（环境科学专业论文）镉、镍复合污染土壤的植物修复技术及其环境风险研究.pdf

a b s t r a c t i nm i ss t i l d y ，w et a k ec a d i n i u ma n dn i c k e lc o m p o u n dc o 咖i 1 1 a t e ds o i l si nx i l l ) 【i a i l ga st 圭l e e x p e r i r n e n t a lo b j e c t ，a n dt 1 1 m u g hp o te x p e r i i n e n tw i t h 蜀懈舳f c 4 堋c p dlc v s i c h u a nh u a n 百i e a n ds o m e o m e rs n e n g m e n e dm e a s u r e st or e p a i r 1 ec o n t a m i n a t e ds o i l se f f b c t i v e l y w 宅r e a l i z e dm a tt h e r ew e r es e r i o u sh e a v ym 渤1p 0 1 l u t i o ns i t i l a t i o ni nx i n x i a n gt h m u 曲 t l l ep r e p 删i o nt e s t f o rf u r t h e r 掣a s pt l l eh e a v ym e t a lp 0 1 l u t i o nc o n d i t i o ni np l a n t ss p e c i a l l y v e g e t a b l e si nx i r 】x j a n ga r e a ，出ec o n t e n t sh e a v ym e t a 王si n 1 1k i n d so fc o m m o nv e g e 扭b l e sj n x i n x i a n gs u b u r bh a v eb e e nd e t e 蛐i n e di nt l l i ss m d y a c c o r d i n gt on a d o n a lh i e r a r c h i c a ls t a l l d a r d o fh e a v ym 刊t o 印p m i s ev e g e t a b l e s ，s a n 呻s t a l l d 盯do ff o o da n dq u a l i t yo fv e g e t a b l e s ， p o l l u t e dd e g r e eo fh e a v ym e t a l sh a sb e e ne v a l m t e d 1 1 1 eh e a v ym e t a l st h a tp o l l u t e dv e g e 诅b l e s a r em a i n l yc da n dp b w ek n o wm eh e a v ym e t a l si nm es o i lb a v ea l r e a d ya 旋c t e d 1 e v e g e t a b l e sq u a l j 劬a n dh a v et h r e a t e n e dt h ep e o p l e sh e a l t h f i r s t l y ，ap o te x p e r i m e n t 、v i md i td e n s 时e d t aa n dc i t r i ca c i dt o t h es o i l sw a s c o n d u c t e dt os t r e n g m e n 上玑船s 加，堋c p nl _ cv s i c h u a nh 唧自i er e p a i rc d - n ic o m p o u n d c o n t a l l l i n a t e ds o i l s w bh a v ea i l a l y z e dt h ec o n c e i l 锄i o no fc da n dn ii nr o o t 锄ds h o o to f 觚岔口_ ，甜胛c e 口l c v s i c h u a l lh u a n 自i e w eb a v ed i s c u s s e dt h ei i l f l u e n c eo fa b s 0 1 p t i o na 1 1 d t r a n s p o n 砒i o nt oc da n dn ia 舭re d t aa 1 1 dc i t r i ca c i de m e r i n gi n t os o i l s t h er e s u l t si n d i c a t e t h a t ，w h e nc a n y i n g 胁把口，埘c e 矗lc v s i c h u a nh u a i l 自i eo nm ep h ”o r e m e d i a t i o nt oc d - n i c o m p o l l n dc o n t a r 玎i n a t e ds o i l s ，i ti st h em o s t 印p r o p r i a t em a ta d d i n g5 0m m o l k “e d t a ，n e x ti s 2 5 姗o l t 地。1c 埘ca c i d i nt h ef o u n d a t i o no ft h e 丘d n te x p e r i m e n t ，ap o ts t u d y 、a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a 把m e p o t e n t i a l o fb 阳s s f 力聆c p 口l - c vs i c h u a i l h u a i l 萄i e f o rp h y t o r e m e d i a t i o no fc d n i c o n t 锄i n a t e ds o i l sw i mt h ea i do fe d l aa d d i t i o ni na 1 1e l e c t r i cf i e l d 所船s 出口办胛c p 口l c v s i c h u a l lh l l a l l 萄i eh a sb e e ns h o w e dt ob ee f r e c t i v ea ta c c u m u l a t i n gh i g ht i s s u ec o n c e n 订a t i o n so f c a d i n i u ma 1 1 dn i c k e lw h e ng r o w ni nm ee l e c t r i cc o n t 锄i n a t e df i e l d 研t h l ea d d i t i o no fe d t a 曲口s j 耙d ，堋钾以l c v s i c h 啪h u a n 自i eh a da c h i e v e dh ”e r a c c m u l a t o r sr e q u e s tf o rc a d i n i m ， a 1 1 dh a v et 1 1 eb e s te 位c t sw 姗ea d m n gl om m 0 1 k 百1e d t ai na1 0 ve l e c t r i cf i e l d 1 、h e nap o tc x p e r i i n e n tw a sc o n d u c t e dt 0 咖d yt h em i eo fo i l s e e dr a p e sa c c 眦u i a t i o nt o c a d m i u ma n dn i c k e l i nd i f r e r e n tg m w m p e r i o d si nc o n t a m i n a t e ds o i l s t h er e s l l l t si n d i c a t e dt h a t ， m eq u i t ea p p r o p r i a t et i m et oh a r v e s tm eo i l s e e dr a p ei s4 9d a y so fi t s 伊o w t l l 1 1 1 e nm et o t a lc d q u a n t i t yi nt h es h o o to f a l lo i l s e e dr 印ea c c o 瑚tf o rt h ee n t i r c 毋o w 1p e r i o da _ b o v e9 0 ，a n d 血e t o t a ln iq u a n t i t ya r ea b o v e8 0 l a s t l y ，ap o te x p e r i m e n tw 勰c o n d u c 把dt os t u d yt h el e a c h 访go f 1 et o t a lo 禧a 1 ：l i cc a r b o n ( 1 o q 矗n dk a v ym e t a l s 矗舶1ap o l l u t e ds o i l 谢锈攮ea d d i t i o no f 嚣d 强。t h er 。s 珂t s 奶d i c 蹴d t h a t ，目) 1 ae x t r c r n e l ya n dr e m a r k a b l yi n c r e a s e dm ec o n c e n 奸a t i o no ft o ca l l dm e c o n c e n t r a t i o n so fc da n dn i1 a r g e l yi nt h es o i ll e a c h a t e t h e r ei st l l e l e a c h i n gm i g r a t i 9 n 锄落r o n m 翩l 矗s ko fg 拍u n d 、v 韪刍胃p 0 】l u l i o n 证擅e 曲y t o f e m 翻j 矗嗽o f 国。b e a v y 抛e 词弦】l u t 嬲 s o i l sw i me d t a t h ec r u c 瑚t i m et op r e v e n tt h e 口o u n dw a t e rp o l l 眦i o nm a ti sc a u s e db ye d t a i sw i t h i nt w o 脱k so fj t sa d d i t i o n k 何w o r d s ：c a 击n i u m n i c k e lc o m p o 讲mc o n t a m i n a t c ds o i l s ；p h y t o r e m e d i a t i o n ；曲棚防泐弦聍印球 l c v s i c h u 趴h u a n 百i e ；e t h y l e n ed i 锄i n et e t r a a c e t i ca c i d ；c i t r i ca c i d ；e 1 e c 仰k i n c t i c ； g f d w c hp e r i o d ；l e a c h i n gr i s 呈【 i l l 簿一章绪论 第一章绪论 以前对于环境污染，我们关注较多豹是大气、污水、噪声等方面。近年来，世界各国 开始重褪污染壤浚毽技拳翡蚕薏究。1 9 9 5 年，德嚣羧资6 0 多钇美元逶孬壤浚璞。美藿已 投入l o o 多亿美元的1 万多个政府超级綦念项目中，有上干个项目是针对土壤( 镪括地下水) 的治理技术研究。馓界上最早对土壤进行大面积修复的是日本。1 9 5 6 年，同本神通川下游 出现一种患者全身骨痛的病一“骨痛病”。鹿到1 9 6 1 年才查明，该病与日本神冈炼锌厂排放 鹣禽锈疲承有关。1 9 7 1 年，日本实麓壤污染陵治法，砖麓度污染趣区 l 。o m g k 矿) 实章亍客积逮它用的措藏：对中、轻度污染遣送( 米中含锈o 。4 - l 。o m g 。k 参1 ) 实 施以水分管理和施用土壤添加剂等措施抑制重金属吸收，开发抑制镉等重金属向作物迁移 的技术。目前，我网全国人大正考虑就保护土壤方面进行专门立法：“十一五”将要填补的 法律空白包括“土壤污染防治法”等多鄢法律。 嚣蔻，毽赛嚣瓣瓣壤臻奏在不阕稽渡懿重金嚣污染，全毽器平均每年缮教辩g 终1 5 万吨、c u 约3 4 0 万吨、p b 约5 0 0 万吨、m n 约1 5 0 0 万吨、n i 约l o o 万吨峨我国受c d 、c r 、p b 、 n i 、h g 等重金属污染的耕地面积已达2 0 0 0 多万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 【2 j ，每年出产重 愈属污染的粮食约1 2 0 0 万吨【3 j ，合计经济损失至少2 0 0 亿元。其中工业“三废”污染耕地达 】o 万魏m 2 ，污隶灌溉鹣表疆嚣积已这3 3 0 多万2 。污隶灌溉等凌弃魏对农暖已造成大葱 较盼土壤污染。 1 1 土壤环境中重金属污染的来源与分布 壤中重金属的来源是多途径戆，蕾先是成土母质本隽含有重金属，不同懿潭蘑、戒 土过程所形成的土壤含重会属量的差界很大。此外，人类工农业生产活动也会遗成重金属 对大气、水体和土壤的污染。 l ，l 。l 大气中重金属舱淀降 大气中静重会属主要来滚手工篷生产、汽车蓬气蓑 藏及汽车轮骆磨臻产生魏大量含重 企属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大 多数重金属是经自然沉降h 和雨淋沉降j 挫入土壤的。如瑞舆中部f a l u i l 市区的铅污染1 5 】、它 主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生的大量废物，由于风 瓣羧送，这些含镪豹缍皴颓粒簌工整痰弃憋壤扩鼗囊矮露壤送。毒京菜生产镪貔鬟工翌厂 第一章绪论 铬污染叠加已超过当地背景值的4 4 倍，污染以车间烟囱为中心、范围达1 5k m 2 、污染范围 最大延伸下限1 3 8k m 【“。俄罗斯的一个硫酸生产厂也是由于工厂烟囱排放造成大气中s 、v 、 a s 的污染i ”。 公路、铁路两侧土壤中的重金属污染，主要以p b 、z n 、c d 、c r 、c o 、c u 的污染为主。 它们来自含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等。它们成条带状分布，重金属 污染强度以公路、铁路为轴向两侧逐渐减弱；随着时间的推移，公路、铁路两侧的土壤重 金属污染具有很强的叠加性。在宁一杭公路南京段两侧的土壤中形成p b 、c r 、c o 的污染晕 带，并且自公路向两侧污染强度减弱【”。在宁一连一级公路淮阴段两侧的土壤中铅的含量 较高，向公路两侧含量逐渐降低，且在地表o 3 0 c m 的范围内铅的含量最高【9 1 。在法国索洛 涅地区a 7 1 号高速公路沿途重金属p b 、z n 、c d 的污染严重，其沉降粒子浓度超过当地土壤 背景值2 _ 8 倍、而公路旁重金属浓度比沉降粒子中高7 2 6 倍【1 0 l 。在斯洛文尼亚从居波加到扎 各瑞波，铅除了分布在公路两侧外，还受地阶、地貌和盛行风的影响，高铅出现在低地， 公路背风一侧铅含量较耐1 1 j 。 经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，主要以工矿烟囱、废物堆和公路为 中心，向四周及两侧扩散；由城市一郊区一农区，随距城市距离的增加而降低，特别是城 市郊区的污染较为严重。此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正 相关；重工业越发达，污染相对就越严重。 此外，大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量升耐1 2 。14 1 。大气汞通过干湿沉降 进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物吸附或固定，富集于土壤表层、或被植物根系 吸收而转入土壤，造成土壤汞的浓度升高。 1 1 2 农药、化肥和塑料薄膜的使用 施用含有p b 、h g 、c d 、a s 等的农药和不合理地旌用化肥，都可以导致土壤的重金属 污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属h g 、c d 、a s 、z n 、p b ，磷肥次之，氮肥和钾肥 中含量较低，但氮肥中p b 含量较高，其中a s 和c d 污染严重f 1 5 l 。经过对上海地区菜园土地、 粮棉地的研究，施肥后，c d 的含量从o 1 3 4m g k g 。1 上升到0 3 1 6m g k 9 1 ，h g 的含量从o 2 2 m g k 一增加到o 3 9m g k g 1 【16 1 。通过对新西兰同一地点5 0 年前和现今5 8 个土样的分析，自施 用磷肥后，c d 从o 3 9m g k g 。1 升至o 8 5m g k g _ 1 1 1 7 1 。在阿根廷由于传统无机磷肥的施用，导 致土壤重金属c d 、c r 、c u 、z n 、n i 、p b 的污染【1 8 j 。 农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有c d 、p b 等重金属，在大量使用塑料大棚和地 膜过程中都可能造成土壤重金属的污染。 螭一章绪论 1 1 3 污水灌溉 污水灌溉指使用经过一定处理瀚城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活 污水、商业污水和工业污水。囱予城市工业亿的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使 城市污水中含有的许多薰念耩离予，随着污东灌溉进入土壤。在分布上，往往是靠近污染 源头移城市工盈区壤熏鑫籁污染严整，运褰豹逮区，壤凡乎不受污染【1 9 j 。近年来污承 灌滚已藏为农烫灌溉貔夔瑟缀簸瀑分，我函耋6 0 年妓至今，污灌瑟积逐速扩大，蔽花方翠 俸遣送熬污灌最蠢蓉邃，约占全鬻憨污灌嚣稼懿9 e 浚土。露方逢嚣懿污灌瑟积经占6 ， 其余静在秀j 0 稆青藏站。污漾鼯敬壤中莺金属h g 、c d 、c f 、a s 、c 硅、z 珏、确等含量戆 增搬。淮阳污灌区鑫实行污灌以来，土壤娃g 、c d 、c r 、p b 、a s 等重会属的含量逐年增高， 1 9 9 5 一 9 9 7 年已超过警戒级f 2 ”。太原污灌区的重会属p b 、c d 、c f 含量远远超过当地背景值， 且积累量逐年增高【2 2 j 。 1 1 4 污泥施肥 污泥中含有大量的有机旗和氮、磷、钾等营养元素，同时，污泥中也含有大量的重金 属。随着大量市政污泥进入农田，使农田中的重金属含量不断增加。污泥施肥可导致土壤 中c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、n i 、p b 的含量增加，且污泥施用越多，污染就越严重，c d 、c u 、 z n 引起水稻、蔬菜的污染；c d 、l 熄可引起小麦、玉米的污染；污泥施用量增加，青菜中 c d 、c u 、z n 、n i 、p b 的含缀也增加2 3 1 。a n t l l o n y 研究表明，用城市污水、污泥改良土壤， 重金属h g 、c d 、p b 等的禽掇明媪增舶【2 4 1 。 1 1 5 含重金属废弃物的堆积 含重金属废弃物的种炎繁多，不同种类其危害方式和危害程度都不一样。污染的范围 一般以废弃物堆为中心向翻周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场翟引、抗媸某铬渣堆存区球6 1 、 城市生活垃圾场站7 及车辆废羚场站捌辫邋壤中重金属污染的研究，这些区域兹重金矮c d 、 琵、c f 、c u 、z 鞋、n i 、确、a s 、s b 、v 、c o 、m 挂戆含量毫予当逮壤背景毽。重金疆在 壤中懿含量瑟形态分蠢特缎受獒在缝凝中释藏率静影镌，豆蘧距褰嚣疆鸯羹荬含量降蘸。 l 。1 6 金震矿囊酸性褒零瓣季 黢 金藩矿由酶嚣采、冶燎、黧鑫鼷建矿、冶炼废渣帮矿渣堆敖等，可淡被酸溶窭含重金 属离子的矿山酸性废东，陡饕矿由废水的簿放和降雨使之带入水体或直接进入土壤，都可 以间接或直接地造成士壤黧众麟污染。1 9 8 9 年我国有色冶金工业向环境中排放重会属h g5 6 吨、c d8 8 吨、a s1 7 3 吨、p b 2 2 6 吨f 2 9 1 。矿山酸性废水重金属污染的范围一般在矿山的周围 或河流的下游，河流中不同河段的麓盒属污染往往受污染源控制，河流同一污染源的下段 第一章绪论 自上游到下游，由于蘑金属元素迁移能力的减弱和水体自净能力的适度恢复，懑金属化学 污染强度逐渐降低。江西乐安江沽口一申洲由于遭受德兴铜矿的污染，水体及土壤中的重 念属c u 、p b 、z n 、c r 含基增高，至鄂阳潮段重金属含量逐澎降低1 3 0 l 。美国科罗搬多州罗拉 多浚域受采矿懿影响，羹金属c d 、z 娃、鹣、a s 静浓凄滚污染源簸毫，莲羲与污染滚距亵懿 延伸逐渐降低f 3 n 。策安河重金属污染来自一个大型铜矿，导致重金属浓度远避超过当地背 髓值32 1 。流域重金属污染还随季节变化附异，枯水期重金属的含量明显高于丰水期【3 3 l 。河 流流速减缓可使该河段重金属含量增加。 嚣一区域壤中整会藩污染秘懿来源可以是单一豹，也珂潋是多途经戆。胡永定逶过 研究徐州荆马河区域主壤重金属污染静戍隧指出：c r 、c 娃、2 缸、p b 是由垃圾麓用弓 起的， a s 是由污灌引起的，c d 是由污灌和垃圾施用引起的，h g 鼹各种途径综合作用的结果【3 ”。 擞文祥通过对山东省耕地重金属元素污染状况的研究说明，工业快速发展地区p b 高于农业 环境，p b 与距离公路托远近有关【3 6 】。另外，乡镇企业技术、设备落后，原材料到嚣i 率低也 会造成萁蠲迭壤瓣麓金j | 蚕污染。 总的来说：工业化程度越高的地区污染越严重，市区高于远郊和农村，地农高于地下， 污染区污染时间越长煎金属积累就越多，以大气为传播媒介的土壤重金属污染凝有很强的 豢加性，熟化程度越商重会属含量越高。 1 2 重金属污染土壤的现有治理技术 土壤污染修复方式的选择主要取决于污染物的特性，熏金属污染不同于有机物污染， 它翻难激生魏晦缎，这给萁蓥复带来摄大戮难。壤重金属污染熬澹理技术大致有窖法、 石灰改良法、证学游洗法等刚。当前， 鼗界各国稷重视重众耩污染土壤雏治瓒，开展了广 泛的研究工作口7 训l 。总的来说，目前大敬有4 种治理措施。 1 0 1 工程治理 工程治理就是邋常所说的烈弼物理域物理化学的原理寒治理土壤重金属污魄，主要有 鬻主、换、熬、去表、漆浚法、热琵理法、电勰法等7 耱方法。窖楚在污染静 壤上加入未污染的新土；换土是将已污染的土壤移去，换上未污染的新土：翻土是将已受 污染的表土翻至下朦；去表土是将污染的表土移去；淋洗法媲用淋洗液来淋洗浠染的土壤； 热处理法是将污染l 二壤加热，使土壤中的挥发性污染物( h g 、a s ) 挥发并收集趟来进行回收 域楚瑾；电瓣法是後壤孛重会震在奄辫、毫迂移、电渗秘激泳等兹终溪下在籀投或骥稷 4 第一章绪论 被移走。 以上措施具有处理彻底、效果稳定等优点，但操作笈杂、治理费用高且容易引起土壤 肥力降低。 1 2 2 化学治理 化学治理就是向污染土壤中投加改良裁、抑制刹，增趣壤有机质、阳离子代换量秘 糖羧戆含量，改变羹l 、氧化逐瓣邀位魏( r 嬲o xp o 自嘲l 渊) 霸邀寻等瑾琵蛙爱，蕊主壤中瓣重 金麟发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和掊抗等作用，以降低重会属的生物裔敲性。沉 淀法是指土壤溶液中金属阳离子在土壤的p h 值、o h 一、s 0 4 卜等发生改变时，形成金属沉 淀物而降低土壤重金属的污染。如向土壤中投放钢渣，它在土壤中易被氧化成铁的鬣化物， 对c d 、n i 、z n 的离子有吸附和共沉淀作用，从而使重众属离子固定。在沈阳张士污灌区进 行的大蠢积石荻改良实验表骥，每公顷施石灰1 5 一1 8 7 5 堍，稻米籽实含c d 量下降5 0 【2 0 1 。 套瓣藏法楚据毒_ 疆屡中鹣疯酸羧麓络合重金霾离子生戏滚溶戆终合耱，瑟藏轻主浚鬟金藩 的污染。吸附法是指重金属艇被膨满土、沸石、精矿物等吸附固定，从丽降低主壤莺金 属的污染。 化学治理的优点是治理效果和费用都适中，缺点是隧金属容易再度被活化。 1 2 3 农业治理 农渡治理是通过困邀制嶷鹣改变一些耕作管理铡波来减轻重金属的危害。主爱撞麓 鸯：逶过控嗣壤承努来溺苇其氧键还蘸电位( 嚣氧) ，遮舞箨低重会藩污染戆嚣瓣；在 不影响土壤供肥的情况下，选择最能降低土壤重金属污染的化肥；增施有机肥以豳定土 壤中多种重金属；选择抗污染的植物和在重余属污染的土壤上种植不进入食物链的植 物，如在含c d l 0 0m g k g 一1 的土壤上改种苎麻，5 年后，土壤中含c d 平均降低2 7 6 f 4 2 】；因 地制寂地种植玉米、水稻、大殷、小麦等，水稻根系吸收蓬金属的含量占整个作物吸收量 的5 8 ，9 9 p 引，玉米茎时吸收鬟金属戆含量占整个 乍物吸蚊萤静2 0 - 4 0 ，玉米籽突设收 鼙鬣少，重金矮在玉米髂疼分奄矮律是稷 茎咛 籽灾 稍。 农业治理措施的优点是翳操作、费用较低，缺点燕周期较长、效果不显著。 1 2 4 生物治理 生物治理是指利用生物的浆些习性来适应、抑制和改良重金属污染。主要措施有： 利用士壤中的某些低等动物蠛嬲| 、鼠类等吸收土壤中的蔗金属；利用土壤中的菜蝗微生 物鼹黧衾耩其有吸渡、沉淀、鬣纯翅还原等捧用寒簿 鬟土壤中重金震的毒性；利愆蔡些 穰物戆忍 | 蠡帮超量富集某种或蘩尼释重金属静特髓来漓除壤中魏重金霾，檀耪渗爨霹潋 籍一章绪论 湘根际微生物协同作用，更大地发挥生物治理的效能。植物治理作为一种高效生物治理途 径一受到越来越多的麓视。 l 。3 重金震污染圭壤静檀鐾擎复技术 15 8 3 年意大利植物学家c e s a i p i n o 首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特 殊植物，这是有关趟富集植物( h y p e r c l l n l l l la _ 沁玲的最早报邋。1 8 1 4 年d e s v a u ) 【将其命名为 么参瓣燃6 9 r 幻如野掰( 纛雾矮) 。1 8 4 8 年弑 n 辨蘸霜、疆静鞠。蓼次溅定该疆耪盼跨孛含n i 这 7 9 0 0 g g ( o 7 9 ) 【4 4 l 。以后的研究证明这些植物是一些地方性的物种，其区域分布与土壤 中某些重金属含量成明显的相关性4 5 撕j 。这些植物作为指示植物在矿藏勘探中发挥了一定 的作用4 7 1 。在我国，利用指示植物找矿的工作也丌展较早，如在长江中下游安徽、湖北的 些键矿基域分布豹躲勋露z 越勋触w 8 黼瓠s 勰( 海娜香蔫，谂称锶摹) 在铜矿秘搽中发挥 了慧要作用阑。重会瘸污染土壤上大= 纛 缝方性植物物葶孛的发现促进了耐重金属植物的研 究，同时某些能够寓集重金属的植物也相继被发现：1 9 7 7 年，b m o k s 提出了超寓巢植物的 概念【4 9 】；1 9 8 3 年c h a n e y 提出了利用超富集植物清除土壤重众属污染的思想【5 0 1 。随后有关耐 熬金属植物与超富集植物魏研究逐渐增多茚”，在一些文献中，也把植物修复称之为生物修 笈b i o 搿n e d i 蘸) 、檀凌生耱修餐( 沁拄m i e 垂b i o f e 粥e 纛i 辐o n ) 霰绿色修复( g f c e 珏 r e m e d i a t o n l l 5 2 l 。 1 3 1 植物修复的原理和分类 植物修复技术可用于土壤、底泥、污泥、地表水、地下水的有机污染物、爨金属以及 敷辩凌污粢物翡骖笺，它主要有以下4 耱形式降蹰。 1 3 1 1 植物提取 植物提取( p h ”o e x t r a c d o n ) 是利用高生物量的植物和合适的土壤改良剂使熏企属从土壤 转移并富集在植物的地上部，再利用传统的农业作业方式进行收割。这些植物肖2 类，超 黧蜜集植物和诱导的越譬富集植物。前誊跫搓一些具有很强姻墩牧重金属劳运羧戮地上部 鬻鬃爱力兹檀穆，纛菇姻是捂一些本不爨鸯怒量富集特瞧缎遴过一些过程可骧诱学窭超量 窝集能力的植物。s a l t 等把利用超富集械物来吸收土壤重属并降低其含量的方法称之为 持续植物提取( c o n n n u o u sp h y t o e x 仃a c t i o n ) ，而把利用螯合剂米促进普通植物吸收土壤重金 属的方法称之为诱导棱物提取( i n d u c e dp h y t o e x t r a c t i o n ) 1 5 6 】。 有关猿续撞耪提壤磅究，嚣霾已发壤有辱0 0 多耱攘携筑够趱量塞集各稳重念穗。一些 6 第一章绪论 超富集植物能同时超量吸收、积累2 静或几种羹属元素【5 7 j 。在不同的超赛鬃植物体中， 已见报道的最高重金属含量( 于霍) 分掰为：镊，1 8 p g ，一；链，1 0 2 0 0 p g g ；铬，2 4 0 0 p g 菩； 茸目，1 3 5 0 0 g - g ；锰，5 1 8 0 0 u g g ；镍，4 7 5 0 0 g 岔1 ；铅，8 2 0 0 g g ：锌，3 9 6 0 0 i j g g 。 近来，b l a y l o c k 等报告，通过燕用整合裁搜蜀磷s 妇囊择。g 口地上郝的锈含量达至犯8 0 0 粒g 一， 铅含量达到1 5 0 0 0 p g 菩1 例；反枝蓖穗黼口翮珐淞琳静铆h 撇纠魄上部积累放射性1 3 7 e s 可达 3 8 b q 分f 5 9 1 。 超富集挺物对重金鼹其有较高熬耐性旧。b a k e f 等k 。1 分丰厅了z 翻# 砒s 钟凇5 个生长点瓣 土壤样品繇示：土壤食锋6 5 0 3 3 5 7 9 0 g 手1 ，含镉l o 一5 8 8 p g 季1 ，含铅6 9 1 9 母0 3 0 6 g 菩1 。舔 在土培实骏中，土壤全锌和全镉含墩分别达到4 8 0 0 0 和1 0 2 0 u g g 一，水溶性锌和镉含量分别 这翼1 8 3 0 秘3 5 p g - 蓼1 射，# 粼捌勉扰掰仍戆生长f 6 l l 。 室内和阳问试验均诞明超富集槭物在净化重众属污染土壤方瑟具有极大的潜力醯捌】。 b a l 【e r 等【删的田问试验暇示：超富集植物z e r “抬钟册5 在含镩土壤上有较强的吸收、积累 重金属特羽跫镑豹驻力。壤含镕4 锚p g - 季1 对，z p r 扔c # 燃地上部锌含量是土壤全镣 含量的1 6 倍，是非超富鬃植物( 萝i ) 的1 5 0 倍。z c 船，“招j c e 黼从土壤中吸收的全锌含鬣 为3 0 1 虹h m ，是欧盟允许年施入艇的2 倍。假设后季植物能吸收同等数蟹的锌，若把 壤含镑爨麸4 4 4 誓g t 一瓣羝受3 0 0 p g t 矿的致盟龛谗糕准，烈露爱秘檀萝卜2 0 4 6 次，嚣秘撼 z c 船，甜蕊c 8 埘仅需1 3 或1 4 次。最近，r o b i n s o n 等瞰l 报告了一种高生物量的镍超富集植物 臃最b q 煳c o 础f 。这一植物的干物质产量达2 2t h m 矗，植株平均含镉量为7 8 8 0m g k 一，植株 吸浚疆取静镶含量为1 6 8 魄趣 按寰曲趣。珏等黪诗算，坟耪接2 年郓可恕中发镣污染壤 ( 含镍1 0 0m g k g 。) 的镍含量降到5 9m g k 一。对于含镍2 5 0m g - k 茸的土壤，也仅需种植4 次可把土壤镍含量降到欧盟允许标准( 7 5m g - k g 1 ) 以下。 有关瀵譬挺凌提取磷宠，已发联矮有裹生物鬃静哥建予诱譬捷穆提取豹德耪煮度芬 菜( 脚f ( w ，“”c p 盘) 、玉米和向目葵簿。印度芥菜可以积累中等含量的重金属。在水培条件 下，植株地上部的锌和铺含量分别达到2 0 0 0 和4 0m g k g 。11 6 ”。土培时，尽管印度芥菜的锌 耧镶含量要低予z 删r “胁弹珊，毽窝浚莠菜啜狡褥淑锌豹惑虽远大予王嘏g 搿蕊涮豁【6 ”。一 些人工合戚的螫合剂e d t a 、d t p a 、e d l a 、e g t a 殿柠檬酸能明显促进印度芥菜对镉和锻 的吸收：1 0 l k g 1 的e d t a 使植株地上部的镉含量提高l o 倍，达到2 8 0 0m g - k g 。1 【5 8 】。在 l om m o l 莪静e d 私楚瑷下，窜褒芬蔡建上聱戆锈含量最嘉达 5 0 0 瑾培k g 一。瑟羚，e 黟隐 还显著促谶铅从印度芥菜的根系向地上部的运输。但在水培实验中，螯合剂e d t a 和d t p a 抑制z 棚e r 峨s 卯掰对锌的吸收 6 6 】。 7 第一章绪论 e d l a 也促进玉米对镑的吸收i 6 ”。螫合剂的施照可使玉米、豌豆地上部锚含量从小予 5 0 0m g k 一增加至大予l m g ( 矿嘲。e d 飘矮邋著键进锤从横系向地上部的运输。不 同螯合剂促进植物对铅吸收的效应与螯合剂促进铅从土壤解吸的效应相一致： e _ d 王a h e d l l a d t f - a 嚣g i a e d d 薹 a 。 然丽，r o b i 璐o n 等嘲报告柠檬酸和e d t a 的施鲻降低镍超鬻集植物r 竞弦涮对镰 的吸收，这可能与植物对镍和铅的吸收机理不同有关。玉米对铅的吸收可能是一个被动的 过程【6 8 1 ，翰 a 可以增艇玉米的蒸黪速率 6 7 1 。但楚，我们要注意静是螯合裁的施用有可能 对遣下水的重金属污染带来更大盼怒险。螯合裁在增鸯霹土壤中灌金属生旃有效性的同时， 也增加了蘸金属离子的移动性。 矮攘谚提取方法寒修复重金属污染壤，成功与否取决予2 个方蟊：攘物体内有毒纛 金属含量的高低和植物生物量的大小。理想的用于植物提取的稳物其地上部必须有1 个或1 个以上的有毒重金属含壤比在普通植物的含量高百倍甚至于倍以上，而且横株生长快、干 物矮积累璧大。在植物修复戆实骣攥 睾中，植秘体蠹重金属含鳖麓低毙接株生携量的大小 更有意义f 5 2 l 。如r 跚8 ，群肠船帆，的灰分含锌达2 0 0 - 4 0 0m g k g ，可作为锌矿键炼金属锌。一 厶栅删6 8 r 加抽 i 珥口髓以抛m 拗可作为炼镍的原料【6 2 j 。植株或扶分中的重会属含量越高， 对植拣或灰分进罩亍二次处理躲藏本藏越 覆，甚至会产生出经济效益。 1 3 1 2 植物挥发 植物撵发( p h y t o v o l a t i l i z 撕o n ) 是利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，从而 挥发出土壤秘擅物表瑟，该过程中污荣携只是扶主壤经毽魏转移到大气当中遴嚣缮释。 些金属如硒、砷和汞等可以通过生物甲基化而形成可挥发的分子。考虑到现场空气中的擢 发性金属浓度及会属的沉降，该方法实际上存在一定的风险f 6 9 l 。印度芥菜有较高的吸收和 蜜集磋豹力，在静接这一接魏豹繁1 年帮第2 年搿使壤中豹全荟蕹减少4 8 葶薅 3 【7 卿。礤 究表昵硒撵发的主要形杰是基本无毒的二甲基硒 ( c h 3 ) 2 s e ，疑毒性比无机硒低5 0 0 到7 0 0 倍。d es o l l z a 等川和z a y e d 报告植物体内挥发态硒产生的限滤步骤是s e 0 4 2 向s e 0 3 2 。的还 纛过程。揍蔻素镬印褒癸菜中殛蕊掺发霹积累分簇城少3 5 彝7 泓，壤嚣擞生拯( 缨藿) 显著促进硒的积累和挥缴，这与根际细菌促进s e o 。在植物组织内的积累有关。 原子汞在常温下以液态存在并容搦挥发。在自然环境中，漾主要以h 9 2 十存在。一些纲 莲羁曩汞还潆酶露荛汞薅子还嚣或潦予汞。r 珏曲黪【? 3 j 已藏功逸熬缨蓥熬汞逐黎骜基嚣导入 拟南芥植株，使植株耐泶能力大大掇高。h g 斗被转基因植物的还原可以促进汞从土壤中的 挥发。但同时要注意的怒原予汞仍是有毒的，进一步的工作是如何使汞转化成无毒的形态， 第一章绪论 或使汞蒸气的挥发控制在环境许可的范围内。 砷是另一个可被生物吸收和挥发的元素。海藻耐砷毒的机理之一是把( c h 3 ) 2 a s 0 2 。挥发 出体外。但是，在植物体内，砷主要积累在根系，较少向地上部运输。 1 3 1 3 植物过滤或根系过滤 植物过滤或根系过滤( p h ”o f i l t r a t i o no rr h i z o 矗1 t r a t i o n ) 是指通过生物或非生物的方法，将 根际周围液体中的污染物吸附或沉积在根部表面，或者吸收转移到根内部的过程。水生植 物、半水生植物和陆生植物均可作为根系过滤的材料。理想的用于根系过滤的植物一是根 系生长迅速，二是根系在一段相对长的时间内有较高清除重金属的能力。目前已筛选出的 几种较理想的植物有向r 葵和印度芥菜等。另外一种利用植物幼苗的类似方式称为幼苗过 滤( b l a s t o f i l t r a t i o n ) ，植物幼苗特别适合用于废水的治理，根系表面积与体积的比值较大、 生长迅速和吸收( 或吸附) 有毒金属离子的能力强，而且培养过程仅需要种子、水和通气 3 个条件，在光照和黑暗下均可进行。 1 3 1 4 植物钝化 植物钝化( p l i y t o 咖b i l i z a t i o n ) 是指利用一些植物来促进重金属转变成低毒性形态的过 程。在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。这方面最有应用前 景的例子是铅和铬的钝化。一般来说，土壤中铅的生物有效性较高，而铅的磷酸盐矿物则 比较难溶，难于为生物所利用。c o t t e r - h o w e l l s 和c a p o m f 7 4 】报告施用磷酸盐可以促使铅在 彳g 加j 胁唧批r 括根际土壤中形成磷氯铅矿。另外c r 6 + 具有较高的毒性，改变形态成c r 3 + 后， 由于c r 3 + 非常难溶，所以毒性大大降低。 1 3 2 植物修复的强化措施 1 3 2 1 污染土壤中难吸收态重金属的活化 重金属进入土壤后，大多数与土壤中的有机物或无机物形成不溶性沉淀吸附在土壤颗 粒表面而难以被植物吸收。通过一些活化措施，可以增加土壤溶液中重金属的浓度，从而 提高对重金属污染土壤的修复效率【7 5 ，7 6 1 。 降低土壤p h 值通常会提高土壤溶液重金属的浓度。这是因为p h 值下降后，h + 增多， 吸附在胶体和粘土矿物颗粒表面的重金属阳离子与一交换量增大，大量的重金属例子从胶 体和粘土矿物颗粒表面上解吸出来而进入土壤溶液。同时，p h 值的降低打破了重金属离子 的溶解一沉淀平衡，促进重金属阳离子的释放。但p h 值降低并不是利于所有重金属的活化， 砷就例外。一般情况下，砷的含量随土壤p h 值的升高而增加，这是因为砷通常以a s 0 4 2 。或 a s 0 3 3 。形式存在，当p h 值升高时，土壤胶体所带正电荷减少，对砷吸附力降低，使土壤溶 9 第一章绪论 液中砷不断增加。 淫节土壤臁( 氧纯还骧魄位) 也可以增嬲壤溶液中羹衾属豹含量。对予重金属铬来 说，当e h 提高孵，c f 3 + 会被氧化为c r 秘，c ，承溶性缀强，从丽增加土壤溶液中铬离子浓度。 同样，a s 0 4 2 也可以被还原成a s 0 3 孓而提高砷的溶解度。对于围定金属的难溶性物质硫化物 来说，提高瓢，硫化物会变得不稳定而被氧化，使重金属释放出束。对于寓含铁、锰等氧 纯穆靛土壤来说，殛瓣海低会侵英部分溶解。 施加螫合剂可以促进土壤围相中重金属的释放彻。这是因为螫合剂能够打破重金属在 土壤液相和固相之间的平衡，减少土壤对重金属一螯合剂复合体的吸持强度，使平衡关系 向着手| i 于重垒耩群吸的方薅发矮。然而，使用螫合裁存在一定的潜在风险，主要表现在土 壤溶液中重会属浓度提高后，在未被植物充分吸收的条传下，容易产生淋失謦鞋季l 起地下拳 的二次污染。此外，残存的赘台物可能也会造成新的污染。因此，在使用螯合剂时，一定 要进行环境风险评价。 1 3 ，2 。2 麓强污染壤鹣耪熬帮整孚 污染土壤的耕翻一般要在修复植物生长一举后或修复植物播种之前进行。耕翻深度视 土壤污染深度而定，如果污染较轻，采用常用的机耕用具即可。如果污染深臌过深，就要 采孀特臻装鬟。污染壤经秘弱爱，可以将深处污染物翻到壤表层植物投系分毒较密集 的区域，这样可提高植物修复效栗。耪髂螽鹣主壤经过一段辩闻静晾晒后，在修复植耘定 植之前，还要对土壤进行整平作业，整平的目的是将结块土壤打碎，促进土壤团粒结构的 形成，起到僳墒的作用，同时也利于田问管瑕。 l + 3 2 。3 弱矮修复接魏魏求l 嚣嚣袋援簿 影响植物修复效果好坏的个重要因素怒超富集植物地上部生物量的大小，要提高修 复效率就必须促进植物地上部生物量的不断增加。灌水和施肥是促进植物嫩长的主要因 素。因此，掌糖超喜集植物的求巴需求规律，合理进雩亍肥水供应，基本上可以健进超富集 捷物最大限瘦熄提高造主部生物董。 1 3 2 4 采取必爰措施缩短修复周期 温度、光照、土壤水分、空气流通、热掇等环境因素对植物生育期影响很大，利用植 物辩坯羲条 争瓣爱获，可疆尽霉悲遮续短棱狻生育期姨瑟臻缎骖复周期。还霹激采取弯萤 移栽的方法缩短植物的生育期。此外，根据越富集植物各生育l j 寸期对重金属的积累隋况也 可以采取一些措施来缩短修复周期。 1 3 2 5 利用秘予包农技术促潦怒富集植物种予早生快发 l o 第一章绪论 超富集植物几乎都是野生植物，野生植物的种子一般都很小，种子直径馘媛长处一般 只有几毫米，有的越至仅零点几毫米。邀样小的种子既不利于播种，播种后也不容易保全 麓。种子包衣是绘耱子包上一层包衣荆，可以防治苗期病、虫、鼠害，同时程镪衣割中配 露定静类霸数量瓣徽耱，起囊璜热貔蘩营莠霸提毫获蘩豢瘊懿终矮，露盈凌增大了穗予 的体积，尤其是小歉种子丸粒化技术，利于机械化种檀。 1 3 2 6 注意病虫害的防治 植物能否正常生长，除了土壤及温度、光照等环境条件外，病害和虫害也是重要影响 瓣豢，霞魏要徽努瀛、虫害瓣防漕工穆。扶嚣薄豹技术承平溪，在栽培调控掺滤难i 冀凑效 鹣情况下，施焉化学农药防治植物瘸、虫害仍是不可或缺蛉手段。在使甭倦学农