环境修复原理与技术-第5章 污染环境的植物修复原理.ppt

1,第五章污染环境的植物修复原理,2,5.1概述5.2植物对污染物的修复作用5.3影响植物修复的环境因子5.4有机污染物的植物修复5.5重金属的植物修复5.6放射性核素及富营养化物的植物修复,3,5.1概述,5.1.1植物修复的概念和类型植物修复技术：是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来消除环境中污染物的一门环境污染治理技术。具体地说植物修复就是利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用，利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态环境中微生物的生长繁殖，以及利用某些植物的特殊积累与固定能力，提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力。,4,广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气和水体、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物。目前植物修复主要指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤，其中利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是植物修复的核心技术。因此，狭义的植物修复技术主要指利用植物清除污染土壤中的重金属。,5,植物修复应用范围：a.利用植物修复重金属污染的土壤b.利用植物净化空气和水体c.利用植物清除放射性核素d.利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物,6,图5-1植物修复与生物修复的关系及主要修复方式,7,植物修复的类型植物净化空气植物提取修复植物挥发修复植物降解修复根际圈生物降解修复植物固定/稳定化修复,8,（1）植物净化空气,净化空气,吸收有害气体,吸滞放射性物质,滞尘,除菌和杀菌,减弱噪声,吸收CO2,9,植物修复在空气污染中的应用氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热,破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。,10,龙舌兰：在10平方米左右的房间内，可消灭70的苯、50的甲醛和24的三氯乙烯,芦荟：在24小时照明的条件下，可以消灭1立方米空气中所含的90的甲醛。,11,植物促进(Phytoaccumulation),也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多种这样的植物。,12,1583年，Cesalpino首次发现“黑色的岩石”上生长的特殊植物，1814年，Desvaux将其命名为Alyssumbertolonii(庭荠属)，1848年，Minguzzi和Vergnano测定该植物叶片含镍高达7900mg/kg。,1977年，Brooks将这类植物命名为“超富集植物”(hyperaccumulator)。1983年，Chaney提出利用植物提取土壤中的污染物，通过收割植物带走土壤中污染物的设想。,13,植物挥发(Phytovolatilization),某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。,14,（4）植物降解修复,利用某些植物特有的转化和降解作用去除水体和土壤中有机污染物质的一种方式。修复途径主要有两个方面：,如：硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如TNT分解,B根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物如：漆酶对TNT（三硝基甲苯）的降解，脱卤酶对含氯溶剂如TCE（三氯乙烯）的降解等,15,（5）根际圈生物降解修复,根系降解(Rhizodegradation)植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外13mm的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的34倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。,(共代谢的原料）,16,利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。,17,植物固定(Phytostabilization,利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系对污染物起固定作用。,18,5.1.2植物修复的优势及存在的问题,优势,与传统的修复技术相比,植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法,它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等;有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀虫剂、除草剂等。,19,局限性1.需要光、T、水分等适宜的环境条件，及病、虫草害的影响；2.对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达不到，甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修复并不适用；3.对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要求；4.修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。,20,修复原理：主要是通过植物自身的光合、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应，从而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。,5.2植物对污染物的修复作用,21,5.2.1植物吸收、排泄与积累,（1）植物吸收植物为了维持正常的生命活动，必须不断地从周围环境中吸收水分和营养物质。植物具有广泛吸收性，除对少数几种元素表现出选择性吸收外，对不同的元素来说只是吸收能力大小不同而已。,22,5.2植物对污染物的修复作用,（2）植物排泄向外排泄体内多余的物质和代谢物质（排泄物或挥发的形式）植物排泄途径：经过根吸收后，再经叶片或茎等地上器官排出去(如汞、硒等）。叶片吸收后，根排泄。去旧生新,23,（3）植物积累进入植物体内的污染物质虽可经生物转化过程成为代谢产物经排泄途径排出体外，但大部分污染物质与蛋白质或多肽等物质具有较高的亲和性而长期存留在植物的组织或器官中，在一定的时期内不断积累增多而形成富集现象，还可在某些植物体内形成超富集。,24,用富集系数来表征植物对某种元素或化合物的积累能力，富集系数（BCF）=植物体内某种元素含量/土壤中该种元素含量用位移系数来表征某种重金属元素或化合物从植物根部到植物地上部的转移能力，即位移系数（TF）=植物地上部某种元素含量/植物根部该种元素含量富集系数越大，表示植物积累该种元素的能力越强。位移系数越大，说明植物由根部向地上部运输该元素能力越强，利于植物提取修复。当植物吸收和排泄的过程呈动态平衡时，植物虽然仍以某种微弱的速度在吸收污染物质，但在体内的积累量已不再增加，而是达到了一个极限值，叫临界含量，此时的富集系数称为平衡富集系数。,25,（4）植物吸收、排泄和积累间的关系动态平衡(图5-3),根据植物根对污染物质吸收的难易程度，可将土壤中污染物分为：可吸收态：土壤溶液中的污染物如游离离子及螯合离子难吸收态：残渣态等难为植物吸收的交换态：介于两者之间，包括被黏土和腐殖质吸附的污染物,26,5.3影响植物修复的环境因子,共存物质,温度,氧化还原电位,污染物间的复合效应,生物因子,植物营养物质,酸碱度,植物激素,28,影响土壤重金属活性的主要因素，影响溶解和沉淀平衡，pH高重金属易沉淀，不易生物吸收。以Cd、Zn为例，随pH升高，Cd、Zn趋于稳定;在低pH时，沉积物中生物可吸收态的水溶液和可交换态Cd、Zn的浓度有明显增加。可能不是单一的递增或递减。,（1）pH值,29,（2）氧化还原电位Eh重金属在不同的氧化还原状态下，有不同的形态且可互相转化。Cd：在还原条件下，有机结合态Cd最稳定，但在氧化条件下，有机结合态镉则被转化为生物可利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到水体中，并随Eh增大，其释放量增多。,30,(3)共存物质可改变重金属的存在状态：络合-螯合剂：与可溶态金属结合，防止金属沉淀或吸附在土壤上，增加重金属的移动性和植物利用性。同时，被吸附态和结合态的金属离子溶解如，土壤中植物吸收Pb的能力很低土壤中加入络合剂（EDTA）增加植物根对Pb的吸收能力富里酸对结合态汞有较强的吸附能力，易于促进矿物汞由固定结合态向有机溶解态转化，而被植物吸收。,31,（4）植物营养物质营养物质是影响植物吸收重金属的要素，有些已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。实验表明N、P、K等植物营养物质对超积累植物吸收重金属有较大的影响。例如，在对小麦施用氮肥的过程中发现，硝酸铵不仅能够增加小麦对土壤中Cd的吸收，促进植物生长，而且NH4进入土壤后发生硝化作用，短期内可使土壤pH值明显下降，增加了Cd的生物有效性，更重要的是NH4Cd形成络合物而降低土壤对Cd的吸附。,32,（5）污染物间的复合作用多种污染物复合污染，拮抗和促进（6）植物激素植物体内合成的，对植物生长发育产生明显调节作用的微量生理活性物质。（7）生物因子菌根真菌增加生长，降低土壤中的重金属含量等。,33,（8）温度温度首先会影响水生植物的生长，温度还会影响水体重金属离子的活性，以及水体悬浮泥沙、底泥对重金属的吸附，进而影响植物的吸收。（9）重金属的种类及其形态差异植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难吸收，通过植物对Cr,Hg,As,Cd的吸收比较发现植物最容易吸收Cd和As，而对Cr的吸附量就很少。同一元素的不同价态吸收系数差别很大，如水稻对Cr3的吸收系数平均值为0.032，而对Cr6则为0.056，可见Cr6的吸收系数大于Cr3。,34,5.4有机污染物的植物修复,直接吸收和降解,酶的作用,根际的生物降解,5.4.1植物对有机污染物的修复作用（三种机制）,35,（1）直接吸收和降解,植物根中度憎水性有机物吸收好:0.5lgKow3.0Kow是有机化合物在辛醇和水两相平衡浓度之比。辛醇对有机物的分配与有机物在土壤有机质的分配极为相似，3.0憎水，根部吸附紧密，不易进入植物体内；0.5，亲水，不易与根部吸附，不易进入植物体苯系物，氯代溶剂，短链脂肪族化合物植物吸收后木质化作用新的组织中矿化二氧化碳和水挥发,36,（2）酶的作用,植物对有机污染物的吸收强度比无机物低主要靠根系分泌物对有机物的污染产生的配合和降解等作用；根系释放到土壤中的酶的直接降解作用。死的植物根酶分解作用脱卤酶等,（3）根际的生物降解,植物以多种方式帮助微生物的转化包括：植物根的微生物区系内生微生物,37,根分泌酶和有机酸,微生物,土壤界面,促进根区微生物的生长和繁殖，以利于降解有毒化学物质。,根系分泌物：糖类，醇类，酸类，细根的腐解有机碳,38,植物-微生物共生体(具有固氮菌的豆科植物)中,根分泌物养育了微生物，微生物的活动也会促进根系分泌物的释放。植物可转移氧气使根区的好氧转化作用正常进行，降解不能被固氮菌单独转化的有机污染物。,39,5.4.2典型有机污染物的植物修复,污染物酶促反应低毒，无毒物氧化，还原，水解，脱烃，脱卤，羟基化，异构化作用降解（植物降解很强）（1）植物对农药的分解转化作用耐药性植物分解杀虫剂，除草剂，杀菌剂等高等植物体内降解农药的基本生化反应为：氧化、还原、水解、异构化、轭合反应等。,40,（2）植物对其他有机污染物的分解转化作用分解转化石油、洗涤剂、塑料、造纸、印染工业产生的废物。,41,水葫芦,水葫芦（学名凤眼莲）可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重金属元素。,龙葵能有效地降解PCBs（多氯联苯），对Cd富集。,龙葵,42,龍葵,43,苜蓿草和水稻已成功地用于土壤中PAHs（多环芳烃)的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%；,44,5.5.1重金属对植物的伤害机制,胁迫忍耐限度伤害：生长、繁殖受阻，至死亡重金属对植物的影响：a.抑制植物种子萌发；b.抑制植物的生长，表现为植株矮小，生长缓慢，生物量减小；c.抑制植物生殖，表现为生育期推迟，严重时会使生殖生长完全停止，甚至不开花结果。,5.5重金属的植物修复,45,重金属对植物的伤害机理的表现：细胞膜的结构与功能受到破坏；光合作用受到抑制；呼吸作用发生紊乱；糖类和氮素代谢受到抑制；细胞核核仁遭到破坏；植物激素发生变化。,46,此外，重金属还通过影响根系微生态环境及产生营养胁迫而对植物造成伤害。主要表现为：对根际土壤微生物产生毒害作用；全部或部分地抑制土壤生化反应；与矿物元素发生拮抗和协同作用。,47,这张图片表现的是吸收重金属以后的植物：A：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）；B：X-射线放射自显影照片（能看出金属元素所在的部位）；C：计算机重构的放射自显影图（能看出金属元素所在的部位）。,48,5.5.2植物对重金属的抗性机制当环境中重金属含量过高时，通常会对植物造成伤害。但植物也具有一些抗性机制来削除或减轻这种伤害，以使植物还能够生长。主要途径为：（1）阻止重金属进入体内许多植物根部具有某种“避”的机制，可以使根系周围大量重金属离子被阻止在根部，阻止重金属进入根内并向地上部位运输，从而使植物免受伤害或减轻伤害。,49,其避性机理一方面在于植物根分泌的有机酸等物质，改变了根际圈pH值及氧化还原电位梯度，降低重金属的生物可利用性。另一方面，可能在于菌根真菌对重金属的屏障作用。一般认为，植物对重金属的这种阻碍机制是普遍存在的，但当污染水平超过某一临界值时，这种抵御能力就会失去作用，植物仍然会受伤害。,50,（2）将重金属排出体外进入植物体内的重金属也可以通过某些机制被排出体外，从而达到解毒的目的。其排出体外的主要途径是排放，也可以通过衰老的方式如分泌一些脱落酸促进老叶或受毒害叶片脱落等作用把重金属排出体外。,（3）对重金属的活性钝化植物还可以通过将积累在体内的重金属沉积在细胞壁等生理活性较弱区域，以此来阻止重金属对细胞内溶物的伤害。近年来的研究证实，许多植物将重金属累积在液泡，这种区域化作用将重金属与细胞内其他物质隔离开来。,51,蜈蚣草的毛状体对砷具有特殊的富集能力，羽片胞液是砷的主要储存部位，对砷具有明显的区域化作用，砷毒因此被“密封”在蜈蚣草体内的安全部位，不会影响植物的整体生长发育。,52,（4）抗氧化防卫系统植物受重金属污染后会产生一些抗氧化剂保护系统。其中酶性清除剂主要有超氧化物歧化酶，脱氢酶，过氧化氢酶，氧化物酶，抗坏血酸过氧化物酶，谷胱甘肽还原酶，谷胱甘肽过氧化物酶等。（5）生态型的改变改变生态型的方式生存下去，如植物生长的特别矮小或肥大。,53,重金属超积累植物提取作用挥发植物挥发作用固化植物固定/稳定化作用,5.5.3重金属的植物修复机理5.5.3.2重金属的植物修复类型,54,（1）植物提取修复(phytoextraction)利用超积累植物从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）收获并集中进行热处理，化学处理或微生物处理，然后再重复上述步骤最终使污染环境中重金属含量降低到可接受的水平。也称之为植物促进(Phytoaccumulation),一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有400多种这样的植物。,55,适应重金属胁迫的植物a.重金属排异性植物不吸收或少吸收重金属元素；将吸收的重金属钝化在植物的地下部分，使其不向地上部分转移；b.重金属超积累植物大量吸收重金属元素，植物仍能正常生长。,56,超富集植物区别于普通植物的表现特征：,57,重金属超富集植物是植物修复的核心和基础。只有寻找到某种重金属相对应的超富集植物，才能实施植物修复。由于可以达到“种植物,收金属”的理想境界,重金属超富集植物向来是人们研究的重点。重金属的超富集标准通常会以一般栽培作物茎叶中的重金属含量为参考,但目前并没有一个广为接受的标准,采用较多的是Bakeretal于上世纪80年代提出的参考值:超富集植物地上部(干重)含Cd100mgkg-1,含Co、Cu、Ni、Pb1000mgkg-1,含Mn、Zn10000mgkg-1,同时地上部重金属含量地下部重金属含量。,58,达到临界标准，才能算是超富集植物。只有找到这种重金属的超富集植物，才能修复这种重金属污染的土壤。世界上已发现400多种典型的超富集植物，其中超过六成是Ni超富集植物。,59,遏兰菜（Thlaspicaerulensens）,60,超积累种鸭趾草中铜的浓度超过1000g/g干重时，并未观察到明显的中毒症状。,东南景天：产广西、广东、台湾、福建、贵州、四川、湖北、湖南、江西、安徽、浙江至江苏宜兴。Zn/Cd共超积累及铅富集植物,鸭趾草,61,超量积累植物资源：常规育种：筛选突变株将超量积累植物与生物量高的亲缘植物杂交转基因育种：通过引入金属硫蛋白（metallothioneins）基因或引入编码MerA（汞离子还原酶）的半合成基因，增加了植物对金属的耐受性。,62,目前，对植物富集后的生物量的处理还没有比较妥善的解决办法。有人提出将富集重金属的生物量燃烧发电，也有人主张将其中的金属提取出来。但目前的技术手段还很难实现，而且这两种处理方法的造价都太高。一种现实的处理办法是暂时存放，可以将超富集植物烧成灰后，当做特殊垃圾深挖、填埋，或是运到铅、锌等重金属矿区的尾矿库中与尾矿渣一起贮存，等将来技术手段进步了再进行提炼。,63,美国Viridian环境公司对加拿大OntarioNi污染土壤的治理,每年可以从重金属回收当中获得2500美元hm-2的收益,显示了较好的商业化应用前景植物从环境中提取和浓缩某种元素是一个自然的、仅消耗光能的过程,因此植物修复就是利用这一过程的优点而形成的一种绿色技术。,64,应用的制约：只能积累某些元素，不能对所有关注元素都有积累生长缓慢，生物量低农艺性状，病虫害，育种了解少。,65,（2）植物挥发修复(Phytovolatilization)某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。植物挥发修复技术对于挥发性重金属的修复有显著效果，但这种将汞