土壤_植物系統(tǒng)中重金屬污染及植物修復技術

1、第25卷第2期中南林學院學報Vol.25No.22005年4月JOURNALOFCENTRALSOUTHFESTRYUNIVERSITYApr.2005?[文章編號]10002502(2005)02005904土壤植物系統(tǒng)中重金屬污染及植物修復技術郭亞平胡曰利(中南林學院湖南株洲412006)[摘要]重金屬污染對環(huán)境及人類的危害極大其治理方法一直是國內外研究的熱點與難點.闡述了土壤重金屬污染的現狀、危害闡述了當前治理土壤重金屬污染的新途

2、徑——植物修復技術著重介紹了提高植物修復功效方法中提高土壤中重金屬的有效性和改進超積累植物的性能闡述了植物修復技術的應用前景.[關鍵詞]環(huán)境科學土壤植物系統(tǒng)重金屬污染植物修復[中圖分類號]X53O611.4[文獻標識碼]AHeavyMetalPollutionthePhytemediationTechnologyintheSoilplantSystemGUOYapingHUYueli(CollegeofSciencesCentralSo

3、uthFestryUniversityZhuzhou412006HunanChina)Abstract:Heavymetalpollutionishazardoustotheenvironmenthumanhealth.Howtopreventcuretheheavymetalcontaminationisaheateddifficultproblembothathomeabroad.Thestatusquotheharmofheavy

4、metalpollutioninthesoilplantsystemarediscussedinthepaper.Thepaperalsointroducesanewcuringmethodphytemediationtocontrolheavymetalcontaminationitsapplicationprospectwiththefocusupon“enhancingthevalidityoftheheavymetalameli

5、atingthecapabilityofsuperaccumulatingplants”inthetechnology.Keywds:environmentalsciencesoilplantsystemheavymetalcontaminationphytemediation土壤是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分是人類社會的生存基礎[1].土壤植物系統(tǒng)是陸生生態(tài)系統(tǒng)物能循環(huán)的樞紐是聯(lián)接有機界與無機界的橋梁.由于生活污水排放、污水灌溉、大氣沉

6、降、采礦冶煉、農藥化肥的大量施用等原因造成了該系統(tǒng)的污染尤其是重金屬污染狀況日趨嚴重.在該系統(tǒng)中發(fā)生重金屬污染后因其具有隱蔽性、不可逆性和長期性的特點對陸生生態(tài)系統(tǒng)構成潛在的巨大威脅不僅影響植物的產量與品質而且影響大氣和水環(huán)境質量并通過食物鏈危害人類的生命和健康.因此對土壤植物系統(tǒng)重金屬污染問題進行深入研究尤為重要[23].對于近年來出現的植物修復技術由于與傳統(tǒng)的化學修復以及物理和工程修復等技術手段相比它具有投資和維護成本低、操作簡便、

7、不造成二次污染、具有潛在或顯著經濟效益等優(yōu)點這些優(yōu)點預示其將發(fā)展成為污染治理領域的朝陽產業(yè)[4]因此對其進行研究有著重大的意義.1土壤植物系統(tǒng)中重金屬污染研究現狀重金屬污染是由重金屬及其化合物引起的環(huán)境污染其中主要包括Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni及類金屬As等.土壤植物系統(tǒng)中重金屬污染研究實際上涉及到工、農業(yè)生產和人類的生活等許多方面.環(huán)境中存在各種各樣的重金屬污染源但最主要的污染源是石化燃料、采礦、冶煉以及使用重金屬的工業(yè)

8、企業(yè).隨著污水灌溉面積的不斷擴大污灌區(qū)土壤植物系統(tǒng)中重金屬污染問題更成為人們關注的焦點[5].目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2約占總耕地面積的15其中工業(yè)“三廢”污染耕地面積1000萬hm2污水灌溉的農田面積已達330多萬hm2[6].?[收稿日期]20040910[作者簡介]郭亞平(1971)女湖南桃源人講師碩士研究生主要從事化學教育及環(huán)境科學研究.鎘的污染1953年日本水俁氮肥廠乙酸乙醛反應管排出的含

9、有氯化甲基汞的汞渣流入水體魚、蝦、貝類食入后通過食物鏈進入人體乃至發(fā)生了震驚世界的“水俁病”事件[17].在我國隨著污灌面積的不斷擴大土壤重金屬的污染問題日趨嚴重如沈陽、蘭州、桂林、萍鄉(xiāng)等地重金屬污染均較明顯湖南株洲的冶煉廠和化工廠附近地區(qū)的重金屬汞、鎘、鉛的含量均超標對人和家禽健康影響很大.土壤重金屬污染對人類健康造成的威脅引起世界各國科學工作者的普遍關注對其治理成為目前研究的難點和熱點.2治理土壤重金屬污染的新途徑——植物修復技術金

10、屬污染土壤的植物修復(phytemediation)技術是指利用植物修復和消除由有機毒物和無機廢氣物造成的土壤環(huán)境污染[18]是一種利用自然生長植物或遺傳工程培育植物修復金屬污染土壤環(huán)境的技術總稱它是通過植物系統(tǒng)及其根際微生物群落來移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境污染物.根據植物整治重金屬污染土壤的作用過程和機理重金屬污染土壤的植物修復可分為以下4種類型[19]:?植物提取(Phytoextraction)?植物揮發(fā)(Phytovolaliza

11、tion)?植物穩(wěn)定(Phytostabilization)?植物轉化(Phytotransfmation).對于植物修復重金屬污染土壤的機理已有很多報道下面根據其機理談談增強植物提取修復的功效.提高植物修復功效的方法很多本文中僅從以下2方面加以闡述:提高土壤中重金屬的有效性改進超積累植物的性能.2.1提高土壤中重金屬的有效性進入土壤的重金屬大多吸附在土壤顆粒表面或以不溶性沉淀形式存在使其在土壤中的生物有效量較少這成了植物提取修復的一個

12、限制性因素.近幾年來對提高土壤中重金屬的有效性的研究主要集中在增加土壤溶液中有效態(tài)重金屬的濃度和利用土壤微生物增加金屬生物有效性兩方面.2.1.1增加土壤溶液中有效態(tài)重金屬的濃度調節(jié)土壤pH值:土壤酸度是影響土壤中重金術生物有效性的主要因素.Robinson等研究認為植物體內金屬含量與植物有效性呈正相關而與pH值呈負相關即降低pH值可以提高土壤溶液中有效態(tài)重金屬的濃度[20].因此可以施用銨態(tài)氮肥或土壤酸化劑等來改變土壤環(huán)境從而增加土壤

13、中重金屬的可利用性.?添加絡合劑.這方面已有大量研究[1]如Wu和Luo實驗得出添加EDTA可顯著提高土壤溶液中總有機碳、Cu、Zn、Pb和Cd濃度Wenzel等研究得出各種絡合劑對土壤Pb的解吸活化順序為EDTAHEDTACDTA=DTPAEGTAHEIDAEDDHANTA.添加絡合劑能提高土壤溶液中金屬濃度是由于土壤中加入的絡合劑能與土壤溶液中的金屬離子配位形成配合物從而減少了游離的金屬離子為補償平衡吸附在土壤顆粒表面或不溶性的金屬

14、離子開始溶解進入土壤溶液.?土壤的氧化還原電勢作用.氧化還原電勢不同金屬存在的形態(tài)也不同.提高土壤的電勢金屬會從還原態(tài)變成氧化態(tài)反之會從氧化態(tài)變成還原態(tài)因此可以根據不同金屬的不同形態(tài)在土壤溶液中溶解度不同來調節(jié)土壤的氧化還原電勢進而提高土壤溶液中重金屬的濃度如Cr3被氧化為Cr6可以增加鎘在土壤溶液中的濃度而砷酸鹽被還原為亞砷酸鹽時可以增加砷在土壤溶液中的濃度.除以上幾種因素外金屬有效性的提高還與土壤中的養(yǎng)分、有機質作用、電滲透作用、重

15、金屬之間的相互作用、植物根系分泌物[21]及水分含量等因素有關.2.1.2利用土壤微生物增加金屬生物有效性有研究表明在厭氣和好氣條件下無菌土壤中沒有鎘放出來而有菌土壤中有大量的固態(tài)和結合態(tài)鎘被活化使土壤中鎘的有效性明顯增加[6].Mench等[22]發(fā)現燕麥根系分泌物通過溶解鐵氧化物增加Zn、Cd等的生物有效性[20].有研究說明超積累植物能夠吸收土壤溶液中的難溶態(tài)礦質元素這可能與植物根際存在特殊的微生物區(qū)系有關[23].通過根際微生物

16、可以加速植物吸收某些礦物質如鐵和錳[24].根際內以微生物為媒介的腐殖化作用可能是提高金屬植物可利用性的原因[24].2.2改進超積累植物的性能雖然利用植物修復技術處理土壤重金屬污染的應用前景廣闊但目前尚存在一些問題。主要體現在以下兩方面[25]:一方面大多超積累植物只對某種金屬起作用而土壤的重金屬污染大多為幾種重金屬的復合污染另一方面超積累植物大多生長緩慢生物量很少且干物質積累少這就影響了修復效果.要解決這些問題就須改進超積累植物的性