土壤重金属污染的植物修复解读课件

1、土壤重金属污染的植物修复研究 目 录一、土壤重金属污染的现状及其修复技术二、植物修复技术的发展与应用三、修复植物的筛选四、研究课题的设计一、土壤重金属污染的现状及其修复技术1.1 土壤重金属污染的含义土壤重金属污染（heavy metal pollution of the soil）： 是指由于人类活动，土壤中的微量金属元素在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高，统称为土壤重金属污染。重金属:是指比重大于50 gcm3的金属元素。包括 Cu(铜）、Zn（锌）、Ni（镍）、Pb（铅）、Cr（铬）、Cd（镉）、Hg（汞）、Fe（铁）、Mn（锰）、Mo（钼）、Co（钴）和类金属As（砷）

2、等。 1.2 土壤重金属污染的来源1、随着大气沉降进入土壤的重金属 大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘。除汞以外，重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进人土壤。经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，与重工业发达程度、城市的人口密度、土地利用率、交通发达程度有直接关系，距城市越近污染的程度就越重，污染强弱顺序为：城市-郊区-农村。1.2 土壤重金属污染的来源2、随污水进入土壤的重金属 利用污水灌溉是灌区农业的一项古老的技术，主要是把污水作为灌溉水源来利用。污水按来源和数量可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。生

3、活污水中重金属含量很少，但是，由于我国工业迅速发展，工矿企业污水未经分流处理而排人下水道与生活污水混合排放，从而造成污灌区土壤重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Cd等含量逐年增加。1.2 土壤重金属污染的来源3、随固体废弃物进入土壤的重金属 固体废弃物种类繁多，成分复杂，不同种类其危害方式和污染程度不同。其中矿业和工业固体废弃物污染最为严重。这类废弃物在堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。1.2 土壤重金属污染的来源4、随农用物资进入土壤的重金属 农药、化肥和地膜是重要的农用物资，对农业生产的发展起着重大的推动作用，但长期不合理施用，也可以导

4、致土壤重金属污染。绝大多数的农药为有机化合物，少数为有机-无机化合物或纯矿物质，个别农药在其组成中含有Hg、As、Cu、Zn等重金属。重金属元素是肥料中报道最多的污染物质。氮、钾肥料中重金属含量较低，磷肥中含有较多的有害重金属，复合肥的重金属主要来源于母料及加工流程所带入。1.3 土壤重金属污染的现状全世界：据统计，全世界平均每年排放Hg约15万t，Cu约为340万吨，Pb约为500万吨，Mn约为1500万吨，Ni约为100万吨。过去50年中全球排放到环境中的Cd达到220 xl04吨，Cu约939xl05吨，Pb为783xl05吨，Zn为1135xl06吨。中国：我国土壤重金属污染物主要来源

5、于污水灌溉、工业废渣、城市垃圾、工业废弃物堆放及大气沉降。污水中占较大比例的工业废水成分比较复杂，都不同程度的含有生物难以降解的多种重金属，是土壤重金属污染物的主要来源。 农业部调查表明，我国污水灌溉区面积约140万hm2。遭受重金属污染土地面积占污染总面积的648，其中轻度污染面积占467、中度污染占97、严重污染占84，以Hg和Cd的污染面积最大。在中国重金属污染的土壤中，Cd 污染耕地1.3 万hm2，涉及11 省市的25 个地区；Hg 污染3.2 万hm2，涉及15个省市的21个地区。中国受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2 000 万hm2，约占耕地总面积的1/5，每年因土壤污染而

6、减产粮食约1000万t，另外还有1200万t粮食污染物超标，两者的直接经济损失达200多亿元。有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb 等重金属含量接近临界值或超标。1.3 土壤重金属污染的现状1.3 土壤重金属污染的现状1.4 土壤重金属污染的危害 重金属及其化合物是众所周知的“三致物质”，即致畸、致癌和致突变。同时，重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。 危害主要有以下三点： 1、对土壤生态结构和功能稳定性的影响。大多数重金属在土壤中相对稳定，一旦进入土壤，很难在生物物质循环和能量交换过程中分解，难以从土壤中迁出。从而对土壤的理化性质、土壤生物特性

7、和微生物群落结构产生明显不良影响，影响土壤生态结构和功能的稳定。1.4 土壤重金属污染的危害 2、对植物的影响。吸收到植物体内的重金属能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的物质，间接引起植物伤害如某些重金属胁迫下植物体内产生过氧化氢、乙烯等类物质对体内代谢和酶活性的负效应，同时也能够对其带来直接伤害如镉与巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的失活，甚至导致植物的死亡。 3、对人体健康的危害。重金属污染的土壤，农产品质量下降，对人体健康造成很大伤害，尤其是区域性疾病的发生。如土壤中汞污染会导致水俣病的发生，糙米中含镉量超标会引起“骨痛病”的产生。1.5 土壤重金属污染的修复

8、目前土壤重金属污染的修复主要包括工程治理措施、化学治理方法以及生物修复技术三种。 1、工程治理措施。工程治理方法是指用物理或物理化学的原理来治理土壤重金属污染。 （1） 物理的方法主要有客土、换土、去表土和深耕翻土等措施。 （2）物理化学方法主要包括化学固化、土壤淋洗以及电动修复。1.5 土壤重金属污染的修复 2、化学治理方法 化学修复就是向土壤投入改良剂、抑制剂，增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒的含量，使其改变土壤的酸碱性、土壤氧化还原条件或土壤中离子的构成情况，进而对重金属的吸附作用、氧化还原作用、拮抗或沉淀作用产生影响，最终降低重金属的污染常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸

9、盐和促进还原作用的有机物质。1.5 土壤重金属污染的修复 3、生物修复技术。生物修复技术主要是依靠生物(特别是微生物)的活动使土壤中的污染物得以降解或转化为无毒或低毒物质的过程。 （1）微生物修复。所谓微生物修复技术是利用土壤中的某些微生物对重金属产生吸收、沉淀、氧化和还原等作用。 （2）动物修复。土壤中的动物修复是通过土壤动物群的直接作用(包括吸收、转化和分解)或间接作用(包括改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进植物和微生物的生长)而修复土壤污染的过程。 （3）植物修复。植物修复技术是日前国内外正在研究的、能有效处理重金属的一种新方法，也是我所要研究的重点内容。1.5 土壤重金属污染的修复二

10、、植物修复技术的 发展与应用2.1 植物修复的提出和发展1、提出：1983年美国科学家Chaney等首次提出运用植物去除土壤中重金属污染物的设想(即植物修复)以来。人们逐渐将重金属污染治理研究重点转向了植物修复技术。2、定义：广义上的植物修复技术是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤等作用同定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的技术。根据其作用过程和机理，植物修复可分为植物稳定、植物提取和植物挥发三种方式。狭义的植物修复是指植物提取，它是目前研究最多并且最有前景的植物修复方法。植物修复是一种很有潜力、正 在发展的清除环境污染的绿色技术，也是一门正在崛起的新兴边缘学科 植物修复治理环境

11、污染的技术得到 了很大发展，已成为人们普遍接受的去 处环境污染物技术人们开始对植物耐重金属 机理的研究前景广阔很大发展逐渐将注意力 转向超积累植物的研究超积累植物研究开始研究20世纪5070年代20世纪70年代末至90年代初近20年来未来发展3、发展历程2.2 植物修复的优点1、应用广泛，可用于处理土壤污染、净化空气和水体2、原位修复，不占场地，环境影响小；修复环境同时也美化了环境；是一个自然过程，易被公众接受3、可使地表长期稳定，有利于生态环境的改善和野生植物的繁衍4、操作简便、成本低廉2.3 植物修复的局限性（1）一种植物通常只忍耐或吸收一种或两种重金属元素，对土壤中共存的其他金属忍耐能力

12、差，对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。（2）修复过程缓慢，比常规治理的周期长、效率低。（3）对土壤肥力、气候、水分、酸碱度、排水与灌溉系统等自然条件和人工条件有一定的要求。植物受病虫害袭击时会影响其修复能力。2.3 植物修复的局限性（4）用于净化重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属元素重返土壤，因此必须在植物落叶前收割植物器官并将其无害化处理。植物提取之后，废弃物的处理。（5）修复土壤只能局限于植物根系所能延伸的范围内，一般不超过20cm土层厚度。2.4 植物修复的机理 2.4 植物修复的机理 1、植物提取（萃取

13、） 植物提取(phytoextraction)是指在受重金属污染的土壤上连续的种植专性植物或超富集植物，并收割植物地上部分，以降低土壤中重金属浓度的技术。目前，关于植物提取的实验室、中试及野外工程试验均已开展，取得一定成果。Baker 等通过种植天蓝遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)使长期施用污泥导致重金属污染的土地得到了修复，是这一技术可行性的典型代表。白彦真等研究得出红叶苋(Amaranthus tricolor ofred leaf)和绿叶苋(Amaranthus tricolor of green leaf)可用于铅污染土壤的活化萃取。植物提取技术的关键有4 点：（1）

14、植物要具备对多种重金属的吸收富集能力；（2）植物的根系吸收能力强；（3）植物的抗逆性强；（4）生物量大，植物地上部储存重金属能力大于植物地下部。2.4 植物修复的机理 2 、植物固定 植物固定(phytostabilization)利用植物根系分泌物减少土壤中的有机和重金属污染物的流动性，防止污染物侵蚀、浸出或径流，减少污染物的生物可利用度，进而防止其进入地下水或食物链。其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程。白彦真等研究得出，藜(Chenopodium Album) 和新麦草(Psathyrostachys Junce)可用于铅污染土壤的植物固定和植被恢复。Dushenkov 等研究

15、发现，Pb 可与磷结合形成难溶的磷酸铅沉淀在植物根部，减轻铅的毒害；Salt 等研究得出，植物根系的几种特殊分泌物可使土壤中的Cr6+还原为毒性较轻的Cr3+。目前，该技术已经在工程领域得到一定的应用。2.4 植物修复的机理3、植物挥发 植物挥发(phytovolatilization)利用植物根系分泌物使土壤中的有机碳或无机重金属如汞、硒转化化为挥发态，进而去除其污染。Meagher研究发现烤烟能使二价汞转化为气态汞，一些转基因植物已经被证实，可以减少汞的更有害离子态和甲基态，使其毒性大大减小。Banuelos 等通过各种植物比较研究发现，洋麻可使土壤中的三价硒转化为挥发态的甲基硒以除去。目

16、前该技术的实验室小试工作已趋成熟，并在野外工程领域占有一定的市场。 2.4 植物修复的机理4 、植物促进植物促进(Phytostimulation)是指植物的根释放根系分泌物或酶，刺激微生物和真菌，使它们发挥作用，进而降解土壤中的重金属和有机污染物。目前该技术还仅处于实验室研发和中试阶段。5 、根际过滤根际过滤(Rhizo-filtration)是利用植物根际吸收或吸附功能以过滤污染水体中重金属或有机污染物的过程。根际过滤适用于植物提取技术所不能适用的情况下，即植物不能有效的把重金属从根转移到茎和叶。目前该技术还仅处于实验室研发和中试阶段。2.4 植物修复的机理三、修复植物的筛选植物，特别是超

17、富集植物，是植物修复技术的核心，无论是土壤修复，还是水体修复。首先要选择合适的修复植物。因此寻找可利用的修复植物并且进行合理的种植是植物修复研究的热点。3.1 超富集植物1、提出：Brook 等在1977 年首次提出超富集植物的概念。2、超富集植物：超富集植物是能利用根部吸收高浓度的 重金属，并将吸收的重金属富集在根、茎、叶里的植物 。尽管不同土壤中各种元素浓度差异很大，但很少有例外，几乎所有的植物存在于一个窄谱的相对集中的元素浓度范围内。而超富集植物可以耐受茎的干基中Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量在1000 mg/kg 以上或Zn在10000 mg/kg以上。3.1 超富集植物1、提出：B

18、rook 等在1977 年首次提出超富集植物的概念。2、超富集植物：超富集植物是能利用根部吸收高浓度的 重金属，并将吸收的重金属富集在根、茎、叶里的植物 。尽管不同土壤中各种元素浓度差异很大，但很少有例外，几乎所有的植物存在于一个窄谱的相对集中的元素浓度范围内。而超富集植物可以耐受茎的干基中Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量在1000 mg/kg 以上或Zn在10000 mg/kg以上。3.1 超富集植物优选的超富集植物一般具有以下重要特征：（1）对重金属具有超量积累性，地上部（茎和叶）重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100 倍。（2）吸收的重金属通常是地上部重金属含量大于根部该种重金属含

19、量。（3）具有很强的抗逆性，在重金属污染的土壤上这类植物能良好地生长，一般不会发生毒害现象。（4）即使在重金属浓度较低时也有较高的积累速率。（5）生长快、生物量大，能同时积累几种重金属。3.2 超富集植物的国内外研究 1、国外：Blaylock 等1997 年研究发现，印度芥菜(Brassica juncea)和菥蓂(Thlaspi rotundifolium)可以用来修复湿地重金属污染土壤，菥蓂可以有效的吸收Zn、Pb 和Cd 3 种重金属，芸苔可以有效的吸收Zn、Pb、Cd 和Ni 4 种重金属。Huang 等1997 年研究得出，玉米(Zea mays)和豌豆(Pisum sativum

20、)对Pb 有很好的吸收效果。Ebbs 等1998 年发现，燕麦(Avena sativa)可以有效的修复被Zn 污染的土壤。Sawhney 等1994年研究发现，一种多年生花黑心菊(Rudbeckiahirta)可大量富集Cd、Cu、Pb 和Zn。Francesconi 等2002 年发现粉叶蕨(Pityrogramma calomelanos)对As有很好的富集效果，是一种As超富集植物。3.2 超富集植物的国内外研究 2、国内：陈荣华等研究指出，红树植物体内能吸收贮藏大量的Hg，Hg浓度达l mg/kg 时仍未表现出受伤害症状。韦朝阳等、陈同斌等在中国对As 超富集植物进行研究，在中国找到

21、了As 超富集植物蜈蚣草(Pteris uittata L.)。同时韦朝阳等还首次发现另一种植物大叶井口边草(P .cretica L.)也是一种As的超富集植物。龙新宪等、Yang 等通过野外科考和室内分析证明，东南景天(Sedumalfredii hance)是可超富集Cd和Zn 和富集Pb、Cu。高洁等发现扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa) 和野薄荷(Mentha haplocalyx)为Cr 超富集植物。圆锥南芥(Arabis paniculata)具有同时超量富集Pb、Zn和Cd的能力。沈振国等研究表明，天蓝遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)是综合

22、型超富集植物，其吸收Zn，Cu 的效果明显；叶春和研究提出，紫花苜蓿(Medicago sativa)对Pb 有较强的富集作用，是一种Pb超富集植物。3.3 超富集植物的筛选 目前，用于筛选重金属污染土壤修复植物的方法主要有野外调查重金属浓度梯度法、特殊植物重金属浓度梯度法和土壤种子库重金属浓度梯度法。这3种方法在筛选富集植物时各有优缺点，且成功地为植物修复技术寻找到了一些修复植物。为了对寻找和筛选对重金属具有较强富集作用的植物提供方法参考，对重金属污染土壤修复植物筛选方法的优点、缺点和应用情况进行了综述。3.3 超富集植物的筛选 1 、野外调查一重金属浓度梯度法 野外调查一重金属浓度梯度法是

23、指在重金属污染的地方如矿山、冶金工业区等进行野外调查，将生长良好的植物收获并分析其重金属含量，得到初步数据后再在室内进行浓度梯度试验。进一步确认植物对重金属的耐性、富集特性和修复潜力。该方法是应用最早也是目前最有效的一种寻找重金属污染富集植物的方法，其优点：一是能在重金属污染区生长的植物证明该植物对重金属有较强的耐性，只需从中找到富集能力强的植物即可，缩小了筛选对象的范围；二是该植物能在重金属污染区正常生长，表明其对野外有一定适应能力，有利于植物修复技术工程的应用。缺点是适于生长在野外重金属污染区的植物种类有限，而且植物种类在地理分布上也有一定的区域性。目前，国内外大多数超富集植物都是通过此方

24、法筛选得到。 3.3 超富集植物的筛选 2、特殊植物一重金属浓度梯度法 该方法是指根据区域性和生产需要选择一些特殊的植物，如牧草、杂草、花卉、农作物、速生树种、能源植物等为研究对象，将它们种植在一系列重金属浓度梯度的土壤或水体中，一段时间后收获植物并测定其对重金属的富集特性。该方法是在野外调查一重金属浓度梯度法之后发展起来的，并在最近几年得到广泛应用。其优点一是植物种类特定化，随意性强；二是研究者可以根据自己的需要任意选择认为具有修复潜力的植物。缺点是选择的植物种类有限，筛选范围小。3.3 超富集植物的筛选 3 、土壤种子库一重金属浓度梯度法 土壤种子库一重金属浓度梯度法是最近被提出来一种新型

25、修复植物筛选方法目前应用得比较少。该方法是指利用土壤种子库筛选对重金属具有超富集特性的植物，然后通过重金属浓度梯度试验对其超富集特性进行验证的方法。该方法的优点是：1)土壤种子库里的植物种类丰富，能够充分利用自然资源里的植物种类，克服以上2种方法的植物有限性的缺点，把许多平时注意不到的植物纳入测试范围，并且能够一次性测试多种植物对多种重金属的富集特性；2)土壤种子库多，只需采集具有丰富种子资源的土壤进行测试即可，试验简单易操作，方便在全球范围内寻找修复植物。四、研究课题的设计4.1 研究课题的提出 根据前期的文献和资料的了解，我国现阶段的土壤重金属污染问题相当严重。主要分布于污灌区、矿山周边地区以及城市周边一些固体废弃物填埋场。 所以对土壤重金属污染的修复刻不容缓，在众多的修复方法中，植物修复中的植物提取不管从经济上还是技术上都更胜一筹，所以我选择了植物修复这一课题。4.2 研究对象的提出 研究对象就是受到重金属污染的土壤，这些土壤必须从污染源头中寻找。 我的家乡在湖北，湖北大冶市是湖北省重要的矿区，境内矿产资源极为丰富，储量大，品位高，已发现和探明的大小矿床273处，其中大型矿床30多处。铁矿石储量35亿t，