矿区土壤重金属污染生物修复技术进展(吴嘉怡)PPT课件

.,1,丰富的矿产资源,.,2,严重的污染问题,.,3,重金属污染土壤的主要方式重金属传统修复技术重金属生物修复技术概况实际应用例子存在问题与展望,.,4,重金属污染土壤的主要方式,土壤中的重金属通过雨水淋溶作用向下渗透，导致地下水污染；受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒物等形式直接或间接地为人或动物所吸收；外界环境条件的变化如酸雨、某些土壤添加剂等因素提高了土壤中重金属的生物可利用性，使得重金属较容易地为植物吸收利用而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害。,特点：隐蔽性、毒性大、长期性和不可逆转性,.,5,重金属传统修复技术,1.物理修复技术：物理工程措施（排土、换土、去表土、客土和深耕翻土）电动力学法电热修复玻璃化技术冰冻土壤技术工程量大，能耗高，费用高，抢救性修复,.,6,2.化学修复技术：化学固定技术（改良剂）化学萃取技术（萃取剂）鳌合技术（螯合剂）氧化还原技术减少土壤肥力，改变土壤性质，二次污染,.,7,重金属生物修复技术：,植物修复微生物修复动物修复,植物稳定（固化）,植物挥发,植物提取,成本低、效率高、无二次污染和适用范围广,与植物修复协同,.,8,植物修复技术的历史和进展,20世纪50-70年代植物的重金属机理研究70年代末-90年代初超积累植物的研究20世纪90年代以后植物和微生物共存体系植物抗重金属的进化研究基因工程植物（超量积累植物和生物量高的亲缘植物杂交）,.,9,植物修复技术(phytoremediation)是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及其共存的微生物体系,清除环境中的污染物的一门环境污染技术。,植物修复,植物稳定或固化(Phytostabilization）植物挥发(phytovolatilization)植物提取(Phytoextraction),.,10,植物稳定指通过植物根系的吸收、螯合、沉淀或还原作用,使金属污染物惰性化,转变为低毒性形态,降低其生物有效性和移动性,从而固定于根系和根际土壤中,并防止其进入地下水和食物链。,植物稳定(Phytostabilization）,工程应用，暂时固定，仍有后患,Cunningham等研究发现植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅,使铅固化,而降低铅的毒性。印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的、生物有效性高的六价Cr还原为低毒的、生物有效性低的三价Cr,使其固化。,.,11,超耐受性植物的筛选,作用：（1）通过根系吸收、沉淀或还原作用可使污染物惰性化（2）通过根际微生物改变根际环境的pH值和Eh值来改变重金属的化学形态,固定土壤中的重金属,适用于固化污染土壤的理想植物,应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。,.,12,e.g:Smith和Bradshaw研究发现的细弱翦股颖和匍匐紫羊茅已经商业化地运用于污染土壤中Pb、Zn、Cu的固定（1992）。Conesa发现定居在西班牙尾矿库上的2种植物硬毛苞茅和驼蹄瓣虽然对重金属的吸收不强,但其根系周围土壤中Zn的浓度很高,可能对Zn具有一定的富集作用(2006)。张鑫对铜陵市尾矿库的野生优势植物研究发现,水蜡烛、狗牙根等虽然对重金属的吸收能力不强,但是可以耐受尾矿库的贫瘠环境及高浓度重金属元素的环境,在尾矿库中生长良好。（2005）,.,13,植物挥发(phytovolatilization),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。主要的研究为Se和Hg,应用范围小,有一定的风险,.,14,e.g:烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞洋麻可以使土壤的47%的三价硒转化为甲基硒挥发去除海藻能吸收并挥发砷,其机理是把(CH3)2ASO3挥发出体外现代分子生物技术和基因工程的介入,使得植物挥发技术有了更大的发展,如Meagther等将细菌中的Hg还原酶修饰基因转入拟南芥中发现这种转基因植物所表现出来的Hg还原酶可以从溶液或介质中产生挥发态的Hg.,.,15,植物提取(Phytoextraction),植物提取利用植物从土壤中吸收金属污染物,并在植物地上部分富集,对植物体收获后进行处理,从而降低了土壤中重金属的含量,植物提取技术关键是筛选出超积累植物,特点：即使在污染物浓度较低时也有较高的积累效率;能在体内积累高浓度的污染物;能同时积累多种重金属;生长快,生物量大;抗虫抗病能力强,.,16,.,17,1999年陈同斌、韦朝阳等人在中国本土发现世界上第一种砷的超富集植物蜈蚣草(RerisvittataL.)2002年浙江大学杨肖娥等人在浙江发现了锌超累积植物东南景天(SedumalfrediiH.);2002年中科院韦朝阳等人在湖南又发现砷的另一种超累积植物大叶井口边草(PteriscreticaL.)2003年薛生国等人在湖南省发现的锰超累积植物一商陆(PhytolaeeaacinosaRoxb.)2003年刘威等人在湖南省郴州桂阳县宝山矿区发现并证实宝山荃菜(Violabaoshanensis)是一种镉超富集植物2005年魏树和等人首次发现并证实杂草龙葵(SolanumnigrumL.)也是一种镉超积累植物。,超富集植物的筛选,.,18,国外成功案例：美国明尼苏达圣保罗锡污染土壤的植物修复该污染土壤为石灰性土壤，全锡含量为25mg/kg，全锌含量为475mg/kg，全铅含量为155mg/kg。试验者于1991年开始对该污染土壤进行修复，他们将污染土壤区隔为圆形并通过步道分成许多方块，共种植了5种植物:天蓝遏兰菜，麦瓶草属，长叶葛芭菜，镉积累型玉米近交FR-37和抗锌与镉的紫羊矛。为了降低根际pH，还施加了硫肥、N03-态氮肥和NH4+态氮肥。经过3年的修复，将土壤中锡含量降到了可以接受水平，使原本一片光秃秃的“死地”变得生机盎然。,.,19,.,20,处理后植物的回收与利用,.,21,微生物修复,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。,生物转化生物吸附菌根作用（植物与微生物的协同作用）,.,22,生物转化,甲基化作用（假单胞菌属）还原作用HgCl2烟草头孢霉F2Hg氧化作用Mn2+和Sn3+Mn4+和Sn4+,.,23,生物吸附,第一阶段:重金属在细胞表面吸附,主要是指重金属离子与生物体细胞壁表面的一些基团通过络合、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。第二阶段:指微生物累积。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。,.,24,菌根作用（植物与微生物的协同作用）,(1)菌根真菌通过分泌特殊分泌物等形式来改变植物根际环境,改变重金属的存在状态,降低重金属毒性,起到促进重金属纯化的作用。(2)菌根能影响菌根植物对重金属的积累和分配,使菌根植物体体内重金属积累量增加。(3)菌根向宿主植物传递营养,使植物幼苗成活率高,宿主植物抗逆性增强、生长加快,间接地促进植物对重金属的修复作用。(4)菌根的形成也同时影响植物根际微生物的种类和数量,.,25,Ricken等观察种植在施用污泥土壤中的紫花苜蓿和燕麦接种球囊霉（glomus）菌根真菌后耐受重金属毒害的变化，发现由于菌根的侵染，燕麦根中Zn、Cd、Ni的含量增加，地上部分的Zn含量减少。Entry等研究报道，在被Cs和Sr污染的土壤中接种菌根菌（gmosseae）能促进3种草本植物（paspalumnotatum）、（sorghumhalpense）和（panicumvirginatum）的生长，植株体内Cs和Sr含量在接种处理条件下显著高于不接种处理。,.,26,动物协同修复,维持土壤肥力。研究表明,蚓粪中有机碳、硼、钼、锌、PH、CEC等明显高于原土含量;增加土壤重金属的活性使得植物吸收重金属的效率增加。俞协治通过模拟土壤污染试验发现蚯蚓活动能明显提高红壤Cu的生物有效性，使得红壤中DT-PA提取态Cu的含量显著增加，从而提高了植物对重金属的吸收和富积效率。吸收富集少量重金属。戈峰等研究表明，饲养在牛粪和生活垃圾中的蚯蚓对硒和铜元素的富集能力很强，其最高富集硒和铜量分别为332.5mg/kg和l376mg/kg。,.,27,实际应用,植物修复技术作为一种新兴的绿色安全修复技术以其独特的优势和潜力,很快受到许多国家的重视。美国的Edenspace公司已经成功研发出铅、锌、镉、和砷污染的植物修复。英国利物浦大学的Bradshaw长期致力于矿山废弃地的生态恢复研究工作,他们最早利用当地的耐性植物对矿山土地进行了修复,并且成功的开发出可商业化应用的针对不同重金属矿山废弃地的耐性品种系列。,.,28,国家863计划金属矿区及周边重金属污染土壤联合修复技术与示范,中科院地理资源所陈同斌研究团队带领。研究团队已在广西环江、湖南郴州、云南个旧、浙江富阳、广东乐昌等地建立了重金属污染土壤修复工程2001年，在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染修复基地；随后又在广西和云南建立了砷、铅等