土壤重金属污染与植物修复技术综述.doc
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植物营养学课程论文
土壤重金属污染与植物修复技术综述
摘要:
土壤是人类赖以生存的最主要资源之一,但随着我国工业和农业生产的不断发展,越来越多的污染物通过城市废水和工业废水灌溉农作物、农药和肥料的使用进入到土壤之中,进而累积到农作物中通过食物链危害动物和人类的健康。
本文对土壤重金属污染的来源、特点等进行了简要的介绍和分析。
阐述了植物修复的基本概念、主要作用方式.分析了植物修复技术的主要存在问题。
最后结合当今土壤污染的具体情况对今后的研究重点进行展望.提出了植物修复技术的发展趋势。
关键词:
土壤重金属污染植物修复超富集植物展望
前言:
土壤是人类生态环境的重要组成部分,但是在矿产资源的大规模开采、冶炼,化肥、农药的不当使用以及各种人类生产等活动中,人们忽视了土壤的环境承载能力,造成土壤中重金属污染日趋严重。
其不仅造成农作物的产量和品质下降,也对人类的健康造成严重的危害。
2008年以来我国相继发生了贵州独山、广西河池等砷污染事件、陕西凤翔儿童血铅超标、湖南浏阳镉污染等多起事件。
因此目前有必要深入研究土壤重金属污染的来源、作用机理及其特点。
提出和找到最有效的土壤重金属污染修复技术。
目前,土壤重金属污染的治理途径按使用手段的不同分为物理修复、化学修复和生物修复三种类型,具体包括固化、稳定、化学处理、土壤洗涤、电动修复、生物沥滤和植物修复等多种方法[1]。
本文将着重介绍植物修复技术在土壤污染治理中的应用及对其优缺点进行讨论。
1.重金属和土壤重金属污染来源
1.1重金属
重金属是指把相对密度大于5.0的金属,在元素周期表中大约有60种[2]。
由于砷等元素在毒性和其他性质上与重金属类似,一般也列入重金属范畴。
某些重金属元素如铜、锌等是动植物代谢必需的微量元素,但当它们超过一定的阈值后就会有相当的毒性。
还有一些元素如Cd、Pb等,则被认为是动植物的非必需元素,由于它们能与氨基酸侧链上的s原子和N原子发生作用,具有很高的毒性[3]。
在环境污染方面所说的重金属则主要是指Hg、Cd、Cr、Pb、和类金属As等生物毒性显著的元素,其中以Hg的毒性最大,俗称为“五毒”元素。
目前,全世界平均每年排放Hg约1.5万t,Cu340万t,Pb500万t[4]。
1.2土壤重金属污染来源
土壤污染是指污染物通过各种途径进入土壤中,其数量和速度超过了土壤的容纳和净化能力,从而使土壤性质、组成和性状等发生改变,破坏土壤的自然生态平衡并导致土壤自然功能失调、质量恶化的现象[2]。
土壤重金属污染主要是由于采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革等工业产生含重金属的废弃物进入土壤,以及污灌、农药、化肥、垃圾、粉煤灰和城市污泥的不合理施用引起的。
主要有以下途径进入土壤。
1.2.1随污水灌溉进入土壤
由于我国是一个水资源紧缺的国家,部分灌区常把污水作为灌溉水源来利用。
污水按其来源可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等[5]。
城市污水中所含有的重金属比较少,主要是富含N、P等营养物质的污水。
近年来由于我国工矿企业的迅猛发展,其污水未经处理就直接排放或者是没有进行分流处理而用来灌溉土壤。
造成土壤重金属不断累积。
根据资料显示,淮阳污灌区土壤Hg、Cd、Cr、Pb、As等重金属在1995年已超过警戒线[6]。
1.2.2随农用物资进入土壤
农药、化肥和地膜是重要的农用物资,对农业生产的发展起到重大的作用。
由于长期过量的使用化肥和农药。
化肥和农药之中含有大量有机污染物和无机污染物质,有些就哈有汞、铜、锌等重金属。
地膜之中也含有各种重金属元素。
地膜在使用后由于降解作用使重金属等污染物质进入土壤之中。
从而造成土壤重金属污染。
另外,各种固体废弃物的堆积也会造成土壤的重金属污染的重要来源。
这类废弃物在堆放或处理过程中,由于日晒、雨淋、水洗等,重金属极易移动,以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。
通过对武汉市垃圾堆放场铬渣堆放区附近及其土壤中重金属含量研究表明,重金属含量显著高于其背景值[7]。
2.土壤重金属污染的特点
2.1隐蔽性和潜伏性
土壤污染时污染物在土壤中长期积累的过程,土壤重金属污染由于其无色无味,很难被人的感觉器官察觉。
一般需要通过植物进入食物链后.到一定程度进才反映出来。
2.2不可逆性和长期性
重金属污染物进入土壤中后,其自身在土壤中迁移、转化,同时与土壤组成物质发生一系列吸附、置换、结合作用。
由于重金属在土壤中积累到一定程度时.便引起土壤结构和功能的变化,且由于重金属很难降解。
因此,一旦污染很难恢复原状。
2.3巨大的危害性
土壤中的重金属不仅会影响作物的生长发育,导致作物减产与品质的下降。
而且可以积累在作物的可食部分而造成中毒。
更重要的是它是一种潜在的二次污染源,它可以通过径流、入渗而污染地表水与地下水.也可以通过风蚀而使污染面积进一步扩大,对生物体具
有巨大的危害性。
2.4重金属的形态多变
大多数重金属元素处于过渡区,多有变价,有较高的化学活性,能参与多种反应过程。
随着环境的Eh、PH、配位体不同,常有不同的价态。
而且形态不同重金属的稳定性、活性、毒性都会不同。
通过控制土壤环境不容易去除大多数的重金属污染物。
3.超富集植物及植物修复技术
3.1超富集植物
1977年.Brooks等[8]首先提出了超富集植物概念,即把植物叶片或地上部(干重)中含Cd达到100mg/kg,含Co、Cu、Ni、Pb达到1000mg/kg,Mn、Zn达到10000mg/kg以上的植物称为超积累植物。
一般情况下超富集植物需具备以下2个条件。
①植物地上部富集重金属的量要达到一定临界标准,在较低污染水平下也有较高的吸收速率,且植物应有较强的转运能力;②与一般植物相比超富集植物能够忍耐较高浓度的重金属毒害,一般植物则会发生毒害甚至死亡。
最重要超富集植物主要在十字花科。
世界上研究最多的植物主要是芸苔属(Brassica),庭芥属(Alyssuns)和遏蓝菜属(Thlaspi)[9]。
自从提出超富集植物修复土壤重金属污染之后,人们逐渐将重金属污染治理研究重点转向了植物修复技术。
3.2植物修复技术概述
3.2.1植物修复技术简介
植物修复(Phytoremediation)是指利用绿色植物从环境中清除污染物或将其转变为无害形式的过程[10]。
植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种污染物的理论为基础,利用植物及其共存微生物体系清除土壤环境中污染物的一门环境污染治理技术[11]。
主要分为以下几个方面:
①植物提取作用:
是指通过植物根系和吸收污染物并将污染物富集于植物体内,而后将植物体收获再集中处置的过程;
②:
根际降解作用:
是指土壤中的有机污染物通过根际微生物的活动而被降解的过程,是一个植物辅助的并促进的降解过程;
②植物稳定化作用:
植物通过根系的吸收和富集,根系表面的吸附或植物根圈的沉淀作用而产生的稳定化作用;
③植物挥发作用:
利用植物从土壤中抽提可挥发的重金属,并通过其地上部分将其挥发除去的技术;
④植物降解作用:
利用与植物相关的微生物将土壤中的有机污染物分解除去的技术。
3.2.2植物修复技术优点及存在问题
①优点:
植物修复技术可以将污染物从土壤中去除,永久解决土壤重金属污染问题;其对修复场地的破坏小,而且还有绿化环境的作用;植物修复可以提高土壤肥力,而一般的物理化学修复技术会降低土壤肥力,甚至使土壤肥力完全丧失;而且植物修复具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点。
②存在问题:
目前最具有推广价值的超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长,因而修复效益低,且不易于机械化操作[12];同时,一种植物通常只能吸收一种或2种重金属,对土壤中共存的其他金属忍耐能力差,从而限制了植物修复技术在复合污染土壤治理方面的应用。
此外,植物是一个生命有机体,对土壤肥力、气候、水分、盐度、pH值等有一定的要求,而这些植物多为野生植物,目前对其生活习性和耕种方法还不了解,限制了其在治理土壤重金属污染方面的广泛利用。
而且超富集植物的根系比较浅,只能吸取浅层的重金属污染物,对土壤中深层的污染物则无能为力。
植物修复技术是一个漫长的过程,Schnoor和Trapp的研究表明植物修复通常需要超过10年的时问才能完全达到修复目的[13,14]。
4.建议与展望
目前,土壤重金属污染修复技术的重点研究领域是超累积植物筛选与培育。
针对已知的绝大多数超富集植物生物量小、生长缓慢和修复率低等缺点。
以我国丰富的杂草资源为对象进行筛选[15],将会取得一定的突破。
超累积植物是在重金属胁迫条件下的一种适应性突变体,往往生长缓慢,生物量低,气候环境适应性差,具有很强的富集专一性。
因此,筛选、培育吸收能力强,同时能吸收多种重金属元素,且生物量大的植物是生物修复的一项重要任务。
同时,土壤重金属污染大部分是属于复合污染。
需要进一步深入研究其作用机理.更好地发挥植物修复技术在土壤重金属污染修复中的优势。
由于生物修复是一项新兴的高效修复技术,具有良好的社会、生态综合效益,且易被大众接受,因此,具有广阔的应用前景。
而且重金属污染土壤的修复是一个复杂的系统工程,单一的修复技术很难达到预期效果,在以后的研究中着重以植物修复为主,辅以化学、微生物及农业生态措施,以求更加有效快速无副作用的去除土壤污染物。
另外,随着基因工程的不断快速发展,逐步运用分子生物学和分子遗传学的技术手段.加强对不同植物重金属耐性型和敏感型突变体筛选的研究。
相信在土壤污染修复技术中,会有多种转基因植物应用到土壤修复中,基因工程将上升到一个新的高度,将会开拓出一个新的植物修复污染土壤的新型技术。
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