第五章4污染土壤修复技术

1、L/O/G/O 土壤环境学目录目录5.15.1物理修复技术物理修复技术5.25.2化学修复技术化学修复技术5.35.3植物修复技术植物修复技术5.45.4微生物修复技术微生物修复技术v植物修复技术植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某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些化学元素的理论为基础, ,利用植物及其共存微生利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门新兴起的环境物体系清除环境中的污染物的一门新兴起的环境污染治理技术。污染治理技术。v广义的植物修复技术广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气、利用植物清除放染

2、的土壤、利用植物净化空气、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有机污染物化土壤中有机污染物4 4个方面。个方面。v狭义的植物修复技术狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土主要指利用植物清洁污染土壤中的重金属。壤中的重金属。 5.3 5.3 植物修复技术植物修复技术(phytoremediation)(phytoremediation)植物修复植物修复(Phytoremediation)自然植物自然植物遗传工程培育植物遗传工程培育植物植物系统植物系统根际微生物根际微生物去去 除除降降 解解稳稳 定定重金属、放射性核素、有机

3、化合物重金属、放射性核素、有机化合物(1)(1)植物提取修复植物提取修复v利用重金属超积累植物从污染土壤中超量吸收、利用重金属超积累植物从污染土壤中超量吸收、积累一种或几种重金属元素，之后将植物整体积累一种或几种重金属元素，之后将植物整体( (包包括部分根括部分根) )收获并集中处理，然后再继续种植超积收获并集中处理，然后再继续种植超积累植物以使土壤中重金属含量降低到可接受的水累植物以使土壤中重金属含量降低到可接受的水平。平。v植物提取修复是目前研究最多且最有发展前途的植物提取修复是目前研究最多且最有发展前途的一种植物修复技术。一种植物修复技术。(2)植物挥发修复植物挥发修复v利用植物将土壤中

4、的一些挥发性污染物吸收到植物利用植物将土壤中的一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后将其转化为气态物质释放到大气中，从体内，然后将其转化为气态物质释放到大气中，从而对污染土壤起到治理作用。而对污染土壤起到治理作用。v研究主要集中在易挥发性的重金属研究主要集中在易挥发性的重金属( (如汞等如汞等) )方面，方面，对有机污染物质的治理也具有较好的应用前景。对有机污染物质的治理也具有较好的应用前景。(3)植物稳定修复植物稳定修复v通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈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，以减少污染物污染物质，使其失去生物有效性，以减少污染物质的毒

5、害作用。质的毒害作用。v更重要的是利用耐性植物在污染土壤上的生长来更重要的是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀，防止污染物质向下减少污染土壤的风蚀和水蚀，防止污染物质向下淋移而污染地下水或向四周扩散进一步污染周围淋移而污染地下水或向四周扩散进一步污染周围环境。环境。v该技术偏重于重金属污染土壤的稳定修复，如废该技术偏重于重金属污染土壤的稳定修复，如废弃矿山的复垦工程，铅、锌尾矿库的植被重建等弃矿山的复垦工程，铅、锌尾矿库的植被重建等 (4)植物降解修复植物降解修复v利用修复植物的转化和降解作用去除土壤中有机利用修复植物的转化和降解作用去除土壤中有机污染物质，其修复途径包括

6、污染物质在植物体内污染物质，其修复途径包括污染物质在植物体内转化和分解及在植物根分泌物酶的作用下引起的转化和分解及在植物根分泌物酶的作用下引起的降解。降解。v植物降解一般对某些结构比较简单的有机污染物植物降解一般对某些结构比较简单的有机污染物去除效率很高，但对结构复杂的污染物质则无能去除效率很高，但对结构复杂的污染物质则无能为力。为力。(5)(5)根际圈生物降解修复根际圈生物降解修复v利用植物根际圈菌根真菌、专性或非专性细菌等微利用植物根际圈菌根真菌、专性或非专性细菌等微生物的降解作用来转化有机污染物，降低或彻底消生物的降解作用来转化有机污染物，降低或彻底消除其生物毒性，从而达到有机污染土壤修

7、复的目的。除其生物毒性，从而达到有机污染土壤修复的目的。v实际上是微生物与植物的联合作用过程，只不过微实际上是微生物与植物的联合作用过程，只不过微生物在降解过程中起主导作用。生物在降解过程中起主导作用。v实践证明，根际圈生物降解有机污染物质的效率明实践证明，根际圈生物降解有机污染物质的效率明显高于单一利用微生物降解有机污染物质的效率。显高于单一利用微生物降解有机污染物质的效率。 5.3.2 植物修复技术的作用机理植物修复技术的作用机理v污染土壤植物修复的作用机理包括污染土壤植物修复的作用机理包括植物提取植物提取作用、根际降解作用、植物降解作用、植物作用、根际降解作用、植物降解作用、植物稳定化作

8、用和植物挥发作用稳定化作用和植物挥发作用。植物组织积累植物组织积累植物排斥植物排斥植物固定植物固定植物降解植物降解植物挥发植物挥发植物修复重金属污染土壤的机理示意图植物修复重金属污染土壤的机理示意图根际强化生物降解根际强化生物降解Enhanced Rhizosphere Degradation根际微生物降解根际微生物降解(石石油烃油烃)植物吸取植物吸取Phytoextraction转移到植物地上部转移到植物地上部植植物物修修复复植物过滤植物过滤Phytofiltration根系浓缩根系浓缩 (137Cs)植物挥发植物挥发Phytovolatilization植物吸取植物吸取,积累积累,挥发挥发

9、 (Se, Hg)植物降解植物降解Phytodegradation植物体内部代谢植物体内部代谢（氯代化合物）（氯代化合物）植物稳定植物稳定Phytostabilization根系固定根系固定 (Pb)5.3.2 5.3.2 植物修复技术的作用机理植物修复技术的作用机理 1植物提取作用植物提取作用v植物提取就是指通过植物根系吸收污染物并将污植物提取就是指通过植物根系吸收污染物并将污染物富集于植物体内，而后将植物体收获、集中染物富集于植物体内，而后将植物体收获、集中处置的过程。适合于植物提取技术的污染物包括：处置的过程。适合于植物提取技术的污染物包括：金属金属(Ag(Ag、CdCd、CoCo、Cr

10、Cr、CuCu、HgHg、MoMo、NiNi、PbPb、ZnZn、AsAs、Se)Se)、放射性核素、放射性核素(90Sr(90Sr、137Cs137Cs、 239Pu239Pu、238U238U、234U)234U)、非金属、非金属(B)(B)。v植物提取修复也可能适合于有机污染物，但尚未植物提取修复也可能适合于有机污染物，但尚未得到很好的验证。得到很好的验证。v虽然各种植物都可能或多或少地吸收土壤中的重虽然各种植物都可能或多或少地吸收土壤中的重金属，但作为植物提取修复用的植物必须对土壤金属，但作为植物提取修复用的植物必须对土壤中的一种或几种重金属具有特别强的吸收能力，中的一种或几种重金属具

11、有特别强的吸收能力，即所谓超累积植物即所谓超累积植物(hyperaccumulator)(hyperaccumulator) v 2020世纪世纪7070年代末至年代末至9090年代初年代初, ,人们逐渐把注意力转向对超人们逐渐把注意力转向对超累积植物的研究。累积植物的研究。v 超累积植物一词最先是由超累积植物一词最先是由BrooksBrooks等等19771977年提出的年提出的, ,当时用当时用以命名茎中镍含量以命名茎中镍含量( (干重干重) )大于大于1000 mg/kg1000 mg/kg的植物。的植物。v MinguzziMinguzzi和和VergnanoVergnano在意大利在

12、意大利TuscanyTuscany地区的富镍蛇纹石地区的富镍蛇纹石风化土壤中找到了一种叫布氏香芥的植物。该植物叶片中风化土壤中找到了一种叫布氏香芥的植物。该植物叶片中NiNi的含量极高。的含量极高。v WildWild在非洲发现半卡马菊也是一种在非洲发现半卡马菊也是一种NiNi超积累植物。超积累植物。v ColeCole在澳大利亚发现一种叫多花鼠鞭草的在澳大利亚发现一种叫多花鼠鞭草的NiNi超积累植物。超积累植物。v SevernSevern和和BrooksBrooks在其他地方也发现了相同的在其他地方也发现了相同的NiNi超积累植物。超积累植物。其干叶中其干叶中NiNi含量达含量达1%,1%

13、,叶灰分中叶灰分中NiNi含量达含量达23%23%。vJaffre报道了另一种Ni超积累植物塞贝山榄,其汁液中Ni含量可达25.7%(干重). vBrooks等对富Ni地区的植物标本进行分析后发现,Ni超积累植物主要产于几个属,在已鉴别出的168种植物中,有45种Ni超积累植物属于庭芥属。v在Ni超积累植物研究快速发展的同时,其他类型的金属超积累植物如Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd和Zn也相继被发现。v现在超累积植物的概念已经扩大到植物对所有重金属元素的超积累现象,即是指超量累积一种或同时累积几种重金属元素的植物。v超积累植物具备以下3个基本特征:植物地上部分重金属含量是普通植物在同一生长

14、条件下的100倍,其临界含量分别为锌10000 mg/kg,镉100mg/kg,铅、铜、镍和钴均为1000 mg/kg;植物地上部分重金属含量大于根部该种重金属含量;植物的生长没有出现明显的毒害特征。 v目前,世界上已发现的超累积植物以十字花科植物较多。v由于这些超累积植物多数是在矿山、成矿作用带或由富含某些化学元素的岩石风化而成的土壤上发现的,因而常表现出较窄的生态适应性和特有的生态型。v目前发现的500多种超累积植物主要集中在北美洲、大洋洲和欧洲等发达的国家。中国物种资源丰富,但发现的超累积植物比较少。 Thlaspi calaminareZn超积累植物遏蓝菜超积累植物遏蓝菜Pteris

15、vittata As超积累植物蜈蚣草超积累植物蜈蚣草鉴别方法v简单有效的方法:到矿区采集各种植物进行分析,如在稀土矿区、铜矿区发现了各自的超累积植物,但这样做的缺点是工作量大和可能失去许多潜在的有价值的超累积植物。v根毛法：Nedelkosk利用根毛在实验室内确定植物对重金属的生物吸收能力和长期累积能力的新方法正在被建立,该方法能克服自然条件的限制,加快对超累积植物的筛选速度。v超积累植物及其微生物共存体系v土壤因子也是影响植物超量积累重金属的一个重要因素。它关系到植物修复的效率,因为土壤环境参数的合理调控,可以增加金属的植物可利用性。v目前,有关超累积植物积累重金属的机理仍然不是十分清楚,人

16、们对于超累积是否存在遗传机制,超累积究竟和植物体哪些遗传基因有关的研究还处于初始阶段,虽然利用转基因技术制造特定目标植物有许多成功的例子,但在转基因超累积植物研究方面进展还不是很大。 市市场场潜潜力力19981998年：年：1700-30001700-3000万美元万美元20002000年：年：50005000万万-1-1亿亿美元美元20052005年：年：1.5-31.5-3亿亿美元美元美国为例：美国为例： 植物所：植物所：重金属结合巯蛋白等分子水平研究，重金属结合巯蛋白等分子水平研究，注册了注册了9 9个与重金属相关的基因个与重金属相关的基因 生态中心、中国农大：生态中心、中国农大：发现一

17、种发现一种PbPb超富集植物，超富集植物，在利用菌根在利用菌根- -植物组合进行土壤修复方面居国内领植物组合进行土壤修复方面居国内领先先 浙江大学：浙江大学：发现一种发现一种CuCu超富集植物、一种铅锌超超富集植物、一种铅锌超富集植物富集植物GTTCGAAACC AAAGCTCTTC TTCTCATATT AATCTCAAGT TAGATACAAG ATGTCTTGCA M S C GCTGCGGATC AAGCTGTGGC TGCGGCTCAA ACTGCAAGTG CGGGAAGATG TACCCTGACC S C G S S C G C G S N C K C G K M Y P D T

18、GGACGAGCA GGCCAGCACC ACCACCCAGG CCGTGGTCGT CGTCGGCGTG GCTCATGAGA L D E Q A S T T T Q A V V V V G V A H E ACAAGGCTGG ACAGTTTGAG ATGGCCTCCG GCGAGGGCTG CAAATGCGGC GCCAACTGCA N K A G Q F E M A S G E G C K C G A N C AGTGTGACCC CTGCAACTGC TAAGTTGCAC CTGTGGCTGT CTGATGGTGT GAGATTATAC K C D P C N C * GGGAATA

19、ATG AGCATCCGGT CTGATGGACT CGAGCAAGTG TGTGCGTGTG TGTGTGGGGT TTACTTGCCT CGCTCTGCTA TGCTCTGGTC TTGGTGTCCT TGCTTGCCTG TGTGCATGTG TGTCTCTGTA ATTGCTTCAT CTATGGAGTG ATGAATTAAT ATATAGTACT TAAGAAAAAA AAAAAAAAAA AA植物修复的优点利用修复植物的提取、挥发、降解作用可以永久性地解决土壤污染问题;修复植物的稳定作用可以绿化污染土壤,使地表稳定,防止污染土壤因风蚀或水土流失而带来的污染扩散问题;修复植物的蒸腾作

20、用可以防止污染物对地下水的二次污染;可以尽可能地减少由于土壤清洁造成的场地破坏,对环境扰动小,减少来自公众的关注和担心;经过植物修复过的土壤,其有机质含量和土壤肥力都会增加,一般适合于农作物种植,符合可持续发展战略;重金属超积累植物所累积的重金属在技术成熟时可进行回收,从而也能创造一些经济价值;植物修复成本低,可以在大面积污染土壤上使用;从技术应用过程来看,植物修复是可靠的、环境相对安全的技术;植物修复依靠修复植物的新陈代谢活动来治理污染土壤,技术操作比较简单,容易在大范围实施。 植物修复的优点植物修复技术的局限性一种植物往往只是吸收一种或两种重金属元素,对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状,从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用前景;植物对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定的要求;多数植物具有光周期反应,在世界范围内引种修复植物可能比较困难;用于清理重金属污染土壤的超积累植物通常矮小、生物量低、生长缓慢，生长周期长,因而修复效率低,不易于机械化作业;用于清洁重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属污染物重返土壤。因此,必须在植物落叶前收割