环境生物技术论文

鲁东大学 生命科学学院20 11.3－20 11.7 学年第 二 学期

《环境生物技术》课程论文

课程号：2522310-100

任课教师 左进城     成绩                 

论文题目：（可指定题目，也可说明题目范围。）

摘要：矿产开采过程污染是造成土壤污染的重要原因。在污染土壤中种植对重金属具有特殊耐性和富集能力的“超富集植物”,可以迅速将大量污染物吸收和富集到植物体中 ,并运输到植物地上部分 ,通过收割植物地上部分就可以从土壤中带走大量的重金属 ,以达到去除土壤中砷污染的效果。

关键词：矿产开采，土壤污染，植物修复技术，超富集植物

引言：土壤是地理环境的重要组成要素，是能够生长植物的地球疏松表层，具有独特的组成成分、结构与功能，是十分复杂的系统。土壤与其它环境要素(如水分、大气、养分、生命体等)互为外在条件，相互联系、相互影响。因此，土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要资源之一，是地球上生命活动不可缺少的物质。

土壤污染是指通过多种途径进入土壤的有毒有害污染物的数量和速度超过了土壤的容纳能力和净化速度，造成土壤的物理、化学和生物学性质、组成及性状等发生变化，破坏了土壤的自然动态平衡，从而导致土壤自然功能失调、土壤质量恶化、作物的生长发育受到影响、产品的产量和质量下降，产生一定的环境效应(水体或大气发生次生污染)，并可通过食物链对生物

和人类构成危害。土壤污染的明显标志是土壤生产力下降。其中以矿产开发工地土壤污染最为突出，现状严峻

矿产开发工地土壤污染特点是: ①隐蔽性和滞后性 ,往往通过对土壤样品进行分析化验农作物的残留检测 ,甚至通过对人畜健康状况的影响才能确定; ②累积性 ,污染物质在土壤中不容易迁移、扩散和稀释 ,因此容易在土壤中不断积累而超标 ,同时也使土壤污染具有很强的地域性; ③不可逆性 ,许多有机物和重金属污染需要很长时间才能降解; ④难治理性 ,积累在污染土壤中的难降解污染物很难靠稀释作用和自净化作用来消除土壤污染一旦发生 ,需要采取客土、换土、淋洗土壤等方法才能解决问题 ,治理成本高、周期长。土壤污染中 ,重金属污染问题尤为突出 ,不仅造成土壤肥力下降、资源退化、作物产量及品质降低 ,而且对大气、水体造成二次污染 ,危害人体健康;更重要是重金属能长期滞留于土壤中 ,使得土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性。

污染土壤的修复主要有三种方法：物理修复法、化学修复法和生物修复法。采用物理或化学方法(如热处理法和化学浸出法)修复污染土壤，虽然可以产生一定的实效，但费用昂贵、容易造成二次污染，不适于大面积应用。生物修复是指在一定的条件下，利用土壤中的各种微生物、植物和其它生物吸收、降解、转化和去除土壤环境中的有毒有害污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将其转化为无毒无害的物质，恢复受污染生态系统的正常功能。

在众多的重金属污染土壤修复技术中,生物修复技术由于它的经济、有效 ,无再污染而成为一种受公众欢迎的治理技术。它是通过自然生长植物或遗传工程培育植物系统及其根际微生物群落来吸收、挥发或稳定土壤重金属污染物 ,从而修复被重金属

污染土壤的技术的总称。与其他技术相比 ,该技术具有经济高效、绿色净化、易于后续处理等优点 ,显示出良好的生态、经济、社会效益 ,具有广阔的应用前景。

根据机理的不同，生物修复主要可以分为三种类型：植物修复、动物修复和微生物修复。

本文章主要介绍针对矿产开发工地土壤污染的植物修复技术。

1 污染土壤植物修复技术的发展历程

植物修复是指利用植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的特性，或利用植物及其根系微生物与环境之间的相互作用，对污染物进行吸附、吸收、转移、降解、挥发，将有毒有害的污染物转化为无毒无害物质，最终使土壤功能得到恢复。植物修复技术因具有安全、成本低、就地、土壤免遭扰动、生态协调及环境美化功能等特点，又被称之为绿色修复。作为一种新兴、高效、绿色、廉价的生物修复途径，植物修复技术已得到

广泛认可和应用，尤其在重金属污染土壤修复方面特别显著。根据修复作用、过程和机理的不同，植物修复可分为以下三种方式：植物提取、植物稳定和植物挥发。

其发展历程可简要概括为:

无意识地利用植物处理排泄物 

20世纪初，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, 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。

1.1 国外污染土壤植物修复技术的现状

从20 世纪 80 年代以来,植物修复技术已经成为国际学术界研究的热点问题 ,并且开始进入产业化初期阶段。

1.2 我国污染土壤植物修复技术的现状

我国有广袤的国土、丰富的植物资源、复杂多样的地理地质条件 ,因而可能蕴藏着大量的超富集植物 ,为我国开展有关研究提供了良好的基础条件。在超富集植物研究方面 ,我国已开展了超富集植物的筛选、超富集机理及利用超富集植物修复重金属污染土壤的前期研究。如中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌研究员等人在中国境内首先发现砷的超富集植物。从总体来看 ,到目前为止我国对超富集植物种类研究较少 ,与我国丰富的植物多样性不相适应。

2  污染土壤植物修复技术的主要工艺类型

2.1 植物对有机污染物的修复机理：有机物的吸收积累和代谢 

植物修复有机污染的三种机制 ①直接吸收并积累非植物毒性的代谢物；②释放促进生物化学反应的酶；③强化根际降解作用. 直接吸收植物可在新的植物结构中贮藏，可使其代谢或矿化，还可使其挥发；去毒作用可将原来的化学品转化为对植物无毒的代谢物如木质素等，贮藏于植物细胞 内。

2.2 植物对有机污染物的吸收途径 包括对气态污染物的粘附和吸收、对水溶态污染物的吸收 

2.2.1 气态污染物 植物粘附污染物的数量, 主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度, 某些植物还可分泌油脂、黏液, 如去杉、油松等; 气孔是叶片吸收污染物的主要部位, 但高浓 度污染物可对叶片造成损害, 如二氧化硫可 导致植物气孔张开和关闭的机能瘫痪, 臭氧可损害叶片的栅栏组织.

2.2.2 水溶态污染物 主要通过根吸收，叶片也能吸收水溶态物质。水溶态的污染物到达根表面，主要有两条途径： 一条是质体流途径(massflow)，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部； 另一条是扩散途径(diffusion)，即通过扩散到达根表面。 叶片对农药通过气孔吸收与角质层吸收。 附着性能是影响药效的重要因素。表面活性剂能显著降低表面张力，改善药液在叶面的附着性, 从而提高吸收。 如: 刘支前等发现不加任何表面活性剂时， 草甘膦药液不能直接经蚕豆叶面气孔吸收； 添加0.5％的有机硅表面活性剂后，气孔吸收率可85.4％。

2.3 植物对重金属吸收积累

重金属来源 

自然来源：工业矿床和岩石风化而成的地表土壤；人为来源；生产活动；农药肥料；交通运输；废弃物；废水废气。 土壤中重金属本身所存在的形态可分为：水 溶态、有机质结合态、碳酸盐结合态、FeMn氧化物结合态以及包含于矿物晶格中的残 渣态。从植物的可利用性可分为可吸收态、交换态、难吸收态。 重金属的游离离子及螯合离子易被植物所吸收，残渣态的难被植物吸收，介于两者之间的则为交换态。

2.4重金属污染土壤修复模式 

植物提取 (phytoextraction) 修复模式；植物挥发 (phytovolatilization) 修复模式；植物稳定 (phytostabilization) 修复模式 ；植物降解 (phytodegradation) 修复模式

2.4.1 植物提取:利用植物根系吸收重金属元素，并经过植物体内一系列复杂的生理生化过程，将重金属元素从根部转运至植物地上部分，再进行收割处理。根据实施的策略不同，植物提取技术可分为连续植物提取和诱导植物提取。第一种情况（连续植物提取）：植物在整个生命都能吸收、转运、积累和忍耐高含量的重金属，或整个生命期中都吸收但吸收量很低．第二种情况：某些植物只能在一段时期内吸收重金属。 第二种情况下，人们辅以络合剂等理化措施诱导植物积累更多金属元素，这就是诱导植物提取。诱导植物提取举例：在芥菜营养生长旺盛期施用ＥＤＴＡ络合剂可显著提高土壤中植物有效态Cu，使土壤水浸提态Cu和交换态Cu显著上升，从而芥菜中Cu的含量明显增加 植物提取技术与其他修复模式的区别之处在于重金属地上部分含量的不同。 因而植物提取技术要求植物能从根部吸收重金属离子，还能有较高的地上部分转运能力。金属离子首先进入根部细胞，通过共质体的运输穿越根内皮层中的凯氏带，进入中柱送达木质部，再与木质部中大量存在的有机酸和氨基酸结合运往地上部分．植物提取例子印度芥菜在高浓度可溶性Pb营养液中培养一段时间后,茎中Pb含量达到1.5％；印度芥菜还能吸收积累Cr、Cu、Zn、 Cd 、Ni等重金属。

 重金属超积累植物为植物修复的核心部分，最早的概念于1977年Brooks提出，现在接近成熟． 东南景天 (Sedum alfredii H)——由杨肖娥等发现的第一种 Zn 超富集植物。 地上部的Zn含量 达5000ppm.富 集系数达1.9以上。 蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）——第一种在我国发现的As超富集植物，由陈同斌等发现． 

超积累植物特征：超积累植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其他普通植物含量的100倍以上；在污染地生长旺盛，生物量大，能正常完成生活史；富集系数(BCF)和转运系数(TF)都大于l。一般而言，植物体内重金属临界含量为 Zn:l0000mg／kg, Cd:l00mg／kg, Au:lmg／kg, Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg／kg. 富集系数＝ 地上部器官中重金属含量土壤中重金属含量茎叶中重金属含量根部重金属含量 ％ 转运系数＝ ％ 过渡类型 有一些植物虽然达不到上述各项指 标，但比起一般的植物能忍耐一定程度的重金 属，文献资料上多称为富集 植物．植物对污染环境的适应模式长期生长于污染土壤中的植物对环境胁迫往往形成了三类适应模式，各自特点为: 抵御：与根际周围的各类真、细菌组成菌根，形成防御体系共同抵制外界污染物质的侵害。 忍耐：无法构建防御体系，但可形成一定的忍耐特性，体内重金属含量高于普通植物，即使脱离重金属污染土壤仍能自然成活，称为富集植物。 利用：因为自身生理的需要，土壤中污染物质含量要达到一定数值才能成活，称为超积累植物。 如比苏草在Cu含量小于100μg／kg的土壤中不能正常生长。根据其这一特性，某种重金属的超积累植物往往还能成为金属矿藏的指示植物。 超积累植物分布地域来看，多分布于富含重金属的矿区；植物分类来看，多位于几个类别之内，如Ni 主要颁布于“五科” 、“十属”；农田杂草也可能是超积累植物的一个重要来源库。如魏树和等发现了8种对Cd具有超积累性的杂草． 

超积累植物的局限性：首先，大部分植物植株矮小，生长缓慢，且不易机械化作业；其次，多为野生型植物，对生物气候条件的要求也比较严格，区域性分布较强，引种受到严重；再次，专一性强，只作用于一种或两种特定的重金属元素，对土壤中其他含量较高的重金属表现出中毒症状；最后，植物器官往往会腐烂、落叶，最终重金属重返土壤。 植物积累重金属的分子生物学研究植物吸收重金属本质上是否为植物在特定环境下的特定生理生化反应． 

植物耐重金属毒害的机制包括：细胞区域化作用；主动外排；螯合作用．目前诱导植物生成配位体是其研究热点．另外还可通过基因手段，促进植物基因改良，提高积累量． 超积累植物研究展望寻找更多超积累植物，尤其能同时富集不同重金属元素的植物的寻找，加强对现有野生超积累植物的人工引种、驯化研究。

2.4.2 植物挥发  含义：植物将挥发性污染物吸收到体内后再将 其转化为气态物质，释放到大气中。植物挥发和土壤根际微生物的活动密切相关．缺点：挥发性重金属经植物体进气最终沉 入土壤或水体，会产生二次污染． 挥发举例：植物从土壤吸收汞再向大气挥发；硒以二甲基硒和二甲基二硒挥发。 

2.4.3 植物稳定  含义：利用植物吸收和沉淀来固定土壤中 的大量有毒重金属，以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链，从而减少环境和人类健康的污染风险。适用于相对不易移动的物质。主要应用在采矿、废气干沉降、污泥处 置。缺点：并未将重金属从土壤中彻底清除，当土壤环境发生变化时仍可能重新活化恢复毒性。 

2.4.4 植物降解过滤  含义：指污染物被植物根系吸收后通过 体内代谢活动来过滤、降解污染物质的毒性。如六价Cr生物有效性最强，通过植物根系的降解作用后变成低价态的三价Cr，毒性大大减弱．植物的降解作用与根际土壤环境密切相关。根际分泌物的存在，使土壤理化性质，如pH值、氧化还原电位、微生物组成等显著改变．

2.4.5 影响因素: 土壤水中的浓度和植物的吸收率、蒸腾率。植物的吸收率取决于污染物的物化特性和植物本身; 蒸腾作用是决定污染物吸收速率的关键变量，它又与多种条件相关. 释放酶 与植物酶有关的有机物降解非常快，致使化学污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤.植物死亡后，酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用; 但游离的酶系在低pH值、高金属浓度和 细菌毒性下会被摧毁或钝化，而植物体内的酶则可得到保护. 强化根际降解污染物通过根际吸附吸收而进入植物体内；植物通过向根际分泌氨基酸、糖类等小分子有机物而刺激微生物的大量繁殖，可间接促进污染物的根际微生物降解；植物还可通过根际向土壤输氧，改变根际周围的氧化还原条件． 

发展展望：

Ⅰ.某些植物能在体内代谢或矿化有机物，使其失活；但多数研究只证明了植物仅能通过酶催化氧化降解有机物；降解产物的进一步深度氧化过程研究还很缺乏. 

II. 分子水平上的植物耐金属性研究，从基因水平上探明植物对重金属耐性的根源所在；

III. 各种重金属元素在不同植物体内的储存及分布特征研究； 

IV. 超积累植物根际环境对重金属吸收作用的影响． 

结语：

矿产开发产生的生态环境问题和破坏的种类很多 ,我国尤其严重 ,在众多的重金属污染土壤修复技术中 ,生物修复技术脱颖而出。随着分子生物学的快速发展 ,“生物修复环境”技术将发展成为一个大产业。因此应大力开展以污染控制生物技术为主体的环境生物技术及其应用的研究 ,通过生物高技术的发展带动整个环保科技的发展 ,解决我国目前和未来面临的矿产开采过程中的土壤污染问题 ,并为环保市场提供高品质的环境保护技术。

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