第9章-植物修复-1

1、第9章 环境污染植物修复Phytoremediation of polluted environment 第一节 概述1 植物修复的提出过程=无意识地利用植物处理排泄物无意识地利用植物处理排泄物=1920年前，有意识地利用植物生态系统处理废弃年前，有意识地利用植物生态系统处理废弃物和污水无害化物和污水无害化=1970s后，发展污水的土地处理系统，成为城市生后，发展污水的土地处理系统，成为城市生活废水的处理技术活废水的处理技术废弃矿山的复垦，污泥的处理和农业应用，植物耐废弃矿山的复垦，污泥的处理和农业应用，植物耐性机理的研究性机理的研究1980s, Rufus L Chaney 提出利用超积累植

2、物清除土提出利用超积累植物清除土壤重金属污染，形成植物修复概念。壤重金属污染，形成植物修复概念。Superfund: 1,623 Sites/Superfund/2 植物修复的定义 植物修复是利用植物及其根圈微生物体植物修复是利用植物及其根圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解的作用机系的吸收、挥发和转化、降解的作用机制来清除环境中的污染物的一种污染环制来清除环境中的污染物的一种污染环境治理技术。境治理技术。生生物物修修复复微生物修复微生物修复微生物转化作用微生物转化作用微生物降解作用微生物降解作用植物修复植物修复植物去植物去除作用除作用

3、植物稳植物稳定作用定作用植物固定植物固定植物挥发植物挥发植物提取植物提取植物净化植物净化根际圈降解根际圈降解植物降解植物降解净化空气净化空气净化水体净化水体狭义狭义3 植物对污染物质的吸收、排泄与积累uptake，excretion，accumulation（1）植物对污染物的吸收特点：）植物对污染物的吸收特点：=具有广泛性，没有绝对的选择作用，只有吸收能具有广泛性，没有绝对的选择作用，只有吸收能力的大小不同力的大小不同. =影响因素包括遗传、土壤理化性质、根际微生物、影响因素包括遗传、土壤理化性质、根际微生物、污染物的浓度污染物的浓度=策略策略 产生耐性产生耐性 躲避躲避 超积累超积累 （2

4、）排泄）排泄 ：包括分泌和挥发：包括分泌和挥发 Excretion，exudation，secretion， volatilization faeces 分泌的器官包括根系及茎叶表面的分泌腺分泌的器官包括根系及茎叶表面的分泌腺 挥发是气孔和角质层中的孔隙挥发是气孔和角质层中的孔隙 根系分泌物根系分泌物 （3) 积累：进入植物体内的污染物大部分留积累：进入植物体内的污染物大部分留在植物体内，并在一定时期内不断积累增在植物体内，并在一定时期内不断积累增多而形成富集现象，某些植物还形成超富多而形成富集现象，某些植物还形成超富集（集（hyper accumulation）. 通常用富积系数（通常用富积

5、系数（bioaccumulation factor）来衡量植物积累污染物资的能力来衡量植物积累污染物资的能力 富积系数=植物体内某种元素含量土壤中该种元素含量4 超积累植物1）概念：最初由）概念：最初由Brooks等（等（1977）提出，）提出，用于命名茎中镍含量大于用于命名茎中镍含量大于1000 mg/kg的的植物。后扩展到所有植物对所有重金属植物。后扩展到所有植物对所有重金属超积累的现象。超积累的现象。 Chaney（1997），），Salt（1995）和）和Brooks(1998)定义超积累植物应该具备的定义超积累植物应该具备的3个个特征：特征： A) 植物地上部重金属含量一般植物地上部

6、重金属含量一般1,000 mg/kg; 但要求锌但要求锌 10,000 mg/kg, 镉镉 100 mg/kg; 金金 1 mg/kg. B）富集系数）富集系数 100； C）转移系数（）转移系数（translocation factor） 80%转移系数=植物地上部某种元素含量植物该种元素含量 1583年有人在意大利发现一种植物能在年有人在意大利发现一种植物能在“黑黑色岩石色岩石”上生长。上生长。 1814年命名为年命名为Alyssum bertolonni(庭荠属庭荠属) 1848年测定叶片含镍量年测定叶片含镍量7,900 mg/kg超积累植物发现的历史超积累植物发现的历史超积累植物发现的

7、历史超积累植物发现的历史 早在我国几百年前的古籍中就记载了一种名叫早在我国几百年前的古籍中就记载了一种名叫“海州香薷海州香薷”的植物，是铜矿的指示植物。的植物，是铜矿的指示植物。 这种植物不仅能忍受含铜极高的土壤，并且能这种植物不仅能忍受含铜极高的土壤，并且能吸收很多的铜，在它们吸收很多的铜，在它们根部的干物质里竟含根部的干物质里竟含 有有的铜的铜。 当地的人们也把这种植物称为当地的人们也把这种植物称为“铜草铜草”。根据。根据这种植物的分布，往往可以找到很好的铜矿。这种植物的分布，往往可以找到很好的铜矿。 中国在中国在1950s，在铜矿区发现铜草，海州，在铜矿区发现铜草，海州香薷（香薷（Els

8、holtzia harchowensis Sun） 谢学锦、徐邦梁谢学锦、徐邦梁,1953,铜矿指示矿物海州铜矿指示矿物海州香薷香薷,地质学报地质学报,32(4)360-368.超积累植物发现的历史超积累植物发现的历史 自然界中，能指示矿藏的植物还有自然界中，能指示矿藏的植物还有一些，比如一些，比如喜锌堇菜喜锌堇菜和和喜锌海石竹喜锌海石竹，它们就偏偏喜欢生长在其他植物感到它们就偏偏喜欢生长在其他植物感到有毒，生长不好的含锌土壤中，被人有毒，生长不好的含锌土壤中，被人称为称为“锌草锌草”。 示锌植物实际上是人们最早用来探矿示锌植物实际上是人们最早用来探矿的的“绿色指示器绿色指示器”，早在罗马帝国

9、时，早在罗马帝国时期，开矿者就在今天德国的亚琛附近期，开矿者就在今天德国的亚琛附近通过寻找通过寻找“锌草锌草”而发现锌矿。而发现锌矿。喜锌堇菜喜锌堇菜Viola verecunda 喜锌海石竹喜锌海石竹Armeria maritima目前发现的超积累植物 有超积累植物有超积累植物400多种，其中镍超积累植物占多种，其中镍超积累植物占70%。 有有20多个科，其中多个科，其中十字花科植物较多十字花科植物较多。 多数在矿山区，成矿作用带，或富含某种或某些化多数在矿山区，成矿作用带，或富含某种或某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上发现的。学元素的岩石风化而成的地表土壤上发现的。 具有较为独特的生态

10、型具有较为独特的生态型 超积累研究的遗传机制研究还处于起步阶段。超积累研究的遗传机制研究还处于起步阶段。List of hyperaccumulators /wiki/List_of_hyperaccumulatorsIndian Mustard(Brassica juncea) 印度芥菜Thlaspi caerulescensPteris vittata超积累植物Hyperaccumulators遏蓝菜遏蓝菜CCAU CAMPUSCCAU CAMPUSCu Hyperaccumulator(Elsholzia Spleden)我国发现的超积累植物

11、我国的研究机构介绍：我国的研究机构介绍： 浙江大学浙江大学 中山大学中山大学 中科院地理所中科院地理所 中科院沈阳生态所中科院沈阳生态所 中科院南土所中科院南土所超积累植物 表 2 我国发现的超积累植物 元素 超积累植物 发现人及文献 Al 茶树 (Camellia sinensis L.) 多花野牡丹 (Melas-toma affine L.) 谢正苗等（2002） As 大叶井口边草（Pteris cretica L.） 韦朝阳等（2002） As 蜈蚣草（Pteris vittata L.） Ma et al.(2001); Chen et al.(2002) Cd 东南景天（Sedu

12、m alfredii Hance） 杨肖娥等（2002） Cd 宝山堇菜(Viola baoshanensis) 蓝崇钰等（2003） Cd 中油杂 1 号 （Brassica napus Zhongyou Hybride No.1） 苏德纯,黄焕忠（2002） Cd 蒲公英(Taraxacum mongolicum)、龙葵(Solanum nigrum)、小白酒花(Conyza canadensis) 魏 树 和 ， 周 启 星 等（2003） Cd-Pb-Cu-Zn 蒲公英(Taraxacum mongolicum)、龙葵(Solanum nigrum)、小白酒花(Conyza canad

13、ensis) 魏 树 和 ， 周 启 星 等（2003） Cu（耐） 海洲香薷(Elsholtzia splendens) 谢学锦， 徐邦梁 （1953） Mn 商陆（Ethiopian guizotia） 薛生国等（2003） Pb 杨梅(Myricarubra) 何新华等（2004） Zn 东南景天（Sedum alfredii Hance） 杨肖娥等（2002） 5 排异植物的概念及其应用（1） 排异植物的概念排异植物的概念 能在高污染土壤上生长，能在高污染土壤上生长，而体内，尤其是地上部污染而体内，尤其是地上部污染物含量很低物含量很低Young inflorescence of gia

14、nt spear grass, Trachypogon spicatus,菊科婆罗门参属植物菊科婆罗门参属植物 from near Sterkfontein, South Africa. 排异作物排异作物 能在高污染土壤上生长，而其有利用价能在高污染土壤上生长，而其有利用价值部分（如根、茎、叶、果实、或者种值部分（如根、茎、叶、果实、或者种子）中的污染物含量很低或不超标。子）中的污染物含量很低或不超标。 块根作物：红薯块根作物：红薯 块茎作物：块茎作物： 马铃薯马铃薯 （2） 排异性与避性、耐性、和抗性的关系排异性与避性、耐性、和抗性的关系 排异性排异性exclusion: 能在高污染环境生长

15、，体内污能在高污染环境生长，体内污染物含量较低或不超标。染物含量较低或不超标。 耐性耐性tolerance: 能在高污染环境生长并完成生活能在高污染环境生长并完成生活史。不受抑制或受抑制较少。地上部含量较高史。不受抑制或受抑制较少。地上部含量较高 避性避性avoidance: 能在高污染环境生长，不吸收或能在高污染环境生长，不吸收或吸收很少。吸收很少。 抗性抗性resistance: 指植物能在高污染环境生长、繁指植物能在高污染环境生长、繁殖，并将这种能力遗传给下一代的能力。殖，并将这种能力遗传给下一代的能力。抗性排异性耐性避性排异植物排异作物6 植物修复的基本类型 大部分植物都具有降解或减少

16、污染物的大部分植物都具有降解或减少污染物的作用。一些植物，如苜蓿、香根草、白作用。一些植物，如苜蓿、香根草、白杨及湿地植物水葫芦等对许多污染物都杨及湿地植物水葫芦等对许多污染物都具有显著的降解作用和去除作用。这些具有显著的降解作用和去除作用。这些植物已被广泛地用作污染环境的修复。植物已被广泛地用作污染环境的修复。 POPLAR TREESPOPLAR TREESSchnodr等（等（1995）的工作（栽植杨树降低）的工作（栽植杨树降低NO3-污染）污染） 伊乐藻伊乐藻原产美洲，是一种速生高产的沉水高等植物，原产美洲，是一种速生高产的沉水高等植物，与我国淡水水域中分布的黑藻、苦草同属水鳖科。与我

17、国淡水水域中分布的黑藻、苦草同属水鳖科。1986年经中科院南京地理与湖泊研究所从日本引进。年经中科院南京地理与湖泊研究所从日本引进。伊乐藻是河蟹优良的天然饵料，不仅含有丰富的蛋白伊乐藻是河蟹优良的天然饵料，不仅含有丰富的蛋白质，大量的氨基酸，而且含有足够的必需矿物质营养质，大量的氨基酸，而且含有足够的必需矿物质营养元素。用伊乐藻饲喂河蟹，适口性较好、河蟹生长快、元素。用伊乐藻饲喂河蟹，适口性较好、河蟹生长快、饲料系数低，可节约精饲料饲料系数低，可节约精饲料30左右，饲喂草食性鱼左右，饲喂草食性鱼类（鳊鱼、草鱼等）节约精饲料类（鳊鱼、草鱼等）节约精饲料50左右。左右。 蟹池种植伊乐藻，还可以净化

18、水质、防止水体富蟹池种植伊乐藻，还可以净化水质、防止水体富营养化。此外，它还可营造良好的生态环境，供螃蟹营养化。此外，它还可营造良好的生态环境，供螃蟹活动、隐蔽、脱壳，使其较快地生长，可降低河蟹的活动、隐蔽、脱壳，使其较快地生长，可降低河蟹的发病率。发病率。陆生植物野葛陆生植物野葛豆科植物野葛豆科植物野葛(pueraria、Lobatawilldohwi葛根的主要有效成分为异黄酮化合物葛根的主要有效成分为异黄酮化合物 Kochia (Bassia scoparia ) Declared Weed What is it? Kochia is a summer growing annual tha

19、t is closely related to the common weed, fat hen. It grows rapidly and competes strongly with other plants. In addition, it produces allelopathic compounds that inhibit the growth of nearby plants. Kochia is also toxic to stock. Kruger等（1997）工作（利用Kochia吸收阿特拉津）；Kochia scoparia (Linn.) Schrad. 地肤（扫帚菜

20、） http:/ Allelopathy refers to the inhibition of growth of a plant due to biomolecules released by another. It is the opposite of symbiotic mutualism. Kochia scoparia is planted for ornament or erosion control.2 It is a known hyperaccumulator of Chromium, Lead, Mercury, Selenium, Silver, Zinc,11,12

21、and Uranium,13 , and as such can be used for phytoremediation.McCutcheon & Schnoor 2003, Phytoremediation. New Jersey, John Wiley & Sons, page 898. Phytoremediation. By McCutcheon & Schnoor. 2003, New Jersey, John Wiley & Sons pg 19. Enhancing Phytoextraction: The Effect of Chemical

22、Soil Manipulation on Mobility, Plant Accumulation, and Leaching of Heavy Metals. By Ulrich Schmidt. In J. Environ. Qual. 32:1939-1954 (2003)Casuarina equisetifolia litter completely suppresses germination of understory plants as shown here despite the relative openness of the canopy and ample rainfa

23、ll (120 cm/yr) at the location It was used overseas as a garden plant due to its striking foliage colours and quick growth. Today, it is one of the most widespread and troublesome weeds of US agriculture. Populations of Kochia in the US have reportedly developed herbicide resistance. It was introduc

24、ed to Western Australia in 1990 as a fodder plant for salt-affected land, but has since escaped cultivation and is now subject to an eradication plan.植物修复机理之一 植物稳定植物稳定(phytostabilization ) Phytostabilization is the use of plants to stabilize the soil matrix itself and immobilize the contaminant from

25、 future migration . 稳定土壤介质本身，防止稳定土壤介质本身，防止污染物移动污染物移动 植物降解（植物降解（Rhizosphere degradation: ） Phytodegradation or phytotransformation is the breakdown of contaminants taken up by plants by metabolic processes within the plant. 应用植物体内或植物分泌的化合物和酶降解污应用植物体内或植物分泌的化合物和酶降解污染物质染物质 Alternatively, the breakdown o

26、f contaminant, external to the plant, by compounds or enzymes produced by, and released from, the plant.植物修复机理之二 植物挥发植物挥发（Phytovolatilisation） Phytovolatilisation is the uptake and transpiration of contaminant by a plant. This process results in the release of the contaminant from the plant, in a mo

27、dified form of the contaminant to the atmosphere from the plant. 植物修复机理之三 植物提取或植物吸收植物提取或植物吸收 Phytoextraction and phytoaccumulation植物修复机理之四7植物修复的优点和缺点 相对于传统方法，生物修复成本低廉相对于传统方法，生物修复成本低廉 每年每立方米的处理费为每年每立方米的处理费为0.021.00美元，美元，比物理化学处理的费用低几个数量级比物理化学处理的费用低几个数量级 易于管理和监测易于管理和监测 不造成二次污染不造成二次污染 植物修复富集的贵金属还可以再利用植物

28、修复富集的贵金属还可以再利用 公众易于接受公众易于接受优点限制（植物修复） 仅限于植物根系能够达到的地方仅限于植物根系能够达到的地方. 生长速率相对较慢生长速率相对较慢=需要较长时间需要较长时间 不能完全防止污染物进入地下水不能完全防止污染物进入地下水 若有毒物含量太高，可能对植物产生毒若有毒物含量太高，可能对植物产生毒害害 生物富集的重金属有可能进入食物链生物富集的重金属有可能进入食物链 1 植物对污染物的忍耐有限，超过忍耐范围就植物对污染物的忍耐有限，超过忍耐范围就不能进行植物修复不能进行植物修复 2 污染往往是复合的，一种植物往往不能适应污染往往是复合的，一种植物往往不能适应多种污染的修

29、复多种污染的修复 3 植物根系多数在植物根系多数在50cm以内。超过了或者在不以内。超过了或者在不适于生长的土壤上不宜用植物修复适于生长的土壤上不宜用植物修复 4 植物生长对季节有要求植物生长对季节有要求 (温度，光照温度，光照) 5 修复周期可能很长修复周期可能很长 6 植物多样性的问题植物多样性的问题植物修复局限性 1 对难以吸收的重金属活化导致次生污对难以吸收的重金属活化导致次生污染染 2 植物生物量的处理植物生物量的处理 3 挥发植物对大气安全性挥发植物对大气安全性 4 食物链的问题食物链的问题 5 运行机制和管理标准运行机制和管理标准 6 评价标准评价标准植物修复尚待解决的问题第二节

30、第二节 植物修复技术可行性研究植物修复技术可行性研究 1、 一般性分析一般性分析土壤中重金属的水溶性与生物有效性土壤中重金属的水溶性与生物有效性 植物可以，并且能够吸收重金属植物可以，并且能够吸收重金属 土壤有机污染物的可生物降解性土壤有机污染物的可生物降解性 容易降解：如醇酚类容易降解：如醇酚类 难降解：农药和石油类难降解：农药和石油类 不降解：高分子合成化合物，如尼龙不降解：高分子合成化合物，如尼龙 有机污染物能够被植物降解。有机污染物能够被植物降解。 植物和微生物的资源潜力植物和微生物的资源潜力 植物有植物有50多万种多万种 微生物有微生物有100多万种多万种 结合点：根圈结合点：根圈

31、作用形式：共生体吸收，降解，屏障污作用形式：共生体吸收，降解，屏障污染物质染物质 学科：微生物学，植物学，生理生化，学科：微生物学，植物学，生理生化，分子生物学，遗传学，土壤学，生态学分子生物学，遗传学，土壤学，生态学 2 生物量处理生物量处理 农业应用：还田？饲料？种子农业应用：还田？饲料？种子 工业应用：造纸，板材，能源提取，木工业应用：造纸，板材，能源提取，木材材 提取矿物元素：提取矿物元素： 薪柴薪柴 储存储存 3 提高修复效率的技术措施提高修复效率的技术措施污染土壤的耕作污染土壤的耕作 对于重金属污染土壤，以撒播为好，这样可扩大植对于重金属污染土壤，以撒播为好，这样可扩大植物根与重金

32、属的接触。物根与重金属的接触。 对于有机污染物土壤，以垄式栽培为好，这样可以对于有机污染物土壤，以垄式栽培为好，这样可以增加光降解和热降解增加光降解和热降解 适当中耕，改善根际环境，促进降解和吸收适当中耕，改善根际环境，促进降解和吸收 合理水肥管理合理水肥管理 灌水和施肥是促进植物生长的主要因素。灌水和施肥是促进植物生长的主要因素。 因作物施肥因作物施肥 因土壤施肥因土壤施肥 因肥料施肥因肥料施肥 采用高效栽培技术措施采用高效栽培技术措施 种子包衣技术种子包衣技术 控制温度、光照、土壤空气、热量等控制温度、光照、土壤空气、热量等 环环境因素。境因素。 在重金属含量高峰期，收获作物，达到在重金属

33、含量高峰期，收获作物，达到最佳的去除效果。最佳的去除效果。 病虫害防治病虫害防治修复植物的套作和混作修复植物的套作和混作Co-crop of low-accumulating corn and Sedum alfedii in field experiment on Pb/Zn mining wastewater contaminated soil施用土壤重金属活化剂 =降低土壤降低土壤pH 酸度降低，重金属离子解吸增加，浓度加大。酸度降低，重金属离子解吸增加，浓度加大。 方式：方式： 直接加酸；肥料直接加酸；肥料 =提高土壤提高土壤Eh 提高提高Eh, Cr,As浓度增加，硫化物中的重金属也释浓度增加，硫化物中的重金属也释放出来；放出来； 调节调节Eh方式：灌水和晾晒，增加有机质方式：灌水和晾晒，增加有机质 =施用螯合剂促进土壤固相中重金属的释放。施用螯合剂促进土壤固相中重金属的释放。 常用螯