第五章4污染土壤修复技术

第五章Ⅳ污染土壤修复技术

土壤环境学目录5.1物理修复技术5.2化学修复技术5.3植物修复技术5.4微生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些化学元素的理论为基础,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污染治理技术。广义的植物修复技术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4个方面。狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤中的重金属。

5.3植物修复技术(phytoremediation)植物修复(Phytoremediation)自然植物遗传工程培育植物植物系统根际微生物去除降解稳定重金属、放射性核素、有机化合物(1)植物提取修复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(包括部分根)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平。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。(2)植物挥发修复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，从而对污染土壤起到治理作用。研究主要集中在易挥发性的重金属(如汞等)方面，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，以减少污染物质的毒害作用。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，防止污染物质向下淋移而污染地下水或向四周扩散进一步污染周围环境。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

(4)植物降解修复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降解。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为力。(5)根际圈生物降解修复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，降低或彻底消除其生物毒性，从而达到有机污染土壤修复的目的。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。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。

5.3.2植物修复技术的作用机理污染土壤植物修复的作用机理包括植物提取作用、根际降解作用、植物降解作用、植物稳定化作用和植物挥发作用。植物组织积累植物排斥植物固定植物降解植物挥发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EnhancedRhizosphere

Degradation根际微生物降解(石油烃)植物吸取Phytoextraction转移到植物地上部植物修复植物过滤Phytofiltration根系浓缩(137Cs)植物挥发Phytovolatilization植物吸取,积累,挥发

(Se,Hg)植物降解Phytodegradation植物体内部代谢（氯代化合物）植物稳定Phytostabilization根系固定(Pb)5.3.2植物修复技术的作用机理

1．植物提取作用

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、集中处置的过程。适合于植物提取技术的污染物包括：金属(Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Zn、As、Se)、放射性核素(90Sr、137Cs、239Pu、238U、234U)、非金属(B)。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。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中的一种或几种重金属具有特别强的吸收能力，即所谓超累积植物(hyperaccumulator)超累积植物

20世纪70年代末至90年代初,人们逐渐把注意力转向对超累积植物的研究。超累积植物一词最先是由Brooks等1977年提出的,当时用以命名茎中镍含量(干重)大于1000mg/kg的植物。Minguzzi和Vergnano在意大利Tuscany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Ni的含量极高。Wild在非洲发现半卡马菊也是一种Ni超积累植物。Cole在澳大利亚发现一种叫多花鼠鞭草的Ni超积累植物。Severn和Brooks在其他地方也发现了相同的Ni超积累植物。其干叶中Ni含量达1%,叶灰分中Ni含量达23%。Jaffre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).Brooks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。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。基本特征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。超积累植物具备以下3个基本特征:①植物地上部分重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍,其临界含量分别为锌10000mg/kg,镉100mg/kg,铅、铜、镍和钴均为1000mg/kg;②植物地上部分重金属含量大于根部该种重金属含量;③植物的生长没有出现明显的毒害特征。目前,世界上已发现的超累积植物以十字花科植物较多。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。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。几种典型超积累植物Zn超积累植物：Thlaspi

calaminareCd超积累植物：Brassica

junceaNi超积累植物：Thlaspi

goesingenseAs超积累植物：Pteris

vittataThlaspi

calaminareZn超积累植物－遏蓝菜Pteris

vittata

As超积累植物－蜈蚣草鉴别方法简单有效的方法: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。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。多种重金属超累积植物的寻找是一项有意义的基础性工作,是超累积机理研究的前提并为转基因研究提供丰富的基因资源。影响因素超积累植物及其微生物共存体系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。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。现状(1)：国际目前报道的超富集植物有500余种

Ni－－318种 Cu－－25种

Pb－－14种 Zn－－13种

As－－1种已有Pb和Ni污染土壤植物修复的成功事例开始进行资源化综合利用和工程应用研究有100多家企业已涉足本领域研发工作市场潜力1998年：1700-3000万美元2000年：5000万-1亿美元2005年：1.5-3亿美元美国为例：国际：环境污染修复领域的专利共有300多项，与As、Zn、Cu等植物修复有关专利8项国内：As污染土壤植物修复专利

我国面临知识产权垄断的国际威胁现状(2)：专利现状(3)：国内发现2种超富集植物和数十种耐性植物已开展重金属耐性植物的基因工程研究进行了修复过程的调控及植物生理研究

国内理论研究方面有一定基础，但实质性的高技术研究不多，离产业化的要求有较大差距地理所：发现一种As超富集植物，已成功进行人工驯化，申请了国内第一项植物修复技术方面的发明专利土壤所：对Zn、Cd、Cu污染土壤的植物修复及修复过程中根际重金属行为的研究具有丰富经验中山大学：发现了一批重金属耐性植物和Cu超富集植物，开展了Ni污染修复的土壤化学机理及微生物制剂研究，具有先进的基因筛选与转基因技术平台现状(3)：国内植物所：重金属结合巯蛋白等分子水平研究，注册了9个与重金属相关的基因生态中心、中国农大：发现一种Pb超富集植物，在利用菌根-植物组合进行土壤修复方面居国内领先浙江大学：发现一种Cu超富集植物、一种铅锌超富集植物GTTCGAAACCAAAGCTCTTCTTCTCATATTAATCTCAAGTTAGATACAAGATGTCTTGCAMSC

GCTGCGGATCAAGCTGTGGCTGCGGCTCAAACTGCAAGTGCGGGAAGATGTACCCTGACC

SCGSSCGCGSNCKCGKMYPDTGGACGAGCAGGCCAGCACCACCACCCAGGCCGTGGTCGTCGTCGGCGTGGCTCATGAGALDEQASTTTQAVVVVGVAHEACAAGGCTGGACAGTTTGAGATGGCCTCCGGCGAGGGCTGCAAATGCGGCGCCAACTGCANKAGQFEMASGEGCKCGANC

AGTGTGACCCCTGCAACTGCTAAGTTGCACCTGTGGCTGTCTGATGGTGTGAGATTATACKCDPCNC*GGGAATAATGAGCATCCGGTCTGATGGACTCGAGCAAGTGTGTGCGTGTGTGTGTGGGGTTTACTTGCCTCGCTCTGCTATGCTCTGGTCTTGGTGTCCTTGCTTGCCTGTGTGCATGTGTGTCTCTGTAATTGCTTCATCTATGGAGTGATGAATTAATATATAGTACTTAAGAAAAAAAAAAAAAAAAAA现状：国内植物修复的优点①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;②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;③修复植物的蒸腾作用可以防止污染物对地下水的二次污染;④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;⑤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;⑥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;⑦植物修复成本低,可以在大面积污染土壤上使用;⑧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;⑨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①一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;②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;③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;④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;⑤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并处理植物器官;⑥缺乏行之有效的用于筛选修复植物的手段,同时对已筛选出来的修复植物的生活习性了解很少,这也部分限制了植物修复技术的应用;⑦植物修复的周期相对较长,因此,不利的气候或不良的土壤环境都会间接影响修复效果植物修复技术的局限性植物修复技术的发展趋势目前世界上有许多国家的学者在从事植物修复技术的研究,今后的发展趋势大致有如下几个方面:①寻找更多的野生超积累植物,并将它们应用于矿山复垦,改良重金属污染的土壤、净化污水和固化污染物。②建立更多的应用植物修复技术的示范性基地,获得经验后加以推广③在应用研究的同时,深化应用基础理论研究,包括植物中金属的存在形④耐重金属和超积累植物及