第9章 植物修复-3

1、第9章 植物修复-3 第六节 有机污染物的植物修复第八节 应用例子第七节 放射性污染的修复第九节 排异植物的概念及其应用http:/www.china- 有机污染物的植物修复 有机污染物的毒性甚至超过无机物；有机污染物的毒性甚至超过无机物； 目标物：石油，目标物：石油，TNT，农药，农药，PAHs, 垃圾填埋垃圾填埋场地的渗出物。场地的渗出物。 过去采用的修复方法是过去采用的修复方法是易位燃烧易位燃烧和和微生物降解微生物降解 近几年，利用植物降解和根圈微生物降解可以近几年，利用植物降解和根圈微生物降解可以有效修复有机物污染土壤。有效修复有机物污染土壤。1 有机污染物植物降解的途径 途径有两条：

2、途径有两条：1）吸收到体内降解；）吸收到体内降解； 植物根对植物根对中度憎水有机物中度憎水有机物有很高的去除效果。有很高的去除效果。 中度憎水有机物中度憎水有机物：BTEX，氯代溶剂，短链脂肪，氯代溶剂，短链脂肪族化合物。族化合物。 在植物体内的去向：降解，矿化成在植物体内的去向：降解，矿化成CO2和水，残和水，残片进入木质结构。片进入木质结构。苯并（苯并（ ）芘）芘 Benzo( )pyrene 2）通过根分泌物中的一些物质直接或间接的）通过根分泌物中的一些物质直接或间接的在根部将其降解。在根部将其降解。 作用包括：络合，降解。土壤酶的直接降作用包括：络合，降解。土壤酶的直接降解作用解作用

3、植物根可以产生各种用于分解有机物的酶植物根可以产生各种用于分解有机物的酶类类修复举例苯并（苯并（ ）芘）芘 Benzo( )pyrene修复举例 Kruger等（等（1997）工作（利用）工作（利用Kochia吸收吸收阿特拉津）；阿特拉津）； Gurrison等（等（2000）工作（利用水生植物）工作（利用水生植物伊乐藻和陆生植物野葛降解伊乐藻和陆生植物野葛降解DDT）；）； Gao等（等（2000）工作）工作(DDT, TNT)；2 多环芳烃污染土壤的植物修复多环芳烃污染土壤的植物修复 植物降解植物降解PAHs的有效性：的有效性： 许多试验均表明，在有植物的土壤中，许多试验均表明，在有植物的

4、土壤中，PAHs的降解速率比没有植物的土壤显著提的降解速率比没有植物的土壤显著提高。高。 植物显著促进植物显著促进PAHs挥发。挥发。1）植物对）植物对PAHs的修复机理的修复机理（1） 羟基化作用羟基化作用14C标记试验标记试验 苯并（苯并（ ）芘）芘 Benzo( )pyrene，（1） 羟基化作用羟基化作用（2）酶氧化降解）酶氧化降解1）植物对）植物对PAHs的修复机理的修复机理 Cytochrome P450 is a family of the bodys more powerful detox enzymes. Over 60 key forms are known, with h

5、undreds of genetic variations possible, producing a wide variety of susceptibility to specific toxins.细胞色素细胞色素P450是一种多功能氧化还原酶，它可是一种多功能氧化还原酶，它可以使药物的烃基及芳香基羟化，使硝基及偶氮以使药物的烃基及芳香基羟化，使硝基及偶氮化合物还原成氨基，因它的一氧化碳结合物的化合物还原成氨基，因它的一氧化碳结合物的吸收光谱高峰在吸收光谱高峰在450nm处，故叫处，故叫P450。2）影响）影响PAHs降解率的因素降解率的因素 （1） 浓度 表4-11 苜蓿草对土壤中PA

6、Hs及矿物油的降解率PAHsPAHs降解率随浓度增加而降解率随浓度增加而增加增加；PAHsPAHs降解率随矿物油的加入而降解率随矿物油的加入而减少减少处理矿 物 油 加入量/（mg/kg）矿 物 油 降解率/ %PAHs加入量/(mg/kg)PAHs降解率/ %C1C4C7C2C5C8C3C6C930003000300062486311625016224162601622488.387.186.258.881.084.468.868.185.711.8133.184.011.8133.184.011.8133.184.095.797.497.996.597.699.592.891.797.82

7、）影响PAHs降解率的因素无肥时，无肥时，PAHsPAHs降解率随浓度增加而减少；降解率随浓度增加而减少；有机肥显著提高有机肥显著提高PAHsPAHs降解率，且以高污染降解率，且以高污染水平为大。水平为大。无作物无作物 （2）有机肥 无肥时，无肥时，PAHsPAHs降解率随浓度增加而减少；降解率随浓度增加而减少；有机肥显著提高有机肥显著提高PAHsPAHs降解率，且以高污染水平为大；降解率，且以高污染水平为大；作物显著促进作物显著促进PAHsPAHs的降解。的降解。有作物有作物 （3）特性菌 表4-12 专性真菌对土壤中PAHs及矿物油降解率的影响2）影响PAHs降解率的因素投加特性真菌增加投

8、加特性真菌增加PAHsPAHs和矿物油降解率；和矿物油降解率；作物提高作物提高PAHsPAHs降解率，但以中低污染水平降解率，但以中低污染水平为明显。为明显。污 染 水平投加的真菌苜蓿草土壤中矿物油降解率/ %苜蓿草土壤中PAHs降解率/ %对 照 土 壤中PAHs总降解率/ %102586.287.188.395.797.997.493.495.295.0202558.884.481.096.599.597.689.495.394.8302568.168.885.791.792.897.894.784.996.7投加专性细菌对投加专性细菌对PAHsPAHs和矿物油降解率作用不明显；和矿物油降

9、解率作用不明显；作物提高作物提高PAHsPAHs降解率。降解率。表4-13 专性细菌对土壤中PAHs 及矿物油降解率的影响污染水平细 菌 投 加量/ %苜蓿草土壤中矿物油降解率/ %苜 蓿 草 土 壤中PAHs降解率/ %对照土壤中PAHs总降解率/ %102587.188.386.297.495.797.995.093.495.2202558.884.481.096.599.597.689.495.394.8302585.768.168.897.891.792.896.794.784.92）影响PAHs降解率的因素（4）与）与PAHs单一污染水平的关系单一污染水平的关系注注:NAP表示萘表示

10、萘;AC/FU表示苊烯表示苊烯/芴芴;PHE表示菲表示菲;AN表示蒽表示蒽;FLA表表示萤蒽示萤蒽;PY表示芘表示芘; BaA/CHY 表示苯表示苯a蒽蒽/ /不同不同PAHsPAHs、不同污染水平的降解性不一样、不同污染水平的降解性不一样3）重污染土壤PAHs的降解调控0102030405060708090100自然5%有机肥5%有机肥+5%真菌+5%细菌5%有机肥+8%真菌+5%细菌PAHs降解率%4）修复过程中PAHs次生污染现象表16 不同有机肥量对苜蓿草和水稻种植土壤中矿物油矿物油降解率影响旱地苜蓿和水稻对旱地苜蓿和水稻对矿物油矿物油降解率逐年增加；降解率逐年增加；降解率随污染水平增

11、加而增加。降解率随污染水平增加而增加。处理矿物油加入量/ (mg/kg)苜蓿草降解率/ %水稻降解率/%2000年2001年2000年2001年14725836930003000300062486311625016224162601622488.387.186.258.881.084.468.868.185.793.092.591.395.596.396.395.496.096.655.654.460.064.128.061.366.748.254.584.891.483.084.085.590.072.597.988.5第一年第一年旱地苜蓿和水稻对旱地苜蓿和水稻对PAHsPAHs降解率第二年

12、出现负降解率第二年出现负降解；降解；水田负增加更明显。水田负增加更明显。表4-17 不同有机肥量对苜蓿草和水稻种植土壤中PAHsPAHs降解率影响水平PAHs加入 量 / (mg/kg)苜蓿草降解率/ %水稻降解率/%2000年2001年2000年2001年1 2 3 12.612.612.635.435.435.495.797.497.996.597.699.592.891.797.8+11.9-58.7-44.4-72.0-53.4+7.3-6.7+9.4-3.638.588.883.29.657.676.552.746.575.9-145.2-252.4+11.9

13、-706.8-148.3-15.2-723.4-330.1-22.2第二年第二年 第七节 放射性污染的植物修复切尔诺贝利核电站 切尔诺贝利核电站 核泄漏事故后产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的100倍 直接损失 死亡人数：9.3万人 致癌人数：27万人 经济损失：5千亿美元 实际 最后150万人死亡 100万平方公里被严重污染 300万平方公里被污染 900万人受害http:/ 氚: 半衰期为12.43a 氪-85半衰期是10.76a氙-133 半衰期5.29d 锶-90半衰期为27.7a，主要产物6% 铯-137（半衰期30a），主要产物5% 碘-131 半衰期8.3d钴

14、-60 半衰期5.27 a 放射性污染植物修复 核试验、核电站及同位素应用等造成大量放射核试验、核电站及同位素应用等造成大量放射性污染点。性污染点。 放射性累积植物：放射性累积植物： Entry et al(1989)发现桉树一个月可以去除土壤发现桉树一个月可以去除土壤中中31%的的137Cs和和11.3%的的90Sr。 Whicher et al(1960)发现水生植物天胡荽发现水生植物天胡荽(Hydrocotyle spp.)积累积累137Cs和和90Sr的能力较强。的能力较强。 荽sui天胡荽别名满天星、破铜钱、落得打。别名满天星、破铜钱、落得打。放射性污染修复方法放射性污染治理技术应根

15、据各种放射性核素的环境化学特性、沉积特性以及放射性衰变速率等进行选择。对于表层土壤通常的处理方法是集中挖掘后运送至偏远废物处理场填埋。地表水或地下水污染处理产生的放射性淤泥&沉积物亦如此处理。其他的物理化学方法还有土壤清洗、离子交换、螯合剂浸取、絮凝技术及反渗透超滤技术等。然而“大面积低剂量的污染”上述技术均不大适用。近年来植物修复技术迅猛发展“使大面积低剂量放射性污染治理有了一种新的选择。铀土壤污染修复的研究进展朱永官1，陈保冬1，Iver Jakobsen21-中科院生态环境研究中心2-丹麦Risoe国家实验室铀(Uranium)污染土壤的修复 化学修复：主要通过添加化学物质钝化或

16、化学修复：主要通过添加化学物质钝化或活化土壤中的铀，从而达到修复；活化土壤中的铀，从而达到修复； 物理修复：挖掘、搬运和填埋（费力和昂物理修复：挖掘、搬运和填埋（费力和昂贵）；贵）； 植物修复：通过种植绿色植物来去除土壤植物修复：通过种植绿色植物来去除土壤的铀的铀-环境友好，但比较耗时；环境友好，但比较耗时； 植物固定：通过种植绿色植物来降低土壤植物固定：通过种植绿色植物来降低土壤中铀向其他介质的传递；中铀向其他介质的传递；植物对铀的吸收植物生长介质中植物生长介质中磷可能会抑制植物对铀的吸收积累磷可能会抑制植物对铀的吸收积累Ebbs et al., 1998植物对铀的吸收植物生长介质植物生长介

17、质pH会影响植物对铀的吸收积累及其会影响植物对铀的吸收积累及其在体内的传输在体内的传输Ebbs et al., 1998植物对铀的吸收不同植物对铀的吸收积累存在显著差异不同植物对铀的吸收积累存在显著差异植物对铀的吸收土壤中添加有机酸可以显著提高植物对铀的吸收积累土壤中添加有机酸可以显著提高植物对铀的吸收积累羟乙基乙烯羟乙基乙烯二胺三醋酸二胺三醋酸(HEDTA)但是在铀污染土壤修复研究中但是在铀污染土壤修复研究中对植物根际对植物根际 的研究还相当缺乏的研究还相当缺乏特别是对最为广泛存在的菌根特别是对最为广泛存在的菌根共生关系对植物吸收积累铀的共生关系对植物吸收积累铀的影响几乎没有研究影响几乎没有

18、研究丛枝菌根减轻宿主植物重金属毒害的机制改善植物矿质营养促进植物生长菌根结构直接吸附固定重金属限制重金属自根系向地上部运输改变菌根际理化性状降低重金属活性Rufyikiri G, Thiry Y, Declerck S. 2003. New Phytologist 158: 391-399.中室（主根室）外室U对照 外根室 菌丝室 菌根室U 放射性活度浓度 (Bq g-1 f.wt)菌丝室菌根室菌丝体外室中根系中室中根系276A-9.8A265A49A10.9A丛枝菌根根外菌丝能够吸收丛枝菌根根外菌丝能够吸收U并将并将U运转至离体培养根器官运转至离体培养根器官丛枝菌根真菌在植物吸收和累积铀过程

19、中的作用分室培养系统宿主植物宿主植物：苜蓿：苜蓿（Medicago trunctula L. cv Jemalong)菌根真菌：Glomus intraradices (BEG87)研究目的：研究目的： 活体条件下考察活体条件下考察（1）菌根真菌对植物）菌根真菌对植物 吸吸收和累积铀的影响收和累积铀的影响（菌根效应）；（菌根效应）；（2）根系、菌根和根外）根系、菌根和根外菌丝吸收铀的比较；菌丝吸收铀的比较；（3）施用磷肥对根系或）施用磷肥对根系或真菌吸收铀的影响真菌吸收铀的影响（P-U交互作用）。交互作用）。分室培养系统示意图主根室分室尼龙网 Nylon meshCompartment ACo

20、mpartment B70g inoculum or soil-sand mixture730g standard mixtureU U contaminated soilStandard nutrients 0,50 or 200 mg P kg-11L round plastic pot50mL containerStandard nutrients exclusive of PBuffer soil layer(10g standard mixture)or670m mesh25m meshAB分室培养系统的建立过程（三个试验因素：接种处理、分室方式及施磷处理）2003-04-03020

21、040060080005101520050100150200250238U Concentration (ng g-1)050200P addition levels in compartment B (mg kg-1)Coarse mesh-MCoarse mesh+MFine mesh-MFine mesh+M238U concentration in shoots (A), roots in compartment A (B) and compartment B (C) of medic plants under different compartmentation and P appl

22、ication treatments.By analysis of variance, inoculation, mesh type and the interaction of mesh type with P addition were highly significant for both shoot and root in compartment A (P0.01). Inoculation and P addition showed highly significant interaction (P0.001) for root in compartment B.(A)(B)(C)r

23、oots in compartment A238U concentration in shootsroots in compartment BAB0.000.00050200Shoot to root ratio of total U uptake Coarse mesh-MCoarse mesh+MFine mesh-MFine mesh+MShoot to root (from compartment A) ratio of total uranium uptake by medic plants as influenced by different compart

24、mentation and P addition treatments. By analysis of variance, inoculation and mesh size (P0.001), and the interactions among inoculation, mesh size and P addition (P0.01) were highly significant.P addition levels in compartment B (mg kg-1)菌根效应及其机制磷矿粉铀污染控制复合污染土壤治理强化尾矿植物固定三个施磷处理: 不施磷(P0), 施2%磷矿粉(PR)或

25、50 mg KH2PO4-P kg-1(P50)野生型 (WT)和无根毛突变体 (Brb) 大麦(Hordeum vulgare L. cv Pallas)BrbWT丛枝菌根真菌 Glomus intraradices坦桑尼亚Minjingu磷矿粉(PR， 310 mg U kg-1)2 (基因型) 2 (接种处理) 3 (施磷处理) = 12 处理菌根真菌与根毛对植物自污染磷矿粉中吸收铀和磷的相对作用0123450123P concentration (mg g-1)WT-MWT+MBrb-MBrb+MShoot (A) and root (B) P concentrations of wi

26、ld type (WT) and a bald root mutant (Brb) barley plants as affected by P application and AMF inoculation. By analysis of variance, inoculation, genotype, P application and all interactions were highly significant (P0.001) for both shoot and root. P0PRP50(A)(B)Shoot (A)root (B)01020304005001000150020

27、002500238U Concentration (ng g-1)WT-MWT+MBrb-MBrb+MShoot (A) and root (B) 238U concentrations of wild type (WT) and a root hair mutant (Brb) barley plants as affected by P application and AMF inoculation. By analysis of variance, inoculation, genotype, P application and all interactions were highly

28、significant (P0.001) for root, but only P application showed highly significant influences (P0.001) on shoot U concentration.P0PRP50(A)(B)Specific root 238U uptake efficiency of wild type (WT) and a root hair mutant (Brb) barley plants as affected by P application and inoculation treatments.By analy

29、sis of variance, inoculation and interactions of inoculation with P application were significant (P0.05). Genotype, P application and all other interactions were highly significant (P0.001).03691215Root U uptake efficiency (ng m-1)P0PRP50WT-MWT+MBrb-MBrb+M0.000.000.250.30P0PRP50Shoot to

30、root ratio of total U uptakeWT-MWT+MBrb-MBrb+MShoot to root ratio of total 238U uptake by wild type barley (WT) and a bald root mutant (Brb) as affected by P application and AMF inoculation.By analysis of variance, genotype, inoculation and P application were all highly significant (P0.01). Signific

31、ant interactions were found between genotype and inoculation, genotype and P application (P0.01), but not between inoculation and P application. 菌根效应及其机制磷矿粉铀污染控制复合污染土壤治理强化尾矿植物固定丛枝菌根真菌在植物修复铀-砷复合污染土壤中的作用研究目的：研究目的：考察考察不同丛枝菌根真菌不同丛枝菌根真菌(G. mosseae、G. caledonium和和G. intraradices)对对砷超砷超积累植物蜈蚣草积累植物蜈蚣草(Pteri

32、s vittata L.)在铀在铀-砷复合污染土壤上生长及吸收铀和砷砷复合污染土壤上生长及吸收铀和砷的影响，探讨丛枝菌根真菌在复合污染环境植物修复中的作用潜力。的影响，探讨丛枝菌根真菌在复合污染环境植物修复中的作用潜力。090180270060-MGlmGlcGliAs concentration (mg kg-1)First HarvestSecond HarvestFrond (A) and root (B) As concentration of Chinese brake fern inoculated with different AM fungi.By analysis of va

33、riance, only harvest showed highly significant influences on As concentrations(P0.001).(A)(B)238U concentration (mg kg-1)-MGlmGlcGli03691207001400(A)(B)First HarvestSecond HarvestFrond (A) and root (B) 238U concentration of Chinese brake fern inoculated with different AM fungi.By analysis of varianc

34、e, inoculation was highly significant (P0.01) and interactions of harvest with inoculation was significant (P0.05) for both shoot and root. Harvest was also highly significant for shoot (P0.001).对于根毛不发达的植物而言，在铀污染条件下菌根真菌能够在促进植物活化吸收难溶性磷的同时强化根系对铀的固定，表现出功能多样性。植物根毛与菌根根外菌丝在磷和铀的吸收方面功能类似，然而根毛对于植物活化和吸收磷更为高效。

35、铀污染条件下，丛枝菌根能够在增加根系积累铀的同时有效限制铀向地上部运转，进一步降低铀向植物地上部的分配比例。这一方面可以减轻铀对植物地上部可能的生理毒害（保护效应），另一方面可以能够强化铀污染环境的植物固定。向铀尾矿添加无污染土壤能够促进抗性植物（黑麦草）和菌根模式植物（苜蓿）的生长。施加磷肥情况下，菌根对植物磷营养状况和生长没有显著影响，但仍有助于强化铀尾矿的植物固定。 在铀砷复合污染条件下，虽然丛枝菌根对砷超积累植物蜈蚣草生长表现出抑制作用，但能够提高植物根系对铀的富集系数（最高达到14），强化铀的植物固定。不同菌根真菌接种处理对植物积累铀影响程度不同，表明有可能依据具体环境修复目的筛选出

36、高效真菌菌株。 Selection of appropriate organic chelates for enhancing Zinc and Cadmium phytoextraction by hyperaccumulators Table 2 Solubilization of soil Zn by different organic chelates (mg/kg soil) Release of soil Zinc by Water EDTA Citric acid Acetic acid Oxalic acid Glutamine MGWL 3.40 C# (0.24) 174.

37、67 A (12.24) 7.09 C (0.50) 5.36 C (0.38) 3.70 C (0.26) 4.43 C (0.31) 53.39 B (3.74) #The means followed by the same letter were not significantly different according to Duncans test (=0.05). The values in the parenthesis were the percentage of the solubilized Zn to the total Zn of the soil. MGWL: mo

38、nosodium glutamate waste liquid. Germination index of cress seed influenced by different chelates EDTA Citric acid Acetic acid Oxalic acid Glutamine MGWL Seed germination index# 46.30 a 37.30 ab 0.00 c 8.24 bc 33.90 ab 1.50 c #The cress seed germination index was measured and calculated according to

39、 Zucconi et al., (1981). The means followed by the same letter were not significantly different according to Duncans test (=0.05). MGWL: monosodium glutamate waste liquid. Table 5 Chemical analysis of the leachates from the soil column leached by water and 3 chelate solutions at the same equivalent

40、concentration Concentrations of mineral elements and pH of leachates by chelate solutions pH Zn (mg/L) Cd (ug/L) Pb (mg/L) N (mg/L) K (mg/L) Water 6.83 0.11# 0.026 0.002 8.79 0.63 ND 26.4 1.6 0.938 0.055 EDTA 6.59 0.08 8.65 1.25 56.0 6.0 8.65 1.25 33.7 5.1 1.08 0.13 MGWL$ 6.72 0.15 0.226 0.004 25.8

41、0.9 3.04 0.19 103.7 10.3 5.19 0.40 MR-II 7.31 0.07 0.844 0.110 39.1 2.5 1.90 0.31 19.1 5.0 3.32 0.57 #The values in the table were MeanSTD. $MGWL: monosodium glutamate waste liquid; MR-II: Mixed reagent at 6 mmol equivalent Table 8 Zn concentrations in the shoots of Thlaspi caerulescens and Sedum af

42、fredii (mg/kg) Thlaspi shoot Sedum leaf Sedum stem No chelate 6828 A# 4423 BCDE 5855 BC EDTA 6817 A 6090 A 7076 A Citric acid 6702 AB 4897 B 6031 ABC Acetic acid 5957 B 3518 F 5087 C Oxalic acid 6870 A 4742 BC 5978 BC MGWL$ 4677 C 3951 EF 4825 C Mixed reagent 6754 AB 4251 CDE 6502 AB Mixed reagent 7

43、386 A 4310 BCDE 5967 BC Mixed reagent 7222 A 4630 BCDE 5957 BC Mixed reagent - 4080 EF 6622 AB # According to Duncans test (P0.05), means in the same column followed by the same letter were not significantly different. $MGWL: monosodium glutamate waste liquid; Mixed reagent I-IV were in 2, 6, 10 and

44、 14 mmol equivalent per kg soil respectively. Table 9 Cd concentrations in the shoots of Thlaspi caerulescens and Sedum affredii (mg/kg) Thlaspi shoot Sedum leaf Sedum stem No chelate 47.42 A# 32.66 BC 26.85 BCD EDTA 36.83 A 31.54 BC 19.6 DE Citric acid 39.07 A 37.44 ABC 19.11 E Acetic acid 36.01 A

45、29.78 C 21.17 CDE Oxalic acid 39.01 A 34.11 ABC 27.39 BC MGWL$ 23.58 B 42.23 A 37.93 A Mixed reagent 43.74 A 39.56 AB 33.36 AB Mixed reagent 38.79 A 35.64 ABC 23.77 CDE Mixed reagent 35.49 A 32.52 BC 26.44 BCDE Mixed reagent - 31.06 BC 27.5 BC # According to Duncans test (p0.05), means in the same c

46、olumn followed by the same letter were not significantly different. $MGWL: monosodium glutamate waste liquid; Mixed reagent I-IV were in 2, 6, 10 and 14 mmol equivalent per kg soil respectively.Table 10 Zn extraction efficiency of one crop of Thlaspi caerulescens and Sedum affredii (% of total Zn in

47、 soil) CK EDTA Citric acid Acetic acid Oxalic acid MGWL$ MR I MR II MR III MR IV Thlaspi 1.20 C# 1.57 B 1.41 BC 0.99 D 1.09 D 0.93 D 1.70 B 2.13 A 2.10 A Sedum 2.21 C 2.96 A 1.90 D 1.55 E 1.66 E 0.92 F 2.07 CD 1.90D 2.41 B 1.98 D # According to Duncans test (p0.05), means in the same column followed

48、 by the same letter were not significantly different. $MGWL: monosodium glutamate waste liquid; Mixed reagent I-IV were in 2, 6, 10 and 14 mmol equivalent per kg soil respectively. 第八节 应用例子 Case Study 2Case Study 3Co-crop of low-accumulating corn and Sedum alfedii in field experiment on Pb/Zn mining w