1、l11.1 重金屬污染土壤修復技術的分類重金屬污染土壤修復技術的分類l11.2 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的物理物理和化學修復技術和化學修復技術l11.3 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的生生物修復技術物修復技術l 客土法、換土法客土法、換土法微生物修復微生物修復稀釋法稀釋法水洗法水洗法熱解析法熱解析法改良劑法改良劑法氧化還原法氧化還原法電動力學修復法電動力學修復法植物修復植物修復淋溶法淋溶法動物修復動物修復修復技術修復技術就地修復（就地修復（in-situ）離地修復（離地修復（ex-situ）場外修復場外修復（on-site）異地修復異地修復（off-site） 離地修復技術離地修復技術

2、，是將是將土壤提出土壤提出，然后或者在當然后或者在當地地，即場外修復或者移至即場外修復或者移至其他地方進行異地修復其他地方進行異地修復。l11.1 重金屬污染土壤修復技術的分類重金屬污染土壤修復技術的分類l11.2 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的物理物理和化學修復技術和化學修復技術 11.2.1 重金屬污染土壤的物理修復技術重金屬污染土壤的物理修復技術 11.2.2 重金屬污染土壤的化學修復技術重金屬污染土壤的化學修復技術l11.3 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的生生物修復技術物修復技術11.2.1 重金屬污染土壤的物理修復技術重金屬污染土壤的物理修復技術客土法、換土法客土法、換土法稀釋法

3、稀釋法水洗法水洗法熱解析法熱解析法淋溶法淋溶法重金屬污染土壤的物理修復技術重金屬污染土壤的物理修復技術客土法、換土法客土法、換土法客土法：客土法：在被污染的土壤上覆蓋上非污染土壤；在被污染的土壤上覆蓋上非污染土壤；換土法：換土法：部分或全部挖除污染土壤而換上非污染土壤。部分或全部挖除污染土壤而換上非污染土壤。l 換土的厚度愈大，降低作物中重金屬含量的效果愈明顯。換土的厚度愈大，降低作物中重金屬含量的效果愈明顯。注意事項：注意事項： 主客土的主客土的pHpH要盡量接近，避免由于客土酸性增加，引起污染土壤要盡量接近，避免由于客土酸性增加，引起污染土壤中重金屬的活性增大，一般換土的厚度大于耕作層的厚

4、度。中重金屬的活性增大，一般換土的厚度大于耕作層的厚度。 妥善處理被挖污染土壤，避免引起次生污染。妥善處理被挖污染土壤，避免引起次生污染。l 適用性：適用性：客土法或換土法花費的人力和和財力巨大，只客土法或換土法花費的人力和和財力巨大，只適用于小面積嚴重污染土壤的治理。適用于小面積嚴重污染土壤的治理。稀釋法稀釋法原理原理 稀釋法即為上下層土壤混合。此法僅適于污染濃度較低之土壤。稀釋法即為上下層土壤混合。此法僅適于污染濃度較低之土壤。實例實例 臺灣地區近年連續發生鎘米污染事件，曾采用不同方法減低危臺灣地區近年連續發生鎘米污染事件，曾采用不同方法減低危害，本案例將表層害，本案例將表層30公分受污染

5、土壤與下層土公分受污染土壤與下層土30-150公分加以混公分加以混合，即以合，即以5倍土壤稀釋，對桃圓縣蘆竹鄉中福鎘和鉛污染地區進行了倍土壤稀釋，對桃圓縣蘆竹鄉中福鎘和鉛污染地區進行了修復，通過稀釋，原來中低污染濃度的鎘（修復，通過稀釋，原來中低污染濃度的鎘（1mg/kg-5mg/Kg）和鉛）和鉛（40mg/kg-200mg/kg），可稀釋至標準以下，鎘（），可稀釋至標準以下，鎘（1mg/kg）和）和鉛（鉛（40mg/kg)。并連續四期水稻試種，米中鎘的含量均符合衛生。并連續四期水稻試種，米中鎘的含量均符合衛生安全標準，可恢復為農地使用。安全標準，可恢復為農地使用。水洗法水洗法原理：原理： 采

6、用采用清水灌溉稀釋清水灌溉稀釋或或洗去洗去重金屬離子，使重金屬離子重金屬離子，使重金屬離子遷移遷移至至較深土層中，以減少表土中重金屬離子的濃度；或者將含重金屬較深土層中，以減少表土中重金屬離子的濃度；或者將含重金屬離子的水排出田外。離子的水排出田外。注意事項注意事項 采用此法也應遵守防止次生污染的原則，要將毒水排入一定采用此法也應遵守防止次生污染的原則，要將毒水排入一定的儲水池或特制的凈化裝置中，進行凈化處理，切忌直接排入江的儲水池或特制的凈化裝置中，進行凈化處理，切忌直接排入江河或魚塘中。河或魚塘中。適用性：適用性： 只適用于小面積嚴重污染土壤的治理。只適用于小面積嚴重污染土壤的治理。原理原

7、理利用高頻電壓產生的電磁波對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內利用高頻電壓產生的電磁波對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內解吸出來，加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離，從而達到修復的解吸出來，加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離，從而達到修復的目的。目的。此法主要適用于揮發性重金屬，如汞，往往需要將污染此法主要適用于揮發性重金屬，如汞，往往需要將污染土壤加熱到土壤加熱到500-1100，并收集揮發的汞。，并收集揮發的汞。實例實例美國一家汞回收服務公司對汞的回收利用進行了實驗室和中型美國一家汞回收服務公司對汞的回收利用進行了實驗室和中型模擬實驗研究，成功地將此方法應用于現場治理，并且開始了模擬實驗

8、研究，成功地將此方法應用于現場治理，并且開始了商業化服務。到目前為止，此項技術已成功地治理了商業化服務。到目前為止，此項技術已成功地治理了2300t以以上被汞污染的土壤，治理后，土壤中汞的濃度達到了背景值上被汞污染的土壤，治理后，土壤中汞的濃度達到了背景值( 活性炭活性炭 泥炭泥炭 干活性污干活性污泥泥。 Querol等用等用煤灰合成沸石煤灰合成沸石鈍化重金屬，發現沸石顯著地降低鈍化重金屬，發現沸石顯著地降低了了Cd、Co、Cu、Ni和和Zn的有效性，主要是由于金屬被吸附到粘土的有效性，主要是由于金屬被吸附到粘土礦物表面；同時合成沸石是一種堿性物質，提高了土壤的礦物表面；同時合成沸石是一種堿性

9、物質，提高了土壤的pH值，值，減小了重金屬的移動性。減小了重金屬的移動性。（4）離子拮抗作用離子拮抗作用 利用利用輕金屬與重金屬的拮抗作用輕金屬與重金屬的拮抗作用，可以降低重金屬，可以降低重金屬的植物吸收，如加入鈣抑制某些重金屬的吸收，加入鉀的植物吸收，如加入鈣抑制某些重金屬的吸收，加入鉀或提高鉀的活性，降低放射性銫的吸收。或提高鉀的活性，降低放射性銫的吸收。 重金屬之間也存在拮抗作用，如研究表明，鋅鎘重金屬之間也存在拮抗作用，如研究表明，鋅鎘比大于比大于100，每公頃施入鎘的含量不宜超過，每公頃施入鎘的含量不宜超過11-7公斤，公斤，鋅鎘比小于鋅鎘比小于100，每公頃施入鎘的含量不宜超過，每

10、公頃施入鎘的含量不宜超過3-4公公斤。斤。 羅厚枚等研究發現對于羅厚枚等研究發現對于大豆大豆，銅、鋅、鉛銅、鋅、鉛的存在降的存在降低低鎳鎳的毒性。的毒性。加入磷酸鹽加入磷酸鹽 施用施用磷酸鹽磷酸鹽可使某些金屬，如可使某些金屬，如FeFe、MnMn、CrCr、ZnZn、CdCd形形成難溶性磷酸鹽。成難溶性磷酸鹽。 McGown McGown等研究表明磷酸氫二銨與重金屬能夠形成溶解等研究表明磷酸氫二銨與重金屬能夠形成溶解度較低的金屬磷酸鹽沉淀，從而降低了度較低的金屬磷酸鹽沉淀，從而降低了PbPb、CdCd、ZnZn的溶解的溶解性，并發現磷濃度為性，并發現磷濃度為2300 g/kg2300 g/kg

11、時固化時固化CdCd、PbPb、ZnZn效果最效果最好。好。 Raicevic Raicevic等通過實驗和理論研究相結合指出磷灰石鈍等通過實驗和理論研究相結合指出磷灰石鈍化化PbPb和和CdCd的機理可能是金屬離子與磷灰石表面的鈣離子發的機理可能是金屬離子與磷灰石表面的鈣離子發生離子交換，使生離子交換，使PbPb、CdCd被吸附到過磷灰石表面；磷灰石溶被吸附到過磷灰石表面；磷灰石溶解，形成磷酸根離子，與金屬形成新的固體沉淀下來。解，形成磷酸根離子，與金屬形成新的固體沉淀下來。 氧化還原法氧化還原法l土壤的土壤的Eh，與土壤的水份成密切相關與土壤的水份成密切相關，可以通過調節土壤水份來，可以通

12、過調節土壤水份來控制土壤中重金屬的行為。控制土壤中重金屬的行為。l有研究直接有研究直接建立了建立了Eh與稻米含鎘量之間的數據與稻米含鎘量之間的數據，當，當Eh為為4111mV時，糙米含鎘量為時，糙米含鎘量為1118mV時的時的12.5倍。這是因為，土壤處于還原倍。這是因為，土壤處于還原狀態下時，狀態下時，Fe3+還原為還原為Fe2+；MnO2還原為還原為Mn2+；SO42-還原為還原為S2-，因此可生成因此可生成FeS，MnS，CdS共沉淀。共沉淀。l當土壤中含硫較少時，適當加入含硫試劑。當土壤中含硫較少時，適當加入含硫試劑。l在砷污染的土壤中，氧化還原條件的影響正相反，在氧化條件下，在砷污染

13、的土壤中，氧化還原條件的影響正相反，在氧化條件下，砷酸根是穩定態，在還原條件下，亞砷酸根是主要形態，而亞砷砷酸根是穩定態，在還原條件下，亞砷酸根是主要形態，而亞砷酸根對植物的毒性要比砷酸根大的多。所以當出現砷與其它金屬酸根對植物的毒性要比砷酸根大的多。所以當出現砷與其它金屬復合污染時，采取調節土壤氧化還原電位的方法是不可取的復合污染時，采取調節土壤氧化還原電位的方法是不可取的。11.2.2.3 電動力學修復法電動力學修復法 污染土壤的電動修復污染土壤的電動修復是綜合土壤化學、環是綜合土壤化學、環境化學、電化學和分析化學等學科的交叉修復技境化學、電化學和分析化學等學科的交叉修復技術。它主要是通過

14、在污染土壤兩側施加直流電壓術。它主要是通過在污染土壤兩側施加直流電壓形成電場梯度，土壤中的污染物質在電場作用下形成電場梯度，土壤中的污染物質在電場作用下被帶到電極兩端從而清潔污染土壤。被帶到電極兩端從而清潔污染土壤。 從從20世紀世紀80年代到目前年代到目前，已有美國、英國、德國、已有美國、英國、德國、澳大利亞、日本和韓國等國家的科學家相繼開展了土壤澳大利亞、日本和韓國等國家的科學家相繼開展了土壤電動修復方面的基礎和應用性研究工作電動修復方面的基礎和應用性研究工作，發表在這方面發表在這方面的論文呈逐年增加的趨勢的論文呈逐年增加的趨勢，而有關專利及應用方面的報而有關專利及應用方面的報道也較多。道

15、也較多。 u基礎研究方面基礎研究方面，在池體設計、電動過程及其機在池體設計、電動過程及其機理、模型建立等方面開展了一些探索性工作；理、模型建立等方面開展了一些探索性工作；u嘗試結合一些新技術嘗試結合一些新技術，如生物技術如生物技術，超分子化超分子化學技術等學技術等，來提高污染土壤電動修復方法的處來提高污染土壤電動修復方法的處理效率理效率，從而進一步降低處理成本。從而進一步降低處理成本。u對污染土壤的現場電動修復也進行了初步試驗對污染土壤的現場電動修復也進行了初步試驗，如美國環保局（如美國環保局（EPAEPA）和美國軍隊環境中心）和美國軍隊環境中心(USAEC)(USAEC)等都開展了污染土地現

16、場修復研究等都開展了污染土地現場修復研究。整體來看該項工作目前尚處于初始階段。整體來看該項工作目前尚處于初始階段。u這種方法是根據離子的這種方法是根據離子的電動力學電動力學和和電滲析原理電滲析原理，所以有的學者也稱所以有的學者也稱之為電滲析土壤修復之為電滲析土壤修復。u主要這種技術是在土壤處于酸性條件下主要這種技術是在土壤處于酸性條件下，使用直流電使用直流電，對重金屬進對重金屬進行清除處理行清除處理。u是通過是通過在包含污染土壤的電解池兩側施加直流電壓形成電場梯度在包含污染土壤的電解池兩側施加直流電壓形成電場梯度，土壤中的污染物質通過電遷移、電滲流或電泳的途徑被帶到位于電土壤中的污染物質通過電

17、遷移、電滲流或電泳的途徑被帶到位于電解池兩極的處理室中并通過進一步的處理從而實現污染土壤樣品的解池兩極的處理室中并通過進一步的處理從而實現污染土壤樣品的減污或清潔。減污或清潔。u它的對象既可是無機物也可是有機物污染的土壤。它的對象既可是無機物也可是有機物污染的土壤。（一）電動修復的原理（一）電動修復的原理電動力學修復技術原理電動力學修復技術原理電泳指土壤中帶電膠體粒子的相對于穩定液體的遷移運動 。 電遷移指帶電離子在土壤溶液中朝帶相反電荷電極的運動;+電滲析流指土壤顆粒表面及微孔中的液體(一般帶正電）在電場作用下的移動;陽極: 2 H2O - 4e-O2 + 4H+陰極: 2 H2O + 2e

18、-H2 + 2OH-電解反應導致陽極附近的電解反應導致陽極附近的pH呈酸性，而陰極附近呈堿性。呈酸性，而陰極附近呈堿性。 為了控制電極區的為了控制電極區的pH，可采取下列措施：，可采取下列措施：l通過添加酸來消除電極反應產生的通過添加酸來消除電極反應產生的OH-；l 在土柱與陰極池之間使用陽離子交換膜；同樣為了防止陽極池在土柱與陰極池之間使用陽離子交換膜；同樣為了防止陽極池中的中的H+向土柱移動，引起土柱內向土柱移動，引起土柱內pH降低，影響其電滲析作用，也可在降低，影響其電滲析作用，也可在陽極池與土柱間使用陰離子交換膜；陽極池與土柱間使用陰離子交換膜；l 采用鋼材料的犧牲電極。使用這種電極時

19、，鐵會比水更優先氧采用鋼材料的犧牲電極。使用這種電極時，鐵會比水更優先氧化從而減少氫離子的產生；化從而減少氫離子的產生；l 定期交換兩極溶液。定期交換兩極溶液。（二）電動修復（二）電動修復技術的技術的特特點點優點：優點： 在一些特殊的地區使用比較方便在一些特殊的地區使用比較方便，因為對于土壤的處理因為對于土壤的處理，僅僅僅僅限于兩個電極之間限于兩個電極之間，不涉及以外地區的土壤。這種方法對于質地黏不涉及以外地區的土壤。這種方法對于質地黏土的土壤效果良好土的土壤效果良好，因為黏土表面有負電荷因為黏土表面有負電荷，同時在飽和及不飽和同時在飽和及不飽和的土壤中都可應用。的土壤中都可應用。 該方法特別

20、適合于低滲透的粘土和淤泥土該方法特別適合于低滲透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的可以控制污染物的流動方向。流動方向。 電動修復是一種原位修復技術電動修復是一種原位修復技術，不攪動土層不攪動土層，并可以縮短修復并可以縮短修復時間時間，是一種經濟可行的修復技術。是一種經濟可行的修復技術。（二）電動修復（二）電動修復技術的技術的特特點點缺點：缺點：l 必須在酸性條件下進行必須在酸性條件下進行，往往需要加入提高土壤酸性的溶劑往往需要加入提高土壤酸性的溶劑， 當土壤的緩沖容量很高時當土壤的緩沖容量很高時，則很難調控到土壤的酸性條件則很難調控到土壤的酸性條件，同時土同時土壤酸化也可能是環境保護所不容許的壤

21、酸化也可能是環境保護所不容許的。l 耗費時間耗費時間，可能從幾天直到幾年。可能從幾天直到幾年。l 如果使用的直流電壓較高如果使用的直流電壓較高，則效果降低則效果降低，這是由于土壤溫度升這是由于土壤溫度升高所造成。高所造成。 總之，總之，這種修復方法具有處理成本低這種修復方法具有處理成本低，修復效率高修復效率高，后處理方便后處理方便等一系列優點等一系列優點，特別是在處理點源污染和突發性事故等方面有非常好特別是在處理點源污染和突發性事故等方面有非常好的應用前景的應用前景，無疑是對現有方法的重要補充無疑是對現有方法的重要補充。原理：直流電場，電解、電遷移、擴散、電滲透、電泳等作用，離子向電極附近富集

22、被去除適用范圍：金屬污染物。適用土壤：低滲透性的、黏質的土壤。水力傳導率較低、污染物水溶性較高、水中的離子化物質濃度相對較低。 優點：(1)適用于任何地點，因為處理發生在兩電極間；(2)可以在不挖掘的條件下處理土壤；(3)最適合于黏質土，負的表面電荷，水力傳導率低；(4)對飽和和不飽和的土壤都潛在有效；(5)可以處理有機和無機污染物；(6)可以從非均質的介質中去除污染物；(7)費用效益比較高。 缺點：(1)污染物的溶解度高度依賴于土壤pH；(2)要添加增強溶液；(3)當高電壓使用，溫度的升高，過程的效率降低；(4) 土壤含碳酸鹽、巖石、石礫時，效率顯著降低。 （四）電動力學修復重金屬舉例 Ma

23、rceau等開展了小規模的等開展了小規模的Cd污染土壤的電動修復研究。土柱污染土壤的電動修復研究。土柱中包含中包含325t的的Cd污染土壤，電極之間距離為污染土壤，電極之間距離為1m，電流控制在，電流控制在0.3mAcm-3，加入硫酸控制陰極酸度。，加入硫酸控制陰極酸度。Cd的起始濃度為的起始濃度為882mgkg-1。經過經過3259h的電動修復后，的電動修復后，98.5%的的Cd被清除，電能消耗為被清除，電能消耗為159kWm-3。 Lagemam對對Pb、Cu污染土壤進行了現場修復研究，其中污染土壤進行了現場修復研究，其中Pb的的濃度為濃度為300-1000mgkg-1，Cu的濃度為的濃度

24、為500-1000mgkg-1，測試區的面，測試區的面積為積為70m長，長，3m寬。經過寬。經過43d，每天施加，每天施加10h的電壓，結果的電壓，結果Pb的去除的去除率達率達70%，Cu去除率達去除率達80%，能量消耗為，能量消耗為115kWhm-3。11.2.2.4 電熱修復電熱修復 利用高頻電壓產生電磁波和熱量利用高頻電壓產生電磁波和熱量,對土壤進行對土壤進行加熱加熱,使污染物從土壤顆粒內解吸出來使污染物從土壤顆粒內解吸出來,加快一些加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離易揮發性重金屬從土壤中分離,從而達到修復的目從而達到修復的目的。的。優點：優點：該方法工藝簡單該方法工藝簡單缺點：缺點：能

25、耗大能耗大,操作費用高。操作費用高。l11.1 重金屬污染土壤修復技術的分類重金屬污染土壤修復技術的分類l11.2 重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技術術l11.3 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的生物生物修復技術修復技術l11.1 重金屬污染土壤修復技術的分類重金屬污染土壤修復技術的分類l11.2重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技術重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技術l11.3 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的生生物修復技術物修復技術 11.4.1 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的微生微生物修復技術物修復技術 11.4.2 重金屬污染土壤的重金屬污染

26、土壤的植植物修復技術物修復技術11.3.1 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的微生微生物修復技術物修復技術u 微生物對重金屬的吸附積累u 改變金屬的價態，使其固定于土壤u 甲基化和脫甲基化l 微生物細胞內及細胞壁上很多成分微生物細胞內及細胞壁上很多成分( (如多聚磷酸鹽、含硫蛋白如多聚磷酸鹽、含硫蛋白質等質等) )與金屬有很強的親和力；與金屬有很強的親和力；l 微生物還可釋放一些基質到胞外與金屬結合，降低金屬的流微生物還可釋放一些基質到胞外與金屬結合，降低金屬的流動性；動性；l 一些微生物的分泌物，可使金屬生成沉淀，如產生一些微生物的分泌物，可使金屬生成沉淀，如產生H H2 2S S的細菌的細菌

27、可使很多重金屬發生沉淀。可使很多重金屬發生沉淀。（1）微生物對重金屬的吸附積累）微生物對重金屬的吸附積累（2）改變金屬的價態，使其固定于土壤）改變金屬的價態，使其固定于土壤 土壤中還原態砷土壤中還原態砷()()比氧化態砷比氧化態砷()()易溶易溶4 41010倍，毒性也倍，毒性也強。通過微生物作用將砷強。通過微生物作用將砷()()氧化，整個生態風險將降低。氧化，整個生態風險將降低。（3）甲基化和脫甲基化）甲基化和脫甲基化 硒（硒（SeSe）通過甲基化作用可降低毒性。）通過甲基化作用可降低毒性。 汞（汞（HgHg）通過脫甲基化，形成毒性較低的無機汞，在經進一）通過脫甲基化，形成毒性較低的無機汞，

28、在經進一步還原形成元素汞，脫離土壤體系步還原形成元素汞，脫離土壤體系l11.1 重金屬污染土壤修復技術的分類重金屬污染土壤修復技術的分類l11.2 重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技重金屬污染土壤的化學和物理化學修復技術術l11.3 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的生生物修復技術物修復技術 11.3.1 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的微生微生物修復技術物修復技術 11.3.2 重金屬污染土壤的重金屬污染土壤的植植物修復技術物修復技術l11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.3.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.3.2.3 植物修復的相關基

29、因植物修復的相關基因l11.3.2.4 超富集超富集重金屬植物重金屬植物的特點的特點l11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.3.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l1583 年意大利植物學家年意大利植物學家Cesalpino 首次發現在意大利托首次發現在意大利托斯卡納斯卡納“黑色的巖石黑色的巖石”上生長的特殊植物上生長的特殊植物, 這是有關這是有關超富超富集植物集植物(Hyperaccumulator)的最早報道；的最早報道；l1814 年年Desvaux 將其命名為將其命名為A ly ssu

30、m bertolonii (庭庭薺屬薺屬) , 1848 年年Minguzzi 和和Vergnano 首次測定該植物首次測定該植物葉片中葉片中(干重干重) 富含富含Ni 達達7900ug/g (0.79% )；l1977 年年, Brook s 提出了超富集植物的概念；提出了超富集植物的概念； l1983 年美國科學家年美國科學家Chaney 提出了利用超富集植物去除提出了利用超富集植物去除土壤中重金屬污染物的思想。土壤中重金屬污染物的思想。l隨后有關耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多隨后有關耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多, 植植物修復作為一種治理污染土壤的技術被提出。物修復作為一

31、種治理污染土壤的技術被提出。11.3.2.1植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史植物提取（植物提取（Phytoextraction）植物揮發植物揮發（Phytovolatilization）植物降解植物降解（Phytodegradation）植物穩定化植物穩定化（Phytostabilization）植物根基降解植物根基降解（Rhizodegradation）(1)植物提取植物提取(phytoextration)原理：原理：植物提取是利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾植物提取是利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并將其轉移、儲存到地上部分，隨后收割地上部分并集種

32、重金屬，并將其轉移、儲存到地上部分，隨后收割地上部分并集中處理，連續種植這種植物，即可使土壤中重金屬含量降低到可接中處理，連續種植這種植物，即可使土壤中重金屬含量降低到可接受的水平。受的水平。超積累植物吸收重金屬的環節和調控位點：超積累植物吸收重金屬的環節和調控位點： 跨根細胞質膜運輸；跨根細胞質膜運輸； 根皮層細胞中橫向運輸；根皮層細胞中橫向運輸； 從根系的中柱薄壁細胞裝載到木質部導管；從根系的中柱薄壁細胞裝載到木質部導管； 木質部中長途運輸；木質部中長途運輸； 從木質部卸載到葉細胞從木質部卸載到葉細胞(跨葉細胞膜運輸跨葉細胞膜運輸)； 跨葉細胞的液泡膜運輸。跨葉細胞的液泡膜運輸。 在組織水

33、平上，重金屬主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞和表皮毛中；在組織水平上，重金屬主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞和表皮毛中；在細胞水平，重金屬主要分布在質外體和液泡。在細胞水平，重金屬主要分布在質外體和液泡。地上部分地上部分金屬的積累金屬的積累根際流出物或根際流出物或改良土壤提高改良土壤提高金屬的可用性金屬的可用性及植物富集力及植物富集力金屬從根金屬從根向地上部向地上部分轉運分轉運處理或回處理或回收金屬收金屬收獲含金屬收獲含金屬的地上部分的地上部分(1)植物提取植物提取(phytoextration)植物提取的兩種方式植物提取的兩種方式:l連續植物提取連續植物提取(continuous phytoex

34、traction)l螯合劑輔助的植物提取螯合劑輔助的植物提取(chelate-assisted phytoextraction)或稱為或稱為誘導性植物提取誘導性植物提取(induced phytoextraction)(1)植物提取植物提取(phytoextration) 研究表明研究表明，向土壤中施加螯合劑（如向土壤中施加螯合劑（如EDTA、DTPA、EGTA、檸檬酸等）能夠活化土壤中的重金屬檸檬酸等）能夠活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性提高重金屬的生物有效性，促進植物吸收。促進植物吸收。 如施加如施加0.2gkg-1的的EDTA后，土壤溶液后，土壤溶液中中Pb含量由含量由4增加到

35、增加到4000mg/L，玉米和豌豆地，玉米和豌豆地上部分上部分Pb含量由含量由500增加到增加到10000mg/kg；而；而且加入且加入EDTA不僅促進印度芥菜對不僅促進印度芥菜對Pb的吸收，的吸收，且同時促進且同時促進Cb、Cu、Ni、Zn的吸收。的吸收。植物提取植物提取-螯合劑螯合劑l 螯合劑主要起兩個作用螯合劑主要起兩個作用:增加土壤溶液中金屬含量增加土壤溶液中金屬含量;促進金屬在植物體內運輸促進金屬在植物體內運輸;l 植物的金屬積累效率與螯合劑與金屬的親和力植物的金屬積累效率與螯合劑與金屬的親和力直接相關：直接相關：不同螯合劑對土壤Pb解吸效率不同：EDTAHEDTADTPA EGTA

36、EDDHA；Pb的最佳螯合劑為EDTA，而Cd的最佳螯合劑為EGTA。l 螯合劑的效果與植物品種有關：螯合劑的效果與植物品種有關：EDTA能促進印度芥菜對Zn吸收，但對燕麥和大麥無效果。(2)植物穩定植物穩定(phytostabilization) 植物穩定是利用植物穩定是利用耐重金屬植物根際的一耐重金屬植物根際的一些分泌物些分泌物，增加土壤中有毒金屬的穩定性，增加土壤中有毒金屬的穩定性，從而從而減少減少金屬向作物的金屬向作物的遷移遷移，以及被淋濾到，以及被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可能性。其中包括能性。其中包括沉淀沉淀、螯合螯合、氧化還原

37、氧化還原等多等多種過程。種過程。植物穩定中植物的主要功能植物穩定中植物的主要功能: 保護污染土壤不受侵蝕保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏，防止金屬污染物的淋移。，減少土壤滲漏，防止金屬污染物的淋移。 植物還可以通過植物還可以通過改變根際環境（改變根際環境（pH和和Eh值）值）來改變污染物的形態。來改變污染物的形態。 通過金屬在通過金屬在根部積累與沉淀及根表吸收根部積累與沉淀及根表吸收來加強土壤中污染物的固來加強土壤中污染物的固定。定。原原 理理l11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.3.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.3.2.3 植物修

38、復的相關基因植物修復的相關基因l11.3.2.4 超富集超富集重金屬植物重金屬植物的特點的特點l11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.3.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限11.3.211.3.2.2 植物修復植物修復的生理機制的生理機制植物對重金屬污染環境的修復通常在體內進行，整個過程包括：植物對重金屬污染環境的修復通常在體內進行，整個過程包括：重金屬在植物根的吸收和轉重金屬在植物根的吸收和轉運；運；重金屬在植物體內的轉運、重金屬在植物體內的轉運、運輸；運輸；重金屬在植物體內的超富集重金屬在植物體內的超富集或轉化或轉化重金屬在植物根部重金屬在植物根部的吸收

39、和轉運；的吸收和轉運；重金屬在植物體內重金屬在植物體內的轉運、運輸；的轉運、運輸；重金屬在植物體內重金屬在植物體內的超富集或轉化的超富集或轉化 根表皮細胞對大部分金屬元素的吸收以根表皮細胞對大部分金屬元素的吸收以主動運輸主動運輸的方式進行，即通過根表皮細的方式進行，即通過根表皮細胞膜上的轉運蛋白系統進行，重金屬的吸收也主要依靠這一作用。胞膜上的轉運蛋白系統進行，重金屬的吸收也主要依靠這一作用。 土壤中有機酸土壤中有機酸對對根系吸收重金屬的效率有顯著的促進或抑根系吸收重金屬的效率有顯著的促進或抑制作用，如根部分泌的檸檬酸能夠阻礙金屬離子特別是制作用，如根部分泌的檸檬酸能夠阻礙金屬離子特別是Al3

40、+的的吸收，而組氨酸等多數有機酸則促進其吸收。吸收，而組氨酸等多數有機酸則促進其吸收。 土壤土壤pHpH 值值的降低也能明顯地增強金屬離子的溶解性及轉的降低也能明顯地增強金屬離子的溶解性及轉運進入根部的速率運進入根部的速率,例如當土壤的例如當土壤的pH 值低于值低于5時，即使本來是時，即使本來是起營養元素作用的起營養元素作用的Al3+、Mn2+等也會因為在體內過度積累而達等也會因為在體內過度積累而達到毒性水平。到毒性水平。 重金屬化合物進入植物根部后，與植物體內的一些金屬結重金屬化合物進入植物根部后，與植物體內的一些金屬結合蛋白絡合形成復合物，然后在體內轉運。目前最引人注目的合蛋白絡合形成復合

41、物，然后在體內轉運。目前最引人注目的是是2類富含半胱氨酸的多肽：類富含半胱氨酸的多肽：金屬硫蛋白金屬硫蛋白和和植物絡合素植物絡合素； 與硫共價結合的金屬離子如與硫共價結合的金屬離子如Ag+、Cd2+、Ni2+、Cu2+等能夠等能夠與這些多肽分子中半胱氨酸殘基上的巰基共價結合而形成絡合與這些多肽分子中半胱氨酸殘基上的巰基共價結合而形成絡合物，并隨著這些蛋白一起被轉運。物，并隨著這些蛋白一起被轉運。 經過蛋白轉運的重金屬最終在植物體的某些器官經過蛋白轉運的重金屬最終在植物體的某些器官(如葉如葉) 中中沉積，并通過這些組織細胞內的液泡膜上的轉運蛋白的跨液泡沉積，并通過這些組織細胞內的液泡膜上的轉運蛋

42、白的跨液泡膜轉運作用而進一步在液泡中富集。膜轉運作用而進一步在液泡中富集。 對于對于不同化合態毒性差異較大不同化合態毒性差異較大的金屬的金屬(如鐵如鐵)，植物具有，植物具有轉化作用轉化作用，即在某些酶，即在某些酶的特異性催化作用下，使其由毒性較強的價態的特異性催化作用下，使其由毒性較強的價態( Fe3+) 轉化為毒性較低的價態轉化為毒性較低的價態(Fe2+ ) l11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.3.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.3.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因l11.3.2.4 超富集超富集重金屬植物重金屬植物的特

43、點的特點l11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.3.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限汞離子還原酶基汞離子還原酶基因因merA有機汞裂解酶基因有機汞裂解酶基因merB金屬硫蛋白基因金屬硫蛋白基因MT有機汞裂解酶有機汞裂解酶(merB基因基因編碼編碼)，將有機汞轉化為，將有機汞轉化為汞離子汞離子(Hg2+)；汞離子還原酶汞離子還原酶(merA基因基因編碼編碼)，將，將Hg2+ 還原為基還原為基態汞態汞(Hg0) 植物體內有一個復雜的金屬硫蛋白植物體內有一個復雜的金屬硫蛋白(MT) 基因家族，編碼基因家族，編碼一類由一類由11080個氨基酸組成的多肽，其中通常包

44、含個氨基酸組成的多肽，其中通常包含9111個半個半胱氨酸殘基胱氨酸殘基 ； MT主要用于伴隨營養金屬元素執行其相應的功能主要用于伴隨營養金屬元素執行其相應的功能(如在蛋如在蛋白質折疊過程中將相應金屬離子插入到其活性中心等白質折疊過程中將相應金屬離子插入到其活性中心等)，也可以，也可以絡合毒性重金屬以保護植株免受毒害，從而有利于這些毒性重絡合毒性重金屬以保護植株免受毒害，從而有利于這些毒性重金屬在體內的積累；金屬在體內的積累；11.3.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因植物絡合素合成酶植物絡合素合成酶基因基因(PCS)離子轉運蛋白基因離子轉運蛋白基因(ZIP和和ITR1)植物絡合素植物

45、絡合素(PC)是一類非核糖體合成的多肽，結構通式為是一類非核糖體合成的多肽，結構通式為(-Glu-Cys)nX，其中，其中n一般為一般為211，而，而X 常為甘氨酸，也可以是常為甘氨酸，也可以是丙氨酸或絲氨酸。丙氨酸或絲氨酸。PC常通過與毒性重金屬絡合形成配體復合物常通過與毒性重金屬絡合形成配體復合物而保護植株免受毒害，并在重金屬的體內轉運和富集中起重要而保護植株免受毒害，并在重金屬的體內轉運和富集中起重要作用。作用。 目前已分離到目前已分離到2個亞家族的轉運蛋白及相關的基因，這兩個亞家族的轉運蛋白及相關的基因，這兩類轉運蛋白及其它可誘導型轉運蛋白為毒性金屬離子轉運進入類轉運蛋白及其它可誘導型

46、轉運蛋白為毒性金屬離子轉運進入根部提供了有效的通路。根部提供了有效的通路。 鋅轉運蛋白鋅轉運蛋白(zinc transporter，ZIP)是一類能夠轉運是一類能夠轉運Zn2+、Fe2+、Cu2+、Cd2+等離子的跨膜蛋白；等離子的跨膜蛋白；鐵離子轉運蛋白鐵離子轉運蛋白(iron transporter1，ITR1)，它們能夠高效地，它們能夠高效地轉運轉運Fe2+、Cd2+、Zn2+等離子。等離子。11.3.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因PCs的合成是以的合成是以GSH為前體的為前體的；首先首先,Glu與與Cys由依賴由依賴ATP的的-谷氨酰半胱谷氨酰半胱氨酸合成酶氨酸合成酶(G

47、CS)催化合成二肽催化合成二肽-Glu-Cys;然后然后,由依賴由依賴ATP的的GSH合成酶催化將合成酶催化將Gly轉轉到到-Glu-Cys上合成上合成GSH.l11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.3.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.3.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因l11.3.2.4 超富集超富集重金屬植物重金屬植物的特點的特點l11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.3.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限11.3.2.4 超富集重金屬植物的特點超富集重金屬植物的特點 超富集植物超富集植

48、物是能超量吸收重金屬并將其運移到地上部是能超量吸收重金屬并將其運移到地上部的植物。通常的植物。通常, 超富集植物的界定可考慮以下兩個主要因超富集植物的界定可考慮以下兩個主要因素素: 植物地上部富集的重金屬應達到一定的量；植物地上部富集的重金屬應達到一定的量； 植物地上部的重金屬含量應高于根部。植物地上部的重金屬含量應高于根部。 由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在較大差異背景值存在較大差異, 因此因此, 對不同重金屬對不同重金屬, 其超富集植其超富集植物富集濃度界限也有所不同。目前物富集濃度界限也有所不同。目前, 世界上共發現有

49、世界上共發現有400 多種超富集植物。多種超富集植物。(1) 極強的抗重金屬毒害能力；極強的抗重金屬毒害能力；(2) 超量積累重金屬不影響植物的正常生長；超量積累重金屬不影響植物的正常生長； (3) 對重金屬的富集能力具有一定的選擇性；對重金屬的富集能力具有一定的選擇性；(4) 生長迅速；生長迅速；(5) 生物量大；生物量大；(6) 根系發達；根系發達；11.3.2.4 超富集重金屬植物的特點超富集重金屬植物的特點理想的重金屬超積累植物一般具有以下特征：理想的重金屬超積累植物一般具有以下特征：植物名稱植物名稱中文屬名中文屬名重金屬重金屬葉片含量葉片含量/（mg/Kg）Thalaspi caer

50、ulescensThalaspi calaminareAlyxia rubricaulisAstragalus racemosusPhyllanthus serpentinusIpomea alpinaHaumaniastrum robbertii菥蓂屬菥蓂屬菥蓂屬菥蓂屬鏈球藤屬鏈球藤屬黃芪屬黃芪屬葉下珠屬葉下珠屬番薯屬番薯屬四輪香屬四輪香屬CdZnMnSeNiCuCo180039 110011 50011 90038 10012 30010 200幾種重金屬超積累植物及其生物積累能力幾種重金屬超積累植物及其生物積累能力資料來源：資料來源：Lasat 2002和和Li et al. 2000中

51、文屬名譯自：新編拉漢英植物名稱（中國科學院植物研究所編中文屬名譯自：新編拉漢英植物名稱（中國科學院植物研究所編，航空工業出版社航空工業出版社，19911）說明：全部拉丁種名的中文待查說明：全部拉丁種名的中文待查11.3.2.4 超富集重金屬植物的特點超富集重金屬植物的特點 超富集超富集As植物：蜈蚣草植物：蜈蚣草超富集超富集Cd植物：龍葵植物：龍葵超富集超富集Zn、Cd植物：遏藍菜植物：遏藍菜 l11.3.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.3.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.3.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因l11.3.2.4 超

52、富集超富集重金屬植物重金屬植物的特點的特點l11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.3.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用 有研究報道了我國北方較常見的有研究報道了我國北方較常見的7 種菊科植物對重金種菊科植物對重金屬的超富集特征。盆栽篩選試驗表明屬的超富集特征。盆栽篩選試驗表明, 蒲公英和三葉鬼針蒲公英和三葉鬼針草草對對Cd 單一及單一及Cd-Pb-Cu-Zn 復合污染的耐性較強，植復合污染的耐性較強，植物地上部鎘含量分別高于其根部鎘含量，地上部鎘的富集物地上部鎘含量分別高于其根部鎘含量，地上部鎘的富集系

53、數也均大于系數也均大于1 , 具備了鎘超富集植物的基本特征。具備了鎘超富集植物的基本特征。不同鉛濃度處理下蜈蚣草生物量不同鉛濃度處理下蜈蚣草生物量11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用不同鋅濃度處理下蜈蚣草生物量不同鋅濃度處理下蜈蚣草生物量11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用篩選試驗中植物地上部生物量篩選試驗中植物地上部生物量11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用濃度梯度試驗中植物地上部生物量濃度梯度試驗中植物地上部生物量10 mg/kg 25 mg/kg 50 mg/kg 100 mg/kg 11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的

54、應用濃度梯度試驗中植物體對重金屬的超富集特征濃度梯度試驗中植物體對重金屬的超富集特征 mg/kg11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用 董林林等人以野胡蘿卜、野生高粱和小花鬼針草為供試植物，董林林等人以野胡蘿卜、野生高粱和小花鬼針草為供試植物，對不同鎘濃度條件下三種植物的生物量、鎘含量及其對鎘的吸收、對不同鎘濃度條件下三種植物的生物量、鎘含量及其對鎘的吸收、富集狀況進行了研究。結果表明：富集狀況進行了研究。結果表明：植物的生物量大小、鎘含量高低植物的生物量大小、鎘含量高低及其對鎘吸收富集能力的大小與植物種類和土壤中的鎘濃度有關及其對鎘吸收富集能力的大小與植物種類和土壤中的鎘濃度

55、有關。植株不同部位生物量隨土壤中鎘濃度變化植株不同部位生物量隨土壤中鎘濃度變化11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用不同濃度水平下植物體內的鎘含量不同濃度水平下植物體內的鎘含量11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用11.3.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用 仇榮亮等研究了十二烷基苯磺酸鈉仇榮亮等研究了十二烷基苯磺酸鈉( SDBS) 、十六烷基三甲基溴、十六烷基三甲基溴化銨化銨(CTAB) 、聚乙二醇辛基苯基醚、聚乙二醇辛基苯基醚( TritonX-100)等等不同離子類型不同離子類型的表面活性劑的表面活性劑對對水稻土水稻土中重金屬的解吸效果，并采用盆

56、栽實驗研究了中重金屬的解吸效果，并采用盆栽實驗研究了上述上述3種表面活性劑對種表面活性劑對Zn超富集植物超富集植物長柔毛委陵菜長柔毛委陵菜(Potentilla griff ithii var. velutina)的生物量、吸收和富集重金屬的影響。的生物量、吸收和富集重金屬的影響。植物修復基地植物修復基地美國美國Viridian環境公司用植物修復技術凈化鎳污染土壤，每年可以從環境公司用植物修復技術凈化鎳污染土壤，每年可以從金屬鎳的回收中獲取金屬鎳的回收中獲取2500美元美元/公頃的收益。公頃的收益。 超富集植物超富集植物植物栽培植物栽培植物修復植物修復重金屬重金屬植物燒過后的灰植物燒過后的灰l

57、11.4.2.1 植物修復技術植物修復技術及其發展歷史及其發展歷史l11.4.2.2 植物修復的生理機制植物修復的生理機制l11.4.2.3 植物修復的相關基因植物修復的相關基因l11.4.2.4 超富集超富集重金屬植物重金屬植物的特點的特點l11.4.2.5 植物修復技術的應用植物修復技術的應用l11.4.2.11 植物修復技術的植物修復技術的局限局限11.3.2.11 植物修復技術的局限性植物修復技術的局限性 植物修復方法中的超積累植物的應用植物修復方法中的超積累植物的應用，具有具有廉價廉價、就地就地、土壤土壤免受擾動免受擾動的特點的特點，具有生態效益、社會效益和經濟效益具有生態效益、社會

58、效益和經濟效益，應該大力應該大力提倡提倡，不過在實際應用時不過在實際應用時，仍然存在一些局限性仍然存在一些局限性，有以下幾個方面有以下幾個方面: 多數重金屬多數重金屬超積累植物超積累植物,只只能積累一種或兩能積累一種或兩種金屬元素種金屬元素,而而實際情況大多為實際情況大多為幾種重金屬的復幾種重金屬的復合污染合污染; 多種重多種重金屬超積累金屬超積累植物的生物植物的生物量都比較小量都比較小,而且生長緩而且生長緩慢慢,影響修復影響修復效率效率; 有些重金屬超積有些重金屬超積累植物累植物,不能在輕污染不能在輕污染的土壤中生長的土壤中生長,其生理其生理特性是要求土壤溶液特性是要求土壤溶液中的重金屬具有

59、較高中的重金屬具有較高濃度濃度,即所謂的即所謂的Metallophyte植物植物; 某些重金屬例某些重金屬例如如Pb和和Cr,尚沒有尚沒有發現在自然地超積發現在自然地超積累植物累植物,重金屬超積重金屬超積累植物的地理分布累植物的地理分布,也有一定的局限性也有一定的局限性;影響超積累植物吸收重金屬的因素影響超積累植物吸收重金屬的因素影響超積累植物吸收重金屬的影響超積累植物吸收重金屬的5個因素：個因素：（1）土壤的理化性質）土壤的理化性質（2）重金屬的種類、濃度及在土壤中的存在形態）重金屬的種類、濃度及在土壤中的存在形態（3）植物的種類、生長發育期）植物的種類、生長發育期（4）復合污染）復合污染（

60、5）施肥）施肥(1) 土壤的理化性質土壤的理化性質pH土壤質地土壤質地氧化還原電位氧化還原電位有機質含量有機質含量(2) 重金屬的種類、濃度及在土壤中的存在形態重金屬的種類、濃度及在土壤中的存在形態|重金屬種類：重金屬種類：Cd，As較易被植物吸收；較易被植物吸收； Cu、Mn、Se、Zn等次之；等次之； Co、Pb、Ni等難于被吸收；等難于被吸收； Cr極難被吸收。極難被吸收。|濃度的影響：濃度的影響：土壤中重金屬含量增加，植物體內土壤中重金屬含量增加，植物體內各部分的積累量也相應增加。各部分的積累量也相應增加。|存在形態：存在形態：交換態的重金屬（包括溶解態的重金交換態的重金屬（包括溶解態