浅谈土壤污染对植物影响和植物修复作用.doc

目录摘要 2Abstract 21 土壤污染的类型31.1 有机物污染31.2 无机物污染41.3 重金属污染41.4土壤放射性物质的污染52 土壤污染对植物的影响52.1 重金属污染对植物的影响62.2 有机污染对植物的影响73 植物对污染土壤的修复作用83.1 植物修复机理83.1.1利用超富集植物直接吸收83.1.2 利用植物根部释放的酶催化降解有机污染物93.1.3 根际微域微生物群落的降解作用93.1.4 根际矿化作用93.2 植物修复方法的优缺点比较103.3 未来植物修复的研究重点104 讨论与展望11参考文献11浅谈土壤污染对植物影响和植物修复作用王晓锋（资源环境学院，微生物专业，学号 112010320001774）摘要：人类活动所产生的污染物通过各种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤的容纳和净化能力，致使土壤的自然功能失调、土壤质量恶化，从而严重影响植物的正常生长发育，造成有害物质在植物体内累积。土壤污染物进入植物体内最先进入根系，并在根系大量积累，对植物造成严重影响。本文综述了土壤污染的基本类型以及各种类型对植物的影响，生长在土壤上的植物对土壤环境的变化产生相应的响应，利用植物反作用于土壤来对土壤进行修复，阐述了植物修复的基本原理和类型，并对植物修复研究重点进行总结，对土壤污染修复研究具有一定的总结和指导意义，对植物修复土壤中存在的问题提出建议，讨论了目前仍需解决的一些问题，尤其在我国对基因工程在植物修复土壤中的利用的研究还不够成熟，需要更深入的研究。关键词：土壤；污染；植物修复；机制；发展Review for Influence of Soil Pollution on Plants and thePlant RemediationXiaofeng Wang(Major: Microbiology of resource and environment college; Student ID: 112010320001774)Abstract: This paper makes a review on current research and development in contaminated soil and influence on plants, and the relevant plant remediation. Briefly discusses the causes and the main types of the soil pollution, then review the influence of each type of soil pollution on plants. Plants should grown in soil and being in response for soil contamination, so we use plant to remediate the pollution. Here we discuss the mechanisms and development of plant remediation. And sum up the research focus of plant remediation .There are still many questions for the development of remediation and we could use the genetic engineering in the selection of prothetic plants, and we should do research in the further.Key word: soil; pollution; plant remediation; mechanisms; development土壤污染是指人类活动所产生的污染物通过各种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤的容纳和净化能力，从而使土壤的性质、组成及性状等发生变化，使污染物质的积累过程逐渐占据优势，破坏了土壤的自然生态平衡，并导致土壤的自然功能失调、土壤质量恶化的现象，也是一个全世界普遍关注的环境问题，因为污染对作物具有毒害作用，会导致作物减产和品质下降，更为严重的是有些污染物可以在土壤中存在几十年、几百年，植物和微生物都不能使其降解，通过作物可食部分的富集吸收进入食物链从而危害人畜健康。然而，土壤污染的直接受害者就是植物，污染物进入植物体内最先进入根系，污染物在根系积累最大，浓度最高，根部受害最严重，之后会进一步导致植物生长能力下降，对环境的适应性降低，对养分的吸收能力减弱，最终影响植物的正常的生长发育。这已经严重威胁到了人类的粮食产量和安全。长期以来人们一直致力于要研究出一种有效的治理办法来解决这一问题。传统的治理重金属污染的方法有非毒性改良剂法，其主要作用降低污染物的水深性、扩散性和生物有效性。只是暂时减少了污染物在生物体内的富集，不能根除污染物在土壤中的存在；排土法与客土法改良效果较好，但治理费昂贵及二次污染问题不容易解决；一些农业措施如施用有机肥、石灰等只能作为一种辅助措施来加以施用。目前，人们正以极大的热情致力于一种新型的修复技术植物修复的研究。因为植物修复是利用植物的生长吸收、转化、转移污染物而修复土壤的一种方式。这种技术与传统方法相比，具有省时、省力、不破坏自然环境、提高土壤肥力等优点，被认为是有潜力的能保护自然的土壤修复技术。1 土壤污染的类型土壤是植物生长基础，是最重要的生长环境条件。而由于土壤污染不易察觉，在人类长期的不合理的利用，以及工业的款速发展，是的污染物在土壤中长期积累，并超过了土壤的自净能力，引起土壤难以恢复的破坏。凡是进入土壤并影响到土壤的理化性质和组成物而导致土壤的自然功能失调、土壤质量恶化的物质，统称为土壤污染物。常见的土壤污染物主要是农药、重金属、化肥、工业排污、生活垃圾等。而根据引起污染的污染物性质的不同，将土壤污染归为以下几类。1.1 有机物污染可分为天然有机污染物与人工合成有机污染物，这里主要是指后者，它包括有机废弃物（工农业生产及生活废弃物中生物易降解与生物难降解有机毒物）、农药（包括杀虫剂、杀菌剂与除莠剂）等污染。当然农药仍然是最主要的有机污染源，目前大量使用的化学农药约有5 0 多种，其中主要包括有机磷农药、有机氯农药、氨基甲酸酶类、苯氧羧酸类、苯酚、胺类。此外，石油、多环芳烃、多氯联苯、甲烷、有害微生物等，也是土壤中常见的有机污染物。目前，中国农药生产量居世界第二位，但产品结构不合理，质量较低，致使大量农药残留，带来严重的土壤污染1。如图1是荷兰科学家Hoeks. J利用计算机求解并模拟得到的石油溢流50年后， 其中四种降解化合物在土壤中的迁移情况2，可见土壤中有机污染物降解之后对土壤的影响范围扩大，后果严重。同时，近几年来，塑料地膜地面覆盖栽培技术发展很快，但是由于管理不善，部分膜弃于田间，构成了种更难处理的新的有机污染物。图1 石油溢流50年后， 其中四种降解化合物在土壤中的迁移1.2 无机物污染 主要是由于化肥工业的迅速发展发展及其不合理使用，无机养分被植物吸收后， 剩于过多的Cl-、SO42 -离子与土壤中游离的Ca2+ 离子结合生成CaCl2和CaSO4 ， 堵塞土壤孔隙， 导致土壤板结，同时由于大量阴离子存在容易导致土壤酸化。而磷肥中含有的氟对土壤的污染也相当严重。同时， 由于不注重科学施肥， 造成大量的浪费， 并导致土壤养分结构不均衡，土体结构发生变化，最终发生严重退化。 无机污染中最重要的两个污染仍然是重金属和放射性物质污染，因为其能够通过食物链进入人体，对人体造成直接影响，所以我们下面将分步介绍两种污染。1.3 重金属污染使用含有重金属的废水进行灌溉是重金属进入土壤的主要途径。另外，工业废水流入河流湖泊，对其周围的土壤造成污染也是重金属进入土壤的一条途径。除此之外，重金属还能够随大气沉降落入土壤。而我们常说的重金属主要有汞、铜、锌、铬、镍、钴等。然而，重金属在土壤中的迁移困难，不容易被微生物和植物降解，相反，在一些微生物协助和土壤理化过程中，很容易富集。所以，土壤一旦被重金属污染，紧靠本身的净化能力是远远能消除的，同时人工治理过程也相当困难，而且重金属能够被生物富集，进入食物链，最终影响人类的健康和粮食安全，对人类的潜在危害很大。1.4土壤放射性物质的污染人类活动排放出的放射性污染物，使土壤的放射性水平高于天然本底值。放射性污染物是指各种放射性核素，它的放射性与其化学状态无关。放射性元素主要来源于大气层核实验的沉降物，以及原子能和平利用过程中所排放的各种废气、废水和废渣，并可通过自然沉降、雨水冲刷和废弃物淀积等途径进入土壤。放射性废水排放到地面上，放射性固体废物埋藏处置在地下，核企业发生放射性排放事故等，都会造成局部地区土壤的严重污染。大气中的放射性物质沉降，施用含有铀、镭等放射性核素的磷肥与用放射性污染的河水灌溉农田也会造成土壤放射性污染，这种污染虽然一般程度较轻，但污染的范围较大，并且只能通过自然衰变消除污染，进入食物链后果严重。当然除了以上几种污染类型之外，还有些特殊的污染，那就是近年来才被重视的生物污染。其主要指一个或几个有害生物种群，从外界侵入土壤，大量繁殖，破坏原来的动态平衡，对人类健康与土壤生态系统造成不良影响。造成土壤生物污染的主要物质来源是未经处理的粪便、垃圾、城市生活污水、饲养场与屠宰场的污物等。其中危害最大的是传染病医院未经消毒处理的污水与污物。土壤生物不仅可能危害人体健康，而且有些长期在土壤中存活的植物病原体还能严重地危害植物，造成农业减产，甚至可能引发粮食危机。2 土壤污染对植物的影响植物的生长离不开土壤，土壤是植物生长的基础。土壤污染不仅会引起土壤的组成和理化性质发生变化，其最直接的受害者是植物。植物通过从土壤中摄取营养物质来完成自己的生长发育，一旦土壤遭到污染，植物的生长也必将受到影响。那么我们接下来就谈一下土壤污染对植物的影响。2.1 重金属污染对植物的影响近年来，有关重金属在土壤农作物体系中的迁移规律研究表明，重金属元素在作物中的分布累积具有剂量- 效应关系和组织器官差异性。大多数作物不同器官重金属含量水平差异大，呈现根茎、叶籽实的规律3。根际土壤中溶解的重金属可通过质外体或共质体途经进入根系。大部分金属离子通过专一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞，该过程是一个依赖能量的、饱和的过程。非必需的重金属可与必需金属元素竞争膜转运蛋白，以离子形态或金属螯合物形态进入根细胞4。重金属离子从根系表面进入根系内部可通过质外体或共质体途径，但由于内皮层上有凯氏带，离子不能通过，只有转入共质体后，才能进入木质部导管，因此重金属在内皮层的共质体内运输是其转运到地上部的限制性步骤，因此在植物根系的积累成为重金属离子对植物作用的一个重要特征。重金属进入根细胞质后，以游离金属离子形态存在，但细胞质中游离金属离子过多，就会对细胞产生毒害作用，干扰细胞的正常代谢，因而细胞质中的金属可能与细胞质中的有机酸、氨基酸、多肽和无机物等结合，通过液泡膜上的运输体或通道蛋白转入液泡中5。植物根系的破坏对于植物的生长是致命的，直接导致植物的死亡或者生长受限。研究表明，土壤受镉、铬、汞、砷、铅等元素的污染，能引起植物的生长和发育障碍；而受锰、汞、铅等元素的污染，一般不引起植物生长发育障碍，但它们能在植物可食部位蓄积6。 近年来，我国对土壤重金属污染对植物的影响的研究较多，早期的报道称，土壤中微量砷可刺激植物的生长发育，过量砷则危害植物的生长，如降低伤流和蒸腾速率，抑制根系活性，阻碍对水分、养分的吸收，叶片脱落、枯死7。朱云集在研究砷污染对小麦的生长的影响中发现，在土壤含砷100 mg/kg以上时，小麦根系长出形似狮尾根等多种扭曲变形的畸形根，这主要是因为主根的生长点细胞分裂受到抑制，生长点附近的细胞分裂长出分主根，分支根的伸长又受到抑制8。De Vos CHR等人通过水培实验发现，用100 mg/L 镉处理时，燕麦根部细胞产生的ATP酶活性在短时间内下降，妨碍K向根内疏导，因而镉可降低K的吸收。他们认为镉影响植物对氮、磷、锌的吸收可能是由于镉能抑制植物根系亚硝酸还原酶的活性，直接影响对氮的吸收9。因此镉被认为是对植物具有明显危害作用的重金属元素，它会导致细胞膜脂过氧化水平的提高，阻止植物生长发育，对作物生长会产生一定的毒害作用10。另外一种重金属元素铬，也是污染土壤的重要元素之一，具有明显的致癌致畸作用。其在土壤中主要以三价形式存在，难以被植物吸收利用。它主要是通过影响植物根尖细胞的有丝分裂，抑制其萌芽、发育，干扰大豆、矮菜豆对矿物质营养的吸收，影响质体色素及酯醌的含量，抑制矮菜豆、藻类的光合作用，对水稻的蒸腾作用产生抑制11。最常见的元素汞，在土壤中对植物危害也是很明显的， 植物受汞蒸气毒害后， 叶子、茎、花瓣等变成棕色或黑色， 甚至能使植物叶子和幼蕾大量脱落。重金属对植物具有多方面的影响，而且还存在一些复合污染现象，这里仅仅指出了土壤污染中被称作五毒的几个典型，其他的影响不在此一一列举了。2.2 有机污染对植物的影响谈及土壤有机污染，最重要的污染就是农药污染。尤其我国农村对农药的使用的不规范性，导致大量农药残留进入农田土壤，形成有机污染源。这部分有机物质会在土壤中与植物根系接触，一些非极性的大分子物质粘附在根系表面影响作物根系功能，有些则可被农作物直接吸收，在作物的体内残留，并引起一些作物病害或者代谢疾病，甚至会导致作物死亡。如DDT为非极性农药，在水中的溶解度又很小(112 ug/L) ，因此多附着于根的表面12。农药进入土壤后，使土壤性质、组成及性状等发生了变化，并对土壤微生物有抑制作用，使农药在土壤中的积累过程逐渐占据优势，破坏了土壤的自然动态平衡，导致土壤自然正常功能失调、土质恶化、影响植物的生长发育，造成农产品产量和质量下降，并通过食物链危害人类。如某些杀虫剂对大豆、小麦、大麦等敏感植物产生影响，妨碍其根系发育，并抑制种子发芽。除草剂进入植物体内主要有两条途径: 附着于植物表面的除草剂，经植物表皮向植物组织内部渗透; 残留于土壤中的除草剂被植物根系吸收。脂溶性的除草剂能溶于植物表面的蜡质层，经表皮渗入植物组织内部。除草剂对植物的生长发育及生理生化过程均有一定的影响，主要表现在能抑制种子的萌发和根、茎的伸长;改变种子萌发的几种酶的活性，以及种子萌发时根尖细胞有丝分裂频率的变化。土壤为植物提供良好的生长环境和养分需求，但是一旦遭受到污染，最直接的受害者也是植物，从种子的萌发到根系的形成再到养分的吸收，都会收到污染物的影响，或刺激活抑制，最终导致植物生长受阻，产量下降，甚至会使粮食作物转变成有毒作物，这对人类是一个极大的挑战，所以对于土壤污染的治理是亟待解决环境问题。3 植物对污染土壤的修复作用 污染土壤修复技术的研究起步于20 世纪70 年代后期。人们也一直致力于研究出一种行之有效的方法来解决这一问题，从2000、2004和2008年连续3届的土壤污染与修复国际会议主题与交流情况来看13，在污染土壤修复技术上， 已从物理修复、化学修复和物理化学修复发展到生物修复、植物修复和基于监测的自然修复， 从单一的修复技术发展到多技术联合的修复技术、综合集成的工程修复技术。其中作为生长在其上的植物，对土壤污染产生响应，利用植物修复土壤的技术已经比较成熟。下面就植物修复土壤的研究做简单介绍。3.1 植物修复机理3.1.1利用超富集植物直接吸收20 世纪70 年代以后， 有关重金属超积累植物( hyperaccumulator plants) 的研究逐渐受到重视。该类型的修复就是利用植物的超积累和积累性功能来修复土壤中的一些特定的污染物。主要利用的植物分为超量积累植物和诱导超量积累植物14。所谓超量积累植物是超能量吸收重金属并能将其运转到地上部的植物。这种植物有两个因素，一是植物地上部分重金属达到一定的量并高于根部。把这种植物种植在重金属污染土壤上，植物吸收重金属并将其转移到地上，将植物收获并焚烧后回收重金属，从而降低土壤中重金属含量。有机污染物在植物的生长代谢活动中发生不同程度的转化或降解，被转化成对植物无害的物质，储存在植物组织中。还有一部分被完全降解、矿化成二氧化碳和水以实现治理目标。对于这一类修复而言，其成功与否主要取决于污染物的生物有效性，即通过植物根系系统吸收和代谢的能力。有研究表明杂交杨树可有效吸收三氯乙烯，并且可以把它降解成三氯乙醇、氯代酮，最后降解成二氧化碳15。诱导超量积累植物是指正常状态下不会对自然界中的有毒重金属离子(如铅、镉、砷等) 具有富集作用，而在土壤中加入某种物质后能够富集污染物的一类植物。实验表明在土壤中施用金属离子螯合剂如EDTA 可以增加植物对铅的吸收16 。这发现为以后成功地对铅和其它有毒金属离子(用合适的螯合剂) 的植物修复技术研究铺平了道路。通过植物修复技术从土壤中去除的金属离子量是所收获植物的总生物量(BIOMASS) 与该金属离子在植物中的富集浓度的乘积，所以所选植物应具有很高的生物量，而且要选择合适的螯合剂来提高植物对重金属离子的螯合效率，以提高其在植物体内的富集浓度。例如对铅施用EDTA、对镉施用EGTA、柠檬酸对铀的吸收可能也比较有效。对于螯合剂辅助植物富集土壤污染物的研究在国外已经比较成熟，但是我国研究却很少，而且不同类型辅助剂的效果是否受到土壤类型的影响还不清楚。3.1.2 利用植物根部释放的酶催化降解有机污染物植物根系可向土壤环境释放大量分泌物( 糖类、醇类和酸类) ， 其数量约占植物年光合作用的10%20% 。同时植物根系的腐解作用也向土壤中补充有机碳， 这些作用均可加速根区中有机污染物的降解速度。植物释放到环境中的酶类， 如脱卤酶、过氧化物酶、漆酶及脱氢酶等。这些酶可以降解TNT、三氯乙烯、PAHs 和PCB 等细菌难以降解的有机污染物17。有研究表明腈水解酶可以降解4-氯苯腈，去硝化酶和漆酶可以分解弹药废物（三硝基甲苯），去卤代酶可以把氯代溶剂（如三氯乙烯）降解成氯离子、二氧化碳和水。那么筛选这些根系能够大量释放有效酶类的植物十分重要。3.1.3 根际微域微生物群落的降解作用植物脱落物给根区微生物和真菌提供养料，促进它们的生长代谢，这些微生物可以降解土壤中的有机污染物。实际上植物根系释放的酶和根际微域微生物群落的降解作用被认为是植物修复土壤有机物污染的主要途径。在脱落物中，含有糖、醇、蛋白质和有机酸等。不同的植物释放出的脱落物在组成和数量上都差异很大。脱落物中的某些酚类物质可以支持某些细菌的生存，但不是所有植物都能释放这样的酚。到目前为止，植物根系与微生物群落的相互作用、根际微域对植物修复的促进作用机理还不是很清楚。3.1.4 根际矿化作用植物根系分泌有机酸类物质能够促进土壤中难容性污染物的分解，同时在根土界面上共生一些菌根真菌和其它共生微生物，可以矿化有机污染物为二氧化碳和水，从而起到修复土壤的作用。总体而言，植物修复机制主要是利用植物超积累或积累性功能的植物吸取修复、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复、利用植物代谢功能的植物降解修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复等。3.2 植物修复方法的优缺点比较植物对污染土壤进行修复具有操作简单、费用低，较容易被公众接受；由于是原位修复，对环境的改变少；可以进行大面积处理；与微生物相比，植物对有机污染物的耐受能力更强；植物根系可以通过植物蒸腾作用从土壤中吸收水分，促进了污染物随水分向根区迁移，在根区被吸附、吸收被降解，同时抑制了土壤水分向下和其它方向扩散，有利于限制有机污染物的迁移。由于植物修复具有投资和维护成本低、操作简便、具有双重经济效益等特点，因而越来越受到各国政府、科技界和企业界的高度重视和青睐。并广泛应用于土壤、水体、污泥的修复处理。然而，植物修复的周期比其它治理方法相对要长一些，目前发现的超富集植物一般生物量小，所以修复的时间相对要长，需进一歩开发寻找新的生物量大的植物；另一方面可以利用基因工程手段，将植物进行改造，从而产生理想的适合需求的转基因超富集植物。有研究表明拟南芥菜经转基因后对铜的吸收能力提高了7倍；还可以把生长慢、低生物量的超富集植物育成生长快、生物量大的品种。所有这些都不是在短时间内能完成的。与植物生长一样，受气候的影响比较大；污染物在植物体内的代谢转化机理还不是很清楚，污染物有可能在植物中富集，有些代谢中间产物甚至可能比原污染物毒性更大，形成二次污染；某些污染物的溶解性提高了因而可能造成污染扩散。3.3 未来植物修复的研究重点未来植物修复的研究重点有以下几个方面：(1) 针对不同种类、浓度的污染物，筛选对污染物耐受性强，生物量大的植物；（2）污染物在植物体内的代谢转化机理的研究；（3）污染物在土壤中的吸附-解析机理和迁移规律的研究；（4）基因工程在高效修复植株的筛选中的作用；（5）耕作方式、根的生长状态、农业品投入等因素对植物修复的影响。4 讨论与展望目前，我国的土壤污染相当严重，存在的问题还很多，施肥的盲目性和大规模性导致土壤污染更加严重，同时重金属污染已经引起了一些病情的发生，如沈阳市典型的镉污染区- 张士灌区，虽未发现典型“骨痛病”患例，但污灌区人尿中镉含量增高，癌症平均死亡率显著增加。污染土壤的治理和修复已经迫在眉睫。植物修复技术在土壤修复中应用已经很广泛了，不仅应用于农田土壤中污染物的去除， 而且同时应用于人工湿地建设、填埋场表层覆盖与生态恢复、生物栖身地重建等。近年来， 植物稳定修复技术被认为是一种更易接受、大范围应用、并利于矿区边际土壤生态恢复的植物技术， 也被视为一种植物固碳技术和生物质能源生产技术; 为寻找多污染物复合或混合污染土壤的净化方案， 分子生物学和基因工程技术应用于发展植物杂交修复技术18; 利用植物的根圈阻隔作用和作物低积累作用19，发展能降低农田土壤污染的食物链风险的植物修复技术正在研究。而在过去的研究中，对于不同类型诱导超量积累植物辅助剂的效果是否受到土壤类型的影响还不清楚？利用转基因工程手段筛选筛选生长速度快、生物量积累搞的超富集植株已经取得了较好的成果，但是这些植株参与到土壤生态系统后可能造成的影响尚不清楚。到目前为止，植物根系与微生物群落的相互作用、根际微域对植物修复的促进作用机理还不是很清楚。尤其是在几点植物修复的研究重点上我国的研究尚且比较落后，需要加大研究力度，取得更好成果。 通过综述，我们也看到了土壤环境的变化与植物对这种变化的反应，利用这些反应使用植物反作用于土壤，取得较好的生态修复效果。参考文献1史海娃，宁卫国，赵志辉，等. 我国农业土壤污染现状及其成因J.上海农业学报，2008，24(2): 122 - 126.2 F.A.M. 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