1、土壤土壤重金屬污染的植物修復技術重金屬污染的植物修復技術張宇 2111704034杜勇明 21117040171目錄目錄（contents）1 1 重金屬植物修復技術機理概述重金屬植物修復技術機理概述2 2 重金屬污染修復植物種類及超累積重金屬污染修復植物種類及超累積/ /富集植物生理機制富集植物生理機制3 3 重金屬植物修復技術的研究和應用現狀重金屬植物修復技術的研究和應用現狀4 4 重金屬污染植物修復技術案例分析重金屬污染植物修復技術案例分析5 5 重金屬植物修復技術現存問題及改善措施重金屬植物修復技術現存問題及改善措施重金屬植物修復技術2重金屬植物修復技術重金屬植物修復技術重金屬植物修復

2、技術機理概述機理概述3重金屬植物修復技術術土壤重金屬污染植物修復技術土壤重金屬污染植物修復技術植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某種或某些污染的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系消除環境中的污染物的一門環境污染治理技術。 與傳統修復方法相比，該技術成本低、過程簡單，且環境友好。植物修復一般針對污染環境的重金屬。4技術研究發展歷程簡述a. a. 50-7050-70年代開始植物修復技術理論研究年代開始植物修復技術理論研究 這一階段的研究工作使人們初步認識了植物忍耐重金屬的機理，這一階段的研究工作使人們初步認識了植物忍耐重金屬的機理，提出了回避機制、排除機制、細胞壁作用機制、重金屬進入細胞質機

3、提出了回避機制、排除機制、細胞壁作用機制、重金屬進入細胞質機制、重金屬與各種有機酸結合機制、酶適應機制、滲透調節機制等。制、重金屬與各種有機酸結合機制、酶適應機制、滲透調節機制等。這些這些“機制機制”的提出，使人們對植物忍耐重金屬的機理有了一個較為的提出，使人們對植物忍耐重金屬的機理有了一個較為全面的認識。全面的認識。b. b. 70 70 年代至年代至 90 90 年代初對超積累植物的研究年代初對超積累植物的研究 19771977年年BrooksBrooks提出了超積累植物的概念，提出了超積累植物的概念，19831983年年haneyhaney提出了利提出了利用超積累植物消除土壤重金屬污染的

4、思想。隨后用超積累植物消除土壤重金屬污染的思想。隨后, ,有關耐重金屬植物有關耐重金屬植物與超積累植物的研究逐漸增多，植物修復作為一種安全、廉價的污染與超積累植物的研究逐漸增多，植物修復作為一種安全、廉價的污染土壤的治理技術被提出，并成為研究和開發的熱點。土壤的治理技術被提出，并成為研究和開發的熱點。5c. c. 90 90 年代后，利用基因工程改造超級累植物年代后，利用基因工程改造超級累植物 20 20 世紀世紀 90 90 年代至今，轉基因技術在植物修復中的應用日臻成年代至今，轉基因技術在植物修復中的應用日臻成熟。鑒別和分離出的基因種類有所增加，應用范圍不斷擴大，科技手段熟。鑒別和分離出的

5、基因種類有所增加，應用范圍不斷擴大，科技手段和技術水平不斷提高，逐步形成了一套比較完善的理論和技術體系。在和技術水平不斷提高，逐步形成了一套比較完善的理論和技術體系。在理論研究的同時，國外在植物修復技術的開發與推廣方面也做了大量的理論研究的同時，國外在植物修復技術的開發與推廣方面也做了大量的開創性工作。開創性工作。 技術研究發展歷程簡述6重金屬植物修復技術 1 植物修復技術分類植物修復技術分類 2 植物與重金屬污染物作用機理植物與重金屬污染物作用機理 3 植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理7重金屬植物修復技術1、植物修復幾種模式、植物修復幾種模式植物揮

6、發：植物揮發：植物過濾：植物過濾：植物穩定：植物穩定：植物提取：植物提取：植物轉化：植物轉化：植物輔助植物輔助生物修復生物修復植物將揮發性污染物吸收到體內后再將其轉化為植物將揮發性污染物吸收到體內后再將其轉化為氣態氣態物質物質，釋放到大氣中。，釋放到大氣中。二甲基硒、二甲基二硒二甲基硒、二甲基二硒指污染物被植物根系吸收后通過體內代謝活動來指污染物被植物根系吸收后通過體內代謝活動來過濾、降解污染物質的毒性。過濾、降解污染物質的毒性。Cr6+ Cr3+利用特定植物的根或植物的分泌物固定重金，以降低其生物利用特定植物的根或植物的分泌物固定重金，以降低其生物有效性。有效性。不易移動的物質不易移動的物質

7、利用植物對重金屬的吸收，通過利用植物對重金屬的吸收，通過收獲地上部收獲地上部來達到減少來達到減少土壤重金屬的目的。土壤重金屬的目的。植物吸收污染物后，在體內同化污染物或釋放出某種酶，植物吸收污染物后，在體內同化污染物或釋放出某種酶，將有毒物質降解為無毒物質將有毒物質降解為無毒物質通過土壤中植物根系及其周圍微生物的活動，把有機污染通過土壤中植物根系及其周圍微生物的活動，把有機污染物分解為小分子產物，或完全礦化為物分解為小分子產物，或完全礦化為CO2.H2O，去除其毒，去除其毒性性8植物提取01植物揮發02 植物穩定03根系過濾04植物修復技術分類植物修復技術分類9植物提取植物提取10重金屬植物修

8、復技術植物的提取植物的提取利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬萃取出來，富集并搬運到植物根部可收割部分和植物地上的枝條部位。適合植物萃取的理想植物應具有忍耐和積累高含量污染物；生長速度快、周期短、生物量高、個體高大；植物對農業措施如施肥等產生積極的反應，利于反復種植，多次收割。目前常用植物有：蕓苔屬植物（印度芥菜等）、油菜、工業用的大麻等。11重金屬植物修復技術植物的植物的提取提取連續連續植物提取植物提取:誘導誘導植物提取植物提取:植物在植物在整個生命周期整個生命周期中都能吸收、轉運、積累和忍耐高中都能吸收、轉運、積累和忍耐高含量的重金屬含量的重金屬。某些植物只能在某些植物只能在一段時期

9、一段時期內吸收重金屬，或內吸收重金屬，或整個整個生命期生命期中都吸收中都吸收但吸收量很低但吸收量很低，輔以，輔以絡合劑絡合劑等理化措施誘導植等理化措施誘導植物積累更多金屬元素。物積累更多金屬元素。EDTA、DTPA檸檬酸等12 印度印度芥菜在高濃度可溶性芥菜在高濃度可溶性Pb營養液中培養一段時間后營養液中培養一段時間后,莖中莖中Pb含量達到含量達到1.5； 印度芥菜還能吸收積累印度芥菜還能吸收積累Cr、Cu、Zn、Cd 、Ni等重金屬等重金屬植物提取應用植物提取應用重金屬植物修復技術13重金屬植物修復技術蜈蚣草，學名腎蕨，是一種多年生草本植物，在長江以南地區分布廣泛。在湖南各地，漫山遍野的蜈蚣

10、草展現出頑強的生命力。它可吸附砷、鉛等重金屬并轉移到地面的枝葉里，其中它吸收土壤中砷的能力超過普通植物20萬倍。蜈蚣草14重金屬植物修復技術東南東南景天景天(Sedum alfredii H)由楊肖娥等發現的第一種由楊肖娥等發現的第一種Zn 超富集超富集植物植物。地上部的地上部的Zn含量達含量達5000ppm.富集系數達富集系數達1.9以上。以上。 15即利用鰲合劑即利用鰲合劑, ,通過施用鰲合劑使土壤固相鍵合的金屬釋放，增加土壤溶液中的通過施用鰲合劑使土壤固相鍵合的金屬釋放，增加土壤溶液中的重金屬濃度，大幅度提高植物對重金屬的吸收和富集能力。重金屬濃度，大幅度提高植物對重金屬的吸收和富集能力

11、。 適用于在土壤中極難移動的污染元素適用于在土壤中極難移動的污染元素印度芥菜、玉米、印度芥菜、玉米、向日葵、蠶豆向日葵、蠶豆螯合劑（螯合劑（EDTAEDTA、HEDTAHEDTA和和CDTACDTA）對鉛、鋅、鎘和銅對鉛、鋅、鎘和銅的富集增加的富集增加誘導植物提取技術16鰲合劑的施用可使玉米、豌豆地上部Pb含量從小于5OOmg/kg增加到大于10000mg/kg。玉米、豌豆地上部分的Pb含量原始5007010000mg/kg誘導植物提取技術17植物揮發植物揮發18 植物揮發是利用植物根系分泌的一些特殊物質或微生物使土壤中的污染物（主要是Hg、Se、As）吸收到植物體內后轉化為氣態物質，揮發出土

12、壤和植物表面，釋放到大氣中。植物揮發要求被轉化后的物質毒性要小于轉化前的污染物質，以減輕環境危害。重金屬植物修復技術19其機理是利用植物根系吸收金屬，將其轉化為氣態物其機理是利用植物根系吸收金屬，將其轉化為氣態物質揮發到大氣中，以降低土壤污染。目前研究較多的質揮發到大氣中，以降低土壤污染。目前研究較多的是是HgHg和和SeSe. .HgHg2+2+SeSe3+3+HgHg2+2+CH3SeCH3 +CH3Se2CH3 （氣態）（氣態）洋麻、洋麻、紫云英、紫云英、印度芥印度芥菜菜Hg2+Hg攜有細菌攜有細菌Hg還原酶還原酶基因基因merA的的植物植物低低毒毒SeSe3+3+Se3+ATP硫化酶硫

13、化酶植物揮發技術20 植物揮發為環境中具有生物毒性汞的去除提供了一種潛在的可能性。植物揮發為環境中具有生物毒性汞的去除提供了一種潛在的可能性。 植物揮發時將環境中的重金屬轉移至大氣，若從區域整體環境質量考植物揮發時將環境中的重金屬轉移至大氣，若從區域整體環境質量考慮，利用植物揮發修復重金屬污染，應以不損害大氣質量為前提。慮，利用植物揮發修復重金屬污染，應以不損害大氣質量為前提。植物揮發技術21重金屬植物修復技術植物與重金屬污染物作用機理植物與重金屬污染物作用機理植物揮發植物揮發植物的揮發與植物吸收是相連的。它是利用植物的吸取、積累、揮發而減少土壤污染物，即利用一些植物來促進重金屬轉變為可揮發的

14、形態，并將之揮發出土壤或植物表面。目前這方面研究最多的是類金屬元素 Hg 和非金屬元素 Se。以汞的以汞的去除為去除為例：例：植物吸收Hg()植物體內Hg()merAMerA甲基汞(MeHg厭氧菌植物吸收植物體內MeHgMerBHg()+CH4基因導入merB22植物固定植物固定23 是指是指利用一些植物來促進重金屬轉變為低毒性形態的過程。在這一過程中，利用一些植物來促進重金屬轉變為低毒性形態的過程。在這一過程中，土壤的重金屬含量并不減少，只是形態發生變化。土壤的重金屬含量并不減少，只是形態發生變化。 分解、沉淀、螯合、分解、沉淀、螯合、氧化還原等過程氧化還原等過程土壤PbPbPbPb植物根系

15、惰性Pb土壤Cr6+Cr3+KumarKumar等在含鉛等在含鉛625mg/ kg 625mg/ kg 的土的土壤盆栽處理中種植印度芥菜壤盆栽處理中種植印度芥菜 , 3 , 3個星期后使淋溶液中的鉛含量由個星期后使淋溶液中的鉛含量由740740g/mLg/mL下降到下降到2222g/ mLg/ mL。生物有效性最強毒性減弱印度芥菜印度芥菜植物固定技術24植物植物穩定穩定功能功能(1) 保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止金屬污染物的淋移；(2) 通過在根部累積和沉淀或通過根表吸收金屬來加強對污染物的固定。 此外，植物還可以通過改變根際環境（PH，PE）來改變污染物的化學形態。 在這個過程中

16、根際微生物（細菌和真菌）也可能發揮重要作用。 例如 Cr6+具有較高的毒性，而通過轉化形成的 Cr3+溶解性很低，基本沒有毒性。 Cunningham 等研究了植物對環境中土壤 Pb 的固定，發現一些植物可降低 Pb 的生物可利用性，緩解 Pb 對環境中生物的毒害作用。重金屬植物修復技術25缺點缺點：植物穩定并沒有徹底清除土壤中的重金屬只是將其固定，使其對環境中的生物暫時不產生毒害作用，沒有從根本上解決重金屬的污染問題。如果環境條件發生變化，重金屬的生物有效性又會發生改變。因此植物穩定的持久性令人懷疑。植物固定技術26根系過濾根系過濾27指利用植物根部過濾、沉淀土壤、富集污染物指利用植物根部過

17、濾、沉淀土壤、富集污染物。適用于根際過濾技術的植物必須有較大的根系生物量，最好是須適用于根際過濾技術的植物必須有較大的根系生物量，最好是須根植物根植物目前用于根系過濾的植物有向日葵、印度芥菜、寬葉、香蒲及煙目前用于根系過濾的植物有向日葵、印度芥菜、寬葉、香蒲及煙草等。根系過濾主要用于重金屬污染的土壤，也可以是放射性核草等。根系過濾主要用于重金屬污染的土壤，也可以是放射性核素如素如U、Cs或或Sr污染的水體。污染的水體。水科植物浮萍和水葫蘆水科植物浮萍和水葫蘆可有效吸收清除水體中可有效吸收清除水體中的的Cd，Cu和和As等重金等重金屬。屬。根系過濾技術28重金屬植物修復技術 植物積累重金屬污染物

18、的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理從環境條件的角度看，污染物的可修復性并不是污染物本身固有的，而是環境從環境條件的角度看，污染物的可修復性并不是污染物本身固有的，而是環境狀態表現的結果改變了環境狀態，本來難以修復的污染物可能變得易修復了。狀態表現的結果改變了環境狀態，本來難以修復的污染物可能變得易修復了。影響植物修復的因素影響植物修復的因素 PH 值Eh（氧化還原電位）共存物質污染物的交互作用生物因子29重金屬植物修復技術植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理 PH 值值土壤酸度對重金屬化合物的溶解與沉淀平衡的影響較為復雜。土壤酸度對

19、重金屬化合物的溶解與沉淀平衡的影響較為復雜。土壤中絕大多數重金屬是以難溶態存在的，其可溶性受土壤中絕大多數重金屬是以難溶態存在的，其可溶性受 PH 值控制，即土壤重值控制，即土壤重金屬隨著金屬隨著 PH 值增加而發生沉淀，進而影響到植物的吸收與利用。值增加而發生沉淀，進而影響到植物的吸收與利用。 首先，大多數重金屬元素（Cd、Zn、Cu 等）隨土壤溶液 PH 值降低，其在土壤液相中的濃度就會增加，從而有利于植物吸收重金屬。例如：超積累植物 Caerulescens 吸收 Zn、 Cd 量的大小是隨土壤 PH 值下降而增加。其次，重金屬元素的離子活度隨土壤溶液 PH 值的降低而增加。例如，當土壤

20、溶液PH 值由 6.6 降低到 3.9 時，溶液中的有機 Cu 幾乎由 99%降低至 30%，極大地增加了 Cu2+離子的活度。此外，對類金屬性 As 等，因其在土壤中以陰離子形式存在，提高 PH 值將使土壤顆粒表面的負電荷增多，從而減弱 As 在土壤顆粒上的吸附作用，增大土壤溶液中的 As含量，植物對 As 的吸收增加。30重金屬植物修復技術植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理 Eh（氧化還原電位）（氧化還原電位）重金屬在不同的氧化還原狀態下，有不同的形態且可互相轉化。例如，在還原條件下，有機結合態 Cd 最穩定，但在氧化條件下，有機結合態鎘則被轉化為

21、生物可利用的水溶態、可交換態或溶解絡合態而釋放到水體中，并隨 Eh 增大，其釋放量增多。31植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理重金屬植物修復技術 共存物質共存物質1.絡合絡合螯合劑螯合劑植物對金屬離子的吸收與離子在溶液中的活度有關，螯合劑可增加金屬離子的溶解度但降低離子的活度。絡合劑首先與土壤溶液中的可溶性金屬離子結合，以防止金屬沉淀或吸附在土壤上。隨著自由離子的減少，被吸附態或結合態的金屬離子開始溶解，以補償平衡的移動。例如，EDTA 和 DTPA 在增加植物吸收 Pb 方面有效，而 EGTA 則對Cd 最有效。32植物積累重金屬污染物的環境因素作用

22、機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理重金屬植物修復技術2表面活性劑表面活性劑表面活性劑對土壤中微量重金屬陽離子具有增溶作用和增流作用，而且表面活性劑的鏈越長，其效應越高。表面活性劑對土壤重金屬具有解吸作用，而且當有重金屬存在的情況下，表面活性劑本身在土壤上的被吸附較弱。例如，用 LAS、CTAB、Tween80 等三類表面活性劑與鎘的復合污染對小麥生理狀態的影響，發現三種表面活性劑都能促進小麥對鎘的吸收，其作用順序為 CTABLASTween80；使用陰離子型 SDS、陽離子型 CTAB、非離子型 TX100 等三種表面活性劑以及 EDTA 和 DPC（二苯基硫卡巴腙）等兩種螯合劑修復

23、Cd、Pb、Zn 污染土壤，發現 SDS、TX100 能顯著促進重金屬的解吸，而 CTAB 則相反。33植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理重金屬植物修復技術污染物的交互作用污染物的交互作用 在現實環境中，往往有多種化學物質同時存在，它們對環境產生的生物學作用與任何單獨化學物質作用于環境所產生的生物學作用完全不同。通常情況下，單種污染物對環境的孤立影響比較少見；在大多數情況下，往往是多種污染物對環境產生復合污染。 污染物的聯合作用方式有下面四種類型：污染物的聯合作用方式有下面四種類型： （1）協同作同：是指兩種或兩種以上化學物質同時或數分鐘內先后與機體接

24、觸，多種化學物質聯合作用的毒性，大于各單個物質毒性的總和。 （2）相加作用：指多種化學物質的混合物，其污染物的聯合作用所產生的毒性為各單個物質產生毒性的總和。 （3）獨立作用：指多種化學物質各自對機體產生毒性作用機理各不相同、互不影響， 獨立作用產生的總效應低于相加作用，但不低于其中活性最強者。 （4）拮抗作用：指兩種或兩種以上化學物質同時作用于生物體，其中一種化學物質可干擾另一種化學物質原有的生物學作用，并使其減弱，其聯合作用的毒性小于單個化學物質毒性的總和。34植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理重金屬植物修復技術生物因子生物因子菌根真菌作為植物根系

25、與土壤的微生物，能夠把重金屬固定積聚在菌根內，致使植物吸收大量重金屬而又不受生理毒害。許多植物修復需要多種微生物的協同作用。這種協同有不同的類型，一種情況是單一菌種不能降解，混合后可以降解；另一種情況是單一菌種都可以降解，但混合后降解的速率超過單一菌種的降解速率之和。35植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理植物積累重金屬污染物的環境因素作用機理重金屬植物修復技術活化：根系通過改變根系環境如分泌有機酸，提高金屬活化：根系通過改變根系環境如分泌有機酸，提高金屬離子有效性，與土壤顆粒競爭獲得重金屬離子。離子有效性，與土壤顆粒競爭獲得重金屬離子。吸收：被吸收：被根部細胞根部細胞細胞壁捕獲，低親和性、

26、低選擇細胞壁捕獲，低親和性、低選擇 性的離子交換過程。性的離子交換過程。運輸：通過運輸：通過共質體運輸共質體運輸穿越根內皮層中的凱氏帶；穿越根內皮層中的凱氏帶； 轉運到轉運到中柱中柱釋放進入釋放進入木質部；木質部；與木質部中大量存在的有機酸和氨基酸結合運往與木質部中大量存在的有機酸和氨基酸結合運往地上部分。地上部分。 轉運系統轉運系統及細胞內及細胞內的高親和性的高親和性結合位結合位點點介導和驅動離子介導和驅動離子的跨膜運輸。的跨膜運輸。受膜轉運蛋白受膜轉運蛋白嚴格調控嚴格調控分布和貯存：經木質部汁液運輸到葉細胞的重金屬經分布和貯存：經木質部汁液運輸到葉細胞的重金屬經轉運蛋白卸載轉運蛋白卸載進入

27、葉共質進入葉共質體，再經葉共質體或質外體在葉細胞各組分間進行分配。體，再經葉共質體或質外體在葉細胞各組分間進行分配。植物植物液泡液泡往往是金屬離子鈍化后的儲存場所，在液泡內形成有機酸復合物，積往往是金屬離子鈍化后的儲存場所，在液泡內形成有機酸復合物，積累并起到解毒作用。累并起到解毒作用。36重金屬污染修復植物重金屬污染修復植物種類及種類及超累積超累積/ /富集植物生理機制富集植物生理機制重金屬植物修復技術重金屬污染修復植物種類重金屬污染修復植物種類超累積超累積/富集植物概念、特征和生理機制富集植物概念、特征和生理機制超累積超累積/富集植物對重金屬污染物的活化、富集植物對重金屬污染物的活化、吸收

28、、積累和忍耐機制吸收、積累和忍耐機制超累積植物的標準超累積植物的標準37重金屬植物修復技術重金屬污染修復植物種類重金屬污染修復植物種類38重金屬植物修復技術重金屬污染修復植物種類重金屬污染修復植物種類超富集植物中，73%為Ni超富集植物，達227種；Cu和Co的超富集植物有約50種，Cu的約24種，CO的約26種，其中有9種對Cu和CO都有超富集能力。 Ni的超富集植物主要分布于津巴布韋、新喀里多尼亞、古巴、西澳大利亞、南歐、美國西部、亞洲的馬來群島；Cu和Co的超富集植物多產于非洲扎伊爾沙壩銅礦帶。我國有廣袤的國土、豐富的植物資源、復雜多樣的地理地質構造，有可能蘊藏著大量超富集植物，為我國開

29、展研究提供了良好的條件。但從總體來看，我國對超富集植物種類研究少，有關重金屬超富集體的報道也很少，目前我國僅報導了12種金屬和重金屬的超富集植物。39重金屬植物修復技術超累積超累積/ /富集植物概念、特征和生理機制富集植物概念、特征和生理機制1. 超累積植物的概念：超累積植物的概念：超富集植物是指那些能夠超量積累重金屬等污染物的植物，通常指對重金屬等超富集植物是指那些能夠超量積累重金屬等污染物的植物，通常指對重金屬等污染物的吸收量超過一般植物污染物的吸收量超過一般植物10500倍以上的植物。倍以上的植物。超富集植物往往是長期生長在重金屬含量較高的土壤上，經過不斷的超富集植物往往是長期生長在重金

30、屬含量較高的土壤上，經過不斷的生物進化或遺傳工程培育誘導而形成的。生物進化或遺傳工程培育誘導而形成的。40重金屬植物修復技術超累積超累積/ /富集植物概念、特征和生理機制富集植物概念、特征和生理機制2. 超累積植物特征：超累積植物特征：重金屬離子的吸收及轉運重金屬離子的吸收及轉運重金屬離子的螯合重金屬離子的螯合重金屬離子的區室化重金屬離子的區室化 重金屬離子的轉化重金屬離子的轉化抗氧化系統的防御作用抗氧化系統的防御作用41重金屬植物修復技術超累積超累積/富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機制忍耐機制1.根際圈重金屬的活化根際圈重金屬的活化根

31、系分泌質子促進對重金屬的活化。根系分泌質子促進對重金屬的活化。根系分泌低分子量有機酸如乙酸和琥珀酸等酸化根際圈環境，促進重金屬根系分泌低分子量有機酸如乙酸和琥珀酸等酸化根際圈環境，促進重金屬的溶解。同時有機酸也可以與固相結合的重金屬形成螯合物，增強重金屬的的溶解。同時有機酸也可以與固相結合的重金屬形成螯合物，增強重金屬的溶解度；溶解度；根系分泌金屬螯合分子如植物高鐵載體、植物螯合肽等，促進土壤中結合根系分泌金屬螯合分子如植物高鐵載體、植物螯合肽等，促進土壤中結合態態 Fe Fe、ZnZn、CuCu、Mn Mn 等的溶解；等的溶解；根細胞膜上某些專一性重金屬還原酶能促進高價金屬離子還原，從而使重

32、根細胞膜上某些專一性重金屬還原酶能促進高價金屬離子還原，從而使重金屬溶解度增加。金屬溶解度增加。42重金屬植物修復技術超累積超累積/富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐機制忍耐機制2.超積累植物對重金屬的吸收與運輸超積累植物對重金屬的吸收與運輸根系對重金屬的選擇性吸收。根系對重金屬的選擇性吸收。超積累植物通常只對某一種或幾種重金屬具有超積累能力，對其它重金屬則超積累植物通常只對某一種或幾種重金屬具有超積累能力，對其它重金屬則沒有超積累特性，其主要原因可能在于根系的選擇性吸收。沒有超積累特性，其主要原因可能在于根系的選擇性吸收。超積累植物和普通

33、植物一樣也通過質外體和共質體途徑吸收土壤中包括重金超積累植物和普通植物一樣也通過質外體和共質體途徑吸收土壤中包括重金屬在內的礦質營養，重金屬也基本上以離子或金屬螯合物的形態進入植物體屬在內的礦質營養，重金屬也基本上以離子或金屬螯合物的形態進入植物體內。內。產生選擇性吸收的可能機制在于根表細胞膜或根木質部細胞的質膜上，可能產生選擇性吸收的可能機制在于根表細胞膜或根木質部細胞的質膜上，可能存在重金屬誘導產生的專一性運輸蛋白或通道調控蛋白，限制著重金屬從土存在重金屬誘導產生的專一性運輸蛋白或通道調控蛋白，限制著重金屬從土壤進入到根部，再從根部到植物其它部位的運輸；壤進入到根部，再從根部到植物其它部位

34、的運輸；43重金屬植物修復技術超累積超累積/富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和忍耐忍耐機制機制重金屬在植物體內的轉移。重金屬在植物體內的轉移。重金屬離子從根表進入根系后，可通過質外體或共質體途徑運輸，但由于重重金屬離子從根表進入根系后，可通過質外體或共質體途徑運輸，但由于重金屬離子不能通過內皮層凱氏帶，只有轉入共質體途徑才能進入木質部導管，金屬離子不能通過內皮層凱氏帶，只有轉入共質體途徑才能進入木質部導管，這一運輸途徑是植物將重金屬轉移到地上部的限制性步驟。這一運輸途徑是植物將重金屬轉移到地上部的限制性步驟。進入根中的重金屬通過運輸體或通道蛋白

35、進入液泡，再通過液泡的區室化作進入根中的重金屬通過運輸體或通道蛋白進入液泡，再通過液泡的區室化作用進行解毒，同時也限制了重金屬向地上部的運輸，這也許是普通植物根部用進行解毒，同時也限制了重金屬向地上部的運輸，這也許是普通植物根部重金屬含量高于地上部含量的一個原因。重金屬含量高于地上部含量的一個原因。但超積累植物的液泡膜上可能存在一些特殊運輸體，可以把液泡中重金屬裝但超積累植物的液泡膜上可能存在一些特殊運輸體，可以把液泡中重金屬裝載到木質部導管以利于向地上部運輸。載到木質部導管以利于向地上部運輸。44重金屬植物修復技術超累積超累積/富集植物對重金屬污染物的活化、吸收、積累和富集植物對重金屬污染物

36、的活化、吸收、積累和忍耐忍耐機制機制3.超積累植物對重金屬的積累機制超積累植物對重金屬的積累機制 超積累植物對重金屬的積累表現出區室化分布和具有較強解毒能力超積累植物對重金屬的積累表現出區室化分布和具有較強解毒能力的特點，這與普通植物對重金屬的耐性機理有相似之處，只不過功的特點，這與普通植物對重金屬的耐性機理有相似之處，只不過功能更強大。能更強大。研究表明，超積累植物體內重金屬在細胞水平上主要分布在液泡及研究表明，超積累植物體內重金屬在細胞水平上主要分布在液泡及質外體等非生理活性區，在組織水平上，主要分布在表皮細胞、亞質外體等非生理活性區，在組織水平上，主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞中，而與有

37、機化合物如表皮細胞中，而與有機化合物如 PCs、組氨酸、檸檬酸的螯合可能、組氨酸、檸檬酸的螯合可能是主要的解毒機制。是主要的解毒機制。45重金屬植物修復技術超累積植物的標準超累積植物的標準即使在污染物濃度較低的情況下，也有較即使在污染物濃度較低的情況下，也有較高的累積率；高的累積率；能在植物體內富集較高濃度的污染物；能在植物體內富集較高濃度的污染物；植物能同時吸收累積多種重金屬污染物；植物能同時吸收累積多種重金屬污染物；植物生長快，生物量大；植物生長快，生物量大；植物具有抗蟲、抗病的能力。植物具有抗蟲、抗病的能力。46超積累植物的研究流程超積累植物的研究流程植物的發現植物的發現植物的相關實驗植

38、物的相關實驗分析具有此特性分析具有此特性的生理機制的生理機制找到具有此特性找到具有此特性的作用因子的作用因子改變外界和自身改變外界和自身條件條件達到理想效果達到理想效果重金屬污染植物修復技術重金屬污染植物修復技術案案 例例 分分 析析 美國美國Edenspace Systems公司是一家從事污染土壤和水體修復工作的公司是一家從事污染土壤和水體修復工作的公司。公司。http:/ Edenspace Systems Simsbury. Connecticut1998年，美國康涅狄格州年，美國康涅狄格州(Connecticut)的錫姆斯伯里地區的錫姆斯伯里地區(Simsbury)。面積約面積約0.1

39、95 hm2的的Pb污染土壤進行了植物修復；污染土壤進行了植物修復；Ensign-Bickford公司的空場燃燒和爆炸導致；公司的空場燃燒和爆炸導致；平均總平均總Pb濃度濃度635 mgkg-1，個別地點，個別地點Pb濃度高達濃度高達10004000 mgkg-1；該；該地土壤為粉沙壤土，地土壤為粉沙壤土，pH 6.157.15；每年每年410月生長季節，土壤含水量飽和。月生長季節，土壤含水量飽和。采取的措施主要是：采取的措施主要是：1)增施氮、磷、鉀肥提高土壤肥力，采用白增施氮、磷、鉀肥提高土壤肥力，采用白云石石灰調節土壤云石石灰調節土壤pH； 2)石灰和肥料施加深度為石灰和肥料施加深度為1

40、520 cm，建立，建立噴灌灌溉系統使土壤保持濕潤；噴灌灌溉系統使土壤保持濕潤； 3)種植印度芥菜種植印度芥菜(Brassica juncea)和朝陽花和朝陽花(Helianthusan-uus)；4)通過噴灌系統增施葉肥。通過噴灌系統增施葉肥。植物修復效果植物修復效果： 6個月后發現，土壤中總個月后發現，土壤中總Pb濃度下降到濃度下降到478mgkg-1。 在芥菜和朝陽花干重中在芥菜和朝陽花干重中Pb的平均積累量達到的平均積累量達到1000mgkg-1。Edenspace Systems公司選取的修復方法是以植物提取為中心，以施肥、公司選取的修復方法是以植物提取為中心，以施肥、施加石灰以及建

41、立噴灌系統等措施為輔助。施加石灰以及建立噴灌系統等措施為輔助。整個方法實現了植物、物理、工程等措施的有機結合。整個方法實現了植物、物理、工程等措施的有機結合。從修復過程而言，從修復過程而言，首先是調查了解土壤基本性質和污染情況；其次是通過施肥、施加石灰首先是調查了解土壤基本性質和污染情況；其次是通過施肥、施加石灰以及建立噴灌系統等農藝、物理、工程等措施改善基礎環境；以及建立噴灌系統等農藝、物理、工程等措施改善基礎環境；再次是采用芥菜和朝陽花進行植物提取修復，并在修復過程中通過灌溉再次是采用芥菜和朝陽花進行植物提取修復，并在修復過程中通過灌溉系統噴施葉肥，為植物生長提供營養物質，增加植物生物量的

42、同時也促系統噴施葉肥，為植物生長提供營養物質，增加植物生物量的同時也促進了植物的修復效率。進了植物的修復效率。最終實現了對最終實現了對Pb污染土壤的成功修復，提高了土壤的服務功能。污染土壤的成功修復，提高了土壤的服務功能。 Bayonne. New Jersey1996年，美國新澤西州年，美國新澤西州(New Jesery)的貝永地區的貝永地區(Bayonne)。電纜制造業污染工業區，導致土壤中高濃度鉛污染；電纜制造業污染工業區，導致土壤中高濃度鉛污染；表層土壤表層土壤(1-15cm)的的Pb污染濃度達污染濃度達10006500mg/Kg，平均達，平均達2055mg/Kg。地下土壤深度地下土壤

43、深度15-30cm區鉛污染濃度較低，區鉛污染濃度較低，7802100mg/Kg，平均，平均1280mg/Kg；30-45cm深土層濃度從深土層濃度從2808800mg/Kg變化。變化。Edenspace Systems Corporation挖掘表層挖掘表層6英寸土壤，并設置一個英寸土壤，并設置一個3.5英尺的濃度計。英尺的濃度計。土壤為堿性條件土壤為堿性條件pH7.9，且由包含，且由包含2.5%有機質的沙壤土組成。有機質的沙壤土組成。土壤的鉛主要（土壤的鉛主要（66%）以碳酸鹽形式賦存。）以碳酸鹽形式賦存。通過灌溉系統，以通過灌溉系統，以2mmol/Kg速度施加含有速度施加含有EDTA的改良

44、劑；的改良劑；芥菜芥菜Brassica juncea作為修復植物；作為修復植物；生長周期（每生長周期（每6周）進行收割；周）進行收割；Enhancement of plant uptake of Pb through the use of synthetic chelates.特殊農業特殊農業灌溉系統灌溉系統土壤水中溶解態鉛，土壤水中溶解態鉛，并添加絡合劑并添加絡合劑根系提取根系提取運輸到莖部運輸到莖部蒸騰作用蒸騰作用使其富集使其富集將表層土壤中鉛濃度由將表層土壤中鉛濃度由2300mg/Kg降低至降低至420mg/Kg，平均，平均960mg/Kg；地下地下15-30cm深度土壤，平均鉛濃度由深

45、度土壤，平均鉛濃度由1280mg/Kg降至降至992mg/Kg；但在但在30-45cm深度鉛濃度并無改變。深度鉛濃度并無改變。表層土壤鉛平均濃度由表層土壤鉛平均濃度由2055mg/Kg降至降至960mg/Kg；添加添加EDTA的土壤淋濾后沒有的土壤淋濾后沒有EDTA和鉛溶出；和鉛溶出；出乎意料的是三茬作物在生長季節可以去除如此大量的鉛。出乎意料的是三茬作物在生長季節可以去除如此大量的鉛。 土壤植物修復工程土壤植物修復工程3 SuperFund美國超級基金美國超級基金,修復面積約修復面積約7.5畝，來自電池回收、鑄造和二次冶煉操作導致的嚴重土壤畝，來自電池回收、鑄造和二次冶煉操作導致的嚴重土壤鉛

46、污染，污染時間跨度約鉛污染，污染時間跨度約90年。年。土壤總鉛污染濃度平均為土壤總鉛污染濃度平均為55480mg/Kg，最高值達到，最高值達到140500mg/Kg;土壤中鉛最初以碳酸鹽形式存在（土壤中鉛最初以碳酸鹽形式存在（41.6%），），28.9%以硫酸鹽以硫酸鹽/殘留態存殘留態存在，在，26.7%以無機化學態存在以無機化學態存在;據估計有據估計有71.4%的土壤總鉛以非殘留態存在，使得其易被生物利用。的土壤總鉛以非殘留態存在，使得其易被生物利用。超級基金的供試土壤為超級基金的供試土壤為pH7.58.1的堿性條件。的堿性條件。85%的區域以本土植物種類種植，以草類、豆類和各種多年生植物的

47、區域以本土植物種類種植，以草類、豆類和各種多年生植物;由于土壤總鉛的嚴重污染，所有植物的根部均嚴重發育不良，通常不穿由于土壤總鉛的嚴重污染，所有植物的根部均嚴重發育不良，通常不穿透透5cm深度深度;這項研究中應用植物通常為麥仙翁（這項研究中應用植物通常為麥仙翁（Agrostemma githago），車前草），車前草(Plantago rugelii)，大蒜芥，大蒜芥(Alliaria officinalis),蒲公英蒲公英(Taraxacum officinale)，豚草，豚草(Ambrosia artemisiifola)，紅花槭（，紅花槭（Acer rubrum）;蒲公英，豚草和紅花槭是

48、在室內研究其從鉛污染土壤中提取污染的能力。蒲公英，豚草和紅花槭是在室內研究其從鉛污染土壤中提取污染的能力。在室內培育研究中，在室內培育研究中，蒲公英成功地從第一輪種植中提取蒲公英成功地從第一輪種植中提取1059mg/Kg和第二批和第二批921mg/Kg。豚草成功地從第一輪種植中提取豚草成功地從第一輪種植中提取965mg/Kg鉛，在第二輪中增長到鉛，在第二輪中增長到1232mg/Kg。每輪種植允許生長期每輪種植允許生長期60天。天。去除鉛的作物種類主要為草本植物，可以產生顯著的生物量。去除鉛的作物種類主要為草本植物，可以產生顯著的生物量。 封育植物修復試驗封育植物修復試驗. 加拿大加拿大向日葵種

49、植修復試驗向日葵種植修復試驗. 西里西亞西里西亞. 波蘭波蘭.重金屬污染物由布散器直接施加于土壤重金屬污染物由布散器直接施加于土壤表層，試驗地表層，試驗地卡托維茲卡托維茲. 波蘭波蘭Ex-Situ Phytoremediation of Paper Mill Landfill Leachate.砂河設計及成片部署白楊樹系統，用于修復造紙廠污泥堆肥滲濾液。砂河設計及成片部署白楊樹系統，用于修復造紙廠污泥堆肥滲濾液。北部威斯康星州北部威斯康星州. 美國美國向日葵（朝陽花）顯著的用途是從切爾諾貝利核電站（向日葵（朝陽花）顯著的用途是從切爾諾貝利核電站（1896年）泄漏污染位年）泄漏污染位點周圍土壤和

50、池塘內取出銫和鍶（放射性元素）。點周圍土壤和池塘內取出銫和鍶（放射性元素）。廣西、云南等地遇到洪水時，上游堆積的開采礦產中高濃度重金屬的污水廣西、云南等地遇到洪水時，上游堆積的開采礦產中高濃度重金屬的污水就順勢蔓延下來，造成下游上百公里的河道和農田受到污染，從而大面積就順勢蔓延下來，造成下游上百公里的河道和農田受到污染，從而大面積稻田絕收或嚴重減產。稻田絕收或嚴重減產。在國家高技術發展計劃在國家高技術發展計劃(863項目項目)、973前期專項和國家自然科學基金重點前期專項和國家自然科學基金重點項目的支持下，陳同斌研究員在湖南郴州建立了世界上第一個砷污染土壤項目的支持下，陳同斌研究員在湖南郴州建

51、立了世界上第一個砷污染土壤植物修復基地。修復后：在田間種植條件下，蜈蚣草葉片含砷量高達植物修復基地。修復后：在田間種植條件下，蜈蚣草葉片含砷量高達0.8%.3 國內國內中科院地理資源所陳同斌研究組，受當地政府委托進行污染土地的修復工中科院地理資源所陳同斌研究組，受當地政府委托進行污染土地的修復工作。作。修復前：廣西某縣因洪災造成超過修復前：廣西某縣因洪災造成超過5000畝農田土壤被嚴重污染，部分土壤畝農田土壤被嚴重污染，部分土壤甚至寸草不生，這已成為廣西當前最突出的環境問題。甚至寸草不生，這已成為廣西當前最突出的環境問題。修復后：建立污染土地的植物修復示范工程，目前已開始種植超富集植物修復后：

52、建立污染土地的植物修復示范工程，目前已開始種植超富集植物進行土壤重金屬污染修復試驗，取得初步成效。進行土壤重金屬污染修復試驗，取得初步成效。重金屬植物修復技術重金屬植物修復技術現存問題及改善措施現存問題及改善措施大部分重金屬超富集植物植株矮小，生物量低，生長緩慢；因而，修復效率受到很大影響，且不易機械化作業，造成經濟上不合理。引種困難植株生物量太低超富集植物多為野生植物，對氣候條件的要求也比較嚴格，對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統等自然和人為條件有一定的要求；區域性分布較強，使成功引種受到嚴重限制；現存問題專一性強超富集植物專一性強，通常一種植物往往只是吸收一種或兩種重金屬元素，對土壤中其它濃度較高的重金屬則表現出某些中毒癥狀，從而限制了植物修復技術在多種重金屬污染土壤治理方面的應用前景；循環式污染植物由于通過落葉，器管腐敗，以及由于死亡未及時回收處理等原因使重金屬重返土壤；因此必需在落葉前收割并處理植物器官。富集植物的再處理困難 積累大量重金屬的植物再處理也是一個棘手的問題,還存在污染物及其降解產物的重新活化問題。其他因素除植物自身因素外，還有其它因素也影響植物修復的有效性,如土壤微生物活性,土壤本身的理化特性,還有污染區的氣候地理條件等。由于待修復土壤養分缺乏、重金屬活性低，以及已發現的超積累植物生物量小、生長緩慢、且受氣候、土壤等環境條件