2011年植物生理学课件10.18

•目前，普遍认为利用植物修复的方法，清除受重金属污染的土壤，是一种较便宜且方便的作法。

•甚至还有科学家指出，可利用植物的这种特性开采土壤中的金属矿物。

•成功实例：
------美国纽泽西州成功地利用植物修复的方法，把一处因制造电池而导致铅污染的土地复育成功。

¾植物修复污染生态环境的五种途径：•植物提取或萃取
•植物降解
•植物固定
•植物挥发
•根系过滤
1. 植物提取或萃取（phytoextraction）•定义：
------种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质，并转运至植物地上部，通过收割地上部分带走土壤中污染物的一种方法。

植物萃取技术原理示意图
•植物萃取作用是目前研究的最多，最有发展前景的方法之一。

•该技术主要利用一些对重金属具有较强耐受和富集能力的特殊植物。

•要求所采用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点，并具备对多种重金属较强的富集能力。

•该方法的关键在于寻找合适的超富集植物和诱导出超级富集体。

超富集植物（hyperaccumulation）
•定义：
------指能够超量富集重金属的植物，也称超积累植物。

•特点：
------针对某种或某些重金属，所采用的植物比一般植物更具有重金属耐性、并且体内重金属含量也高出很多，通常可达到成百上千倍，这类植物才能称之为重金属超富集植物。

•超富集通常要求金属离子在植物中的含量要大于0.1%-1%（干重）；
•而从后处理的角度看，当含量达到这种标准时，植物组织中金属的回收才具有经济性。

•超富集植物是植物修复的基础,国际上已发现400 多种超富集植物。

•国内对于超富集植物的研究相对较晚,研究较为系统的当属As、Zn 等重金属的超富集植物。

•但是，大多数超富集植物都具有生物量小，生长缓慢，抵抗力弱，种子少，缺乏与当地植物竞争等缺点，所以能够真正应用于植物修复技术的超富集植物并不多。

•目前，大多数植物修复策略的最终目标是将有毒重金属在植物可收割的地上组织当中进行超富集。

•超富集植物应具备的3个典型特征：1. 该植物地上部（茎、叶）重金属含量通常是普通植物在同一生长条件下的100倍左右。

2. 植物地上部重金属含量大于根部的含量。

---转移系数：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。

---对某种重金属或化合物转移系数越大，说明该植物越有利于植物提取修复。

3.植物的生长没有出现明显的受害症状，且地上部富集系数大于1。

当然，也必须具备超富集植物最基本的要求。

常见的超富集植物
砷超富集植物-蜈蚣草（肾蕨、圆羊齿）
•蕨类植物蜈蚣草：
------具有很强的超富集砷的能力，其砷含量竟可以达到1-2%，而且多集中于地上部分，一年可以收割三次之多。

•蜈蚣草的富集能力随着生长发育不断增强，超富集特性还可以遗传给下一代。

•广泛分布于我国湖南、广西等地，其生长旺盛，个体高大。

锌超富集植物-遏蓝菜
•遏蓝菜：
------能够在富含Zn的土壤中生长，而且体内的Zn元素含量占植株总干重的17％；
------也具有大量富集重金属镉Cd的能力。

镉超富集植物-龙葵
•龙葵：
------无论在铅锌矿天然Cd高含量区，还是在污灌条件下Cd人为污染区，自然生长状态下均表现出Cd超富集植物的基本特征。

铅超富集植物-东方香蒲
•东方香蒲：
------新型的铅超富集植物，对铅的耐性和富集能力很强，并能在氧气严重不足、养料缺乏的环境中生长。

芥菜
•芥菜：
------不仅可吸收铅，也可吸收并积累铬、镉、镍、锌和铜等重金属元素，春天时在野外大面积生长，是一种野生植物。

凤眼莲（水葫芦）
•凤眼莲：
---俗称水葫芦，是一种浮生植物，每公顷凤眼莲1天可从污水中吸收银1.25千克，吸收金、铅、镍、镉、汞等有毒金属2.175千克。

锰、镉超富集植物-商陆
•除了以上这些植物外，一些其它的水生和沼生植物如水浮莲、水风信子、菱角和芦苇等都能从污水中吸收金、银、汞等多种总金属元素。

•理论上，利用超富集植物修复污染环境的技术，可以将各种重金属元素从土壤或水体中提取出来，但由于气候、地理、环境等诸多因素，超富集植物修复技术在实施过程中会受到一定的制约。

影响超富集植物进行修复的一些制约因素：
1.超富集植物通常只能富集某些个别元素
---在多元素污染的土壤环境中，这类超富集植物无
法将环境中所有污染物去除，从而使得环境修复的
过程无法继续下去。

---还有一些重金属元素，它们在共同存在时，会产生拮抗作用，使得原本可大量吸收其中一种或几种有毒元素的超富集植物的吸收量减少，甚至无法吸收。

2. 许多超富集植物生长缓慢且生物量低
------这类超富集植物即使能富集大量重金属元素，因其对时间的要求过长，生物量低，所以用其修复环境并不理想。

3. 超富集植物的农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学的研究不完备
------这类植物通常较稀少，生长在边远地区，有可能他们的生长环境正在受到采矿、开发和其他活动的威胁。

------可以通过人工的方法加以改进。

•原则：
------为了防止生物入侵及基因链的污染，采用超富集植物进行修复时，我们一般希望尽量采用本地植物种，因而，筛选本地种的超富集植物更加重要。

•当然，在一些情况下也可以采用非本地种，采用的植物以前就已经引入、目前普遍存在，不会构成新的生态风险；
•所采用的植物在野外不能有效繁殖而只能进行人工繁殖；已经引入的转基因植物等。

¾超富集植物的选育：•野外筛选和室内培育•基因工程
•排异植物筛选
•野外筛选和室内选育
------目前已经发现的超富集植物约为500种，广泛分布于植物界的45个科。

------我国目前研究较多的有富集重金属Cd和Pb的植物。

•基因工程
------利用基因工程技术将已从微生物、植物和动物中陆续分离出与金属化合物形态转化有关的基因转入目标材料，并进行相关功能验证工作。

•排异植物筛选
排异植物：是指能在重金属污染土壤上正常生长，植物地上部及根部重金属含量均较低或根部重金属含量虽较高但地上部重金属含量较低的植物。

•由于许多耐性较强植物虽然可以对污染土壤进行稳定修复，但这些耐性植物地上部积累的重金属含量往往过高，其落叶或枯枝的四下分散仍然对周围环境造成安全隐患。

------排异植物的筛选是植物稳定修复的关键所在。

------但由于排异植物不能彻底修复污染土壤，所以其研究进展比较缓慢，发现的排异植物也比较有限。

应用
•蜈蚣草修复砷污染土壤技术在湖南、广西、云南等地运用，成效显著
•广西、云南等地遇到洪水时，上游堆积的开采矿产中高浓度重金属的污水就顺势蔓延下来，造成下游上百公里的河道和农田受到污染，从而大面积稻田绝收或严重减产。

•陈同斌研究员（地理所）带领的重金属污染土壤植物修复团队：
------至今已开发出3套具有自主知识产权的土壤污染风险评估与植物修复的技术
------并鉴别出在中国生长的16种能够吸收土壤重金属污染物的植物
植物修复示意图。