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土壤重金属污染的4种植物修复技术

北极星环境修复网  来源:科技导报  作者:李玉宝 夏锦梦等  2017/7/3 16:26:36  我要投稿  

超积累植物的局限性

1)由上文可见,最近的一种超累积植物发现于2013年,也就是说,超累积植物的发现仍然是一项值得探究的方面,另外因为已发现的超富集植物环境适应性差,具有富集专一性。因此寻找高效低选择性的超富集植物也具有很好的发展前景。

2)对收集的重金属的后处理。常见的处理方法有集中填埋、焚烧和堆制肥料。由于渗流及其他作用,收集的重金属仍然可能会对环境造成二次污染,因此对收集物的处理也是至关重要的环节,现在国内外仍没有很好的方法可以处理这个问题。

植物修复技术

植物修复技术的优点及其局限性

植物修复技术的优点

植物修复技术是指利用植物修复和消除由有机毒物和无机废弃物造成的土壤环境污染,是一种利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复重金属土壤环境的技术总称,它是通过植物系统及根际微生物群落来移去、挥发或稳定土壤环境污染物。该技术具有投资少、经济盈利、对土壤环境扰动小、治理效果永久、不破坏场地结构、不引起二次污染、美化景观、重金属可再循环和部分回收、应用面积大等优点。

植物修复技术的局限性

1)因地制宜,对不同情况的土壤采用不同的植物。按重金属污染轻重程度选取超累积植物或耐重金属植物。

2)每种植物能够积累的重金属往往只有一种或少数几种,对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状,对多种重金属污染土壤的治理存在很大的局限性。

3)用于治理重金属污染土壤的超积累植物通常生长缓慢且生物量低、修复重金属污染土地需要时间太长,经济上不合理。

4)对积累重金属后的植物再处理也是一个棘手的问题,还存在污染物及其降解产物的重新活化问题。

除了超累积植物本身的缺点之外,还有其他因素也影响植物修复的有效性,如土壤微生物活性、土壤本身的理化特性,还有污染区的气候地理条件。

植物修复技术的分类

重金属的植物修复通常有2种途径:一是通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态,使重金属固定,降低其在土壤中的移动性和生物可利用性;二是通过植物吸收、挥发,达到对重金属的削减、净化和去除的目的。按照植物修复的作用过程和机理的不同,植物修复技术可分为4类:植物提取、植物挥发、植物稳定和根系过滤。

植物提取

植物提取是目前研究最多并且最有发展前景的一种方法。1977 年Brooks 提出了超富集植物的概念,1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金属的思想。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物,要求所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。重金属经植物根系吸收后,继而转移、储存到植物茎叶,然后收割茎叶,从而达到去除土壤重金属元素的目的。一般认为重金属含量超过一般植物100倍的植物属于超积累植物,具体规定为植物积累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb等含量达到1 g/kg以上,积累的Mn、Zn含量一般在10000 mg/kg以上,积累的Cd含量一般在0.1 g/kg以上。通常,超积累植物的界定可考虑以下2个主要因素:1)植物地上部富集的重金属应达到一定的量;2)植物地上部的重金属含量应高于根部。Li研究了十字花科的超积累植物Alyssum Annrale 和Alyssum orsicum 对Ni和Cu的吸收,结果发现效果显著。

植物挥发

植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物(主要是Hg、Se、As)吸收到植物体内后转化为气态物质,挥发出土壤和植物表面,释放到大气中。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质,以减轻环境危害。Rugh等将细菌Hg还原酶基因转导入拟南芥,获得转基因植物的耐Hg能力大大提高,且能将从土壤中吸收的Hg还原为HgO。同时表达MerA 和MerB 转基因烟叶能通过叶绿体加快对Hg 的吸收。通过转基因植物控制重金属单质挥发、促进植物提取效果是今后研究重点。

植物稳定

植物稳定是利用植物吸收和植物根际的一些特殊物质使土壤中的大量有毒金属转化为相对无害的物质,从而降低土壤中有毒金属的移动性、生物有效性,减少金属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,使其不能为生物所利用的一种方法。植物根系分泌物通过改变根际环境(Ph、Eh),使重金属的形态发生化学改变,降低重金属的毒性效应。该方法适合废弃矿区的重金属污染或者放射性元素的污染的治理。Santibáñez等研究智利铜尾矿中黑麦草对Cu、Zn、Mo 和Cd等的修复作用,发现其对重金属的累积主要集中在根部,向茎叶处转移很少。东方香蒲对土壤中As、Cd、Pb的累积主要在根部,其累积量可达31.69、35.12、87.12 mg/kg,茎叶中仅为2.06、2.83、20.18 mg/kg。因此,东方香蒲可作为As、Cd、Pb污染土壤植物稳定修复的潜在目标植物之一。目前,利用麻疯树、芦苇、芦竹、荻、五节芒、纤维大麻、芥菜和红麻等经济植物,对重金属污染农田进行植物修复,有利于实现生态、环境效益的统一。

根系过滤

根系过滤作用是利用耐性植物庞大的根系过滤和吸收功能富集水体中的重金属元素,将植物收获进行妥善处理,达到修复水体重金属污染的目的。或者通过改变根际的环境从而使得重金属形态发生改变,然后聚集在根部从而减少其在土壤中的移动。此种方法更多的应用于水体污染修复之中。主要用于处理含放射性污染物质、重金属和其他污染物质(如N、P、K)的废水,目前实际应用较多的是人工湿地技术和生物塘工程。适用于根系过滤技术的植物,主要有水生植物、半水生植物,也有个别陆生植物,例如向日葵、印度芥菜、宽叶香蒲及烟草等。根基过滤适用于修复水体中重金属污染,且具有永久性和广泛性,研究发现水浮莲和浮萍的根都具有将强的吸附能力。Hansen等的实验表明,旧金山海湾的湿地系统可以很好的吸收通过炼油厂排放出的含硒废水,并且流出的浓度远远低于流入的浓度,仅为5 μg/L。

结论与展望

植物修复技术是一项处于发展中的具有广泛应用前景的技术,对超积累植物的发现仍值得探究。虽然植物修复具有耗费低、对土壤扰动小等特点,但在投入量产和使用的过程中仍然存在很多问题,比如修复周期长,植物生长缓慢、需要因地制宜等。

土壤修复是一项历时长久的系统工程,单一的修复技术难以达到预期的效果,因此需要寻求以植物修复为主,同时结合微生物修复和动物修复等进行联合修复,以达到更佳的重金属污染土壤修复效果。因此,联合修复将是未来最主要的修复技术之一。

本文作者:李玉宝,夏锦梦,论东东。

作者简介:李玉宝,温州大学生命与环境科学学院,副教授,研究方向为水污染控制工程;夏锦梦(共同第一作者),温州大学生命与环境科学学院,研究方向为水污染控制工程。

注:本文发表在2017年第11期《科技导报》

延伸阅读:

【文科论坛】重金属污染土壤的植物修复技术研究现状

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