5.5重金属污染植物修复

蜈蚣草
• 蜈蚣草的砷转运系 数为1-7, 砷浓度 可达普通植物砷浓 度的数十万倍; 羽 片的砷浓度甚至超 过10000 mg/kg
Zn超富集植物 东南景天
•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。
Mn超富集植物 商陆
• 商陆是 Mn 超积累植物， 薛生国等研究表明当 Mn 供 应 水 平 达 到 12000µ M/L 时 ， 叶 片 锰 含 量 达 到 36380mg/kg ， 生 物 富 集系数为 55 。不同锰 供应水平下，商陆吸 收的锰有87%一95%被 转移到地上部分。
诱导植物提取技术
• 即利用鳌合剂 , 通过施用鳌合剂使土壤固相键合的金属释 放，增加土壤溶液中的重金属浓度，大幅度提高植物对重 金属的吸收和富集能力。 适用于在土壤中极难移动的污染元素
对铅、锌、镉和 铜的富集增加
螯合剂 （EDTA、HEDTA 和CDTA）
印度芥菜、玉米、向 日葵、蚕豆
诱导植物提取技术
Hg2+ Se3+
植物挥发(phytovolatilization)
根系过滤(Rhizofilration) • 指利用植物根部过滤、沉淀土壤、富集污染 物。 • 目前用于根系过滤的植物有向日葵、印度芥 菜、宽叶香蒲及烟草等。根系过滤主要用于重 金属污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs 或Sr 污染的水体。 水科植物浮萍 和水葫芦可有 效吸收清除水 体中的Cd，Cu 和As等重金 属。
重金属污染现状
2000 万公顷： 2009 年中国食品安全高层 论坛报告上的数据显示，我国重金属污 染土壤面积至少有 2000 万公顷，占全国 耕地总面积的1/5 。 200亿元：中国每年因土壤污染而减产粮 食约 1000 万 t ，另有 1200 万 t 粮食遭到重 金属污染，直接经济损失超过200亿元。 10.3 ％：有许多地方粮食、蔬菜、水果 等食物中 Cd 、 Cr 、 As 、 Pb 等重金属含量 接近临界值或超标， 2002 年全国市场稻 米安全性抽检结果显示，稻米中镉超标 率为10.3％。 4035 人：环保部称， 2009 年，重金属污 染事件致使 4035人血铅超标、182人镉超 标，引发32起群体性事件。
Pb Pb 土壤 Pb Pb
印度芥菜
惰性植物 土壤 Pb 根系
惰性Pb
Cr6+
生物有效性最强
Cr3+
毒性减弱
Kumar 等 在 含 铅 625mg/ kg 的土壤盆栽处理中种 植印度芥菜 , 3个星期后 使淋溶液中的铅含 量 由 740µ g/mL 下 降 到 22µ g/ mL。
植物挥发(phytovolatilization)
精炼过程中有90以上被脱除残留于精干麻中的cd非常微少丌必担心重釐属向外扩散问题与展望重金属污染土壤植物修复的局限性己知的超积累植物生物量小生物缓慢不利于机械化收割限制植物修复效率的提高目前发现的超富集植物只是对某一种重金属具有超富集性还未发现具有广谱重金属超富集特性的植物局限性超富集植物有一定的适生范围对气候和土壤条件有要求受到根系伸展深度的限制植物修复只适用于表土或浅层地下水的污染治理受到污染物生物有效性和污染物向地上部转运效率的限制植物提取修复一般耗时较长因而植物修复更适用于轻度污染植物修复研究展望超富集植物转基因植物复合型修复技术富集机理应用遗传工程技术把野生植物的超富集基因转移到生物量大生长速率快的植物中或者寻找基因工程中特异的启动子以指导与重金属吸收相关的基因在植物的特定部位表达使重金属富集在植物的某一部位
植物修复的概念
• 植物修复 (Phytoremediation) 技术是指利用绿色植物的 生命代谢活动吸收、分解、挥发或固定土壤重金属作用， 降低重金属在土壤中的含量和有效态含量，从而使污染了 的环境能够部分恢复到原初状态的过程。
植物修复的优点
• 植物修复是原位修复技术，对环境扰动小;对植物集中处 理能减少二次污染，可采取植物冶炼技术回收金属尤其 是贵金属，植物修复具有经济以及生态协调性优势。
重金属的危害 Cd中毒
• 20 世纪 60年代, 在日本的 富山县神通川流域 , 由于 铅锌冶炼厂排放的含镉废 水污染水稻田 , 居民长期 食用含镉稻米和含镉水而 造成镉中毒 , 镉进入人体 后破坏人体的骨骼系统 , 使骨质变脆易折 , 也就是 所谓的骨痛病 , 这种病在 当 地 流 行 20 多 年 ， 造 成 200多人死亡
重金属污染现状
• 65 ％的中国人以稻米为绝对主食，而美国 农业部的一项研究表明，水稻是对镉吸收 最强的大宗谷类作物，其籽粒镉水平仅次 于生菜。 2002 年，农业部稻米及制品质量 监督检验测试中心曾对全国市场稻米进行 安全性抽检。结果显示，稻米中镉超标率 为 10.3 ％。南京农业大学农业资源与生态 环境研究所教授潘根兴在全国六个地区县 级以上市场随机采购大米样品 91 个进行检 测，结果也同样表明： 10 ％左右的市售大 米镉超标。有人计算，即便稻米达到国家 限定的镉含量 0.2mg/kg ，中国南方人每日 摄入镉的总量也大大超出世界卫生组织推 荐的限定额。多位学者认为，未来中国农 产品安全问题中，重金属污染将取代农药， 成为事故多发地带。
重金属污染现状
• 1980 年 中 国 工 业 “ 三 废 ” 污 染 耕 地 面 积 266.7 万 hm2, 1988 年 增 加 到 666.7 万 hm2, 1992 年增加到1000万hm2以上。
• 农业部调查资料表明 : 我国遭受重金属污染 的土地面积占总污染面积的64.8%，其中轻 度污染占46.7%，中度污染占9.7%，严重污 染占8.4%，且以Hg和Cd的污染面积最大。
每清除2.5英亩、18英 寸深的土壤，常规技 术要处理5000吨土 壤，而利用植物只产 生25~30吨的灰分，花 费缩减10-100倍
植物修复重金属的途径
• • • •
植物提取(Phytoextraction) 植物固化(Phytostabilization) 植物挥发(phytovolatilization) 根系过滤(Rh izofiltration)。
Hg
Pb
Cu
重金属元素
Ni
Mn
重金属污染现状
• 目前世界各国土壤都存在不同程度的重金属污染。
• 日本受镉污染的农田有47.2万亩，占重金属污染总 面积的 82%，主要是由于重金属开采和冶炼排放废 水造成的。日本富山冶炼厂排出的含镉废水和废气 污染了附近农田，使稻田土壤含镉量达 7100mg/kg ， 在这种土壤上生产的稻米含镉量达1300 mg/kg。
印度芥菜
mg/kg
15000
2800
70
添加EGTA
10mmol/kg的EGTA可使印度芥菜植株地上 部分的Cd含量提高10倍，达到2800mg/kg
Pb
原始
加EGTA后
地上部分的Cd、Pb含量
Cd
加EDTA后
添加EDTA
10mmol/kg的EDTA则可使印度芥菜植株 地上部分的铅含量高达15000mg/kg
重金属污染植物修复
主要内容
1
土壤重金属污染现状 重金属污染的植物修复技术
2
3
问题与展望
什么是重金属?
化学上跟据金属的密度把金属分成重金属和轻金 属 ， 常 把 密 度 大 于 5g/cm3 的 金 属 称 为 重 金 属 。 如：金、银、铜、铅、锌、镍、钴、铬、汞、镉 等大约45种。 从环境污染方面所说的重金属是指：镉、铬、汞、 铅以及类金属砷等生物毒性显著的重金属。对人 体毒害最大的有5种：铅、汞、铬、砷、镉。这些 重金属在水中不能被分解，人饮用后毒性放大， 与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物。
1
土壤重金属污染现状 重金属污染的植物修复技术
2
3
问题与展望
重金属污染土壤的修复技术
物理修复 重金属污 染土壤修 复方法 化学修复 微生物修复 生物修复 植物修复
各种修复方法比较
类型 处理名称 处理成本 处理面积 处理效果 环境风险 应用现状
换土法 物理法 客土法 热处理法 电动修复 化学法 化学固定
重金属的危害
Hg中毒
•“水俣病”于 1953 年首 先在日本九州熊本县水俣 镇发生，当时由于病因不 明，故称之为水俣病。水 俣病主要发生途径是人或 其他动物食用了含有机水 银污染的鱼贝类，使有机 水银侵入脑神经细胞而引 起的一种综合性疾病，是 世界上最典型的公害病之 一。1991年，日本环境厅 公布的中毒病人仍有2248 人，其中1004人死亡
3. 富集系数BF>1，转运系数TF>1，对土壤中的重金 属有较强的吸收和向地上转运的能力。
BF＝ TF＝
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
超富集植物
迄今发现超积累 植物480种，广 泛分布于约50个 科，但绝大多数 属于镍超积累植 物(329种)
As超富集植物
超积累植物
超富集植物是指能超量吸收上壤重金属并将其运移到地上 部的植物，是植物修复的核心和基础。
超富集植物的特征： 1. 植物的生长没有出现明显的毒害症状。 2. 地上部对某种重金属的积累要达到一定量
元素 临界值 （mg/kg） Cd 100 Ni 1000 Pb 1000 Cu 1000 Zn 10000 Mn 10000
诱导植物提取技术
• 鳌合剂的施用可使玉米、豌豆地上部Pb含量从小于 5OOmg/kg增加到大于10000mg/kg。
10000
玉米、豌豆
mg/kg
70
500
原始
加EDTA后
地上部分的Pb含量
植物固定( phytostabilization)
• 是指利用一些植物来促进重金属转变为低毒性形态的过程。 在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生 变化。 分解、沉淀、螯合、氧化还原等过程
植物提取技术
• 即利用重金属超积累植 物(hyperaccumulators)从 土壤中吸取金属污染 物，随后收割地上部并 进行集中处理，连续种 植该植物，达到降低或 去除土壤重金属污染的 目的。
持续植物提取技术
植物提取
诱导植物提取技术
持续植物提取技术
持续植物提取依赖于一些重金属超富集植物，在其整个生命 周期能够吸收、转运、积累和忍耐高含量的重金属。 关键:植物超积累或富集重金属的能力
重金属污染 重金属污染物在土壤中的活性小，易于积累， 土壤一旦被其污染则极难消除。 镉和砷是极毒的； 汞、铅、镍是中等毒性； 铜、锌的毒性较低。 土壤中的重金属来源主要是“三废”排放。
重金属的危害
重金属可通过食物链在人体内Leabharlann 集重金属重金属的危害

• • • • • • • •
汞：食入后直接沉入肝脏，对大脑、神经、视力破坏极 大。天然水每升水中含0.01毫克，就会导致人中毒。 镉：导致高血压，引起心脑血管疾病；破坏骨骼和肝肾， 并引起肾衰竭 铅：是重金属污染中毒性较大的一种，一旦进入人体将很 难排除。能直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经系统， 可造成先天智力低下 钴：能对皮肤有放射性损伤。 钒：伤人的心、肺，导致胆固醇代谢异常。 锑：与砷能使银手饰变成砖红色，对皮肤有放射性损伤。 铊：会使人多发性神经炎。 锰：超量时会使人甲状腺机能亢进。也能伤害重要器官。 砷：是砒霜的组分之一，有剧毒，会致人迅速死亡。长期 接触少量，会导致慢性中毒。另外还有致癌性。
重金属污染现状 • 据统计，全世界每年平均排放 Hg 约 1.5 万吨、 Pb 约500万吨、Cu约340万吨、Ni约100万吨、Mn约 1500万吨。 • 最后绝大多数通过各种各样的途径进入土壤。
1600
年 1400 排 1200 放 1000 量 ( 万 吨 )
0 800 400 200
600
重金属污染现状
• 据估计，在美国新泽西州， 1900-1980 年， 大约有 6804 吨的砷以农药的形式进入到土 壤中。 • 连生态环境最好的非洲大陆也没有能够逃 脱被污染的命运，报告显示在过去的几十 年间，非洲各地重金属污染持续增加， Pb 和Cd污染大面积散布，Hg和As污染也在个 别地区出现。
超积累植物：蜈蚣草、遏蓝菜、硬度芥菜、东南景天、宝山堇菜等
Baker 等田间试验显示超积累植物遏蓝 菜 (Thlaspi caerulescens) 在 土 壤 含 锌 440mg/kg时，地上部分锌含量是土壤全 锌 的 16 倍 ， 若 把 土 壤 含 锌 量 降 低 到 300mg/kg的欧盟允许标准，只需种植遏 蓝菜14次
好 高 小 好 较好 较好 较好
有 有 有 有 有
工程应用 工程应用 商业化 商业化 工程应用
化学淋洗 微生物修复 植物修复
高 低
小 大
较好 好 好
有 无 无
工程应用 实验室 工程应用
生物法
传统的处理重金属的物理化学方法各有优点，但也不同程度地存在着投资大、 能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点，特别是在处理低含量重金属污 染时，其操作费用和原材料成本过高。
其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥 发到大气中，以降低土壤污染。目前研究较多的是Hg和 Se。
高 毒 洋麻、 ATP硫化酶 CH3SeCH3 +CH3Se2CH3 紫云英、 （气态） 印度芥 菜 携有细菌 Hg还原酶 基因merA 的植物
Se3+
Hg2+
Hg
低 毒
Hg2+ Se3+