1、第9章 环境污染植物修复Phytoremediation of polluted environment,第一节 概述,1 植物修复的提出过程=无意识地利用植物处理排泄物=1920年前，有意识地利用植物生态系统处理废弃物和污水无害化=1970s后，发展污水的土地处理系统，成为城市生活废水的处理技术废弃矿山的复垦，污泥的处理和农业应用，植物耐性机理的研究,1980s, Rufus L Chaney 提出利用超积累植物清除土壤重金属污染，形成植物修复概念。,Superfund: 1,623 Sites,http:/www.publicintegrity.org/Superfund/,2 植物修复的
2、定义,植物修复是利用植物及其根圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解的作用机制来清除环境中的污染物的一种污染环境治理技术。,生物修复,微生物修复,微生物转化作用,微生物降解作用,植物修复,植物去除作用,植物稳定作用,植物固定,植物挥发,植物提取,植物净化,根际圈降解,植物降解,净化空气,净化水体,狭义,3 植物对污染物质的吸收、排泄与积累uptake，excretion，accumulation,（1）植物对污染物的吸收特点：=具有广泛性，没有绝对的选择作用，只有吸收能力的大小不同. =影响因素包括遗传、土壤理化性质、根际微生物、污染物的浓度=策略 产生耐性 躲避 超积累,（2）排泄 ：包括分泌
3、和挥发Excretion，exudation，secretion， volatilizationfaeces分泌的器官包括根系及茎叶表面的分泌腺挥发是气孔和角质层中的孔隙根系分泌物,（3) 积累：进入植物体内的污染物大部分留在植物体内，并在一定时期内不断积累增多而形成富集现象，某些植物还形成超富集（hyper accumulation）.通常用富积系数（bioaccumulation factor）来衡量植物积累污染物资的能力,富积系数=,植物体内某种元素含量,土壤中该种元素含量,4 超积累植物,1）概念：最初由Brooks等（1977）提出，用于命名茎中镍含量大于1000 mg/kg的植物。
4、后扩展到所有植物对所有重金属超积累的现象。,Chaney（1997），Salt（1995）和Brooks(1998)定义超积累植物应该具备的3个特征：A) 植物地上部重金属含量一般1,000 mg/kg;但要求锌 10,000 mg/kg, 镉 100 mg/kg; 金 1 mg/kg.B）富集系数 100；C）转移系数（translocation factor） 80%,转移系数=,植物地上部某种元素含量,植物该种元素含量,1583年有人在意大利发现一种植物能在“黑色岩石”上生长。1814年命名为Alyssum bertolonni(庭荠属)1848年测定叶片含镍量7,900 mg/kg,超
5、积累植物发现的历史,超积累植物发现的历史,早在我国几百年前的古籍中就记载了一种名叫“海州香薷”的植物，是铜矿的指示植物。这种植物不仅能忍受含铜极高的土壤，并且能吸收很多的铜，在它们根部的干物质里竟含 有的铜。当地的人们也把这种植物称为“铜草”。根据这种植物的分布，往往可以找到很好的铜矿。,中国在1950s，在铜矿区发现铜草，海州香薷（Elsholtzia harchowensis Sun） 谢学锦、徐邦梁,1953,铜矿指示矿物海州香薷,地质学报,32(4)360-368.,超积累植物发现的历史,自然界中，能指示矿藏的植物还有一些，比如喜锌堇菜和喜锌海石竹，它们就偏偏喜欢生长在其他植物感到有毒
6、，生长不好的含锌土壤中，被人称为“锌草”。示锌植物实际上是人们最早用来探矿的“绿色指示器”，早在罗马帝国时期，开矿者就在今天德国的亚琛附近通过寻找“锌草”而发现锌矿。,喜锌堇菜Viola verecunda,喜锌海石竹,Armeria maritima,目前发现的超积累植物,有超积累植物400多种，其中镍超积累植物占70%。有20多个科，其中十字花科植物较多。多数在矿山区，成矿作用带，或富含某种或某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上发现的。具有较为独特的生态型超积累研究的遗传机制研究还处于起步阶段。,List of hyperaccumulators,http:/en.wikipedia.o
7、rg/wiki/List_of_hyperaccumulators,Indian Mustard(Brassica juncea) 印度芥菜,Thlaspi caerulescens,Pteris vittata,超积累植物Hyperaccumulators,遏蓝菜,CCAU CAMPUS,CCAU CAMPUS,Cu Hyperaccumulator(Elsholzia Spleden),我国发现的超积累植物,我国的研究机构介绍：浙江大学中山大学中科院地理所中科院沈阳生态所中科院南土所,超积累植物,5 排异植物的概念及其应用,（1） 排异植物的概念能在高污染土壤上生长，而体内，尤其是地上部污
8、染物含量很低,Young inflorescence of giant spear grass, Trachypogon spicatus,菊科婆罗门参属植物 from near Sterkfontein, South Africa.,排异作物能在高污染土壤上生长，而其有利用价值部分（如根、茎、叶、果实、或者种子）中的污染物含量很低或不超标。块根作物：红薯块茎作物： 马铃薯,（2） 排异性与避性、耐性、和抗性的关系排异性exclusion: 能在高污染环境生长，体内污染物含量较低或不超标。耐性tolerance: 能在高污染环境生长并完成生活史。不受抑制或受抑制较少。地上部含量较高避性avoi
9、dance: 能在高污染环境生长，不吸收或吸收很少。抗性resistance: 指植物能在高污染环境生长、繁殖，并将这种能力遗传给下一代的能力。,抗性,排异性耐性避性,排异植物排异作物,6 植物修复的基本类型,大部分植物都具有降解或减少污染物的作用。一些植物，如苜蓿、香根草、白杨及湿地植物水葫芦等对许多污染物都具有显著的降解作用和去除作用。这些植物已被广泛地用作污染环境的修复。,POPLAR TREES,POPLAR TREES,Schnodr等（1995）的工作（栽植杨树降低NO3-污染）,伊乐藻原产美洲，是一种速生高产的沉水高等植物，与我国淡水水域中分布的黑藻、苦草同属水鳖科。1986年经
10、中科院南京地理与湖泊研究所从日本引进。伊乐藻是河蟹优良的天然饵料，不仅含有丰富的蛋白质，大量的氨基酸，而且含有足够的必需矿物质营养元素。用伊乐藻饲喂河蟹，适口性较好、河蟹生长快、饲料系数低，可节约精饲料30左右，饲喂草食性鱼类（鳊鱼、草鱼等）节约精饲料50左右。 蟹池种植伊乐藻，还可以净化水质、防止水体富营养化。此外，它还可营造良好的生态环境，供螃蟹活动、隐蔽、脱壳，使其较快地生长，可降低河蟹的发病率。,陆生植物野葛,豆科植物野葛(pueraria、Lobatawilldohwi,葛根的主要有效成分为异黄酮化合物,Kochia (Bassia scoparia )Declared WeedWh
11、at is it?Kochia is a summer growing annual that is closely related to the common weed, fat hen. It grows rapidly and competes strongly with other plants. In addition, it produces allelopathic compounds that inhibit the growth of nearby plants. Kochia is also toxic to stock.,Kruger等（1997）工作（利用Kochia吸
12、收阿特拉津）；,Kochia scoparia (Linn.) Schrad.地肤（扫帚菜 ）,http:/ refers to the inhibition of growth of a plant due to biomolecules released by another. It is the opposite of symbiotic mutualism.,Kochia scoparia is planted for ornament or erosion control.2 It is a known hyperaccumulator of Chromium, Lead, Merc
13、ury, Selenium, Silver, Zinc,11,12 and Uranium,13 , and as such can be used for phytoremediation.McCutcheon & Schnoor 2003, Phytoremediation. New Jersey, John Wiley & Sons, page 898. Phytoremediation. By McCutcheon & Schnoor. 2003, New Jersey, John Wiley & Sons pg 19. Enhancing Phytoextraction: The E
14、ffect of Chemical Soil Manipulation on Mobility, Plant Accumulation, and Leaching of Heavy Metals. By Ulrich Schmidt. In J. Environ. Qual. 32:1939-1954 (2003),Casuarina equisetifolia litter completely suppresses germination of understory plants as shown here despite the relative openness of the cano
15、py and ample rainfall (120 cm/yr) at the location,It was used overseas as a garden plant due to its striking foliage colours and quick growth. Today, it is one of the most widespread and troublesome weeds of US agriculture. Populations of Kochia in the US have reportedly developed herbicide resistan
16、ce. It was introduced to Western Australia in 1990 as a fodder plant for salt-affected land, but has since escaped cultivation and is now subject to an eradication plan.,植物修复机理之一,植物稳定(phytostabilization )Phytostabilization is the use of plants to stabilize the soil matrix itself and immobilize the c
17、ontaminant from future migration .稳定土壤介质本身，防止污染物移动,植物降解（Rhizosphere degradation: ）Phytodegradation or phytotransformation is the breakdown of contaminants taken up by plants by metabolic processes within the plant. 应用植物体内或植物分泌的化合物和酶降解污染物质Alternatively, the breakdown of contaminant, external to the p
18、lant, by compounds or enzymes produced by, and released from, the plant.,植物修复机理之二,植物挥发（Phytovolatilisation）Phytovolatilisation is the uptake and transpiration of contaminant by a plant. This process results in the release of the contaminant from the plant, in a modified form of the contaminant to th
19、e atmosphere from the plant.,植物修复机理之三,植物提取或植物吸收Phytoextraction and phytoaccumulation,植物修复机理之四,7植物修复的优点和缺点,相对于传统方法，生物修复成本低廉 每年每立方米的处理费为0.021.00美元，比物理化学处理的费用低几个数量级易于管理和监测不造成二次污染植物修复富集的贵金属还可以再利用公众易于接受,优点,限制（植物修复）,仅限于植物根系能够达到的地方. 生长速率相对较慢=需要较长时间不能完全防止污染物进入地下水若有毒物含量太高，可能对植物产生毒害生物富集的重金属有可能进入食物链,1 植物对污染物的忍
20、耐有限，超过忍耐范围就不能进行植物修复2 污染往往是复合的，一种植物往往不能适应多种污染的修复3 植物根系多数在50cm以内。超过了或者在不适于生长的土壤上不宜用植物修复4 植物生长对季节有要求 (温度，光照)5 修复周期可能很长6 植物多样性的问题,植物修复局限性,1 对难以吸收的重金属活化导致次生污染2 植物生物量的处理3 挥发植物对大气安全性4 食物链的问题5 运行机制和管理标准6 评价标准,植物修复尚待解决的问题,第二节 植物修复技术可行性研究,1、 一般性分析土壤中重金属的水溶性与生物有效性植物可以，并且能够吸收重金属,土壤有机污染物的可生物降解性容易降解：如醇酚类难降解：农药和石油
21、类不降解：高分子合成化合物，如尼龙有机污染物能够被植物降解。,植物和微生物的资源潜力植物有50多万种微生物有100多万种结合点：根圈作用形式：共生体吸收，降解，屏障污染物质学科：微生物学，植物学，生理生化，分子生物学，遗传学，土壤学，生态学,2 生物量处理农业应用：还田？饲料？种子工业应用：造纸，板材，能源提取，木材提取矿物元素：薪柴储存,3 提高修复效率的技术措施污染土壤的耕作对于重金属污染土壤，以撒播为好，这样可扩大植物根与重金属的接触。对于有机污染物土壤，以垄式栽培为好，这样可以增加光降解和热降解适当中耕，改善根际环境，促进降解和吸收,合理水肥管理灌水和施肥是促进植物生长的主要因素。因作
22、物施肥因土壤施肥因肥料施肥, 采用高效栽培技术措施种子包衣技术控制温度、光照、土壤空气、热量等 环境因素。在重金属含量高峰期，收获作物，达到最佳的去除效果。,病虫害防治修复植物的套作和混作,Co-crop of low-accumulating corn and Sedum alfedii in field experiment on Pb/Zn mining wastewater contaminated soil,施用土壤重金属活化剂,=降低土壤pH酸度降低，重金属离子解吸增加，浓度加大。方式： 直接加酸；肥料=提高土壤Eh 提高Eh, Cr,As浓度增加，硫化物中的重金属也释放出来；调节
23、Eh方式：灌水和晾晒，增加有机质,=施用螯合剂促进土壤固相中重金属的释放。常用螯合剂：HEDTA(羟乙基乙二胺三乙酸)，EDTA，DTPA二乙烯三胺五乙酸 ，EGTA，EDDHA，citric acid, malic acid, acetic acid.施用螯合剂的潜在风险：重金属流失，二次污染,施用土壤重金属活化剂,名词解释,Phytoremediation 植物挥发 重金属,选择,目前发现的超积累植物分布在20多个科中，其中以_植物较多。A 苋科； B 十字花科； C 禾本科； D 石竹科蜈蚣草(Pteris vittata L.)是_超积累植物。A 砷； B镉； C 铬； D铅生物修复中
24、，容易形成挥发性物质的重金属（非金属）有_。 A镉和锰； B铅和锌； C 硒和汞； D 砷和铜,植物稳定的英文_。植物超积累的英文是_。,1 植物对污染物吸收采取的策略包括_。A 产生耐性; B 抑制其分解; C 超积累; D 躲避2. 目前发现属于镉超积累植物的有_。A 东南景天(Sedum alfredii Hance); B Thlaspi caerulescens；C 蜈蚣草(Pteris vittata)； D 玉米（Zea mays）,multichoice,1 下列_方法可以提高植物对重金属的吸收。A 降低土壤pH值；B配施石灰; C 添加螯合剂； D调节Eh。2 下列方法属于植物修复有_。A植物降解；B 植物稳定；C植物挥发；D 植物富集,简答,试分析植物修复的优点和缺点？什么是超积累植物？筛选标准有哪些,
