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    3. 植物修复

      植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。 研究表明,通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用,可以净化土壤或水体中的污染物,达到净化环境的目的,因而植物修复是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术。

      编辑摘要

      基本信息 编辑信息模块

      中文名: 植物修复 英文名: Phytoremediation
      其他外文名: Phytoremediation
      处理对象: 重金属、有机物或放射性元素污染 常用植物: 碱蓬、浮萍、水葫芦、苦草等
      分类: 植物萃取、过滤、挥发、固定 优点: 成本低,二次污染易于控制

      目录

      简介/植物修复 编辑

      目前现有的环境污染土壤修复技术通常采用物理和化学方法,如排土壤埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法和稳定化及化学法等。成本高,难于管理,易造成二次污染,且对环境扰动大。近年来生物修复技术因其成本低,适合大规模的应用,利于土壤生态系统的保持,对污染地景观有美学价值,对环境基本没有破坏作用,从而引起了公众及科学界的广泛兴趣。生物修复技术包括植物修复技术、微生物修复技术和微生物-植物联合修复技术。  

      定义

      植物修复指直接利用植物把受污染土地或地下水中的污染物(重金属、有机物等)移除、分解或围堵的过程。目前普遍认为利用植物修复的方法,来清除受重金属污染的土地,是一种较便宜且方便的作法,甚至有科学家指出,可利用植物的这种特性开采土壤中的金属矿物。

      优点

      植物修复技术属于原位修复技术,其成本低、二次污染易于控制,植被形成后具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效,可大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复。  

      缺点

      植物修复技术主要依赖于生物进程, 与 一些常用工程措施相比见效慢,修复耗时长。   对于深层污染的修复有困难,由于气候及地质等因素使得植物的生长受到限制,存在污染物通过“植物—动物”的食物链进入自然界的可能。

      发展及现状/植物修复 编辑

      世界上大多数的工业国家都面临严重的重金属污染问题,因此开发有效的植物修复法,清除环境中的过量重金属已是刻不容缓的事情。人们平时看到的极不起眼的植物可以生长在重金属污染的土地上,且扮演超级清道夫的角色,环境逆境来临时,唯有透过生物多样性的维护,才能确保生物生生不息及地球的永续发展。

      植物修复 植物修复

      美国纽泽西州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。透过了解植物在重金属环境下的生存策略,有助于人类利用生物科技制造出可以大量吸收重金属的植物。阿拉伯芥与水稻两种模式植物的基因密码已完成定序,加上目前已开发出的生物芯片,未来将有助于研究人员寻找植物中受重金属诱导而表现的基因。此外藉由大规模搜寻阿拉伯芥突变株中被破坏的每一个别基因,也可使研究人员真正了解究竟那些基因与植物在重金属逆境下的生长有关。当然从其它模式生物如细菌及酵母菌,甚至高等哺乳动物系统所获得的信息也是很有帮助的。

      基本上可以有效清除重金属污染的植物,最好须有下列特征:生长快速、根系能深植土壤、容易收割、能够容忍并累积多样化重金属。藉由这些分子生物学的方法所得到的结果,除了有助于人们了解植物在重金属逆境下的生存策略外,未来也可应用于生物科技产业,帮助人们开发可大量累积重金属的植物新品种,供作植物修复用。

      有关植物修复的研究工作,主要是以下述两种策略进行,首先是藉由在植物体中大量表现,已存在于体内且和聚积重金属有关的单一基因,促使植物累积重金属的能力增强。另一种方法则是将一整套外来的,参与重金属代谢、吸收及累积途径的所有酵素,利用基因转殖的方式送进植物体内。

      藉由生物科技的兴起,科学家将能利用基因转殖的方式,在植物中导入和重金属耐受性与聚积性有关的基因,创造出可抵抗且累积多种重金属的转殖植物,供作植物修复用,以解决目前工业国家中严重的重金属污染问题。当然,未来实际应用这些转殖植物,来净化遭重金属污染土地的同时,仍需谨慎评估基因改良植物对生态环境的冲击。

      目前已经有许多利用基因转殖技术成功生产抗重金属植物的例子,例如以色列的研究人员在烟草中加入具输送功能的基因(transporter),使烟草可以生长在含有高浓度镍的环境下。另外西班牙的研究人员则在阿拉伯芥中转殖可以受镉诱发,进而影响植物体内谷胱甘肽(glutathione)浓度的基因,结果发现转殖植株可以生长在含高浓度镉的环境下,并且将镉累积在叶片中。

      在日本及新西兰,有研究人员把一些受铝诱发的基因送进植物体内表现,结果确实可使转殖植物生存在高浓度铝的土壤中。到了2003年,美国的研究人员更把细菌中抗镉的基因转殖入植物体内来加以表现,结果同样可以产生抵抗并累积高浓度镉的植株。因此,除了利用天然的重金属高聚积植物进行植物修复外,基因转殖植物将是未来植物修复工作的明日之星。

      植物修复 植物修复

      植物修复在中国,从1999年开始,在国家“863”计划、“973”计划和国家自然科学基金重点项目的支持下,地理科学与资源研究所环境修复中心研究员陈同斌带领的研究组筛选出一种砷超富集植物,解决了砷污染土地植物修复技术中的一系列关键难题,在国际上建立了第一个砷污染土地的植物修复示范工程,并先后在广西河池和云南红河州开始推广应用。此外关于水体污染植物修复技术(漂浮植物修复技术)的研究工作也在推行之中。

      分类/植物修复 编辑

      植物修复 植物修复

      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。自20世纪90年代以来,植物修复成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。

      植物修复过程中可以具体分为5种:

      phytoextraction植物提取修复

      phytovolatilization植物挥发修复

      phytostabilisation植物固定修复

      phytotransformation植物转化修复

      rhizosphere bioremediation根圈的植物修复技术

      植物提取修复

      又称植物萃取技术,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运移至植物地上部,通过收割地上部物质带走土壤中污染物的一种方法。植物提取作用是目前研究最多,最有发展前景的方法。该技术利用的是一些对重金属具有较强忍耐和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。此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。

      植物挥发修复

      通过植物蒸发作用将挥发性化合物或者新陈代谢产物释放到大气的过程。羟基是光化学循环中形成的一种氧化剂,地下环境中许多难处理的有机化合物进入大气后可很快与羟基氢氧基产生化学反应。然而,将污染物从土壤或地下水转移到大气中并不容易。植物中的硝酸盐还原酶和树胶氧化酶可分解药废弃物如TNT,并将讲解后的环形结构物结合到新的植物组织或有机碎片中,成为有机物质的组成部分,从而达到去毒的目的。去毒机制是将母体化合物转化为无植物毒性的新陈代谢产物存在植物器官中。对酶作用途径和产物的深入研究无疑会丰富和发展现有的植物修复理论。  

      植物固定修复

      原理:利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法。

      植物在植物稳定中主要有两种功能:

      1.保护污染土壤不受侵蚀,减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移;

      2.通过金属根部的积累和沉淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。

      应用植物稳定原理修复污染土壤应尽量防止植物吸收有害元素,以防止昆虫、草食动物及牛、羊等牲畜在这些地方觅食后可能会对食物链带来的污染。

      然而植物稳定作用并没有将环境中的重金属离子去除,只是暂时将其固定,使其对环境中的生物不产生毒害作用,但并没有彻底解决环境中的重金属污染问题。如果环境条件发生变化,重金属的生物可利用性可能又会发生改变。因此,植物固定不是一个很理想的修复方法。

      植物转化修复

      原理:植物转化也称植物降解(Phytodegradation),指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行分解,或者通过植物分泌出的化合物(比如酶)的作用对植物外部的污染物进行分解。植物转化技术使用于疏水性适中的污染物,如BTEX,TCE,TNT等军用排废.对于疏水性非常强的污染物,由于其会紧密结合在根系表面和土壤中,从而无法发生运移.对于这类污染物,更适合采用之后提到的植物固定和植物辅助生物修复技术来治理。

      根圈的植物修复技术

      又称植物刺激技术、植物辅助修复技术,或根圈讲解技术。

      原理:通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态,挥发出土壤和植物表面,达到治理土壤重金属污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通过甲基化挥发,大大减轻土壤的重金属污染。如B.Juncea能使土壤中的Se以甲基硒的形式挥发去除。

      还有的研究表明烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的零价汞。Rugh等将细菌的汞还原酶基因转入Arabidopsistfialiana中,发现该植物对HgCl2的抗性和将Hg2+还原为Hg的能力明显增强。这一方法只适用于挥发性污染物,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,以减轻环境害。由于这一方法只适用于挥发性污染物,应用范围很小,并且将污染物转移到大气和(或)异地土壤中对人类和生物又一定的风险,因此,它的应用将受到限制。

      植物修复 植物修复

      主要污染修复资源植物/植物修复 编辑

      碱蓬

      植物修复 植物修复

      碱蓬可以在盐碱化土壤上繁茂生长,能有效降低土壤表层盐量,增加土壤有机质含量,提高土壤中N、P、K的含量。在未完全脱离海水的高盐的潮滩上有机质越来越多,加速了潮滩的土壤化过程,因此被誉为盐碱地改造的“先锋植物”。此外,碱蓬对重金属也有一定的吸收作用,还可以用来处理含盐养殖废水。碱蓬对常见金属Cu、Zn、Pb、Cd均具有累积作用,体内含量均高于潮滩背景值。碱蓬可监测环境中汞的含量,能快速富集水中的镉类金属,清除酚类。

      浮萍

      植物修复 植物修复

      浮萍在我国有4个属,分别事多根紫萍、少根紫萍、绿萍和芜萍,常分布于相对平缓的水面,如水田、水塘、湖泊和水沟等。浮萍的生长能吸收空气中的二氧化碳,可减轻温室效应。且净化污水的作用比微生物还显著,对水体中TN、TP的总去除率高。浮萍对有毒元素Cd等能通过螯合和液泡的区室化等作用来耐受并吸收富集环境中的重金属。

      水葫芦

      植物修复 植物修复

      水葫芦有发达的根系,生长迅速,具有大量吸收污水中的氮、磷等营养物质和净化重金属、有机污染等积极的生态效应。有报道,在适宜的条件下,一公顷水葫芦可以将800人排放的氮磷元素当天吸收掉。水葫芦还能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重金属元素,且对酚、氰、油的清除率也很高,能够大量吸收营养盐,对改善水质、治理水体富营养化具有一定作用。

      苦草

      植物修复 植物修复

      在苦草生长的地方,浮游生物、细菌和丝状藻生物量降低。研究认为,苦草生物量越大,对藻类的抑制作用也越大,致使水体正磷酸盐、溶解有机碳和总悬浮物含量减少,透明度增加。苦草有控制湖泊富营养化、恢复沉水植物生态系统的作用。此外,一些研究表明,苦草的根对重金属汞有较强的吸收能力,因此可用于监测环境中重金属汞的污染。苦草也可用于有机氯污染的生物监测。  

      相关文献

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      扩展阅读
      1《超积累植物商陆的锰富集机理及其对污染水体的修复潜力》
      2《有机污染物—重金属复合污染土壤植物修复技术研究》

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