第五章 污染环境的植物修复原理

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• （4）植物营养物质 • 营养物质是影响植物吸收重金属的要素，有些 已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。实验 表明N、P、K等植物营养物质对超积累植物吸收 重金属有较大的影响。 例如，在对小麦施用氮肥的过程中发现，硝酸 铵不仅能够增加小麦对土壤中Cd的吸收，促进 植物生长，而且NH4＋进入土壤后发生硝化作用， 短期内可使土壤pH值明显下降，增加了Cd的生 物有效性，更重要的是NH4Cd形成络合物而降低 土壤对Cd的吸附。
（9）重金属的种类及其形态差异 • 植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难 吸收，通过植物对Cr,Hg,As,Cd的吸收比较发现植 物最容易吸收Cd和As，而对Cr的吸附量就很少。 同一元素的不同价态吸收系数差别很大，如水稻对 Cr3＋的吸收系数平均值为0.032，而对Cr6＋则为 0.056，可见Cr6＋的吸收系数大于Cr3＋。
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• 广义的植物修复包括利用植物修复重金 属污染的土壤、利用植物净化空气和水 体、利用植物清除放射性核素和利用植 物及其根际微生物共存体系净化土壤中 的有机污染物。 • 目前植物修复主要指利用植物及其根际 圈微生物体系清洁污染土壤，其中利用 重金属超积累植物的提取作用去除污染 土壤中的重金属又是植物修复的核心技 术。因此，狭义的植物修复技术主要指 利用植物清除污染土壤中的重金属。
生态修复
图5-1 植物修复与生物修复的关系及主要修复方式
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植物修复的类型
植物净化空气 植物提取修复 植物挥发修复 植物降解修复 根际圈生物降解修复 植物固定/稳定化修复
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（1）植物净化空气
吸滞放射性物质 吸收有害气体
减弱噪声
净化空气
滞尘
吸收CO2
除菌和杀菌
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• 植物修复在空气污染中的应用 氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物， NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O 是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热, 破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基 酸或以其为氮源加以利用, 利用这些植物去除空气 中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法 。
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植物固定(Phytostabilization
• 利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在 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, 即 根系对污染物起固定作用。
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5.1.2 植物修复的优势及存在的问题
• 与传统的修复技术相比, 植物修复是一种容易接受、 成本低、技术要求低的修复方法, 它可应用于空气、 地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复 技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重 金属等;有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀 虫剂、除草剂等。
（4）植物吸收、排泄和积累间的关系 动态平衡(图5-3) • 根据植物根对污染物质吸收的难易程度，可将土 壤中污染物分为： 可吸收态：土壤溶液中的污染物如游离离子及螯合 离子 难吸收态：残渣态等难为植物吸收的 交换态：介于两者之间，包括被黏土和腐殖质吸附 的污染物
可吸收态 交换态 难吸收态
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• 用富集系数来表征植物对某种元素或化合物的积累能力，
富集系数（BCF）=植物体内某种元素含量/土壤中该种 元素含量
• 用位移系数来表征某种重金属元素或化合物从植物根部到 植物地上部的转移能力，即
位移系数（TF）=植物地上部某种元素含量/植物根部该种元 素含量 富集系数越大，表示植物积累该种元素的能力越强。 位移系数越大，说明植物由根部向地上部运输该元素能 力越强，利于植物提取修复。 当植物吸收和排泄的过程呈动态平衡时，植物虽然仍以某种 微弱的速度在吸收污染物质，但在体内的积累量已不再增 加，而是达到了一个极限值，叫临界含量，此时的富集系 24 数称为平衡富集系数。
第五章 污染环境的植物修复原理
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5.1概述 5.2植物对污染物的修复作用 5.3影响植物修复的环境因子 5.4有机污染物的植物修复 5.5重金属的植物修复 5.6放射性核素及富营养化物的植物修复
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5.1概述
• 5.1.1植物修复的概念和类型 植物修复技术： • 是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的 理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸 收、挥发、降解和转化作用来消除环境中污染物的 一门环境污染治理技术。具体地说植物修复就是利 用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用， 利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态 环境中微生物的生长繁殖，以及利用某些植物的特 殊积累与固定能力，提高对环境中某些无机和有机 污染物的脱毒和分解能力。
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1583年，Cesalpino首次发 现“黑色的岩石”上生长 的特殊植物，1814年， Desvaux将其命名为 Alyssum bertolonii(庭荠属)， 1848年，Minguzzi和 Vergnano测定该植物叶片 含镍高达7900 mg/kg。
1977年，Brooks将这类植物命名为“超富集植 物”(hyperaccumulator)。1983年，Chaney提出 利用植物提取土壤中的污染物，通过收割植物带 走土壤中污染物的设想。 12
• 优势
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• 局限性 1 .需要光、T、水分等适宜的环境条件，及病、虫草害 的影响； 2.对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达不 到，甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修复 并不适用； 3.对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几种 修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要 求； 4.修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。
• ＞3.0憎水，根部吸附紧密，不易进入植物体内； ＜0.5，亲水，不易与根部吸附，不易进入植物体
• 苯系物，氯代溶剂，短链脂肪族化合物
• 植物吸收后－木质化作用新的组织中 • • 矿化－二氧化碳和水 挥发
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（2）酶的作用 • 植物对有机污染物的吸收强度－比无机物低
• 主要靠－根系分泌物对有机物的污染产生的配 合和降解等作用；
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（2）氧化还原电位Eh • 重金属在不同的氧化还原状态下，有不同的形 态且可互相转化。 • Cd：在还原条件下，有机结合态Cd最稳定，但 在氧化条件下，有机结合态镉则被转化为生物可 利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到 水体中，并随Eh增大，其释放量增多。
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• (3)共存物质 • 可改变重金属的存在状态：
脱卤酶对含氯溶剂如TCE（三氯乙烯）的降解等
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（5）根际圈生物降解修复
• 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, 尤其在根表面向外1~3mm 的地方, 这些微生物是 没有种植过植物的土壤的3~4 倍。一些微生物可 以同植物相结合促进重金属的降解, 也可以矿化 某些有机污染物如PAHs、PCBs。 植物
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5.2植物对污染物的修复作用
• 修复原理：主要是通过植物自身的光合、 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、固定等过程使 污染物达到净化和脱毒的修复效果。
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5.2.1 植物吸收、排泄与积累
（1）植物吸收 • 植物为了维持正常的生命活动，必须不断 地从周围环境中吸收水分和营养物质。 • 植物具有广泛吸收性，除对少数几种元素 表现出选择性吸收外，对不同的元素来说 只是吸收能力大小不同而已。
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5.4 有机污染物的植物修复
5.4.1 植物对有机污染物的修复作用（三种机制）
直接吸收 和降解
酶的作用
根际的生 物降解
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（1）直接吸收和降解
• 植物根－中度憎水性有机物吸收好:0.5≤lg Kow ≤3.0
• Kow是有机化合物在辛醇和水两相平衡浓度之比。辛 醇对有机物的分配与有机物在土壤有机质的分配极为 相似，
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• 植物修复应用范围： a. 利用植物修复重金属污染的土壤 b. 利用植物净化空气和水体 c. 利用植物清除放射性核素 d. 利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中 的有机污染物
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微生物降解
微生物修复 微生物转化 植物净化空气 植物提取
生物修复
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植物去除 植物修复
植物挥发 植物降解
根际圈微生物降解 植物固定/稳定化
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（4）植物降解修复
• 利用某些植物特有的转化和降解作用去除水体 和土壤中有机污染物质的一种方式。 • 修复途径主要有两个方面：
A 污染物 植物体 木质化作用 矿化为CO2和H2O 植物组织 无毒或毒性小
如：硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如TNT分解 B 根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物 如：漆酶对TNT（三硝基甲苯）的降解，
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5.2植物对污染物的修复作用
（2）植物排泄 • 向外排泄体内多余的物质和代谢物质（排泄物 或挥发的形式） • 植物排泄途径： ①经过根吸收后，再经叶片或茎等地上器官排出 去(如汞、硒等）。 ②叶片吸收后，根排泄。 ③ 去旧生新
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（3）植物积累 • 进入植物体内的污染物质虽可经生物转化过程 成为代谢产物经排泄途径排出体外，但大部分 污染物质与蛋白质或多肽等物质具有较高的亲 和性而长期存留在植物的组织或器官中，在一 定的时期内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。
植物挥发(Phytovolatilization) • 某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空 隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁 基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲 基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活 性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低 毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。
水分 养料
微生物体系
降解有机物的原料(共代谢的原料）
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根分泌物质
利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引 起的水体富营养化问题已有大量研究。 种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷, 又有很好 的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、多花黑 麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有 明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或 混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。
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龙舌兰：在10平方米左右的 房间内，可消灭70％的苯、 50％的甲醛和24％的三氯 乙烯
芦荟：在24小时照明的条 件下，可以消灭1立方米空 气中所含的90％的甲醛。
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植物促进(Phytoaccumulation)
• 也称之为植物提取(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。一般指那些能累积超过叶 子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、 Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多 种这样的植物。
• 根系释放到土壤中的酶的直接降解作用。
• 络合-螯合剂：与可溶态金属结合，防止金属沉淀 或吸附在土壤上，增加重金属的移动性和植物利 用性。同时，被吸附态和结合态的金属离子溶解
如，土壤中植物吸收Pb的能力很低→→土壤中加入 络合剂（EDTA）→→增加植物根对Pb的吸收能力
富里酸对结合态汞有较强的吸附能力，易于促进矿 物汞由固定结合态向有机溶解态转化，而被植物 吸收。
5.3 影响植物修复的环境因子
酸碱度 生物因子 氧化还原 电位 共存物质 植物营 养物质 污染物间的 复合效应
温度
植物激素
•（1） pH值
• 影响土壤重金属活性的主要因素，影响溶解 和沉淀平衡，pH高重金属易沉淀，不易生物吸 收。 • 以Cd、Zn为例，随pH升高，Cd、Zn趋于稳 定; • 在低pH时，沉积物中生物可吸收态的水溶液 和可交换态Cd、Zn的浓度有明显增加。 • 可能不是单一的递增或递减。
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• （5）污染物间的复合作用 • 多种污染物－复合污染，拮抗和促进 • （6）植物激素 • 植物体内合成的，对植物生长发育产生明显调节作用 的微量生理活性物质。 • （7）生物因子 • 菌根真菌－增加生长，降低土壤中的重金属含量等。
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（8）温度 • 温度首先会影响水生植物的生长， 温度还会 影响水体重金属离子的活性，以及水体悬浮泥沙、 底泥对重金属的吸附，进而影响植物的吸收。