1、重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)吳嘉怡2008021515豐富的礦產(chǎn)資源嚴(yán)重的污染問題重金屬污染土壤的主要方式重金屬傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)重金屬生物修復(fù)技術(shù)概況實(shí)際應(yīng)用例子存在問題與展望重金屬污染土壤的主要方式土壤中的重金屬通過雨水淋溶作用向下滲透，導(dǎo)致地下水污染；受污染的土壤直接暴露在環(huán)境中，通過土壤顆粒物等形式直接或間接地為人或動(dòng)物所吸收；外界環(huán)境條件的變化如酸雨、某些土壤添加劑等因素提高了土壤中重金屬的生物可利用性，使得重金屬較容易地為植物吸收利用而進(jìn)入食物鏈，對(duì)食物鏈上的生物產(chǎn)生毒害。特點(diǎn)：隱蔽性、毒性大、長期性和不可逆轉(zhuǎn)性2.化學(xué)修復(fù)技術(shù)： 化學(xué)固定技術(shù)（改良劑） 化學(xué)萃取技術(shù)（萃取劑） 鰲合技術(shù)（

2、螯合劑） 氧化還原技術(shù) 減少土壤肥力，改變土壤性質(zhì)，二次污染重金屬生物修復(fù)技術(shù)： 植物修復(fù)微生物修復(fù)動(dòng)物修復(fù)植物穩(wěn)定（固化）植物揮發(fā)植物提取成本低、效率高、無二次污染和適用范圍廣與植物修復(fù)協(xié)同 植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ),利用植物及其共存的微生物體系,清除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染技術(shù)。植物修復(fù)植物穩(wěn)定或固化(Phytostabilization）植物揮發(fā)(phytovolatilization)植物提取(Phytoextraction) 植物穩(wěn)定指通過植物根系的吸收、螯合、沉淀或還原作用,使金屬污染物惰性化,轉(zhuǎn)變?yōu)榈?/p>

3、毒性形態(tài),降低其生物有效性和移動(dòng)性,從而固定于根系和根際土壤中,并防止其進(jìn)入地下水和食物鏈。植物穩(wěn)定 (Phytostabilization）工程應(yīng)用，暫時(shí)固定，仍有后患Cunningham等研究發(fā)現(xiàn)植物通過分泌磷酸鹽與鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛,使鉛固化,而降低鉛的毒性。印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的、生物有效性高的六價(jià)Cr還原為低毒的、生物有效性低的三價(jià)Cr,使其固化。 超耐受性植物的篩選作用：（1）通過根系吸收、沉淀或還原作用可使污染物惰性化（2）通過根際微生物改變根際環(huán)境的pH值和Eh值來改變重金屬的化學(xué)形態(tài),固定土壤中的重金屬適用于固化污染土壤的理想植物,應(yīng)是一種能忍耐高含量污

4、染物、根系發(fā)達(dá)的多年生常綠植物。植物揮發(fā)(phytovolatilization) 植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)功能而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物,即植物將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì),釋放到大氣中,從而減輕土壤污染。 主要的研究為Se和Hg應(yīng)用范圍小, 有一定的風(fēng)險(xiǎn)e.g:煙草能使毒性大的二價(jià)汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的汞洋麻可以使土壤的47%的三價(jià)硒轉(zhuǎn)化為甲基硒揮發(fā)去除海藻能吸收并揮發(fā)砷,其機(jī)理是把(CH3)2ASO3揮發(fā)出體外現(xiàn)代分子生物技術(shù)和基因工程的介入,使得植物揮發(fā)技術(shù)有了更大的發(fā)展,如Meagther等將細(xì)菌中的Hg還原酶修飾基因轉(zhuǎn)入擬南芥中發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)基因植物所表現(xiàn)出來的Hg還原

5、酶可以從溶液或介質(zhì)中產(chǎn)生揮發(fā)態(tài)的Hg.1999年陳同斌、韋朝陽等人在中國本土發(fā)現(xiàn)世界上第一種砷的超富集植物蜈蚣草(RerisvittataL.) 2002年浙江大學(xué)楊肖娥等人在浙江發(fā)現(xiàn)了鋅超累積植物東南景天(Sedum alfredii H.);2002年中科院韋朝陽等人在湖南又發(fā)現(xiàn)砷的另一種超累積植物大葉井口邊草(Pteris cretica L.)2003年薛生國等人在湖南省發(fā)現(xiàn)的錳超累積植物一商陸(Phytolaeea acinosa Roxb.)2003年劉威等人在湖南省郴州桂陽縣寶山礦區(qū)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)寶山荃菜(Viola baoshanensis)是一種鎘超富集植物2005年魏樹和等人首

6、次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)雜草龍葵(SolanumnigrumL.)也是一種鎘超積累植物。超富集植物的篩選國外成功案例：美國明尼蘇達(dá)圣保羅錫污染土壤的植物修復(fù) 該污染土壤為石灰性土壤，全錫含量為25 mg/kg，全鋅含量為475 mg/kg，全鉛含量為155mg/kg。試驗(yàn)者于1991年開始對(duì)該污染土壤進(jìn)行修復(fù)，他們將污染土壤區(qū)隔為圓形并通過步道分成許多方塊，共種植了5種植物:天藍(lán)遏蘭菜，麥瓶草屬，長葉葛芭菜，鎘積累型玉米近交FR-37和抗鋅與鎘的紫羊矛。為了降低根際pH，還施加了硫肥、N03-態(tài)氮肥和NH4+態(tài)氮肥。經(jīng)過3年的修復(fù)，將土壤中錫含量降到了可以接受水平，使原本一片光禿禿的“死地”變得生機(jī)盎然。

7、 處理后植物的回收與利用微生物修復(fù) 受到重金屬污染的土壤,往往富集多種耐重金屬的真菌和細(xì)菌,微生物可通過多種作用方式影響土壤重金屬的毒性。生物轉(zhuǎn)化生物吸附 菌根作用（植物與微生物的協(xié)同作用）生物吸附第一階段:重金屬在細(xì)胞表面吸附,主要是指重金屬離子與生物體細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)通過絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價(jià)吸附以及無機(jī)微沉淀等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過程。第二階段:指微生物累積。當(dāng)活細(xì)胞生存在環(huán)境中時(shí),它可以通過多種機(jī)制,包括運(yùn)輸以及細(xì)胞內(nèi)外的吸附來“提高”本身的金屬含量。已提出的金屬運(yùn)送機(jī)制有脂類過度氧化、復(fù)合物滲透、載體協(xié)助、離子泵等。菌根作用（植物與微生物的協(xié)同作用）(1)菌根

8、真菌通過分泌特殊分泌物等形式來改變植物根際環(huán)境,改變重金屬的存在狀態(tài),降低重金屬毒性,起到促進(jìn)重金屬純化的作用。(2)菌根能影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配,使菌根植物體體內(nèi)重金屬積累量增加。(3)菌根向宿主植物傳遞營養(yǎng),使植物幼苗成活率高,宿主植物抗逆性增強(qiáng)、生長加快,間接地促進(jìn)植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用。(4)菌根的形成也同時(shí)影響植物根際微生物的種類和數(shù)量 動(dòng)物協(xié)同修復(fù)維持土壤肥力。研究表明,蚓糞中有機(jī)碳、硼、鉬、鋅、PH、CEC等明顯高于原土含量;增加土壤重金屬的活性使得植物吸收重金屬的效率增加。俞協(xié)治通過模擬土壤污染試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動(dòng)能明顯提高紅壤Cu的生物有效性，使得紅壤中DT-PA提取態(tài)

9、Cu的含量顯著增加，從而提高了植物對(duì)重金屬的吸收和富積效率。吸收富集少量重金屬。戈峰等研究表明，飼養(yǎng)在牛糞和生活垃圾中的蚯蚓對(duì)硒和銅元素的富集能力很強(qiáng)，其最高富集硒和銅量分別為332.5 mg/kg和l 376mg/kg。實(shí)際應(yīng)用 植物修復(fù)技術(shù)作為一種新興的綠色安全修復(fù)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力,很快受到許多國家的重視。美國的Edenspace公司已經(jīng)成功研發(fā)出鉛、鋅、鎘、和砷污染的植物修復(fù)。英國利物浦大學(xué)的Bradshaw長期致力于礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)研究工作,他們最早利用當(dāng)?shù)氐哪托灾参飳?duì)礦山土地進(jìn)行了修復(fù),并且成功的開發(fā)出可商業(yè)化應(yīng)用的針對(duì)不同重金屬礦山廢棄地的耐性品種系列。國家863計(jì)劃金

10、屬礦區(qū)及周邊重金屬污染土壤聯(lián)合修復(fù)技術(shù)與示范 中科院地理資源所陳同斌研究團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)。研究團(tuán)隊(duì)已在廣西環(huán)江、湖南郴州、云南個(gè)舊、浙江富陽、廣東樂昌等地建立了重金屬污染土壤修復(fù)工程2001年，在湖南郴州建立了世界上第一個(gè)砷污染修復(fù)基地；隨后又在廣西和云南建立了砷、鉛等重金屬污染及酸化土壤修復(fù)的示范工程，建立了超富集植物與經(jīng)濟(jì)作物間作的修復(fù)模式，做到邊修復(fù)污染土壤、邊開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。存在問題(1)超積累植物個(gè)體矮小,生長緩慢,修復(fù)重金屬污染土地需要時(shí)間太長,經(jīng)濟(jì)上不一定合理。(2)大多數(shù)超積累植物往往只能積累某種重金屬,而土壤的污染往往是多種重金屬的復(fù)合污染。(3)積累大量重金屬的植物再處理也是一個(gè)棘手

11、的問題,還存在污染物及其降解產(chǎn)物的重新活化問題。展望(1)尋找和培育超富集植物及超富集機(jī)理研究(2)植物組合技術(shù) a.螯合劑-植物修復(fù) b.電壓-植物修復(fù) c.植物-微生物組合修復(fù)(3)基因工程在植物修復(fù)中的應(yīng)用研究參考文獻(xiàn)1 Cunningham S D,Ow D W. Promises and prospects of phytoremediationJ.Plant Physical, 1996,110:715-719.2 Smith RAH,Bradshaw A D. Stabilization of toxic mine wastes by the use of tolerant pl

12、ant pop ulationsJ.Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, 1992.81:A230-A237.3 Conesa M H .Faz A .Arnaldos R. Initial studies for the phytostabilization of a mine tailing from the Cartagena-La Union Mining District (SE Spain)J.Chemosphere,2006. 66(1) :38-44.4張鑫.安徽銅陵礦區(qū)重金屬元素釋放遷移地球化學(xué)特征

13、及其環(huán)境效應(yīng)研究.合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2005.6 Meagher R B. Phytoremediation of toxic elements and organic pollutantsJ.Current Opinion in Plant Biology,2000,3(2):153-162.7 陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征J.科學(xué)通報(bào)，2002,47(3):207 - 210. 8 楊肖娥，龍新憲，倪吾鐘，等.東南景天(Sedum alfredii H. ):一種新的鋅超積累植物J.科學(xué)通報(bào)，2002 , 47(13 ) ;1003-1006.

14、9 韋朝陽，陳同斌，黃澤春，等.大葉井口邊草一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物J.生態(tài)學(xué)報(bào)，2002,22(5):777-778.10辭生國，陳英旭，林琦，等.中國首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物一商陸J.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003,23(5):935 - 937.11 劉威，束文圣，藍(lán)崇鈕.寶山益菜(Viola baoshanensis)一種新的鎘超富集植物J.科學(xué)通報(bào)，2003 , 48 (19 ):2046-2049.12 魏樹和，周啟星，王新.超積累植物龍葵及其對(duì)鎘的富集特征J.環(huán)境科學(xué)，2005,26(3):167-171.13 Entry J A,Watrud L S,Reeves M.Accumlation of 137Cs and 90Sr from contam