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利用植物修复污染的土壤有哪些类型?

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浏览:- 发布日期:2019-10-29 11:16:14【

植物修复(Phytoremediation)技术是近年来发展起来的一种用于清除环境中有毒有害污染物的绿色修复技术。是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力,将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物降解利用,对植物进行回收处理,达到去除污染与修复生态的目的。

是指利用绿色植物移除环境中的污染物或使这些污染物变为无害。近年来,一系列的研究发现以及各学科的交叉研究使得植物修复这一研究领域发展成为一种潜在的、低费用和无污染的治理环境污染的新途径;

植物修复能够治理包括土壤、水体、大气中的有机和无机污染物。主要分为:植物提取、植物稳定、植物挥发、植物降解、根际滤除

土壤修复-植物修复定义

定义:以植物忍耐和超量富集某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中污染物质的技术。

广义;重金属、放射性核素、有机物;土壤、空气、水体

狭义:利用植物清除或固定污染土壤中的重金属。

土壤修复-植物修复发展

土壤重金属超富集植物的研究可以追溯到19世纪。Baumann早在1885年就报道了遏蓝菜属(Thlaspicalaminare)植物茎叶灰分中的ZnO含量达17%。

Minguzzi和Vergnano在1948年报道,一种庭荠属植物(Alyssumberbolonii)干物质中含Ni量达1%,而灰分中达10%。

早期的探矿者曾利用寻找指示植物的方法比地质学家更早发现特定的矿床所在。而植物指示法在美国和俄罗斯发现铀矿中曾起着重要作用。

植物修复主要针对土壤或水体中的无机和有机污染物,这些污染物包括:

重金属(Cd、Cr(Ⅵ)、Pb、Co、Cu、Ni、Zn、As)

有机污染物

放射性元素(Sr、Ur、Cs)

硝酸盐,铵盐,磷酸盐

植物修复的类型

植物修复类型主要有两个方向:土壤重金属的去除过程和稳定过程。

植物固定/稳定(Phytostabilization)

利用植物将重金属聚集在根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用。

根系降解(Rhizodegradation)

植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物(1~3mm)。

植物萃取(Phytoextraction)

植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。

植物降解(Phytodegradation)

植物的根、茎、叶吸收或降解污染物。

植物挥发(Phytovolatilization)

某些易挥发污染物被植物吸收后从植物组织空隙中挥发。

植物土壤修复思维导图

植物对根际圈污染物吸收、排泄与积累的关系

植物修复植物对根际圈污染物吸收、排泄与积累的关系

植物萃取(phytoextraction

利用能耐受并能积累污染物的植物吸收土壤环境中的污染物,将它们输送并贮存在植物体的地上部分。是目前研究最多并且最有发展前景的植物修复技术。

植物萃取(phytoextraction)土壤修复技术

提到植物修复技术,指的主要是植物萃取技术。

植物修复技术导图

其本质是通过植物的光合作用,将分散在土壤中的污染物泵吸出来,转移到植物地上茎叶部位,最后通过收获植物地上器官并处理这些器官达到环境治理、变废为宝的目的。

植物修复技术详细导图

植物稳定(phytostabilization

植物稳定:利用耐污染物植物降低土壤中有毒污染物的移动性,从而减少污染物被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。

Cunningham等等研究了植物对环境中土壤Pb的固定,发现一些植物可降低Pb的生物可利用性,缓解Pb对环境中生物的毒害作用。

植物稳定(phytostabilization)土壤修复技术

植物挥发(phytovolatilization

利用植物去除环境中的一些挥发性污染物,即植物将污染物吸收、积累到体内后又将其转化为气态物质,释放到大气中。

有人研究了利用植物挥发去除土壤环境中的Hg,即将细菌体内的汞还原酶基因转入模式植物拟南芥(Arabidopsis)中,这一基因在该植物体内表达后,将植物从土壤环境中吸收的汞(Hg2+)还原为Hg0,使其成为气体而挥发。另有研究表明利用植物也可将环境中的Se转化为气态形式(二甲基硒和二甲基二硒)

植物挥发(phytovolatilization)土壤修复技术

植物降解(Phytodegradation

利用植物或植物和微生物共同作用降解土壤有机污染物

植物降解(Phytodegradation)土壤修复技术

根际滤除(Rhizofiltration

利用植物根系吸收、吸附污染水体中的重金属)

根际滤除(Rhizofiltration)

植物修复的原理总论

通过植物自身的光合作用、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应,从而通过吸收、分解、挥发、固定化等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。

植物修复的原理总论导图

植物修复土壤污染的主要手段

植物吸收:植物生长就必需从环境中吸收物质,除对少数几种元素表现出选择性吸收外,对大多数物质没有绝对严格的选择作用,只是吸收能力大小而已。

三种情形:

1)植物通过适应性调节后对污染物产生耐性,可以吸收,但是植物受伤害,器官和细胞器受损,生物量下降;

2)完全的“免疫”作用,无论根际圈内污染物浓度高低,植物依靠自身调节功能完成自我保护,不受伤害,这种情形极少;

3)植物能够在土壤污染物含量很高的情况下正常生长且生物量不下降,如重金属超量积累植物和某些耐性植物等。研究中通常在污染地带或矿山直接寻找这类植物。

植物排泄:植物也像动物一样需要不断向外排泄体内多余的物质和代谢废物,常以分泌物和挥发的形式进行。

  分泌:细胞将某些物质从原生质体分离或将原生质体的一部分分开的现象。分泌的器官主要是根系和茎叶的分泌腺。

  挥发:挥发物除随分泌器官的分泌活动排除外,主要随水分的蒸腾作用从气孔和角质层中间的孔隙扩散到大气中。

植物排泄的途径:

1)根吸收后经叶片或茎等地上器官排出。如某些植物将羟基卤素、汞、硒等从土壤溶液中吸收后从叶片排出。

2)叶片吸收大气或降雨中污染物再经根分泌排泄。如卤代烃、酚类、苯化合物都可从叶片被植物吸收后通过根排泄到土壤。

3)植物根吸收污染物后,转移到各个器官中,当污染物含量超过临界值后,会对植物造成毒害作用。一些植物会分泌激素(如脱落酸)促使积累高含量污染物质的器官(如老叶)加快衰老速度而脱落,重新长出新叶生长,进而排出体内毒素。-----去旧生新

植物积累:植物吸收的污染物除了部分能被代谢转化去除外,大部分污染物质因与蛋白质或多肽具有较高的亲和性而长期存留在植物体内,在一定时期内表现为不断积累增多而形成富集现象,还可在某些植物体内形成超富集(hyperaccumulation)。-植物修复的理论基础之一

 

1)富集系数(bioaccumulation factorBCF)-表征植物对元素或化合物的积累能力:

          富集系数=植物体内某种物质含量/土壤中该物质的含量

2)位移系数(translocation factorTF)-表征某种物质从植物根部到植物地上部分的转移能力:

          位移系数=植物地上部分某种物质含量/植物根部该物质含量

显然都是越大说明这种植物的积累能力和修复能力越强

3)平衡富集系数:植物吸收和排泄呈动态平衡,植物虽然仍然吸收,但体内积累量不再增加,达到一个极限值(临界含量),此时的富集系数称为平衡富集系数。

植物吸收、排泄和积累间的关系:三个过程是一个动态过程,在植物生长的某个时期达到平衡,受土壤、水分、光照及植物本身因素影响会打破然后建立新的平衡,直到植物体内污染物含量达到临界值,积累才基本不再增加。

土壤中污染物状态:

1)可吸收态:游离离子、螯合离子

2)难吸收态:残渣态及完全不可利用的物质

3)交换态:主要是被黏土和腐殖质吸附的污染物

三种状态经常处于动态平衡

但随环境条件改变而不断变化

土壤中污染物状态

植物修复重金属污染土壤的机理示

植物修复重金属污染土壤的机理示意图典型的植物土壤修复过程
典型的植物土壤修复过程示意图植物修复技术强化措施

植物修复技术强化措施植物修复技术研究动态与展望

植物修复技术研究动态与展望