土壤中铜污染及其超富集植物的修复作用【内容丰富】

1、土壤中铜污染 及其超富集植物的修复作用,1,参考内容,目 录,1,5,总结与展望,2,参考内容,1,研究背景,2,3,参考内容,熔 点,1083.4,沸 点,密 度,2567,8.960g/cm,铜单质在常温下呈现（紫）红色,铜的延展性好，1g的铜可以拉成3000m长的细丝，或压成10多平方米几乎透明的铜箔导热性和导电性高,铜合金机械性能优异，电阻率很低，仅次于银，但比银要便宜得多,4,参考内容,原子序数,元素符号,摩尔质量,29,CU,63.5g/mol,常见化合价为 +1 CuCl、Cu2O、Cu2S,2 CuCl2、CuSO4、Cu2(OH)2CO3,5,参考内容,电器和电子市场：电线、

2、母线、变压器绕组、重型马达,工业机器和设备：工业阀门和配件、 仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等,国防工业：用以制造子弹、炮弹、枪炮零件,轻工业：钟表机芯、造纸机的网布、 辊轮、印刷铜版,农业生活：波尔多液、泳池消毒剂,6,参考内容,铜对于血液、中枢神经和免疫系统，头发、皮肤和骨骼组织以及大脑、肝脏、心脏等内脏的发育和功能有重要影响。人体缺乏铜会引起贫血，毛发异常，骨和动脉异常，甚至脑障碍。但如过剩，会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍,铜在人体内含量约100150mg，血清铜正常值11.2g/ml，铜是人体中含量位居第二的必需微量元素。含铜的酶有酪氨酸酶、单胺氧化酶、超氧化酶、

3、血铜蓝蛋白等。 铜对血红蛋白的形成起着活化的作用，它促进铁的吸收和利用，在传递电子、弹性蛋白的合成、嘌呤代谢、磷脂及神经组织形成方面有重要意义。铜还是机体内蛋白质和酶的重要组成部分，许多重要的酶需要微量铜的参与和活化,铜元素在机体运行中具有的作用,铜是人体必需的微量元素,7,参考内容,导致中毒，症状包括反胃、恶心、呕吐、腹泻。其它严重症状包含血尿、黄疸、寡尿。铜摄入量超过正常摄取量的1000倍则有致命的风险,铜摄入过量主要表现为Wilson氏征,铜摄入过量（64mg/d,会引起胆汁排泄铜的功能紊乱。组织中铜的滞留，沉积于肝脏则引起慢性活动性肝炎；沉积于脑部出现小脑性运动失常和帕金森综合征；沉积

4、于肾则引起肾小管中毒表现，出现蛋白尿、血尿等；沉积在角膜可在后弹力层上出现铁锈样环。 长期接触铜容器,管道或阈门,酸性食物和饮料能溶解毫克量的铜,这足以引起恶心,呕吐和腹泻,8,参考内容,2,土壤铜污染现状,9,参考内容,原生次生矿物,污水污泥灌溉,冶炼工业制造,铜在岩石圈中的含量仅次于锌，列第 26 位，含量约为 70mg/kg。地壳中铜的含量为24-55mg/kg,铜能形成多种矿物，常见原生矿物中以硫化物状态存在，在风化的过程中这些矿物很容易溶解而释放出铜离子。大部分土壤中，铜来自于土壤中原生矿物和次生矿物，平均 20-30mg/kg 之间,金属冶炼，工业制造，电镀工业，电子制造业等每年会

5、产生大量的铜污染废料,随着农业中含铜农药化肥的大量使用，以及农田污泥施用、污水灌溉使一些地区出现土壤铜污染的现象,10,参考内容,土壤中铜的存在形态一般可以分为：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态,这些形态之间是相互联系的，在一定的条件下，它们之间还可以互相转化，土壤的pH、铜的含量、有机质含量、氧化物形态及其含量和植物根系都会影响到铜形态的变化。通常残渣态铜被视作无效态，生物有效性较低，对动植物机体的影响最小,11,参考内容,降低土壤生物活性和土壤肥力,降低农产品的产量和品质,危害人类及动物健康,研究表明，投加铜等重金属能显著降低土壤微生物生物量、微生物呼吸强度和脱

6、氢酶活性，尤其以脱氢酶活性指标比较有规律，该指标代表土壤生物活性总体水平。当投加铜的浓度为允许量的 4.9 倍时土壤微生物量减少 51,当土壤中铜含量超过一定值时，就会抑制作物生长，并导致减产。究表明随着重金属铜等浓度的增加，作物生长量下降。高铜对农作物生长势、微量元素含量、细胞膜透性及光合作用都有不利的影响,铜可通过食物链传递以及直接暴露危害人体健康。过量的铜将导致人体粘膜的刺激和腐蚀，并引起中枢神经系统及肝、肾中毒。铜在人体肝脏内大量积累，会产生名为“肝痘”的铜代谢疾病,1,2,3,12,参考内容,一级标准为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤环境质量的限制值； 二级标准为保障农业生产、维

7、护人体健康的土壤限制值； 三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值,土壤环境 质量标准 （GB15618 -1995,13,参考内容,全国土壤污染状况调查公报,2005 年 4 月至 2013 年 12 月，首次全国土壤污染状况调查。调查范围为中华人民共和国境内的陆地国土，调查点位覆盖全部耕地，部分林地、草地、未利用地和建设用地，实际调查面积约 630 万平方公里。调查采用统一的方法、标准，基本掌握了全国土壤环境质量的总体状况,从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷

8、、铅 4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势,14,参考内容,从图中可以看出，其中 7 个地方的总铜含量低于国家土壤环境质量二级标准的水平（50mg/kg），而海口的铜含量高于该标准。这说明我国各地表层土壤中铜的含量都未达到污染的水平，而海南岛可能受到独特的地质和气候条件的影响，表层土壤中铜的含量较高。 总体来看，南部地区的铜含量高于北部，西部高于东部,15,参考内容,隐蔽性,不可逆性,累积性,1,2,3,土壤重金属污染具有很强的隐蔽性，人们很难直观的发现，只有对土壤样品进行化学分析和对农作物残留物进行检测，才能了解土壤的污染情况,相比于大气系统、水系统，在土壤

9、系统中，重金属污染物扩散比较慢，迁徙比较困难，这就导致重金属污染物很容易积累在土壤中，从而引起土壤重金属超标,由于重金属在土壤中积累到一定程度时，便引起土壤结构和功能的变化，且由于重金属很难降解。 因此，一旦污染很难恢复原状,16,参考内容,3,土壤铜污染修复方法,17,参考内容,物理修复技术,化学修复技术,生物修复技术,换土法、客土法、翻土法、去表土、电解法、热处理法,化学改良剂法、化学淋洗法、化学栅法,植物修复法、动物修复法、微生物修复法,18,参考内容,物理修复技术,化学修复技术,生物修复技术,优点是处理效率高、工艺简单、效果显著；缺点是人力物力耗费较高、不能从根本上解决污染问题,优点是

10、处理周期较短、效率高、效果明显；缺点是可能对植物生长和土壤肥力造成不良影响、产生一定的二次污染问题,优点是对土壤性质影响小，治理成本低，可以彻底去除土壤中重金属污染，另外植物修复还起到美化环境的作用，能获得良好的社会效益；缺点是修复周期较长,生物修复技术是目前研究最为火热且最有发展前景的方法,19,参考内容,动物修复技术是指土壤动物群（如蚯蚓等）通过直接的吸收、转化和分解或间接的改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的生长等作用而修复土壤污染的过程,微生物修复法对重金属污染物修复是指利用土壤中某些微生物（如藻类、细菌、真菌等）对重金属污染物进行吸收、沉淀、氧化和还原作用等，从而降低土

11、壤中重金属毒性的过程,植物修复技术是指利用植物及其根际微生物体系的物理、化学或生物过程来吸收、挥发、转化、降解或固定土壤污染物的一种原位生物修复技术,20,参考内容,蚯蚓对污染土壤铜有一定的富集能力 。以富集系数即蚯蚓体内铜浓度与土壤铜浓度的比值作为其富集能力的指标 ,在 Cu2 +200 mg/kg处理培养 21d后 , 蚯蚓肠道的富集系数为 2.65。 肠道与表皮的富集系数都随着培养时间的延长而增大 ,随着污染浓度的增加而下降,21,参考内容,直接将特定植物种植在重金属污染区域，植物对土壤中污染元素有特殊的吸收和吸附能力，直接吸收污染元素，将其从土壤中带走，达到污染治理与生态修复的目的,2

12、2,参考内容,根据作用机理可将植物修复技术分为： 植物提取；植物挥发；植物固化；根际过滤；植物降解,利用重金属富集能力较强的植物-超富集植物的根系吸收污染土壤中的重金属，转移并储存在地上部分，随后收获地上部分并集中处理,利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态，或者植物吸收土壤中的重金属至体内后将其转化为气态物质释放到大气中，从而净化土壤,植物利用其自身的机械稳定和沉淀作用固定土壤中重金属，降低重金属毒性并防止其进入水体和食物链，从而降低对环境的污染,植物提取,植物挥发,植物固化,植物提取技术是目前研究最为广泛且最有发展前景的方法,23,参考内容,4,超富集植物修复作用,2

13、4,参考内容,金属超富集植物：能够生长在重金属含量较高的土壤上，经不断生物进化、或通过遗传/基因工程培育诱导而成的，地上部能比普通植物富集某种重金属1000倍以上的植物,特点： 植物体内重金属浓度超过临界值,植物吸收的重金属大多数分布在地上部分，即较高转运系数（TF） 在重金属污染土壤上生长良好一般不发生毒害现象,植物地上部分的铜累积量达到1000mgkg-1才能称之为铜超富集植物,目前国内外已发现的铜超富集植物并不多，主要集中于铜锌矿区和冶炼厂废弃处,25,参考内容,与生长在铜金属矿区的植物相比，盆栽中的植物被驯化时间短，有利于从植物 自身机理等方面找到抗重金属的内在原因，为分子基因工程研究

14、提供理论依据,26,参考内容,迄今发现超积累植物700余种,广泛分布于约个50科,但绝大多数属于镍超积累植物有329种,铜超积累植物37种,这些超积累植物绝大部分是在气候温和的欧洲、美国、新西兰及澳大利亚的污染地区发现的。有的超积累植物可同时积累多种重金属,如在37种铜的超积累植物和种30钴的超积累植物中,有12种对铜和钴都有超积累能力,但目前还没发现哪一种植物具有广谱的重金属超积累特性,27,参考内容,目前对于植物富集铜有过不少报道,并已发现绝大多数的铜积累和超富集植物主要集中在唇形科、石竹科、马齿觅科、豆科、禾本科、漆树科和马鞭草科等。发现的指示植物有酸模、女娄菜、宽叶香薷、海州香薷、小头

15、寥等。在我国现已发现的铜矿指示植物中,一些植物中铜的含量已达到超积累水平,表现出超积累特征,如鸭跖草、海州香薷以及蓖麻,28,参考内容,细胞壁是鸭跖草根中铜结合的主要位点 。而在叶中 ,铜主要分布在含核糖核蛋白体的细胞溶质部分中, 在茎中 ,随铜浓度提高 ,铜向含核糖核蛋白体的细胞溶质部分的分配增加,海州香薷吸收大量的铜主要分布在根部, 根系所吸收的铜主要积累在细胞壁 ;随着铜处理时间和处理浓度增加 ,海州香薷根系和地上部铜含量均增加, 其中根系铜含量增加更明显。 运用差速离心技术分析铜在海州香薷细胞内的分布,表明细胞壁和叶绿体是海州香薷叶中铜结合分布的主要位点 ,而细胞壁是海州香薷根细胞中铜

16、的主要位点 。 海州香薷中含氧螯合物 ,特别是根、茎及叶细胞壁中含氧螯合物对铜的结合钝化可能起着铜解毒的重要作用 ;而随着铜胁迫时间延长,除了细胞壁钝化外,铜与其诱导产生的含硫螯合物结合以及 Cu2+还原可能是植物对铜解毒的主要机理,分布,机理,29,参考内容,从目前对于铜超富集植物的研究发现，有些植物对于铜的富集水平，虽然没有达到超富集植物的要求，但还是体现了较强的铜富集能力，如豆科的紫花苜蓿，蓼科的小头蓼和酸模,30,参考内容,李红艳等的报道表明菊科植物艾蒿、滨蒿以及构树对 Cu 也表现出很高的富集能力 ,其中艾蒿地上部分的含Cu 量变化值为91 698 mg/kg ,滨蒿为 42 259

17、 mg/kg，构树为 94 437 mg/kg,31,参考内容,细胞壁作为土壤重金属进入植物体内的第一道屏障，含有大量纤维素、半纤维素、果胶质、木质素及蛋白质，其对铜有很高的亲和力。在植物的细胞壁中，金属沉淀作用可以很好的起到阻止过量的铜进入原生质体的效果,当植物的细胞质膜受到高浓度重金属胁迫时，结构和功能上会发生相应改变。质膜在铜胁迫下透性增大，细胞内营养物质流出，磷脂组分也会发生改变。质膜能够减少或阻止 Cu2+流入细胞质，并且有选择性地将过量的铜排出细胞外，使得植物体内的铜含量降低到安全的范围，从而达到减轻或解除铜毒害的效果,植物体内的金属硫蛋白等有机物能与铜络合，减少铜与上述重要有机物

18、质络合的机会，从而达到缓解或解除铜毒害的目的。另外植物体内的组氨酸以及一些组氨酸残基也参与了植物体内铜的转运,细胞壁的解毒机制,质膜的选择性吸收,络合体的解毒作用,32,参考内容,有机酸能改变铜的有效性，从而达到强化超积累植物修复的作用，如 EDTA 施入铜污染土壤，可显著提高土壤水浸提态铜、交换态铜的含量，同时使海州香薷铜含量升高，并促进铜向地上部分转移，可作为 海州香薷修复铜污染土壤的助剂,根际微生物对超积累植物的强化，不仅可以增加植物生物量，还大幅度提高植物对铜的吸收，而且不造成二次污染。土壤中的真菌能够增加根际产生的 CO2，释放有机酸，分解有机物，从而增加根际土壤中金属的移动性，促进

19、植物的吸收,利用基因技术，将异源基因在生物量大且容易收获的植物体进行有效的表达，从而强化植物的修复作用，以解决海州香薷、鸭跖草株型矮小、生长速度慢等限制因素,基因工程技术强化,微生物强化,有机酸强化,33,参考内容,5,总结与展望,34,参考内容,现代修复技术发展方向应该是从生态学角度出发，修复土壤污染的同时，维护正常的生态系统结构和功能，实现绿色意义的污染土壤修复，实现人和环境的和谐统一。 同时，污染土壤的修复治理是一个错综复杂的过程，影响因素较多，而单一的修复技术虽有较好的修复效果，但都有各自适用的范围，单独实施时必然会受到制约，影响修复效果。 因此，在实践过程中，需要将物理、化学和生物的

20、多种方法融合起来构成一个技术体系，做到融会贯通、游刃有余，优劣互补，以高效、低耗的方式解决常规技术难以奏效的难题,土壤重金属污染与农产品安全息息相关，并通过土气、土水界面与大气环境和水环境相关联。开展土壤重金属污染的修复技术研究，对于促进农产品质量安全，保障广大人民群众的生命健康具有重大意义,1,2,3,4,35,参考内容,多种处理方法应用于土壤铜污染的治理中，植物修复技术有明显的生态效益、经济效益和社会效益，是一种理想的、 具有广阔的发展前景的方法，今后重点研究方向主要有,借鉴国外土壤重金属污染修复先进技术，筛选并发展能广泛应用、安全、低成本的原位农田生物修复技术和物化稳定技术，加强污染修复

21、技术集成。如开发新型选择性高、残留量低、副作用小的生物可降解螯合剂或低分子量有机酸，代替目前广泛使用的难降解螯合剂,探索螯合诱导与其他生物工程结合的联合修复技术，如与接种丛枝菌根、植物转基因技术、分子生物学以及物理化学调控等联合，提高植物修复效率；开发与螯合剂协同作用的土壤改良剂，根据植物生长特性优化螯合诱导植物修复的环境条件，探索作物最佳施肥技术和病虫害生物防治技术,36,参考内容,运用分子生物学和基因工程技术，强化超富集植物材料的筛选，因地制宜地诱导、培育本地兼具高生物量和高富集能力的植物，降低外来富集植物带来的物种入侵风险，克服天然超积累植物生长慢、生物量低和适应环境能力差等缺点,铜超富

22、集植物体内铜的去向和最终处置。现阶段铜富集植物体内重金属铜的回收利用主要采用的是堆肥法、 焚烧法、 灰化法等方法，寻找出更好的处置方法，可以达到合理利用资源、 减少负面环境效应的目的,37,参考内容,习题 部分,38,参考内容,一、名词解释,1、金属超富集植物,能够生长在重金属含量较高的土壤上，经不断生物进化、或通过遗传/基因工程培育诱导而成的，地上部能比普通植物富集某种重金属1000倍以上的植物,2、植物修复技术,植物修复技术是指利用植物及其根际微生物体系的物理、化学或生物过程来吸收、挥发、转化、降解或固定土壤污染物的一种原位生物修复技术,39,参考内容,3、植物挥发,利用植物根系分泌的一些

23、特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态，或者植物吸收土壤中的重金属至体内后将其转化为气态物质释放到大气中，从而净化土壤,4、盆栽模拟法,将幼苗种植在人为添加铅污染的土壤中，室内条件下对整个生长周期观察记录，测定植物对铅的吸收特性，筛选出合适的植物,40,参考内容,二、填空题,1、 铜在岩石圈中的含量仅次于 ，列第 位，含量约为,2、土壤重金属污染的特性主要表现为 ， ，,隐蔽性,不可逆性,积累性,锌,70mg/kg,26,3、超富集植物修复铜污染土壤的强化措施主要有 ， ，,有机酸强化,微生物强化,基因工程技术强化,4、植物地上部分的铜累积量达到 才能称之为铜超富集植物,1000mg/kg,41,参考内容,三、选择题,1、以下哪一项不是铜的主要用途（,A. 钟表机芯,B. 制铅笔,C. 子弹壳,D. 变压器绕组,B,2、以下哪一项不是土壤中铜的存在形态（,A. 可交换态,B. 碳酸盐结合态,C. 残渣态,D. 无机结合态,D,42,参考内容,3、以下哪一项不属于铜超