矿山植物修复技术及研究及发展趋势.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除矿山植物修复技术的研究及发展趋势摘要:从矿产资源开发对环境造成严重影响入手,阐述了植物对矿山废弃地修复机理, 得知现有的研究方向及成果主要集中在修复机制研究、植被物种的选择和化学、微生物、遗传工程技术在植物修复技术中的应用,并对下一步的工作提出了展望。关键字:植物修复;矿山废弃地;植物修复;发展趋势1 引言矿产资源是我国社会经济发展的重要支柱,然而矿产资源开发同时也是迄今人类最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动。据资料统计,我国采矿业破坏的土地面积约140200万hm2,且每年仍以4万hm2的速度递增,全国每年矿山开发占用耕地面积为98.6万hm2,占全国耕地面积的1.04%,而全国受矿业影响的土地复垦率却仅13.3%,其中主要以煤矿山为主,金属矿山的复垦率相对较低,这与发达国家75%的复垦率有较大差距。因此,生态修复在矿山开采过程的地位将越来越重要1,矿山废弃地的生态恢复是迫切需要解决的问题,植物修复技术在矿山修复中有重要作用。2研究方向及成果近年来,植物修复技术成为我国研究热点,并且取得了一定成果。刘秀梅2等对某铅锌矿区附近生长的6种植物筛选,发现羽叶鬼针草和酸模对Pb有很好的耐性,且S/R值大于0.5; 张志权等研究了从引入的土壤种子库中所萌发并成功定居在铅锌尾矿上的4个优势种植物,表明双穗雀稗和黄花稔具有Pb修复潜力。在废弃3000余年的湖北铜绿山古冶炼渣已形成了以草本植物为主体的植被。其中,鸭跖草是Cu的超富集植物,可用于Cu污染土壤的修复与重建。目前已发现的部分可用于修复矿山废弃地重金属污染的植物3。2.1修复机制研究不同植物对矿山的修复机理有所不同,目前已发现有4种主要的修复机制: 1)植物转化。植物从土壤及地下水中吸收、累积并转化污染物成为低害或无害的代谢物,或被植物体利用,或被释放至环境中; 2)滞留和固着。通过植物的生命活动使污染物失去生物和化学活性,结合于土壤或植物体内; 3)根际生物修复。植物根系分泌和释放酚酸类等有机物质或富集根际微生物以降解、沉淀污染物,或使之发生变化而易于被植物吸收; 4)根系过滤。即植物根系从地下水或流过根系的水流中富集和吸收重金属元素或污染物,使之沉淀于土壤深层,或被固定于植物体内。2.2植被物种的选择从1977自Brooks提出超富集植物的概念,到1983年Chaney提出利用超富集植物清除土壤中重金属污染的想法以来,科学家逐渐将目光集中到了矿山及周边地区的自然植物,并从中发现了很多超富集植物。目前,世界上共发现超富集植物有500多种,涉及植物45个科,但这些植物通常只能对一种重金属元素表现出富集能力,仅少部分可超富集吸收两种或两种以上的重金属。3 植物修复基本作用方式3.1植物根系的固定作用植物根系稳定表土层结构、提高土壤入渗性能和抗剪强度、增强土壤抗冲性的4有效性机理是植被抵抗径流侵蚀动态过程及土壤侵蚀。植物根系增加了水稳性团粒及有机质含量,稳定土层尤其是表土层结构,创造抗冲性强的土体构型。3.2植物对重金属的修复机理1)植物稳定修复。通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈污染物质,使其失去生物有效性,以减少污染物质的毒害作用,能起到这种作用的植物叫做固化植物。固化植物在污染场地的生长能对污染物起到稳定作用,防止污染物向周围环境扩散造成二次污染。如利用植物根系分泌物将毒性较大的Cr6+转化为毒性较小的Cr3+,将生物活性很高的铅通过螯合和沉淀作用形成铅盐,成为难溶性化合物,很难为植物所利用。2)植物提取修复。利用超积累植物重污染土壤或水体中超量吸收、积累一种或几种重金属元素,之后将植物整体(包括部分根)移走,然后再重复种植、移走植物最终使污染环境中重金属含量降低到可接受的水平。如布氏香芥对Ni的富集作用,天蓝芥、蓝菜对Zn和Cr的富集提取作用等。3)植物挥发。植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发功能而减少土壤中一些挥发性污染物,即植物将污染物吸收到体内后,将其转化为气态物质,释放到大气中,从而减轻土壤污染。许多植物可以从污染的土壤中吸收易挥发的元素Se和Hg。4 植物修复技术在应用中的优势和局限性4.1植物修复的优势与物理修复和化学修复方法相比,植物修复有自身的优势,主要表现在以下几个方面: 1)植物修复技术相对简单、费用较低,可以对大面积的污染区域进行治理。2)利用植物的提取修复作用可以永久性的解决环境污染问题。3)不仅不破坏场地结构,还可以修复受损土壤,逐步改善土壤环境。4)经过植物修复作用的土壤可再利用,符合可持续发展的要求。4.2 植物修复的局限性植物修复技术有一定的范围,只是针对表层土壤及浅层地下水的污染物进行治理。对于污染程度过于严重或污染物分布为植物根系达不到的污染土壤和水体修复效果不明显。对于复合型污染土壤和水体需要采用几种修复植物相结合的方式进行处理,而且植物修复周期较长,难以满足快速修复环境的要求。5 其他技术在植物修复技术中的应用植物修复技术的优点是设施简便、投资较少和对环境干扰小5。但仍存在周期较长、见效慢、不太适合重污染地区等缺点。超累积植物通常植株矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长,被植物摄取的重金属由于大多集中在根部,容易重返土壤,对污染不太重的土壤特别适用。由于复合污染土壤重金属之间通常发生交互作用,单一修复手段难以取得满意修复效果。近年来,国内外积极开展矿山植物修复技术,取得了良好成效。5.1 化学强化植物修复技术及机理。添加化学固定剂降低重金属的生物有效性成为植物修复技术的重要辅助手段之一,对于矿山多金属污染环境体系而言,由于不同类型的重金属表面化学反应过程和溶液化学反应参数不同,且可能存在多金属之间交互作用影响,化学固定剂对复合污染体系中不同类型重金属的固定机理与效果可能存在较大差异。而对于植物提取技术而言,实际应用中常通过化学螯合剂来活化土壤重金属以强化植物提取修复效果。尽管化学固定或活化剂对重金属在土壤中的吸附、固定或活化等环境化学行为得到了广泛认识, 但其反应机理尤其是多金属污染土壤条件下化学固定或活化过程与机理尚未完全阐明。因此,针对不同化学强化措施对多金属污染土壤重金属离子活化、固定及其与植物耐性/吸收过程的关系研究将有助于提高植物修复的效率。5.2 微生物强化植物修复技术及机理。面对矿山废弃地及周边污染土壤的特殊生境,单一的植物修复技术显然无法达到生态修复目的。实践表明,土壤微生物在植物修复过程中具有重要作用,微生物可以促进植物生长和营养吸收,提高植物耐性、定居能力和重金属有效性。研究表明,接种菌根能显著增加植物的生长、根瘤数和重量,提高植物体内N、P、Zn、Mn、Cu、Ni、Cd、Pb和Co等的含量,降低土壤的重金属浓度,在修复有机物污染方面,植物与共生的真菌、细菌等微生物形成根际圈,主要利用微生物降解转化有机污染物,根际圈降解有机污染物的效率明显高于单一利用微生物降解的效率,目前,已有在野外条件下,研究土壤微生物(真菌、细菌)在重金属污染矿山废弃地植被重建和维持中的真正作用,并且在其重建过程中微生物对不同类型金属活化与固定和影响机制及与植物吸收/耐性之间的关系也鲜有研究。5.3 遗传工程强化植物修复技术及机理。通过遗传改良增强植物对污染物的吸收、积累或降解的能力一直是植物修复技术研究的热点领域6,植物在长期的进化过程中获得了一系列特有的应对环境变化的生理生化机制,涉及转录调控、激素调节、miRNA作用、钙离子参与和生态酶的快速反应等,均涉及到复杂的基因调控和生理生化调节过程。目前,人们已经开始利用植物基因工程技术分离克隆相关基因,将其转入生长快且生物量大的植物中,使这些植物能大量表达相关蛋白,以提高它们的修复能力。6展望植物修复有其他技术无可替代的优越性,也是近年来治理土壤污染的新技术,开发潜力很大。植物修复技术研究取得了很大进展,但是应用到实际中还存在许多问题,涉及到生物学、土壤学、植物学、气候学等多门学科及其交叉学科。未来植物修复技术的研究应该考虑到多方面因素。1)加强对植物修复机理的研究,结合基因工程,将相关基因转移到生物量较高的植物体中,从而生产出修复中需求的转基因植物。2)考虑废弃地的土壤环境,通过适当改良来保证修复植物的生长。大部分矿山废弃地的土壤中缺乏氮、磷等营养物质,在利用植物修复技术治理矿山废弃地时可以通过施用化肥和种植固氮植物(如豆科植物)辅助重金属富集植物。3)扩大对重金属超富集植物的筛选,发现更多适合用于修复技术的植物,特别是生长迅速、繁殖能力强的植物种,对矿区废弃地生态恢复工作具有重要的理论意义和实践价值。4)菌根植物微生物体系修复的研究。修复植物根际圈内与根系共生或非共生的细菌、真菌等微生物和线虫、蚯蚓等一些土壤动物也有一定程度修复作用。参考文献1 张波,赵曜. 矿山废弃地治理中植物修复作用的研究J.山西建筑.2011. (2):189190.2 刘秀梅,聂俊华,王庆仁. 6种植物对Pb的吸收与耐性研究J.植物生态学报, 2002, 26(5): 533-537.3 白洁,孙学凯等.土壤