植物修复重金属污染土壤效果研究Word文件下载.docx

1、超积累植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。通常，超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素：植物地上部富集的重金属应达到一定的量；植物地上部的重金属含量应高于根部。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。目前采用较多的是 Baker 和 Brooks （1983）年提出的参考值, 即把植物叶片或地上部（干重） 中含 Cd 达到 100 mg kg-1， 含 Co，Cu，N i，Pb 达到 1000 mg kg-1，Mn，Zn 达到10000 mg kg-1 以上的植物称为超富集植物。同时这些植物还应满足转

2、运系数S / R1 的条件（S 和R 分别指植物地上部和根部重金属的含量）。表1 部分超富集植物种对重金属的富集状况重金属植物种叶浓度/ mg kg-1发现地点引用文献Zn遏蓝菜属 Thlaspi calaminare39600德国Brook遏蓝菜属 Thlaspi goesingense50000法国Escarre 等遏蓝菜属 Thlaspi caerulescens25000德国碎米荠属 Cardami nopsishalleri21500Muller 等东南景天 Sedum alfredii4515中国杨肖娥等Cd遏蓝菜属 Thlaspi caerulescens1800美国Robins

3、on 等遏蓝菜属 Thlaspi goesingense15000碎米荠属 Cardami nopsishalleri281法国凤眼莲 Eichhornia crassipes 40009300 郭静等宝山堇菜 Viola baoshanensis1168中国刘威等Ni叶下珠属 Phyllanthus serpentinus13700非洲Collins庭荠菜属 Alyssum10000美国Pb遏蓝菜属 Thlaspi caerulescens667英国Baker 和Walker香蒲属 Typha latifolia1635英国Ye 等遏蓝菜属 Thlaspi rotundifolium8200

4、Se黄芪属 Astragalus racemosus14900美国Mn串珠藤属 Alyxia rubricaulis11500非洲Brooks 等As蜈蚣草 Pteris vittata800陈同斌等（王松良等，2007）Baker （1994）等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在 Zn 污染土壤（440 mg kg-1）栽种不同超富集植物和非超富集植物对土壤Zn 的吸收清除效果。结果表明，超富集植物 T. caeulescens 富集 Zn 是非超富集植物 Raphnus satinus （萝卜） 的150 倍，富集 Cd 相应则是10 倍。其每年从土壤中吸收的 Zn 量为30 kg h

5、m-2,，是欧盟允许年输入量的2 倍，而非超富集植物萝卜则仅能清除其1% 的量。Baker 同时也发现， 尽管 T. caeulescens 吸收重金属能力很强, 但由于其生物量小, 需1314a 的连续栽种才能将试验地的重金属含量修复到欧共体规定的临界标准（300 mg kg-1）。而 Brassica juncea （印度芥菜） 对重金属的富集能力虽不如 T. caeulescens，但其生物量至少是它的20倍, 因而显示 B. juncea 在植物修复上具有更大的潜力。Robinson 等（1998）在法国南部利用盆栽和田间试验结合进一步研究了T. caerulescens 修复污染土地

6、的潜力, 通过施肥，Thlaspicaeru lescens 的生物量增加了两倍，而其地上部Zn，Cd 含量没有下降，但修复 500 mg kg-1 Zn 污染土地仍需8.13a。但目前具有推广价值的超积累植物通常只能吸收一种或两种重金属，特别是超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长，使其对某些重金属提取效率偏低。Keller 等（2003）综合有关文献后认为，超积累植物 T. caerulescens 对土壤某些重金属的提取效率没有农作物高，如B. juncea 对Cu提取效率为146 g ha-1，N. tabacum 为 474 g ha-1，Z. mays 为 163 g

7、ha-1，T. caerulescens 仅为50 g ha-1；对于 Zn，B. juncea 可以提取 894 g ha-1，N. tabacum 为 1834 g ha-1，Z. mays 为 1998 g ha-1，但是 T. caerulescens 竟高达 5052 g ha-1；对于 Cd，则 B. juncea 可以提取 6.95 g ha-1，N. tabacum 为 41.7 g ha-1，Z. mays 为 9 g ha-1，T. caerulescens 为 179 g ha-1。超积累植物进行原位修复污染土壤时，在某些条件下，并不能充分发挥它的修复潜力。如 McGra

8、th 等（2006） 在原位修复中发现，圆叶南芥 A. halleri 仅从土壤中提取出了 0.02% 的 Cd 和 0.066% 的 Zn。T. caerulescens 的生物产量变化很大，在不同条件下生态型条件下，其生物量在 0.513.4 t ha-1 变动，相差26倍，严重影响到了其提取效率。Clemente 等（2005）观测到，在田间条件下，印度芥菜（B. juncea）对土壤中Zn，Cu，和 Pb 的吸收量很低，对土壤中共存的其他金属忍耐能力差，限制了植物修复技术在复合污染土壤治理方面的应用，表明了利用植物提取对清除多金属污染的土壤修复仍有一定的问题。超积累植物修复时产生的直接

9、经济效益偏低。如田旋花（Convolvulus arvensi）可以积累1500 mg kg-1 的 Cd （Gardea-Torresdey et al., 2004），但其经济价值非常的低。使用超积累植物如十字花科菥冥属（Thlaspi） 芸薹属（Brassica）时同样也存在这样的问题。这不符合我国当前污灌区土壤修复的现实情况。应该是有可行的并且有一定经济效益的才能考虑。具有一定的经济效益且没有可食用部分。如植树造林，切花植物，植草可以使污染物不进入食物链。生长迅速间伐林（short rotation coppice）如桉树，柳树等许多超积累植物种群仅零星分布，一般在偏远地带，植物种子较

10、小，繁殖体的收集较为困难。不易于机械化操作，修复效益低，达到土壤重金属标准含量的时间长。同时利用野生的，非本地的超积累植物环境风险性较高，有些可能不适合超积累植物的生长。2 高生物量农作物的土壤修复效果高生物量作物对重金属积累的含量一般比较低，但其生物量较大，所以有较高的重金属积累量。利用高生物量作物修复土壤已引起广泛的关注（Linger et al., 2002；Meers et al., 2005； Diez Lazaro et al., 2006）。植物生物量可以作为生长在重金属污染土壤里植物健康的一个标志（Fayiga et al., 2004）。对高生物量作物的研究一般集中在白杨木，

11、向日葵，大麻，芒草（Miscanthus floridulu （Labnll.） Warb ），柳树等经济和能源植物上，高生物量植物重金属富集能力通常情况下远比超积累植物低，但对污染物的最终移除取决于生物产量和金属的浓度 （Chaney et al., 1997；Sebastiani et al., 2004）。具有高生物量，有一定的耐性，有一定的积累能力的作物在植物修复具有广阔和前景（Arduini et al., 2005）。通过种植和收获农作物来提取修复中轻度多金属污染土壤是一个有希望的技术（Bouwman et al., 2005）。作物原位修复效果对土壤重金属污染的清除十分重要。植物

12、修复是否成功决定于以下几个因素：对某种高浓度的重金属提取过程中，要保持较高的生物量；可以采用农艺措施重复种植和收获富含重金属的组织。在现有高生物量农作物中，不降低其生物量而提高重金属的积累是进行植物修复最为可行的策略（Cui et al., 2004）。苏德纯等（2002）对油菜作为超富积植物修复 Cd 污染土壤的潜力进行了研究，结果发现，油菜溪口花籽有较强的吸收 Cd 的能力，其地上部分生物量、地上部吸 Cd 量和对 Cd 污染土壤的净化率均明显高于目前公认的参比植物印度芥菜（B. juncea）。Moussa 等（2003）研究发现了一种生物量大，生长迅速的 Zn 的累积植物山芋（Aloc

13、asia macrorrhiza），其茎中 Zn 含量达 1109.4 mg kg-1。王凯荣等（1998）研究了 Cd 污染农田生态模式，筛选出了湖桑，苎麻，红麻，棉花等一批适生耐 Cd 作物品种，种植后使土壤中 Cd 含量普遍下降。甘蔗 （ Saccharum officinarum L. ） 甘蔗是一种经济价值较高、管理较粗放、耗工较少、而抗灾防病虫害能力较强的一种高产作物。水田旱地都可种植，而且产量比较稳定。甘蔗对重金属有一定的耐性，可能为 Cd 的超积累植物，特别是蔗汁重金属含量极低。但有关甘蔗的这方面研究极少。甘蔗幼苗对 Cd 具有一定的耐性。Sereno 等（2006） 研究表明

14、，甘蔗苗在100 M 的 Cu 溶液处理，33天后其鲜重没有明显下降，同时在地上部分积累了 45 mg kg-1 Cu，Cu 致死量在 250 M300 M 之间。在 500 M 的 Cd 溶液中，没有明显的毒害症状，地上部分积累量为 451 mg kg-1 Cu。何炎森等（2003）盆栽试验表明，当土壤 Cd 含量不超过 0.53 mg/kg 时，对甘蔗产量影响不大；随着土壤 Cd 含量的提高，甘蔗受害程度加重，影响了糖分的合成及产量的构成，使甘蔗产量急剧下降，蔗糖分降低。甘蔗各部分对 Cd 的富集能力不同，根系的 Cd 含量最高，蔗汁中 Cd 含量最低，适于在轻度 Cd 污染的农田种植。按

15、照 Kabata-Pendias 和 Pendias （1984），研究土壤中 60125 mg kg-1 Cu，70400 mg kg-1 Zn，100400 mg kg-1 Pb，38 mg kg-1 Cd，将认为对植物产生毒害。但 Deng 等（2004）对12种湿地植物调查时发现L .hexandra 在1271022 mg kg-1 Pb，4385420 mg kg-1 Zn 和 216993 mg kg-1 Cu 的土壤中能正常生长。J. effuses 在 14115138 mg kg-1 Pb，30610606 mg kg-1 Zn 和 31860 mg kg-1 Cu 的环境

16、中也能正常生长。这说明生长在长期重金属污染条件下的植物已形成了某种程度的适应。在研究地的上坝村重金属污染农田里，仍有部分群众不间断地种植甘蔗，甘蔗产量并没有明显下降，没有产生明显的毒害症状。高粱（Sorghum bicolor （Linn.）对重金属具有一定的耐性和积累能力。Moench）Marchiol 等（2007）用高梁（Sorghum bicolor （Linn.） Moench）和向日葵（Helianthus annuus）修复黄铁矿渣污染农田时发现，在含As 309，Cd 4.29，Co 50.9，Cu 1527，Pb 233 和 Zn 980 mg kg -1 的土壤里，二者对

17、Cd 的积累含量都在一般植物生长正常的范围之内，向日葵比高梁更为有效地积累富 Cd。两种植物对 Cu 有较高的积累量，如高梁根部达到到了 594 mg kg-1，地上部分 48.9 mg kg-1，向日葵根部含量则达到了 837 mg kg-1 ，地上部分为 36.2 mg kg-1 。二者含营养质的土壤对植物生物量影响十分有效，但却没有提高植物收获组织重金属含量，高梁能移除 2000 g ha-1 的Zn，而向日葵却只能移除1000 g ha-1。从高粱和向日葵移除重金属的相对量来看，作物对土壤重金属的修复潜力是很小的。另一方面在大间条件下，一般的农艺措施如改善营养水平并没有大幅度地提高重金

18、属生物可利用度和植物对重金属的提取。应探讨更为有效的农艺措施。两种作物对酸都有一定的耐性。特别是对Cd 的耐性，而且没有什么明显的毒害症状。在磷酸盐施用下可以提高对某种金属的提取。表3 部分具有植物修复潜力的作物种类植物修复重金属种类特征资料来源印度芥菜（Brassica juncea）Zn，Cd 污染土壤的修复Ebbs et al., 1998大麦（Hordeum vulgare）耐受高浓度的Cu，Cd，Zn，积累在茎部燕麦（Avena sativa）柳树（Salix viminalis）对Zn，Cd具有富集能力，生物量高 Hammet et al., 2003油菜（Brassica jun

19、ica）可超量积累 Cd王激清等，2003苎麻（Boeheria nivea）吸收和积累中度Cd曹德菊等，2004蓖麻（Ricinus communis）对Cd污染有一定修复能力陆晓怡等，2005玉米（Zea mays）Pb，Zn，Cd 中度污染土壤Lajos et al., 2006向日葵（Helianthus annuus）用于Pb，Cd中度污染农田植物套种模式修复技术 Steven 等（2001） 通过套种超富集植物 Thlaspi carulescens 和非超富集植物 Thlaspi arvense，发现当这两种植物的根系交织在一起时，Thlaspi carulescens 对 Zn

20、 的富集能力显著提高。孟庆强等（2002）研究了套种超富集植物，Thlaspi carulescens 和非超富集植物黑麦草（Lolium perence L.）和玉米对重金属污染土壤的处理效果，盆栽试验结果表明，Thlaspi carulescens 对土壤中 Cd 的去除率3个月达35%，是黑麦草吸收能力的10倍。Moussa 等（2003）通过套种 Thlaspi carulescens 和非超富集植物玉米，收获的玉米子粒中含 Cu 4.72 mg kg-1，符合食品卫生标准 Cu 10 mg kg-1 。黑亮等（2007）将超富集植物东南景天与玉米套种后发现，套种能显著提高东南景天提取

21、 Zn 和 Cd 的效率，Zn 含量达9910 mg kg-1，是单种的1.5 倍，而且生产出的玉米籽粒重金属含量也符合食品和饲料卫生标准，处理后的污泥生物稳定性明显提高。3 农田杂草在重金属污染土壤修复中的应用杂草具有抗逆性强，生长迅速，繁殖能力强，在环境适宜条件下生物量能够急剧提高等特点，是较理想的土壤重金属修复资源，对植物修复具有开拓性的意义。如魏树和等（2004）对12个科22种农田杂草和积累特性研究时发现了8种对 Cd 具有超积累性的杂草。表4 部分具有修复潜力的农田杂草种类杂草修复特征文献资料紫花苜蓿（Medicago sativa）土壤 Pb 污染理想修复材料叶春和等，2002酸

22、模（Rumex acetosa）积累 Pb 达到1480 mg kg-1刘秀梅等，2002羽叶鬼针草（Bidens aximowicaiana）对 Pb 和 Cd 具有富集作用龙葵（Solanum nigrum）地上部分富集系数大于1，吸收量达到228.4 mg kg-1魏树和等，2003欧洲千里光（Senecio vulgaris）对 Cd 的富集系数大于1魏树和等，2004小白酒花（Conyza anadensis）艾蒿（Agropyron elongatum）Cu 富集浓度达91-698 mg kg-1李红艳等，2003黑麦草（Agropyron elongatum）作为 Zn 污染土壤

23、的修复材料周启星等，2004叶片 Cu 浓度最高为98.2 mg kg-1钱海燕等，2004香根草（Vetiveria zizanioides ）Pb 的吸收量达到540.8 mg kg-1聂俊华等，20044 植物修复中存在的主要问题植物对重金属污染的某些适应机理尚处于推测阶段修复植物本身的差异以及重金属元素毒性效应的不同，使得植物对重金属污染的适应过程和机理的研究极为复杂，很多机理和规律尚未发现，其中的一些尚处于推测阶段（王宏镔等，2005）。目前，不同的研究者从不同的生命组织层次，从基因，细胞，个体和群体水平上探讨了很多生物体与受重金属污染环境之间的相互作用规律和机理，但是，比如对于超量

24、积累植物的研究, 植物体内复杂的转运和螯合机制控制了重金属吸收和储存的速率, 但是金属的转运和储存形态在很大程度上尚未为人们所知, 许多转运系统的机理、定位、结构和功能等仍待深入研究。 复合污染研究是热点但同时也是难点复合污染研究对于客观揭示环境中污染物的行为具有重要意义，但是由于环境因素的复杂性，重金属种类的多样性以及生物体对重金属耐受的差异广泛性，使得复合污染研究多为室内严格控制条件下的盆栽试验，这就使得研究结论与野外大田条件相比存在很多差别。 重金属污染的治理方法研究仍然是一个世界性难题重金属污染的治理特别是重金属污染土壤的治理是一个世界性难题，虽然很多方法如物理法，化学法和生物法相继问

25、世，但每种方法都有各自的优缺点。现在普遍推崇的植物修复方法，其费用低廉，不会破坏甚至会改善土壤理化性质以及具有较高的美学价值等优点而倍受青睐。但超量积累重金属植物往往生物量低，生长缓慢，修复时间较长等缺陷以及重金属复合污染的制约，也就决定论了该类植物实际应用的局限性。今后寻找或驯化分布范围广，地上部生物量高、生命周期短以及繁殖速率快的超量积累重金属植物是植物修复技术应用与推广中必须加以解决的一个重要问题（王宏镔等，2005）。植物修复年限比较长当土壤被超过一种重金属重度污染时，植物提取时间可能要超过一个世纪（Ernst, 2005）。早期的植物提取技术研究主要集中在超富集植物方面，但超富集植物

26、通常只能富集某种特定的金属元素，并且生长速度慢，生物量低，这些不足限制了它在植物修复技术中的实际应用。近年来，有不少学者提出在植物修复材料方面可选择一些对重金属有一定耐性的能源或经济类植物，这些植物在修复污染土壤的同时还可以产生一定的经济价值，且一般不经过食物链，但这方面的研究较少。总的来说，目前的植物修复技术，无论在国外还是在国内基本上都停留在室内实验和小面积的田间示范实验阶段，还没有形成成熟的土壤修复技术。目前的植物修复并非一个稳定成熟的技术。为了实际应用，植物修复方面需要大量的分子及生理方面知识，这时就很难预测。还没有对高生物量植物和超积累植物进行深入研究达到田间生产应用阶段。在田间条件

27、与温室条件下，植物对重金属积累效果有很大的不同。Kayser 等（2000）研究结果为在温室条件下植物组织提取的 Cd，Zn，Cu 浓度远比田间自然条件下的要高。但Anderson 等（2005）在用玉米和印度芥对金的提取试验中却认为温室的效果与自然条件下的效果是一致的。Jiang 等（2004） 发现在温室盆栽时香薷（Elsholtzia splendens）地上部分 Cu 浓度为10 mg kg-1，但在田间条件下却高达 250 mg kg-1。表2植物修复技术在美国的田间应用及其效果应用地点应用方式效果Trenton植物萃取作用印度芥菜Brassica Juncea把Pb 控制到标准以下Dearing , KS植物钝化作用白杨Pupulus . spp.Pb，Zn，Cd50 % 植物存活3 年WhitewoodAs，Cd95 %的植物死亡Pennsylvania遏蓝菜属植物T. caerulescenZn，Cd植物吸收