o r p t i o n a n dt r a n s p o r t a t i o nm e c h a n i s mo fh e a v ym e t a l h e a v ym e t a la c c u m u l a t i o na b i l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e sf o rt h es e l e c t i o n o fh y p e r a e c u m u l a t i o n s c o m p a r e dw i t ho r n a m e n t a l s ，p h a r b i t i sn i lh a das t r o n gp a t i e n c ea n d a c c u m u l a t i o n c a p a c i t y t o h e a v y m e t a l s s t r e s s ，p o s s e s s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s o f h y p e r a c c u m u l a t i o n s m e a n w h i l e ，p h a r b i t i sn i lw a sa n n u a lh e r b ，w i t hc h a r a c t e r i s t i c so ff a s t g r o w t h ，l a n d s c a p i n ga n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，i t c a nb eu s e da sak i n do f p h y t o r e m e d i a t i o nr e s o u r c e sf o rt h er e m e d i a t i o no fc i t yh e a v y m e t a l sc o n t a m i n a t e ds o i l ，w h i c h s u i t a b l ef o rl a r g e s c a l ep r o m o t i o n k e yw o r d s ：p h a r b i t i sn i l ：h e a v ym e t a l s ：p h y t o r e m e d i a t i o n ：h y p e r a c c u m u l a t i o n 辽宁师范大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 土壤重金属污染概述 重金属是指密度大于等于5 0g c m 3 且原子序数大于2 3 的金属元素，自然界 中约有4 5 种( 廖国礼等，2 0 0 4 ) 。而环境污染所涉及的重金属主要包括镉、铬、 汞、铅、锌、铜、镍、钻等生物毒性显著的种类，同时也包括类金属如砷、铯、 铝等，其中镉、铬、汞、砷和铅被称为自然界中的“五毒 ( 张格丽，1 9 9 7 ) 。 重金属污染是由重金属或其化合物所造成的环境污染，对生物体自身具有重大危 害，其危害程度取决于重金属在生物体内存在的形态及部位。重金属污染具有富 集性，很难在环境中逐步降解，因此毒性作用明显。在人体内残存的重金属能够 与蛋白质结合而使其变性，或者在某些器官内富集，最终引起中毒反应。重金属 在大气、土壤、水体和生物体内分布广泛，其中土壤是重金属的主要富集场所。 1 1 1 土壤重金属污染的来源 世界经济快速发展所带来的环境污染问题日趋严重，污染物经过各种途径和 方式进入土壤之中，造成土壤中重金属元素的积累和富集。土壤污染影响农产品 的质量与产量，也会通过食物链进入人体，从而危及人类的生命和健康。土壤重 金属污染的来源有以下几种方式： ( 1 ) 大气沉降：大气中的重金属主要来源于石油开采、工业生产、汽车尾 气排放、轮胎磨损等，分布在工厂、矿山、废弃物堆放场所、公路、铁路及机场 等周围。据报道，全世界每年由于煤和石化燃料燃烧所排放到大气中的汞约有 1 6 0 0 吨，此外，煤中还含有镉、铅、钛等重金属元素，在燃烧过程中随烟尘进 入大气，其中3 0 的重金属沉降在距排放源十公里距离的范围之内。汽油中含 有作为添加剂和防爆剂的四乙基铅，这种化合物目前已经成为汽车尾气中铅的主 要来源，并以颗粒物的形式释放到大气中，除此之外，汽车尾气中还含有铬、镍、 镉等重金属元素( 张志红等，2 0 0 1 ) 。汽车部件的磨损也是重金属颗粒物的重要 来源，其中，锌和镉来源于轮胎的磨损；铜、铅和铬来源于刹车系统的磨损；铝、 铜、镍和铬来源于发动机的磨损：铝、铬和锌则来源于车身的磨损( s a n a l o n ee t a 1 ，1 9 9 6 ) 。 ( 2 ) 污水灌溉：利用生活污水、工矿废水和石油化工污水进行农田灌溉已 经成为我国农业灌溉系统的重要组成部分。由于未经过分流，大量工矿废水连同 生活污水一起进入市政污水网络。经排污管道流入河流中，进而浇灌到农田，进 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 入土壤。随这种途径进入土壤的重金属，以不同的方式被土壤截留和固定，从而 造成灌溉区土壤中汞、镉、铅、铬、砷等重金属含量逐年增加。 ( 3 ) 固体废弃物：工业生产和生活垃圾等固体废弃物中含有大量的重金属 元素，堆放过程中在日晒和雨淋的作用下极易迁移，以辐射状向周围环境扩散， 从而造成土壤重金属污染。通过对生活垃圾的溶出实验发现：镉、铅、汞、砷等 均易被溶出，其中镉含量最高( 冉景煜等，2 0 0 4 ) 。煤矸石是尾矿渣中的一种固 体废弃物，长期堆放在地表，风化后也极易释放镉、铅、锌、铜等重金属元素( 刘 玉荣等，2 0 0 3 ) 。 ( 4 ) 农资的使用：农药、化肥和地膜作为重要的农用物资，在农业生产过 程中具有重要作用。但是这些农资的不合理施用，将会导致土壤重金属污染。如 部分农药中含有汞、砷、铜、锌等重金属元素。肥料中也含有较多的重金属元素， 重金属在氮肥和钾肥料中含量相对较低，而在磷肥中含量最高，排列顺序由高到 低一般是磷肥 复合肥 钾肥 氮肥。施用家畜的粪便也会造成重金属污染，统计 结果显示，我国每年约有十万吨重金属随畜禽粪便排出而进入土壤( 王振中等， 1 9 9 4 ) 。此外，地膜在生产过程中加入了含有铬和铅的热稳定剂，随着地膜的大 面积推广和使用，会导致土壤重金属污染( 蔡嗣经等，2 0 0 0 ：崔德杰等，2 0 0 4 ； 师荣光等，2 0 0 8 ) 。 ( 5 ) 矿产开发：在我国，铁矿石经选矿后6 8o a 以上为尾矿，有色金属矿石 经选矿后9 9 5 以上为尾矿，而黄金矿石经选矿后几乎1 0 0 为尾矿。金属矿山 开采后废弃的尾矿矿渣颗粒细、数量多、毒性大，尾矿中的重金属随排水和降雨 直接进入土壤，从而造成土壤重金属污染( 陈炳辉等，2 0 0 6 ：邹晓锦等，2 0 0 8 ) 。 1 1 2 土壤重金属污染的特点 土壤重金属污染具有普遍性、隐蔽性、长期性、不可逆性等特征，在一定程 度上成为降低土壤重金属污染的阻力，限制了人为治理的进程。 随着工业生产的迅速发展，我国被重金属污染的耕地面积约2 0 0 0 万公顷， 占总耕地面积的1 5 左右。其中，镉污染耕地1 1 3 3 万公顷，涉及1 1 个省2 5 个 地区；汞污染耕地3 1 2 万公顷，涉及1 5 个省2 1 个地区( 任旭喜，1 9 9 9 ) 。研究 结果表明，城市土壤中重金属含量普遍高于农村，生活垃圾处理、化石燃料燃烧、 交通运输等城市化进程带来的典型附加特征加强了土壤重金属的外源输入，其中 镉、铅、铜和锌为典型的人为活动源元素( r a t h aa n ds a h u ，1 9 9 3 ；m a n t ae ta 1 ， 2 0 0 2 ：l ue ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 土壤重金属污染无色、无味且不易被察觉，需要对土壤样品进行检测或对人 畜健康状况进行检查才能确定( 任旭喜，1 9 9 9 ) 。很多情况下，重金属对环境的 辽宁师范大学硕士学位论文 污染要经过相当长的时间才会表现出来，例如：2 0 世纪5 0 年代发生在日本的汞 污染引起的水俣病事件，1 0 多年后才被发现。 大多数重金属以不溶于水的状态存在于土壤中，使其在土壤中不易迁移，也 不能被土壤微生物降解，从而导致危害周期加长。同时重金属具有累积性，很难 在环境中降解，一旦通过食物链进入人体便会与蛋白质及各种酶结合，使其失去 活性；累积在某些器官中，超过一定限度便会造成急性或慢性中毒，对健康造成 危害。1 9 5 5 年发生在日本富山县的由于糙米中镉超标而引起的疼痛病，潜伏期 一般为2 , - , 8 年，最长可达1 0 3 0 年。 重金属对土壤污染具有不可逆转性，土壤一旦遭受污染可能需要几百年才能 恢复原貌，重金属在土壤中积累到一定程度时，很难迁移和降解，从而导致土壤 结构与功能的变化，已被污染的土壤逐渐失去治理价值，只能通过调整种植品种 加以改良。 重金属大多以化合物的形态存在于自然界中，不同重金属污染源不同，污染 程度也不尽相同。如六价铬比三价铬毒性大；可溶态金属比颗粒态金属的毒性大 等。此外，被重金属污染的土壤，很难像大气或水体一样通过自净或稀释等切断 污染源的方法来加以消除，只能通过更换土壤或淋洗的方法来解决。其它治理技 术要么周期长、见效慢，要么成本高，治理难度大( 孙瑞莲等，2 0 0 9 ) 。 1 1 3 土壤重金属污染的危害 重金属污染土壤后，首先是对土壤微生物的生理生化性能及土壤自身理化性 质产生影响，从而影响土壤微生物多样性，进而影响植物( 特别是农作物) 的产 量和质量。重金属元素在土壤中总是不断地发生时空迁移和价态、形态转化。这 不仅影响了土壤养分的转化等生化过程，同时影响着植物的生长，对人类健康和 生态环境也产生一定程度的威胁。 1 1 3 1 对植物的危害 由于重金属诱导使植物产生一些对酶和新陈代谢过程具有毒害作用的物质， 导致植物细胞代谢的紊乱及细胞膜结构的改变，从而能够抑制植物对钙、镁等其 他矿物质元素的吸收。重金属镉在植物体内破坏其抗氧化系统，影响植物的生长 发育；植物吸收铅后叶绿素含量逐渐降低，引起其光合作用效率变化。同时，重 金属污染还能对植物的遗传物质造成毒害作用，例如：铅、汞、镉和锌等重金属 抑制大麦根尖细胞分裂并导致染色体畸变。 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 1 1 3 2 对人体健康的危害 土壤重金属可以通过“土壤一植物一动物一人体”食物链系统模式进入人体， 也可以通过“土壤一扬尘一人体”系统进入人体，从而危害人的身体健康。镉的生 物半衰期较长，从体内排出速度缓慢，长期摄入会引起贫血、肺气肿、高血压等 疾病，当摄入量超过一定限度时，会引起身体器官的病变，尤其对肝脏和肾脏， 生活在镉污染区的人还常发生骨质疏松与骨折等病症( 秦俊法等，2 0 0 4 ) ；汞进 入人体后一旦与体内高分子结合，形成有机汞络合物，就很难排出体外，会直接 沉入肝脏，对大脑神经系统造成伤害并影响视力。当饮用水中汞含量达到 o 0 1 m g l 时，便会导致人体中毒；过量的铅会对肾脏、心血管系统、生殖系统 等造成伤害( t o d d 甜以，1 9 9 6 ) ，当人体内血铅含量超过极限值时会出现头晕、 腹疼和记忆力减退等一系列症状( 康如彤等，2 0 0 5 ) ；砷是砒霜的组成成分之一， 有剧毒，易导致慢性中毒，也会致人迅速死亡，长期接触容易引起癌变。铜、锰 和锌是生物体所必需的微量元素，铜在人体内累积，会引起肝胆损害方面的疾病， 症状表现为呕吐和贫血；锰过量则会对神经、免疫和生殖系统造成伤害，重者则 表现为帕金森氏综合症；锌的过量摄入表现为厌食、腹痛、呕吐、高血压、动脉 粥样硬化等症状。因此，重金属对人体危害严重，尤其以土壤重金属的间接作用 表现最为显著。 1 1 3 3 对生态平衡的破坏 重金属污染最主要的特点是不能被微生物降解，一旦进入土壤，很难在物质 循环过程中被分解，只能在土壤中以不同价态通过分散和富集作用进行迁移。由 于遭受重金属污染的土壤物理化学性质发生变化，微生物系统的生态平衡被破 坏，其种类和数量不断下降，降低了有益微生物的活力，从而造成病菌的大量繁 殖和疾病的蔓延( k a n d e l e ra n ds c h w a r z ，1 9 9 7 ) 。同时，被重金属污染的土壤容 易在风力和水力的作用下进入大气和水体，从而造成大气污染和水体污染等次生 环境灾害( k o s o b r u k h o va n dk n v a z e v a ，2 0 0 4 ：张晓萍等，2 0 0 8 ) 。 1 2 植物修复技术与土壤重金属污染 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是在植物对污染物具有耐受和累积特性的基 础上，直接利用绿色植物来转移、分解或固定污染物，使得污染物对环境无害的 技术过程。植物修复的污染物对象主要包括重金属、有机物和放射性元素等。植 物修复方法是一种既经济又实用的修复方法，净化土壤的同时又可以达到美化环 境的目的，在土壤污染治理中具有不可替代的作用，因此被认为是一种非常具有 发展潜力的治理环境污染的绿色技术。 1 2 1 植物修复的基本方式 根据植物在环境污染修复过程中发生部位的差异，可以将植物修复过程分类 成以下几种途径( 表1 1 ) 。 ( 1 ) 植物降解( p h y t o d e g r a d a t i o n ) ：植物通过新陈代谢过程并利用植物与 土壤微生物之间的关系来降解污染物。植物产生的酶类作为一种代谢产物释放到 对污染物起转运作用的根际土壤中，目前，在植物沉积物与土壤中已经发现了硝 酸还原酶、过氧化物酶、漆酶、醇腈酶等种类。有机化合物如氯化溶剂、杀虫剂、 除草剂等均可用此方法进行降解。研究结果揭示，水生植物粉绿狐尾藻 ( m y r i o p h y l l u ma q u a t i c u m ) 产生的硝酸还原酶可以在一周之内将被污染土壤中 的t n r ( - - 硝基甲苯) 浓度从1 2 8 p p m 降解到1 0 p p m ( s c h n o o re ta l ，1 9 9 5 ) 。 ( 2 ) 根际过滤( r h i z o f i l t r a t i o n ) ：根际过滤技术主要依赖于植物根部吸收 与隔离重金属的能力，用于修复铅、镉、镍、铜、铬和放射性元素( 铀、铯、锶) 。 理想的修复植物应该具有较大的根部生物量与根部表面积，能够富集和耐受多种 重金属，兼顾种植与维护费用低、二次污染小等特点( d u s h e n k o va n dk a p u l n i k ， 2 0 0 0 ) 。陆生植物更适合根际过滤是因为它们具有更长的、表面积更大的纤维根 部系统，有利于吸附重金属。向日葵( h e l i a n t h u sa n n u u s ) 是最有应用潜力的水 中重金属吸附植物，可以从水培的环境中吸收铅( d u s h e n k o ve t a l ，1 9 9 5 ) 和铀 ( d u s h e n k o ve ta l ，1 9 9 7 ) 。根际过滤技术具污水处理量大、化学品需求量小、 适用范围广、既可原位修复又可异位修复等诸多经济与技术优势，其可控性与公 众的接受程度使得该技术正日趋商业化( d u s h e n k o ve ta 1 ，19 9 5 ) 。 ( 3 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) ：利用植物根部从土壤中吸收污染物，将 其转移、富集到植物地上部，然后将植物地上部收割回收的过程称作植物提取技 术。重金属富集植物被播种到重金属污染土壤中9 植物根部从土壤中吸附重金属 并转运到地上部，充分生长与积累后，将地上部收割、移除。然而，由于重金属 污染严重的植物不能够正常生长，因此该技术只适用于中、低浓度的重金属污染 ( p a d m a v a t h i a m m aa n dl o r e t t a ，2 0 0 7 ) 。螯合剂的加入可以解决这一问题 ( p r a s a d ，2 0 0 3 ) ，e d d s 可以增加铜在印度大麻中的积累( m e e t se t a l ，2 0 0 5 ) 。 适用于该提取技术的植物应具备以下特点：生物量大、生长迅速且具有发达的根 部系统、较高的重金属富集能力、对高浓度重金属具有耐受性( b l a y l o c k e t a l ， 1 9 9 7 ：m c g r a t h ，1 9 9 8 ；b l a y l o c ka n dh u a n g ，2 0 0 0 ) ，能够承受各种类型的土壤 条件( 土壤p n 、盐度、土壤结构、含水量等) 。 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 表1 1 具有重金属污染修复能力的植物种类 t a b l e1 1 i m p o r t a n tp l a u t su s e df o rp h y t o r e m e d i a t i o no fh e a v ym e t a l s 6 辽宁师范大学硕士学位论文 注：引自r u c l a y aj n b e z n ，2 0 0 9 。作者进行了补充修改 ( 4 ) 植物挥发( p h y t o v o l a t i z a t i o n ) ：利用植物吸收重金属，通过蒸腾作用 使它们转化成具有挥发性、低毒性的物质，能够降低重金属污染的程度。植物挥 发长期以来主要用于低毒性的气态汞的转化，很多汞的植物挥发性试验已经致力 于将细菌汞离子还原酶基因转入植物体中( r u g h e ta 1 ，1 9 9 6 ；r u g he ta l ，1 9 9 8 ) ； 利用植物挥发方法也成功的去除了氢气的放射性同位素氚( d u s h e n k o v ，2 0 0 3 ) ； 据报道，部分天然或转基因植物具有吸收重金属并把它们转化为气态物质释放到 大气中的能力( g h o s ha n ds i n 翊a ，2 0 0 5 ) 。拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 和芸 薹属作物，能够吸收挥发性硒并将其以二甲基硒与二甲基二硒醚的形态挥发出来 ( b a n u e l o s ，2 0 0 0 ) ；挥发性硒的化合物比以无机态存在于土壤中硒的化合物毒 性低5 0 0 6 0 0 倍( d e e s o u z ae ta 1 ，2 0 0 0 ) 。植物干扰小、无腐蚀、不涉及污染植 物处理等特点是植物挥发技术的优势( r u g he ta 1 ，2 0 0 0 ) ，然而不同于其它修 复技术的是污染物一旦通过挥发作用去除后，便会不可控制的迁移到其他领域， 造成二次污染。 ( 5 ) 植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) ：利用植物将土壤中有毒重金属转变为 低毒或无毒状态是植物稳定的基本过程( e a p e na n dd s o u z a ，2 0 0 5 ) ，但此过程 不能将重金属从土壤中移除。植物稳定主要是固定废物，防治由于风或水的侵蚀 而造成废物流失，抑制污染物垂直运动进入地下水系统。主要方式包括利用植物 根部的吸附作用固定污染物或者利用化学改良剂进行化学固定( c u n m g h a me t a l ，1 9 9 5 ：b e r t ia n dc u n n i n g h a m ，2 0 0 0 ) 。其中土壤改良剂可以提高植物对重 金属的固定作用，增加土壤有机质含量或利用石灰调节p h 值( s c h n o o r ，2 0 0 0 ) 都能起到植物稳定的效果。常用的化学改良剂包括磷酸盐化肥、有机质、铁或锰 的氢氧化物、天然或人工合成的粘土。植物稳定技术的优点在于不需要移除土壤 或对有害物质进行处理。 1 2 2 植物修复的优点和局限性 ( 1 ) 植物修复的优点：植物修复技术作为一种新兴的、环境友好型修复方 式已被人们所接受，并逐步走向商业化，在经济和技术上的独特优势如下：应 用范围广泛，适用于各种无机和有机污染物；成本较低，不需要昂贵的设备和 高素质的专业人员，与传统修复方法相比具有价格低廉的特点；原位处理，减 少垃圾填埋场废物处理量，降低对土壤的搅动和污染的传播；植物本身对环境 具有净化和美化作用，美化环境的同时又可以修复土壤；植物经济成本低而且 是容易获得的可再生资源，方便管理与维护；噪声小，减少水土流失；可以 提高土壤肥力，增加土壤有机质含量，激发微生物活性，使其适合农作物的生长。 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 ( 2 ) 植物修复的局限性：植物修复技术的应用前景不容质疑，但该技术目 前还处于试验和示范阶段，存在的问题主要表现为：修复周期长；受病虫害、 气候和季节的影响较大；污染物可以在介质中传递，通过“植物一动物”食物链 进入人体；引入不适当的植物会造成物种入侵，从而影响生物多样性；植物 的生长需要有适宜的生长条件，对土壤肥力、水分、盐度、排水等条件要求严格； 通过植物提取作用提取污染物的植物收割后需要将其作为危险废物进行处置： 植物根系一般较浅，其吸附能力受到限制，与污染物在土壤中的深浅、可溶性 等因素有关。 1 2 3 超富集植物 在植物界中，存在可以同时大量吸收一种或几种重金属，并可以将其转移到 地上部的特殊植物种类，这种植物被定义为超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 。 判断一种植物是否为超积累植物需要同时满足两个条件：一个是植物地上部重金 属含量要低于地下部重金属含量；另一个是对重金属在植物茎或叶中累积含量的 界定，其中锌和锰的临界值为1 0 0 0 0m g k g ，铅、铜、砷、钴和镍的临界值为1 0 0 0 m g k g ，镉为1 0 0m g k g ，金的临界值为1m g k g ( b a k e ra n db r o o k s ，1 9 8 9 ：b r o o k s a n dc h a m b e r s ，1 9 9 8 ) 。 目前，世界上发现的具有超富集特性的植物有近5 0 0 种，分布于植物界的各 个科目，其中镍的超富集植物主要分布在十字花科( 庭芥和菥莫) 、大戟科( 苦 味叶下珠) 和菊科( 狗舌草) ；锌的超富集植物主要分布在十字花科( 菥莫) ； 铜和钴的超富集植物主要分布在唇形科和玄参科( c l e m e n s ，2 0 0 1 ；g r a t a oe ta 1 ， 2 0 0 5 ；v i n t e r h a l t o re t a l ，2 0 0 5 ) 。上述植物种类中有7 5 为镍的超富集植物， 并且大多数超富集植物都分布于十字花科。在地理位置上，分布于从温带到热带 的各个大洲，其中镍的超富集植物分布最为广泛，主要在新喀里多尼亚、古巴、 东南亚、巴西、南欧等国家；锌和铅的超富集植物主要分布在欧洲西北部；钴和 铜的超富集植物主要分布在非洲中南部。我国在超富集植物领域的研究尚处于起 步阶段，近年来中科院沈阳生态研究所与中山大学等在此方面做了大量工作，迄 今为止我国已发现的超富集植物有1 5 种。因此急切需要开展大量的相关基础研 究工作，加速我国重金属植物修复技术的推广和应用。部分最具代表性的重金属 超富集植物见表1 2 。 辽宁师范大学硕士学位论文 砷 镉 锌 p t e r i sv i t t a t a 蜈蚣草 p t e r i sm u l t i f i d a 井栏边草 p t e t i sa s p e r i c a u l i s 紫轴凤尾蕨 p t e t i s f a u r i e i 傅氏风尾蕨 p t e r i sm u l t i f i d a 井栏边草 p t e t i so s h i m e n s i s i 斜羽风尾蕨 t h l a s p ic a e r u l e s c e 凇遏蓝菜 s e d u ma l f r e d i i 东南景天 v i o l ab a o s h a n e n s i s 宝山堇菜 s o l a n u mn i g r u m 龙葵 a r a b i s p a n i c u l a t a 圆锥南芥 r o r i p p ag l o b o s a 球果萍菜 t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 遏蓝菜 s e d u ma l f r e d i i 东南景天 a r a b i s p a n i c u l a t a 圆锥南芥 p o t e n t i l l a 酬卵咖玎v a r v e l u f f n a 长毛毛委陵菜 s a l s o l ak a l i 猪毛菜 l e e r s i ah e x a n d r a 李氏禾 t h l a s p ir o t u n d i f o l i u m 菥莫 a r a b i s p a n i c u l a t a 圆锥南芥 m e l a s t o m aa f f i n e 多花野牡丹 c a m e l l i as i n e n s i s 茶树 p h y t o l a c c aa c i n o s a 商陆 h a u m a n i a s t r u mr o b e r t i i 钴星香草 a l y s s u mb e t o l o n n i 庭芥 i p o m o e aa l p i n e 高山甘薯 b r a s s i c a j u n c e a 黄芥子 m ae t a l ，2 0 0 1 d ue t a l ，2 0 0 5 w a n ge ta 1 ，2 0 0 7 w a n g e t a l ，2 0 0 7 w a n ge ta 1 ，2 0 0 7 w a n ge ta 1 ，2 0 0 7 l o m b ie t a l ，2 0 0 1 y a n g e t a l ，2 0 0 2 刘威等，2 0 0 3 魏树和等，2 0 0 4 汤叶涛等，2 0 0 5 w e ia n dz h o u ，2 0 0 6 b a k e re ta 1 ，1 9 9 0 y a n ge ta 1 ，2 0 0 2 汤叶涛等，2 0 0 5 仇荣亮，2 0 0 7 g a r d e a - t o r r e s d e ye ta 1 ，2 0 0 5 z h a n g e ta 1 ， 2 0 0 7 r e e v e se ta 1 ，1 9 8 3 汤叶涛等，2 0 0 5 谢正苗等，2 0 0 2 谢正苗等，2 0 0 2 x u ee t a l ，2 0 0 4 b r o o k s ，1 9 7 7 m o r r i s o ne t 口正，l9 8 0 b a l 【e r e f a l ，1 9 9 0 o r s e re t a l 。1 9 9 9 9 铬 铅 铝 锰钴镍铜铯 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 1 3 花卉植物在土壤重金属污染修复中的应用 1 3 1 花卉植物在重金属污染修复中的研究进展 在植物分类中，花卉植物是指具有观赏价值的草本植物、草本和木本的地被 植物、开花灌木和乔木、盆景以及温室观赏植物等种类。 目前，国外关于花卉植物修复土壤重金属污染的报道很少，国内主要通过水 培或盆栽试验研究了一些花卉植物对重金属的的富集特性。例如，夏汉平等 ( 2 0 0 1 ) 发现香根草( v e t i v e r i az i z a n i o i d e s ) 和百喜草( p a s p a l u mn o t a t u m ) 对重 金属具有很强抗性；王新等( 2 0 0 3 ) 研究了结缕草( z o y s i a j a p o n i c a ) 和早熟禾 ( p o aa n n u a ) 对重金属吸收量随污泥处理量大小变化的关系。张频等( 2 0 0 4 ) 通过盆栽试验发现瞿麦( d i a n t h u ss u p e r b u s ) 对多种重金属混合污染的土壤具有 较好的修复效果，垂盆草( s e d u ms a r m e n t o s u m ) 和吉祥草( r e i n e c k i ac a r n e a ) 分别对铅和铜污染土壤具有较好的修复效果；王晓飞( 2 0 0 5 ) 通过对1 4 种花卉 植物的盆栽试验发现，黄蜀葵( a b e l m o s c h u sm a n i h o t ) 等6 种花卉植物具有一定 的耐重金属的潜力，尤其对重金属表现出较强耐性；紫茉莉( m i r a b i l i s j a l a p a ) 、 蜀葵( a l t h a e ar o s e a ) 等5 种花卉表现出了较强的重金属积累能力，并且二者地 上部的重金属含量大于根部重金属含量，表现出较强的重金属转运能力，这正是 重金属超积累植物应具备的特征( w a n g 等，2 0 0 5 ) ；徐卫红等( 2 0 0 5 ) 研究了 黑麦草对锌的耐性与积累特性；曹玲( 2 0 0 5 ) 等人研究了金银忍冬( l o n i c e r a m a a c k i i ) 、东北山梅花( p h i l a d e l p h u ss c h r e n k i fr u p r ) 、刺玫果( r o s ad a v u r i c a ) 和白牛械( a c e rm a n d s h u r i c u m ) 对重金属镉和铅污染的抗性，发现对镉的耐受能 力大小顺序为刺玫果 东北山梅花 金银忍冬 白牛械，对铅的耐受能力大小顺序 为东北山梅花 刺玫果 金银忍冬 白牛械；刘家女等( 2 0 0 6 ) 研究了金盏菊、蜀 葵、风仙花对c d - p b 复合污染的积累特性，结果表明其富集能力为：蜀葵 风仙 花 金盏菊；通过对重金属耐性和积累性较强的紫茉莉( m i r a b i l i s j a 厶矽口) 、凤仙 ( i m p a t i e n sb a l s a m i n a ) 、金盏菊( c a l e n d u l ao f f i c i n a l i s ) 和蜀葵( a l t h a e ar o s e a ) 4 种花卉植物的盆栽试验发现它们对重金属c d 、p b 单一污染及c d p b 复合污染 表现出很强的耐性和积累性，尤其是在c d 和p b 单一污染土壤浓度达到1 0 0 m g k g 和1 0 0 0 m g k g 的情况下，这4 种花卉植物仍能正常生长且没有表现出明显 受毒害症状，并且当土壤中c d 污染浓度达到1 0 0m l 啦g 时地上部重金属含量也 都超过c d 超积累植物的临界标准值1 0 0m g k g ( 白向玉等，2 0 1 0 ) 。 辽宁师范大学硕士学位论文 1 3 2 花卉修复重金属污染过程中的优缺点 花卉植物作为观赏植物用于修复城市土壤重金属污染，其优点表现在很多方 面。草本花卉植物具有观赏性强生、长周期短等特点，修复环境的同时又可美化、 绿化环境；作为观赏植物不会进入的食物链等优点，因此不会危害到人的身体健 康：人类积累了大量关于花卉栽培和病虫害防治的经验。基于以上优点，利用花 卉植物修复重金属污染的土壤已逐渐成为环境修复领域的研究热点。 但目前发现的大多数超积累花卉地上部生物量小、植株矮小，成为花卉植物 修复的影响因素。由于花卉植物根系较浅，伸展深度受到限制，因此花卉植物修 复范围有限，只适用于根系所能延伸的表土范围。其吸附能力与污染物在土壤中 的深浅、可溶性等因素有关。通常，一种花卉植物只作用于一种特定的重金属， 而土壤重金属污染大多是多种重金属元素的复合污染，从而限制了花卉植物对土 壤重金属污染的修复效率( 白向玉等，2 0 0 9 ) 。 1 3 3 花卉植物在重金属污染修复中的应用展望 我国作为花卉栽培的发源地，资源丰富、种类繁多，素有“花卉王国”之称。 完全可以从花卉植物中筛选出对重金属具有超富集特性的植物，结合当前的研究 进展，对于花卉植物修复重金属污染土壤的研究应该集中在以下几个方面： 花卉植物修复机制的研究。目前大多数致力于植物对重金属累积能力的研究，而 忽略了其机理方面的深入挖掘。今后应借助先进的分析测试手段从其生理生化角 度进行深入研究。花卉植物修复强化措施的研究。研究表明，在土壤中添加表 面活性剂、螯合剂或者改变栽培方式等均可以提高花卉植物对重金属污染的吸附 效率，因此，今后应加强对其强化措施的研究，同时运用植物学、分子生物学和 基因工程等手段改进花卉品种，也可以强化超富集花卉对土壤的修复效果。从 野生花卉中筛选超富集品种。与栽培花卉相比，野生花卉具有资源丰富、生长强 健、适应性强和易于维护等特点，在城市重金属污染土壤修复中具有独特优势。 因此，从野生花卉中筛选超富集品种应该作为今后花卉植物修复技术研究的重 点。建立示范基地。目前大多数花卉试验是在水培或盆栽的条件下进行，而实 践条件与实验条件相比，不但自然环境复杂多变，土壤中还存在很多其他重金属 产生复合污染。 1 4 本研究的目的和意义 植物修复作为一种环境友好型的修复技术一直是环保领域的研究热点，是致 力于清除土壤重金属污染的一种生态修复技术。因该技术具有不破坏土壤结构 ( v a s s i b ve ta 1 ，2 0 0 4 ) 、所使用的植物生物量大且根系发达、绿化美化环境的 重金属抗性花卉的筛选及牵牛对镉、铬、汞的积累特性研究 同时对空气及水体无二次污染等优点，成为环境污染治理方面重要的研发对象。 早期研究表明，