植物对重金属CdCuPbZn的富集研究.docx

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植物对重金属CdCuPbZn的富集研究

摘要

重金属污染是目前危害性最强的污染之一，具有隐蔽性和难以治理的特点。

重金属污染对人类和植物的危害情况，由于重金属污染每年都会造成巨大的损失，对重金属污染进行修复是目前解污染状况的最有效方法。

研究植物对重金属的富集是有很大意义的。

本文主要介绍了重金属的污染情况和（Cd、Cu、Pb、Zn）对植物的富集情况，以及国外发达国家对重金属污染物的研究，植物对一些重金属富集的原理方法和途径，采用土培法和水培法研究重金属对植物的影响，查阅资料了解其他研究者所做过的实验，总结出研究植物富集实验的大致情况。

实验温度一般设为25℃，实验周期为两周，溶液浓度梯度根据情况而定，生理指标一般为植物含重金属的质量和富集指数。

通过土培实验的结果发现：

每种重金属都有相应对其有超富集作用的植物，且富集量也不相同，最终找出对四种重金属具有超富集的植物。

对镉超富集的植物商陆，可以在200mg/kgCd污染的土地上正常生长。

对Cu超富集的植物有紫花香薷、鸭跖草等,对铅超富集的植物羽叶鬼针草，地上部和根系中Pb含量最高，分别达21467mgL-1和1509.3mgL-1，对锌超富集的植物东南景天，地上部Zn含量平均为4515mg/kg。

关键词：

重金属；植物修复；超富集植物；

Abstract

Heavymetalpollutioniscurrentlyoneofthestrongestpollutionharm，hasthecharacteristicsofconcealmentanddifficulttocontrol.Heavymetalpollutionharmtohumansandplants，becauseoftheheavymetalpollutioncausedgreatlosseveryyear，forrepairofheavymetalpollutionisthepollutionconditionofthemosteffectiveway.Studyofplantisofgreatsignificancetoheavymetalenrichmentis.

Heavymetalpollutionismainlyintroducedinthispaper（Cd，Cu，Pb，andZn）andenrichmentconditionofplants，aswellastheforeigndevelopedcountriesonthestudyofheavymetalpollutants，theplantsofsomeheavymetalsenrichmentprinciplemethodandway，bythemethodsofsoilcultureandwatertostudytheeffectofheavymetalstoplants，throughasoilcultureexperimentfoundthateachoftheseheavymetalsarecorrespondingtoitssuperenrichmentplant，andtheenrichmentofquantityisalsonotthesame，finallyfindoutoffourkindsofheavymetalhyperaccumulationinplants.Lushangofcadmiumhyperaccumulationplants，canbein200mg/kgofCdpollutionnormalgrowthontheland.HyperaccumulationplantshasapurplefloweroncopperChinesemoslaherb，dayflower，etctoleadhyperaccumulationplantsleatherleafghostneedlegrass，abovegroundandrootPbcontentinthehighest，upto21467mgL-1and1509.3respectivelybuilt，thesoutheastzinchyperaccumulationplantsceneryofheavenandearthupsidezinccontentis4515mg/kgonaverage.

Keywords:

Heavymetals;Phytoremediation;Hyperaccumulationplants

目录

第一章概述1

1.1土壤重金属污染现状1

1.1.1国外状况1

1.1.2国内状况2

1.2土壤中主要重金属及其来源3

1.2.1工业来源3

1.2.2农业来源3

1.2.3城市来源3

1.3重金属在生态系统中的流动4

1.4土壤重金属的危害4

1.4.1对土壤生态结构和功能稳定性的影响4

1.4.2对植物的影响4

1.4.3对人体健康的危害6

第二章植物对重金属富集水培法研究6

2.1常见的水培法研究重金属对植物的影响6

2.1.1总结水培法最适宜的实验条件8

2.2水培法的案例分析8

2.2.1实验植物8

2.2.2实验方法9

2.2.3重金属对植物种子的发芽率的影响12

2.2.4案例结论13

2.3小结13

第三章土培法植物对重金属富集的研究14

3.1常见的土培法研究重金属对植物的影响14

3.1.1通总结土培法最适宜的实验条件15

3.2土培法的案例分析15

3.2.1盆栽实验16

3.2.2数据处理16

3.2.3结果与分析17

3.2.4案例结论19

3.3小结19

第四章植物对重金属Cd的富集研究20

4.1镉的概述20

4.2植物对重金属镉的富集的研究20

4.2.1镉在植物中的吸收和转运20

4.2.2超富集植物的耐镉机理20

4.3总结植物对镉富集的实验及结论21

4.3.1植物对镉富集的部分实验21

4.4常见的对镉超富集植物22

第五章植物对重金属Cu的富集研究23

5.1铜的概述23

5.1.1铜污染的物质循环过程23

5.1.2铜的存在形态23

5.2植物对重金属铜的富集实验研究24

5.2.1富集机理24

5.3总结植物对铜富集的实验及结论25

5.4对铜有超富集作用的植物25

第六章植物对重金属Pb的富集研究26

6.1铅的概述26

6.2植物对重金属铅的富集的研究26

6.2.1铅污染对植物的影响26

6.3常见的耐铅植物及其耐受机理27

6.3.1超富集植物对外界铅的耐受机理28

6.4总结植物对铅富集的实验及结论28

6.5常见的铅富集植物29

第七章植物对重金属Zn的富集研究30

7.1锌的概述30

7.2植物对重金属锌的富集的研究30

7.2.1锌是某些酶的组分或活化剂30

7.2.2锌在蛋白质代谢中的作用30

7.3总结植物对锌富集的实验及结论31

7.4常见的对锌超富集植物31

第八章结论32

参考文献33

致谢36

第一章概述

随着工业的高速发展，随之而来的就是一些污染，重金属污染是目前难以治理的污染。

其污染具有隐蔽性和难以彻底清除的特点，通过生态系统的食物链作用最终到达人体，对人类健康造成破坏。

利用植物修复技术是目前治理重金属污染的主要方法，对重金属具有超富集作用的植物是当前研究的目标。

通过实验的方法得出各类植物对不同重金属的富集能力，同时也研究这些重金属对植物的毒害作用和机理。

最主要的四种重金属（Cd、Cu、Pb、Zn）对植物富集能力的研究，这些结论对重金属污染修复具有很大帮助，在重金属治理方面国外的先进技术值得我们借鉴，污染问题需要从源头上控制。

植物修复技术是一项复杂繁琐技术，需要广大研究者们付出更多的努力。

重金属的污染一般指重金属本身或其化合物造成的生态环境污染，主要由污水灌溉、废气的排放、采矿业、和重金属用品的使用。

人类的日常活动导致环境中的重金属超标，并且导致环境进一步恶化。

重金属一般指比重超过5的金属，大约45种，包括铅、镉、汞、铜、锌、砷等。

砷虽不属于重金属，但它的来源和危害与重金属基本相同，所以也把它列入重金属进行研究。

本文主要介绍铜Cu、镉Cd、铅Pb、锌Zn四类重金属，最重要的是找出对这些重金属具有超富集的植物，利用这些植物对重金属污染的地方进行生物修复。

1.1土壤重金属污染现状

近年来随着工业化的实行，大量的含有重金属的污水进入湖泊河流和土壤，这些重金属在环境中不易被降解。

其主要通过空气、土壤、水等途径进入植物，然后经过生物富集进入人体，破坏人体的生理机能，危害人类健康。

重金属污染是一个世界性的的问题，也是目前迫切需要解决的环境问题。

1.1.1国外状况

发达国家美国和日本在工业生产中也出现许多环境问题，在20世纪的60-80年代，这两个国家出现了严重的重金属污染和空气污染。

紧接着它们通过一系列的污染治理手法，对污染达到很好地控制和治理目标，比如英国也曾经遭受严重的污染，但通过

一系列的环境政策法规实施后，环境得到了很大改善，这些发达国家治理污染的方法和策略是值得我们学习和借鉴的。

下面我们来叙述一下国外在治理重金属等各方面污染的措施和方法。

在环境污染的开始阶段，西方发达国家就采取了很多措施，颁布环境法规，日本1877年颁布《工厂管理条例》，同样法国、美国等也颁布了大气、水、重金属、农药污染等相应法律。

在治理环境的过程中，发达国家就意识到，保护环境不能只依靠法律，最重要的是改变观念，提高人类的环保意识，从本质上影响人们的日常行为。

同时也要加大对环境保护的投资，比如日本对环境保护的投资占国民生产总值的1%-2%。

除此之外还大力宣传环保的重要性，研发低污染的工艺技术，把环境保护提高到全民的共同责任和任务，让人们养成爱护环境的良好习惯。

同时许多国家都立法规定：

保护环境是政府的责任，美国1989《国家环境政策法》规定联邦政府的环境责任，并立法、决定、政策、规划程序，把政府纳入环评之中。

日本的1993《环境基本法》规定地方政府的环保责任，完善的问责制度，和企业的环保要求，各项法律都严格执行，保证公民生活的环境不被破坏。

1.1.2国内状况

我国经过改革开放后，经济飞速增长工业高速发展，同时也带来了很多的污染问题。

最近的几年里相继发生了很多起重金属污染事件，影响巨大。

最近的广东镉大米事件，2009年湖南省浏阳市镉污染事件，2005年广东北江韶关段镉严重超标，2006年湘江湖南株洲段镉污染事故，“血铅超标”波及到山东、河南、福建、广东、四川、湖南、江苏等地，2011年中国环保部环境监测总站办公室副主任温香彩谈到，我国的重金属污染特别严重，镉、汞、铅、砷是最大的污染，各类的污染严重危害了人类健康，在污染的同时我们要正视中国的国情，经济的发展带来的负面影响已经非常严峻。

有些污染是需要几十年甚至更多才能得到降解，重金属污染的特点就是不易发现，它通过植物富集作用进入生态系统中。

人类处于最高营养级，这些污染最终都要到人类体内，造成身体损害。

综上可以看出土壤重金属对环境的危害是非常严重的，同时土壤中的重金属通过植物的吸收富集作用，最终会进入人体，对人类的身体健康造成很大危害，所以研究重金属对植物的影响是尤为重要的一项，通过各项研究找到一些超富集植物，对重金属污染过的土壤进行修复，达到污染的治理。

据有关统计，目前中国重金属污染土壤面积至少约2000万公顷，农药污染土壤约1500万公顷。

大面积的土壤尤其是城郊和污灌区的土壤，往往同时遭受重金属和有机污染物的复合污染[1]。

土壤污染的研究也是目前迫切需要的一项研究，本文就重金属对一般植物的危害，超富集植物对重金属的富集作用进行研究。

1.2土壤中主要重金属及其来源

首先重金属的来源是特别广泛的，但主要的来源我们可分为农业来源和工业来源[2]。

随着中国改革开放的政策实施以来，国内的各项工业农业以及城镇化的高速发展，导致许多地方的环境发生改变。

污染事件也发生频繁，一些冶炼、矿产开采等成为中国重金属污染的重要来源。

1.2.1工业来源

工业能源大部分以石油和煤为主，而煤和石油中含有大量的镉、铅、锌、铜、砷等重金属。

在采矿冶炼加工锻造等工业生产中产生大量的重金属，这些重金属进入环境中造成污染。

在生产过程中产生废水、废气、废渣等，这些进入水体和土壤，导致水体和土壤中重金属超标。

比如有色金属之乡湖南，冶炼、采矿、化工各类工厂分布于湘江流域，直到1966年湘江中的锌、锰、镉、铅、铜、都存在严重超标。

工业污染、废弃尾矿、矿区堆放的尾渣都会造成重金属污染，尾渣在迁移的过程中也会带来环境污染问题。

1.2.2农业来源

农业的生产过程中，采用劣质假冒化肥、农药、和污水进行灌溉等都会造成重金属超标。

生产磷肥过程中的磷矿石成分复杂，含有大量的铅、锌、铜、镉、镍等重金属。

再加上化肥的不合理使用，导致土壤中的重金属超标。

这些重金属也会进入水体，导致地下水被污染危害人类健康。

1.2.3城市来源

城市中的重金属污染较农村更为严重，主要可分为几大方面。

首先城市中污水处理中心产生的大量污泥，垃圾渗滤液和含铅汽油的使用。

汽车轮胎中含有大量的重金属，在运行时与道路摩擦，会产生重金属粉尘。

污水处理厂的污泥中含有重金属，如果不经过严格处理直接排放会导致环境的二次污染。

城市中的垃圾焚烧也产生飞灰污染空气，垃圾堆放过程中产生的渗滤液造成地下水污染。

在城市主干道上检测表明：

交通越密集的地方重金属铅、锰、铜、钴等重金属含量越高。

汽车轮胎中添加的锌会导致交通主干道两旁土壤重金属超标，这些可以说明交通运输过程中会都导致重金属污染。

1.3重金属在生态系统中的流动

从上世纪60年代起，环境科学家和生态学专家就认识到，重金属的危害取决于其存在的形态，重金属元素在生态系统中对生物体的影响，表现在环境中重金属的化学活性，生物可给性等方面。

但事实上重金属在环境中的各类形态经过物理化学作用后生成了不同的形态，这些形态在环境中有着各类生物效应。

所以研究重金属的环境效应要从其各类形态开始分析，环境介质在研究时也要进行分析。

重金属的环境介质包括植物、食品、水体、土壤及各类沉积物。

土壤环境是人类生活的主要地方，处于大气圈、生物圈、水圈、岩石圈所交界的地带，也是地表环境发生各种物理化学反应能量交换的地方，土壤的污染严重阻碍了人类的发展。

研究土壤重金属的各类形态尤为重要，土壤的成分是复杂多变的，再加上重金属的形态来源不同，PH、Eh差异明显使得土壤研究分析变得更加困难。

所以研究土壤污染成为一项巨大的工程，关系到人类未来的民生工程。

1.4土壤重金属的危害

1.4.1对土壤生态结构和功能稳定性的影响

大部分重金属在土壤外部都是相对稳定的，进入土壤后重金属在能量交换和物质循环中很难被分解，无法从土壤中迁移出来。

重金属的破坏性是很大的，在土壤中会对原有的生物群落产生质的变化，对土壤中的微生物致死性很高，破坏土壤的生态平衡。

经过研究发现：

重金属污染过的土壤，微生物含量低于正常土壤，并且土壤微生物群落较少且不稳定。

国内的一些专家研究重金属对DNA的影响中发现：

在重金属污染过的土壤中提取土壤种微生物的核酸，发现DNA受损，对土壤生态系统的细菌破坏严重，同时也改变了土壤中的优势菌落，从而是农田生物群落产生多样化的变异，重金属对微生物的基因破坏导致生态平衡被打破。

1.4.2对植物的影响

重金属被植物吸收后，导致植物体内对酶和代谢有害物质时产生不良影响，从间接方面对植物伤害。

一些重金属会胁迫植物体内产生乙烯、过氧化氢、酸类等对自身生长代谢有害作用的物质。

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，严重时导致植物的死亡，重金属的作用会导致植物对元素（N、P、K）吸收有能力下降。

高浓度重金属抑制植物体内对钙、镁矿物质的转运和吸收能力。

高浓度的锌处理大豆后，出现大豆叶片变黄的症状，在铁的供应条件下叶片也不能恢复绿色。

此外经过镉处理的小麦幼苗和根，其生长受到抑制，茎和叶片富集的镉大量增加。

研究发现：

当镉的浓度超过一定范围时，会对叶绿素有破坏作用，促进抗血酸分解消失，使游离脯氨酸发生积累，同时还会抑制硝酸还原酶的活性[3]。

由于重金属污染，每年我国都损失巨大，由于受到Cd、Pb污染，广东茂名每年有4万吨稻谷无法食用。

土壤农业受到镉污染导致“镉米”的地区还有许多，广州、湖南衡阳、韶关、广西阳塑等[4]。

目前在中国由于重金属污染引起的粮食减产大1000万吨/a，造成直接经济损失达100多亿[5]。

1.4.3对人体健康的危害

土壤被重金属污染后，农产品不但产量和质量下降，而且对人体健康造成很大危害。

据贵阳市卫生防疫站调查结果表明：

有30年污染水灌溉的地区，由于长期食用镉大米，导致风湿性关节炎、溃疡、肾病而死亡的人口高于平均对照组。

同样患癌的几率增加，镉还会造成高血压、贫血、骨痛病等疾病，最严重的是这些影响不易消除，可持续几十年以上。

在中国存在许多“癌症村”，经过调查这些村落的情况大致相同，都是所使用的农产品重金属严重超标，如陕西省华县龙岭村，面粉镉超出国家标准1.6倍，铅超标2.98倍，芹菜中Hg、Cd、Pb、Cr、As全部超标，经查明：

铅、砷污染是致癌的主要原因。

曾雪萍、曾昭华研究了癌症与土壤环境中锡元素的关系[6]发现：

癌症的产生和发展与土壤中的锡元素质量分数关系密切，居住环境锡元素质量分数高的地区食道癌、宫颈癌死亡率一般较低，而肝癌、鼻咽癌死亡率较高，反之亦然。

通过对河南、山西等地的食道癌发病区研究表明病区土壤中Cu、Zn、Pb、Cd等元素含量高，砷化物被广泛用作杀虫剂和除草剂，通过对内蒙古、山西等地砷中毒与环境关系的研究[7]证明：

自然和人为的作用能将环境中砷释放出来提高水的毒性，加剧砷中毒的发生，并导致癌症发生，As可引起皮肤癌、膀胱、肝脏、肾、肺和前列腺以及冠状动脉疾病和所谓黑足病等慢性肾中毒。

第二章植物对重金属富集水培法研究

2.1常见的水培法研究重金属对植物的影响

水培法是研究植物生长发育的常见手法，在研究植物对重金属富集作用时，这种方法被广大研究者应用。

通过查阅对比这些研究方法，我们可以总结出大致的实验方法，来研究植物对重金属的富集作用。

表2-1常用的水培法实验

研究介绍

温度

生长期

所用物质浓梯度

PH范围

生理指标测定内容

实验植物

柳丹：

研究铅富集植物东南景天的修复效应

20-25℃

14天左右

Pb（NO3）2

0mML-1

0.1mML-1

0.025mML-1

0.05mML-1

5.5

地上干重和根重

东南景天（SedumalfrediiHance）

翟福勤：

铜对作物幼苗的毒害机理及铁钙缓解铜毒害的研究

平均25℃

10天

Cu（N03）2

0mML-1

0.025mML-1

0．05mML-1

0．1mML-1

0．25mML-1

0．5mML-

6.0

样品烘干后酮的含量

玉米和小麦种子

刘宇滨：

海盐生植物净化海水重金属能力研究

平均23℃

3周

Cu（NO3）2

0mgL-1

1mgL-1

5mgL-1

10mgL-1

5.8

富集系数=地上部（根部）重金属含量/水中重金属浓度

碱蓬幼苗

邓滔：

井栏边草和蜈蚣草对As和Pb胁迫的富集作用

25℃

3个月

Pb（NO3）2

0.02mML-1

O．04mML-1

O．06mML-1

O．08mML-1

0．10mML-1

0．12mML-1

7.0

叶绿素含量的测定

蜈蚣草

田守祥：

酸模叶蓼对锰富集特征

5℃白天

20℃晚上

15天

MnCl2·4H20

0.5mgL-1

1mgL-1

2mgL-1

5mgL-1

10mgL-1

4.5

植物样品Mn元素含量的测定

酸模叶蓼

曾晓雯：

锌镉胁迫下圆锥南芥的抗氧化防御和差异蛋白质组的响应

25℃

一个月

CdCl2·2.5H20

0mML-1

50mML-1

100mML-1

250mML-1

5.8

植物重金属Cd含量测定

圆锥南芥

2.1.1总结水培法最适宜的实验条件

实验温度一般保持在25℃，实验周期为两周最佳，实验药品的浓度梯度根据情况而定。

实验溶液的PH根据要就来设定，生理指标一般测定干重和富集系数，这两个指标也相对容易测量，所用植物根据需求进行选择。

2.2水培法的案例分析

2.2.1实验植物

植物对重金属富集水培法中所采用的实验植物见表2-2，这些植物都是常见的一些植物，利用各类植物进行水培法实验，研究植物对重金属富集作用。

表2-2实验所用植物特性

植物名拉丁名科属植物特性

黑麦草Loliumperenne禾本科黑麦草属建植速度快，修剪后再生能力强分蘖能

力强，耐践踏性强；用于公园等小型绿地；

高羊茅Festucaarundinacea禾本科羊茅属适应性强，耐寒耐热能力强，耐践踏，耐

修剪，管理要求比较粗放；

早熟禾Poapratensis禾本科早熟禾属根茎具强大生命力，能形成茂盛的皮；

对土壤要求不严，中国各地区均有分布；

剪股颖Agrostispalustris禾本科剪股颖属剪股颖通过地上有活力的枝条繁殖，并

迅速蔓延；可适应多种土壤；

狗牙根Cynodondactylon禾本科狗牙根属生活力较强，耐践踏，养护管理粗放；

中国黄河及长江以南地区广泛应用的草坪；

金鸡菊Coreopsislanceolata菊科金鸡菊属栽培管理粗放；用于布置花境，在草地

边缘，坡地，草坪中成片栽植；

白三叶Trifoliumrepens豆科三叶草属根部分蘖能力及再生能力均强；对土壤

要求不严；

非洲凤仙Impatienswalleriana凤仙花属在湿润和无强光下生长良好，长势旺盛，管

理简单；适于吊篮，花墙窗盒和阳台栽培；

2.2.2实验方法

首先选取直径9厘米的培养皿，用定性滤纸作为种子的芽床。

将不同浓度的重金属Hogland溶液置于器皿中，溶液pH约为5.5，（浓度如表2-3）然后选取饱满的种子放入器皿中，每个放置30粒种子。

每个处理组设置3组平行。

用等量的蒸馏水培养作为对照，每天同时更换相应的处理液一次，把对照组同样条件处理。

培养温度28℃，种子发芽后每天进行记录，直到种子不再发生变化为止，所进行的种子培养时间为两周。

重金属铅、锌、铜和镉所用的溶液分别为Pb（NO3）2、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O和CdCl2·2.5H2O配制。

表2