水体重金属污染分布解析以湖泊生态系统为例Word格式文档下载.docx

1、与其他类型的污染物相比，重金属污染具有隐蔽性、重毒性、持久性与不可逆性等特点，因此如何预防和治理土壤重金属污染已成为我国乃至世界其他国家热门话题。物理、化学和生物方法都可以修复重金属污染的土壤。然而，长期以来，植物修复技术是公认的可将水和土壤资源进行净化的绿色环保方法。这是一种生态修复技术，能可以防止土壤受到干扰、绿色、环保。最近，在对植物修复技术的分析研究中取得了良好的效果，特别是在重金属的耐受性、超积累植物及其根际微生物共存系统的分析中、在微生物群落进化选择期根际分泌物的作用，以及根际分泌物物理化学特性的分析等。由于当前受重金属污染的土壤情况严重以及植物修复技术的重大意义，本文将分三部分对

2、国内受重金属污染的土壤现状、植物修复技术及相关限制条件进行深入研究和分析，希望为今后综合分析该研究课题打下良好的基础。1我国土壤重金属污染物来源及污染现状1. 1 土壤重金属污染物种类及来源重金属是指密度超过 4. 0 或者密度超过 5. 0 的各种元素，通常可以分为以下几类：（1） 包含生物毒性的金属汞（ Hg） 、镉（ Cd） 、铅（ Pb） 、铬（ Cr） 、铜（ Cu） 、锌（ Zn） 、钴（ Co） 、镍（ Ni） 、锡（ Sn） 、钒（ V） 以及类金属砷（ As） 、硒（ Se） 等；贵重金属如（ Au） 、银（ Ag） 、铂（ Pt） 、钯（ Pd） 、钌（ u）等; （ 3）

3、 放射性金属铀（ U） 、钍（ Th） 、镭（ a） 、镅（ Am） 等。在我国，通常由于采矿、冶炼、金属加工和其他开发过程中排放的“三废”以及农业中的农药残留等很多因素会产生重金属污染物。我国土壤重金属污染物的来源见表1。表 1 我国主要土壤重金属污染物及来源Tab.1 Main heavy metal pollutant and its resources主要污染物来源汞 Hg采矿业，化工业，电子工业，仪表制造业，冶金工业镉 Cd冶金业，电镀业和颜料、涂料工业铬 Cr铁路工业、耐火材料工业，电镀工业，皮革工业和染料、颜料等工业铅 Pb农业砷 As采矿业和冶金业镍 Ni电镀业，采矿、冶金、石

4、油化工、纺织、印刷业等银 Ag电镀业和照相业铜 Cu采矿业及冶金业锌 Zn采矿业，冶金业，造纸业，机械制造业等1.2我国重金属污染现状2014年4月17日，我国环境保护部和国土资源部联合制定了 全国土壤污染状况调查公报，其中指出国内耕地的土壤环境质量污染十分严重。具体土壤情况如下：国内土壤环境情况恶劣，少数地区土壤明显污染，耕地土壤质量差，废弃工矿用地土壤问题尤为突出。我国受重金属污染的耕地面积从1980年的266.7万公顷，提高到1988年的666.7万公顷，到了1992年更变成1000万公顷，呈现不断增加的趋势。土壤的重金属污染问题已经成为顽固的毒害，在土壤中无法长久的根除。由相关分析得出

5、，我国每年因重金属污染的土壤造成的粮食产量损失为1000万吨，造成的直接经济损失超过2000亿元人民币。中国中央环境监测站的数据显示，目前最常见的重金属污染物是镉、汞、血铅以及砷。最近，此类污染物造成了很多污染问题。例如，2006年，湖南和株洲的湘江受到镉的污染；2007年，太湖、巢湖、滇池出现严重的蓝藻问题；2009年和2010年，许多血铅超标的案例被曝光；2012年初，广西龙江出现镉污染的问题；2014年，广西大新县的重金属污染问题等。根据分析，国内24个省（市） 城郊、污水灌溉区、工矿等社会经济持续发展的320 个重要污染区中，严重受污染农作物的种植面积为60.6 万公顷。重金属会进入土

6、壤影响食品的安全，进而对人类的生命健康产生威胁。因此，如何消除土壤中重金属污染已经成为保证我国农业长期稳定发展的重要指标。2植物修复2.1植物修复产生与发展“植物修复”（Phytoremediation）是指种植一种对相关污染土壤中的污染元素具有独特吸附功能的植物,在收获该植物并进行综合处理（如灰化回收）后，重金属可以转移到挖掘体中，最终达成污染管理和恢复生态的目的。1583年，意大利植物专家Cesalpino首先了解了生长在意大利托斯卡纳“黑色岩石”上的奇特植物，他获得了超富集植物（Hyperaccumulator）的初步记录。1977年，Brooks定义了超富集植物的概念（ hyperac

7、cumulator）。1983年，Chaney首次指出了土壤内重金属污染物可以利用这种植物去除的想法。随后的分析表明，超富集植物是生长于一些区域的物种，它们的生长区域划分和土壤中的一些重金属含量有着显著的联系。2.2植物修复类型与机理2.2.1植物修复污染土壤的途径和调控机制 根据超富集植物的作用和原理，重金属污染土壤的植物修复技术一般需要以下三个部分完成，笔者还在表2对重金属污染土壤的植物修复技术做出比较分析。（1）植物提取代表了从土壤中吸收重金属的一种重要方式，通过使用一些对重金属具有强大富集功能的独特植物，把它们从土壤中转移并储存到地面部分，并通过收获植物地面部分来使污染物减少。此方式一

8、般可以从受污染土壤内去除比如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或过多的营养物质比如NH4、NO3等。通过接连种植，土壤中的重金属含量可以减少到安全范围。土壤污染物从植物提取需要以下具体四个部分的环节和机理：土壤内重金属污染物释放，各种形式的土壤重金属污染物相互影响，之后维持均衡状态，转换为可被植物根系吸纳的污染物后保持均衡状态；这种污染离子被根部吸收；造成此类污染的离子从根开始转移到地上部；植物地上部积攒和储存此类污染离子。由于该方法不仅可以使土壤内相关污染物的含量全面降低，还可以对金属物质进行重复利用，因此该方法被认为使目前最高效、最安全的植物修复方法。（2） 植物挥发是指利用植物根系分泌的一

9、些独特物质或微生物来促进土壤中的一些重金属转化为挥发形式，或者植物吸收一些重金属进入体内，然后释放到空气中的气态物质中。张蓉分析指出，花椰菜可以吸纳土壤内的Se且将其以甲基硒酸盐的方式挥发到空中，因此可以降低土壤内Se含量。然而，上述方式只能改变现有的污染物介质，也会导致大气出现二次污染问题，从而对人类身体健康产生危害，以及对环境安全带来相应的风险。（3）植物稳定指的是主要利用耐重金属植物及其根际部位微生物的分泌功能来土壤内的重金属进行螯合和利用，从而削弱生物利用度和移动性，为防止重金属进入食物链做进一步稳定和分割，减轻重金属对环境以及人体的负面影响。分析指出，Agrostis tenuis与

10、Festuca rubra可以稳定土壤内的Pb与Zn，然而在稳定的时候，土壤内重金属比值并未降低，仅仅转变了存在形态。在环境条件改变的时候，土壤内重金属也许会再次得到生物有效性。所以，此方式无法全面处理土壤内污染问题。表 2 重金属污染土壤的植物修复技术比较Tab.2 Comparison of different phytoremediation approaches植物修复技术类型优 点缺 点植物稳定降低金属流动性，从而降低生物可利用性不能彻底去除土壤中重金属离子植物挥发无须对植物进行产后处理重金属转移到空气中，造成二次污染植物提取能够积累高浓度的重金属元素，实现金属的回收利用地上部分处理

11、问题2.2.2超累积植物对污染物的富集及解毒机理（1）活化。土壤中的重金属污染物存在形式通常具有不溶性的特征，因此只有当它们转化为可吸收形态时，才能顺利地被超累积植物吸收。超累积植物活化土壤内的重金属污染物通常有以下三种方式：利用根系分泌的酸性物质加强植物根系对此类污染元素的活化与吸纳；植物根系分泌污染物融合蛋白等和污染物螯合；植物利用自身污染物还原酶开始复原高价重金属污染离子，提高此类污染物在土壤内的溶解性，方便植物根系的吸纳。（2）解毒。以下几个部分一般反映出重金属污染物对植物的毒性作用：污染物离子会与蛋白质中的酶活性或巯基融合，从而使细胞出现代谢功能异常的状况。重金属污染物会影响细胞内物

12、质的运输，且利用氧化还原效应对细胞造成氧化损伤。超累积植物的解毒功能就是将重金属污染物在其细胞壁进行沉积，从而降低此类污染物对植物的毒性。这部分污染物通常融合植体内多种蛋白产生毒性，其中超累积植物的根系可以比普通植物分泌更多的有机酸类物质，并且与相关污染物离子进行螯合产生物质，从而使污染物的毒性降低。此外相关分析结果表示，超累积植物利用液泡的房室化功能发挥对重金属的解毒效应。表3某些植物种对重金属的超富集状况及其来源Tab.1 Some plant hyperaccumulators of heavy metals and references重金属元素Heavy metals植物种Plant

13、s叶片中重金属Cont.in leaves（mg/kg）发现地点Location found文献来源ReferencesZn遏蓝菜属（Thlaspi calaminare）39600德国Reeves &Brooks（1983）Cd遏蓝菜属（Thlaspi caerulescens）1800宾西法尼亚Li,et al.（1977）CuAeollanthus biformifolius13700扎伊尔）Brooks,et al.（1978）Ni叶下珠属（Phyllanthus serpentinus）38100新喀里多尼亚Kersten,et al.（1979）CoHaumaniastrum ro

14、bertii10200扎伊尔Brooks（1977）Se黄芪属（Astragalus racemosus）14900怀俄明Beath,et al.（1937）Mn串珠藤属（Alyxia rubricaulis）11500Brooks,et al.（1981） 植物中金属的超积累现象是一个相对复杂繁琐的过程。由于此类植物相应的基因分别控制其对金属的吸纳、转移与耐受，因此不可能找到只对污染物产生耐受或积累的植物。这种植物可以过量吸收重金属，并将其转移到地表的上部（表3）。一般来说，需要从以下两个方面开始对这部分植物进行划分：植物地上部分富集的重金属含量超过相应的标准量；植物地上部分的重金属含量超过根部的重金属含量。由于地壳中不同种类重金属的丰度以及在土壤和植物中的背景值有明显的区别，所以这类植物对各种重金属富集的浓度限制也有不同。尽管世界上已知的超富集植物有许多类型，但上述植物普遍存在如下问题：生物量低、生长缓慢、区域特征突出和恢复时间长等。在寻找超积