土壤中重金属的生物修复技术

土壤中重金属污染的生物修复 郑金宝环境工程 主要内容 1土壤中重金属污染的概况2土壤中重金属污染的生物修复 植物修复和微生物修复 3展望与前景 1土壤中重金属污染的概况 土壤重金属污染是指土壤中较高含量的重金属对生物产生毒害作用 并造成生态环境质量恶化的现象 1土壤中重金属污染的概况 我国土壤污染总体形势相当严峻 据统计 目前全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2000万hm2 约占耕地面积的1 5 每年因重金属污染的粮食达1200万t 我国许多地方的部分农田土壤中重金属含量较高 污染严重 主要包括有Cd Hg Cr Pb Cu Zn等重金属的污染 1土壤中重金属污染的概况 我国部分地区土壤重金属污染已相当严重 如沈阳的张士灌区在过去20多年的污灌中 污灌面积达2 5 107m2 其中有3 3 106m2土壤含镉5 7mg kg 镉污染十分严重 1土壤中重金属污染的概况 污染来源主要是通过大气沉降 污水灌溉 固体废弃物排放以及农药和化肥的施用等途径进入土壤 中国土壤重金属污染物主要来源于污水灌溉 工业废渣 城市垃圾 工业废弃物堆放及大气沉降 2土壤中重金属污染的生物修复 污染土壤修复是指利用物理 化学和生物的方法转移 吸收 降解和转化土壤中的污染物 使其浓度降低到可接受水平 或将有毒有害的污染物转化为无害的物质 以阻断污染物进入食物链 防止对人体健康造成危害 促进土地资源的保护与可持续发展 2土壤中重金属污染的生物修复 2土壤中重金属污染的生物修复 传统的土壤污染治理方法主要有 基于机械物理或物理化学原理的工程措施 如客土换土法 隔离法 清洗法 热处理法 电化学法等 基于污染物土壤地球化学行为的改良措施 如添加改良剂 抑制剂降低土壤污染物的水溶性 扩散性和生物有效性 2土壤中重金属污染的生物修复 上述方法自身存在很大的局限性 都未能成为较为理想的土壤重金属污染治理措施 近年来 重金属污染生物修复技术正在兴起 2土壤中重金属污染的生物修复 生物修复是指利用特定的生物 植物 微生物或原生动物 吸收 转化 清除或降解环境污染物 实现环境净化 生态效应恢复的生物措施 2土壤中重金属污染的生物修复 生物修复技术有许多方面的优点 可以使污染物完全从环境中去除 处理时间短 对周围环境影响较小 并且投资少 不会产生二次污染 主要通过两种途径来达到对土壤中重金属的净化作用 1 通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态 使重金属固定或解毒 降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性 2 通过生物吸收 代谢达到对重金属的削减 净化与固定作用 2土壤中重金属污染的生物修复 现在土壤中重金属污染的生物修复技术主要包括 1植物修复2微生物修复 2土壤中重金属污染的生物修复 1植物修复它是一种利用自然界中超积累植物或者遗传工程培育植物系统及其根际微生物群落来移去 挥发或稳定土壤环境中的重金属污染物 或降低重金属的毒性 以期达到清除污染 修复或治理土壤为目的的一种新兴绿色生物技术 2土壤中重金属污染的生物修复 2土壤中重金属污染的生物修复 植物固定 是指植物通过某种生化过程使污染基质中金属的流动性降低 生物可利用性下降 从而减轻有毒金属对植物的毒性 2土壤中重金属污染的生物修复 这类植物主要通过保护土壤不受侵蚀 减少土壤渗漏来防止污染物的流失 并通过在根部累积和沉淀 或通过根系吸收重金属来增加对污染物的固定 其根系分泌的粘胶状物质可与Pb Cu和Cd等金属离子竞争性结合 使其在植物根外沉淀 同时也影响其在土壤中的迁移性 2土壤中重金属污染的生物修复 植物挥发是利用植物去除环境中部分挥发污染物的方法 即植物将污染物吸收于体内后又将其转化为气态物质而释放到大气中 2土壤中重金属污染的生物修复 植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质 以减轻环境危害 植物挥发只适用于具有挥发性的金属污染物 应用范围较小 同时该方法只是将污染物从土壤转移到大气 对环境仍有一定影响 2土壤中重金属污染的生物修复 植物吸收又称植物提取 植物萃取 是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金属离子 将它们输送并贮存在植物体的地上部分 通过种植和收割植物而去除土壤中的重金属 2土壤中重金属污染的生物修复 这些能够大量吸收并累积重金属的植物称为超富集植物 其对某种重金属的累积量是普通植物的10 500倍以上 通常超富集植物被要求具有生物量大 生长快和抗病虫害能力强等特点 以及具备对多种重金属较强的富集能力 2土壤中重金属污染的生物修复 微生物修复微生物修复的机理 受到重金属污染的土壤 往往富集多种耐重金属的真菌和细菌 微生物可通过多种作用方式影响土壤重金属的毒性 例如 1kg毛霉和根霉粉未可净化含10mg L锌 pH 7的废水5000L 根霉菌对铀的吸附量可高达200mg g 黄青霉不但对铀有较强的吸附能力 对铅的吸附能力也不差 而霉菌对铅也有良好的吸附性能 2土壤中重金属污染的生物修复 微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在以下两个方面 一是生物吸附 二是生物转化 2土壤中重金属污染的生物修复 对重金属的生物吸附 细胞表面载有负电荷 且存在氨基 羧基 羟基 醛基 硫酸根等多种官能团 可通过静电吸附和络合作用固定重金属离子 微生物吸附重金属的机制十分复杂 研究表明它们对金属的作用可分为微生物吸着和微生物累积两个不同的生物化学阶段 2土壤中重金属污染的生物修复 第一阶段是重金属在细胞表面吸附 即微生物吸着阶段 主要是指重金属离子与生物体细胞壁表面的一些基团如 COOH OH NH2 SH PO43 等通过络合 螯合 离子交换 静电吸附 共价吸附以及无机微沉淀等作用中的一种或几种相结合的过程 2土壤中重金属污染的生物修复 第二阶段是指微生物累积这一主动过程 它仅发生在活细胞内 当活细胞生存在环境中时 它可以通过多种机制 包括运输以及细胞内外的吸附来 提高 本身的金属含量 已提出的金属运送机制有脂类过度氧化 复合物渗透 载体协助 离子泵等 2土壤中重金属污染的生物修复 微生物对重金属的生物转化作用主要包括氧化与还原 甲基化与去甲基化 溶解作用以及有机络合配位降解转化重金属等 2土壤中重金属污染的生物修复 甲基化作用汞 砷 镉 铅等金属或类金属离子都能够在微生物的作用下发生甲基化反应 假单胞菌属在金属及类金属离子的甲基化作用中具有重要的贡献 它们能够使许多金属或类金属离子发生甲基化反应 从而使金属离子的活性或毒性降低 2土壤中重金属污染的生物修复 还原作用微生物还能够将高价金属离子还原成低价态 将有机态金属还原成单质 有些金属在这个过程中毒性消失 2土壤中重金属污染的生物修复 氧化作用微生物还能将环境中一些重金属元素氧化 某些自养细菌如硫铁杆菌类能氧化As3 Fe2 Mo4 Cu 等 通过氧化作用使这些金属离子的活性降低 3展望与前景 生物修复的优势 植物修复能够彻底清除土壤中的重金属污染 并可以通过处理植物体而回收其中的重金属 达到资源化利用的目标 微生物技术修复污染土壤是一种行之有效的方法 微生物资源丰富 代谢途径多样 且操作方法相对成熟 使之具有修复多重污染土壤的巨大潜力 3展望与前景 生物修复的局限性 重金属污染土壤的生物修复技术研究取得了很大的进展 但还存在一定的局限性 如生物修复持续时间长 见效慢 受环境影响大以及不适合于严重污染土壤的修复等 因此 今后还需在以下几个方面展开深入研究 3展望与前景 1 继续搜寻重金属超积累植物 研究植物的重金属积累机理 利用基因工程技术提高大型植物的重金属积累量 3展望与前景 2 进行生态调查 筛选重金属污染土壤中的优势菌根真菌和