污染环境植物修复原理课件.ppt

第五章污染环境的植物修复原理,邓 欢 欢,主要内容,概述 植物对污染物的修复作用 影响植物修复的环境因子 有机污染物的植物修复 重金属的植物修复,一、植物修复的概念和类型 P109,物理、化学方法修复的缺点：成本昂贵，易导致土壤结构破坏、土壤肥力退化。纯微生物方法在土壤重金属污染治理上无用武之地。 植物修复技术应运而生。,第一节 概述,1.植物修复的概念,定义：以植物忍耐和超量富集某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中污染物质的技术。广义；重金属、放射性核素、有机物；土壤、空气、水体 狭义：利用植物清除或固定污染土壤中的重金属。,2.植物修复的分类,植物提取修复：利用重金属超积累的植物从污染土壤中超量吸收、积累一种或集中重金属元素，并富集运输到植物根部可收割部分和地上部分；后续进行收割、热处理、化学处理等等。循环工作至重金属含量降低至可接受水平。 也是目前研究最多且最有发展前途的技术。植物挥发技术；利用植物将土壤中的一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后再将其转化为气态物质释放到大气中，从而对污染土壤起到治理作用。易挥发的重金属包括汞、硒、砷等污染以及一些有机物。,植物降解技术：利用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。 一种形式是植物吸收污染物后通过木质化作用储存在植物体内或者将污染物转化为毒性小或无毒物质。 另一种形式是植物根系分泌的降解酶可直接降解植物根际的有机污染物。根际圈生物降解技术；利用植物根际圈菌根真菌、细菌、放线菌等微生物的降解作用来转化有机污染物。植物固定化/稳定化技术：一是通过耐性植物根系分泌物来积累和沉淀根际圈附近的污染物，使其失去生物有效性，以减少毒害作用；一是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀，防止污染物向下迁移或向四周扩散污染地下水和周围环境。,植物根际生物降解,用细菌武装植物吸收分解土壤中的多环芳烃类（蒽）污染物,在香港浸会大学裘槎环境研究所做的植物外源菌耦合系统净化实验,二、植物修复的优缺点,应用广泛：土壤、水体、空气环境兼容性好：修复同时也是美化环境，易被社会大众接受 对环境扰动小，基本都是原位修复，特别是土壤植物修复的过程也是土壤有机质含量和肥力增加的过程，修复后的土壤农业利用能力增强植物固定化技术使地表长期稳定，有利于生态环境改善和生物生存成本低,植物修复的优点,植物修复的局限性,植物耐受能力的选择性，通常一种植物针对一、两种植物缓慢，周期长相对与物理、化学方法植物生长对土壤肥力、气候等自然条件和人工条件有一定的要求，植物本身会受病虫害影响植物衰亡会导致二次污染，必需收割，并对收割部分进行后续无害化处理,1.植物修复的原理总论,通过植物自身的光合作用、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、固定化等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。,第二节 植物对污染物的修复作用,2.植物修复土壤污染的主要手段 吸收、排泄和积累,植物吸收：植物生长就必需从环境中吸收物质，除对少数几种元素表现出选择性吸收外，对大多数物质没有绝对严格的选择作用，只是吸收能力大小而已。三种情形：（1）植物通过适应性调节后对污染物产生耐性，可以吸收，但是植物受伤害，器官和细胞器受损，生物量下降；（2）完全的“免疫”作用，无论根际圈内污染物浓度高低，植物依靠自身调节功能完成自我保护，不受伤害，这种情形极少；（3）植物能够在土壤污染物含量很高的情况下正常生长且生物量不下降，如重金属超量积累植物和某些耐性植物等。研究中通常在污染地带或矿山直接寻找这类植物。,植物排泄：植物也像动物一样需要不断向外排泄体内多余的物质和代谢废物，常以分泌物和挥发的形式进行。 分泌：细胞将某些物质从原生质体分离或将原生质体的一部分分开的现象。分泌的器官主要是根系和茎叶的分泌腺。 挥发：挥发物除随分泌器官的分泌活动排除外，主要随水分的蒸腾作用从气孔和角质层中间的孔隙扩散到大气中。植物排泄的途径：（1）根吸收后经叶片或茎等地上器官排出。如某些植物将羟基卤素、汞、硒等从土壤溶液中吸收后从叶片排出。（2）叶片吸收大气或降雨中污染物再经根分泌排泄。如卤代烃、酚类、苯化合物都可从叶片被植物吸收后通过根排泄到土壤。（3）植物根吸收污染物后，转移到各个器官中，当污染物含量超过临界值后，会对植物造成毒害作用。一些植物会分泌激素（如脱落酸）促使积累高含量污染物质的器官（如老叶）加快衰老速度而脱落，重新长出新叶生长，进而排出体内毒素。 去旧生新,植物积累：植物吸收的污染物除了部分能被代谢转化去除外，大部分污染物质因与蛋白质或多肽具有较高的亲和性而长期存留在植物体内，在一定时期内表现为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（hyperaccumulation）。植物修复的理论基础之一（1）富集系数（bioaccumulation factor，BCF）表征植物对元素或化合物的积累能力： 富集系数植物体内某种物质含量/土壤中该物质的含量（2）位移系数（translocation factor，TF）表征某种物质从植物根部到植物地上部分的转移能力： 位移系数植物地上部分某种物质含量/植物根部该物质含量显然都是越大说明这种植物的积累能力和修复能力越强（3）平衡富集系数：植物吸收和排泄呈动态平衡，植物虽然仍然吸收，但体内积累量不再增加，达到一个极限值（临界含量），此时的富集系数称为平衡富集系数。,植物吸收、排泄和积累间的关系：三个过程是一个动态过程，在植物生长的某个时期达到平衡，受土壤、水分、光照及植物本身因素影响会打破然后建立新的平衡，直到植物体内污染物含量达到临界值，积累才基本不再增加。土壤中污染物状态：（1）可吸收态：游离离子、螯合离子（2）难吸收态：残渣态及完全不可利用的物质（3）交换态：主要是被黏土和腐殖质吸附的污染物三种状态经常处于动态平衡但随环境条件改变而不断变化,3.植物根系的生理作用,基本作用：固定植物、吸收水分和营养、合成和分泌有机物。根系深纤维根效应；打破土壤的物理化学结构，产生裂缝和根槽，强化土壤通风，挥发物可排出；另外根系增大植物接触吸收面积等等根系可通过吸收和吸附作用在根部积累大量污染物，加强对污染物的固定作用生物合成作用：合成大量有机物，降低根际圈内污染物的可移动性和生物有效性植物具有多种物理和生化翻翻功能阻止有毒物质进入，与植物组分络合或键合为结构聚合物的方式固定下来,植物根际圈：提供微生物和其它生物良好环境，形成生态修复单元植物微生物污染物在根际圈的相互作用:植物与微生物互生、共生、协同和寄生关系，对污染物的响应植物根际圈的生物降解,4.植物根际圈生态环境对污染修复的作用,酸碱度：重金属的状态和可利用性氧化还原电位：作用同上共存物质：作用同上a.络合螯合剂b.表面活性剂污染物间的复合效应：拮抗作用和促进作用植物营养物质：污染物的状态和植物修复能力植物激素：调节植物生长发育生物因子：主要是与微生物的互利互惠共生关系,第三节 影响植物修复的环境因子,1.植物对有机污染物的修复作用,三种机制有机污染物的直接吸收和降解根系释放到土壤中酶的直接降解作用根际的生物降解，植物根系提供了微生物生长的生境，根际微生物密度远大于非根系,第四节 有机污染的植物修复,2.植物对典型有机污染物的修复,植物对农药的分解转化农药的氧化与水解作用植物对其他有机污染的分解转化作用，特别是藻类等水生植物的研究较多,构建植物微生物耦合降解系统的初步研究 研 究 生 姓 名：邓 欢 欢 指 导 教 师：张甲耀教授 专 业 名 称：环 境 科 学 研 究 方 向：环 境 生 物,土壤有机污染物生物修复实例研究,土壤有机污染植物微生物联合修复主要机理 （引自 张甲耀等，环境微生物学，2004.6）,一、 概叙,多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons ,PAHs）是环境中普遍存在的含有两个或两个以上苯环的有机化合污染物。生物修复技术具有成本低、无二次污染、可大面积应用等独特优点。植物-微生物联合生物修复被认为是土壤修复中有着良好前景的研究方向。,1.多环芳烃（PAHs）污染的生物修复,许多细菌、真菌及藻类都具有降解多环芳烃的能力。原核生物和真核生物对多环芳烃的微生物降解都需要氧气的参与，产生氧化酶，使苯环结构降解（参见图1-1）,降解多环芳烃的微生物及降解机制,多环芳烃苯环结构的主要降解机理（引自刘世亮、骆永明等，土壤，2002.5）,多环芳烃污染土壤的植物-微生物联合修复,植物-微生物联合体系能促进有机污染物的快 速降解、矿化。其基本原理为： （1）植物根系的菌根真菌与植物形成共生作用，并有着独特的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的有机物； （2）植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用； （3）植物还可以微生物提供生存场所并可转移氧化使根系的好氧转化作用能够正常进行。,植物-微生物生物修复中的生物强化,生物强化技术（bioaugmentation）是指在生物处理体系中投加具有特定功能的外源微生物来改善原有处理体系的处理效果，充分发挥微生物的潜力。外源微生物是通过实验室驯化，修饰提高降解能力或带有某种特性后再施用于污染土壤的微生物，其相对于土壤的土著微生物而言是外来的微生物。在实际应用中由于环境因子的复杂性和土著微生物的作用。其应用问题主要集中在高效菌的存活，繁殖及降解活性的保持和生态安全，以及细菌-植物根系系统和基因工程菌的结合。,2 外源菌的绿色荧光蛋白标记,来源于水母的绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）基因是一种全新的标记基因，GFP稳定、灵敏度高，无生物毒性、荧光反应不需要任何外源反应底物及表达无物种或细胞组织的专一性，因此它是一种独特的标记蛋白，因而能方便可靠地用于转基因表达的检测。,3获取高效外源性降解菌,原生质体融合是获得具有良好特性的高效外源降解菌的重要方法之一。电融合技术其原理是：在短时间强电场的作用下。细胞膜发生可逆性电击穿，瞬时地失去其高电阻和低通透性，然后在数分钟内恢复原状。当可逆电击穿发生在两个相邻细胞的接触区时，即可诱导它们的膜相互融合，从而导致细胞融合。,4微生物根部定殖的定义、机理及影响因素,根部定殖（root colonization）也有人称为根圈定殖（rhizosphere colonization），最先用于描述接种至土豆种块上的促长根圈（PGPR）在土豆根部建立种群的能力。现在一般认为: 根部定殖是指在有土著微生物存在的情况下,接种到种子或植物无性繁殖体部的微生物在根部繁殖并保持其种群的能力 。,根部定殖的定义,根部定殖的机理,“双相” 模式第一相被称为散布相(dispersal phase)第二相为增殖相(proliferation phase),根部定殖的机制,微生物的运动性(motility)生长根带动细菌分布的作用(bacterial distribution by the growing root)植物根系内真菌菌丝转运作用(translocation),5. 研究内容,获取构建菌株构建耦合系统耦合系统中外源菌株生长与植物生长耦合系统的修复效果,二、 融合子构建菌株及筛选,降蒽菌的分离土生优势菌的分离出发菌株的生长特性融合子的筛选,1.降蒽菌的分离,蒽降解细菌的分离纯化 用来源于石油污染的土壤（武汉石油化工厂）进行富集培养后用梯度培养法获得2株菌株AN-1和AN-2。,A AN-1的菌体形态 B AN-2的菌体形态,蒽降解菌诱变 （紫外照射诱变）,突变菌株对蒽降解效果的测定,最终我们选定AN-2为构建菌株,2.土壤优势菌的分离,黄麻人工体系的构建 石油烃人工污染土壤环境的建立及黄麻种植根际细菌的分离与筛选,Tu-1,Tu-2,Tu-3,Tu-4 Tu-5 Tu-6,最终我们选定Tu-1为构建菌株,3. 出发菌株的生长特性,生长曲线的测定,蒽降解菌ETAN315菌株的生长曲线,铜绿假单胞菌P.aeruginosa/EGFP菌株的生长曲线,土生优势菌Tu-1菌株的生长曲线,菌株抗性检验-融合子选择平板的确定 经涂布法多次检验各种出发菌株的抗性如表2-1所示，从抗性平板的检验试验中我们可以初步确定使用Kan+Chl的抗性组合来达到筛选融合子的目的。经进一步的抗性平板试验，在含Kan+Chl的平板上，无论是Tu-1还是ETAN315，P.aeruginosa/EGFP都无法生长（28，48hrs）。所以我们决定使用含Kan+Chl的双抗平板来筛选融合子，同时用表达绿色荧光来进一步进行确证。,4. 筛选到的融合子,得到融合子2株Tu-P和Tu-An。在日光下划线培养能表现绿色，而在在紫外光照射下即使是单个菌落也能发出明显的荧光。显示了EGFP作为一种标记技术能够很好的完成区分目的菌株的作用，为下一步的融合子在黄麻根区定殖的研究提供了良好的监测手段。,Tu-P的菌落uv光照,Tu-An的菌落uv光照,Tu-An的菌落日光照,Tu-P的菌落日光照,三、 融合子的根区定殖及其存活能力研究,土壤的预处理及染毒平衡人工耦合系统的建立细菌检测与计数,1. 土壤的预处理和染毒平衡,基本理化性质,外源性细菌的投加（本试验采用混合法） P.aeruginosa/EGFP和蒽降解菌ETAN315的生长曲线参见第二章，融合子Tu-P和Tu-An的生长曲线测定如下,2. 人工耦合系统的建立,Tu-P菌株的生长曲线,Tu-An菌株的生长曲线,污染土壤中黄麻的种植 黄麻种子用10%甲醛溶液浸泡5分钟除去毒素后蒸馏水浸泡过夜至露白，然后播种到已混好细菌的土壤中。,3. 外源细菌的检测与计数,由于实验条件的限制，不能采取破坏性的采土方式取得样品，而所用植物黄麻的根系发达，参见下图，并且我们在盆栽实验中采用了较高的栽培密度，因此我们可以把植物根区一定范围内的土壤全部视为根际土。,图3-1. 300mg/kg污染水平黄麻根部土壤特写,不同外源菌在不同浓度下的定殖表现,两类融合子在植物根圈土壤中的存活数量要远远高于未经过融合的出发菌株，在同时投加两类融合子的情形下，它们可能具有协同作用，能更好的生存繁殖并修复多环芳烃污染的土壤。植物根系也对微生物在土壤中的存活具有明显的促进作用，我们在两类融合子混合投加处理下比较了植物有无的影响，不同的污染浓度下，在播种后一周至二周出现较明显的差距，这正是植物生长到一定阶段，根系开始产生作用的时候。,不同外源细菌的平板照片,Tu-P发出的明亮荧光,Tu-An发出的明亮荧光,混合接种Tu-P和Tu-An,未投加细菌的组别,四、 修复系统中植物的生长 特点及修复效果研究,植物参与耦合系统方式修复过程中植物生长表现修复效果,1.植物参与耦合系统的方式研究,考虑了2种方式：分别是移栽和直接播种。,从结果中我们得出结论播种较好,2.修复过程中不同组别黄麻生长表现,在播种后第7，14，21，28，35，42天在对植物的高度进行测量，结果如下面的组图所示。,3.黄麻地上部分生物量的表现,在第42天植物地上部分株均干重记为地上部分生物量（upground-biomass）,如图所示：,第42天收获黄麻地上部分生物量的比较,从左至右依次为0、40、80、120、300mg/kg的污染浓度（10d）,第42天收获前300mg/kg污染处理水平黄麻生长情况照片，从左至右依次为不投加细菌，投加ETAN315，P.aeruginosa/EGFP，Tu-An，Tu-P，Tu-An+ Tu-P（1：1的接种量）,4.修复效果研究,在经过42天的修复后，GC-MS测定土壤中残留的蒽浓度，结果如下所示：,北京化工三厂土壤修复项目 国内首例土壤修复项目,北京化工三厂作为化工生产基地近五十年，土壤中含有四丁基锡、邻苯二甲酸二辛酯、滴滴涕和重金属铅、镉等大量有害化学物质。2005年根据北京市规划委员会文件2005规意选字0356号，该场地被规划为宋家庄经济适用房项目建设用地。,建设方：北京建工环境修复有限责任公司项目时间：2007年地点：北京市丰台区宋家庄土壤类型：化工污染土壤主要污染物：四丁基锡、邻苯二甲酸二辛酯、滴滴涕、重金属铅、镉等有害化学物质主要修复技术：水泥窑焚烧固化处理技术、阻隔填埋处理技术处理规模：6.5万m3处理目标：居住用地标准修复后的北京化工三厂土壤各项指标经北京市环保局检测，均符合居民土壤健康风险评价建议值标准，该工程为国内首例污染土壤修复项目。,植物提取（phytoextration）：利用专性植物根系吸收一种或几种有毒金属，并将其转移、储存到植物茎叶等地上部分，然后收割茎叶，异地处理。不同重金属的试验与示范：（1）富集系数是植物提取可否应用的关键（2）植物修复的效益取决于植物地上部分重金属含量（位移系数）及其生物量 （3）不同重金属植物提取的试验与示范实例与试验：镍、镉、汞、放射性核素、铅等,第五节 重金属的植物修复,1.植物提取 P123,重金属超富集植物（1）定义（2）超富集植物的特性a.能忍受根系和地上部分细胞中高浓度的重金属b.能以较高的比例将金属从根系转移到地上部分c.能快速吸收土壤溶液中的重金属，并对重金属的需求量大（3）典型的超富集植物：多属十字花科，蜈蚣草和东南景天（4）修复用的超富集植物特性与选择原则：a.在低污染浓度下仍有较高的富集量；b.能在体内富集高浓度的污染物；c.能同时富集几种金属；d.生长快，生物量大；e.具有抗病虫害能力,加强植物提取的方法（1）施用螯合剂：改善金属状态，提高植物吸收速率；诱导或强化植物对金属的超富集作用（2）接种特殊微生物：利用微生物的生化作用增加超富集植物对重金属的吸收或者改变金属状态，便于植物吸收（3）改善施肥技术：良好的施肥技术可使超富集植物生长旺盛、生物量大大增加，从而提高植物修复的效率,2.植物挥发 P125,概念：利用植物去除环境中的一些挥发性污染物，即植物将污染物吸收后又将其转化为气态物质，释放到大气中。目前研究较多的是金属汞和非金属元素硒。例如：在植物酶作用下Hg2+ 甲基汞 Hg单质 挥发局限性；仅适用与挥发性污染物，应用范围小，污染物转移到大气中可能造成风险，使用严格受限。,3.植物固定（phytostabilization）或植物稳定,概念：利用植物使环境中的金属活性降低，生物可利用性下降，使重金属对生物的毒性降低，同时减少水土流失和污染物扩散（特别是进入食物链的量）。局限性；并没有将环境中的重金属离子去除，只是暂时将其固定，使其不对生物产生毒害，但存在环境改变后污染物再次产生毒害的可能。改进：添加一些改土剂（如石灰、高炉渣、矿渣、粉煤灰、钙镁磷肥等碱性物质）；添加特殊微生物。,4.有益的农业措施,选择合适形态的化肥：不同形态对土壤重金属的溶解度，特别是在根际圈土壤中的溶解度产生明显影响选种抗污染农作物品种；选择吸收污染物少或食用部分积累少的作物，避免大量进入食物链改种非食用植物或改为非农用地优点：投资少，通常不需要中断农业生产，副作用小。缺点：治理效果可能较差，周期长，适用于中、轻度污染，应与生物措施、改土剂措施配合使用。,修复植物的实例,蜈蚣草是世界上第一种被发现的砷的超富集植物，对重金属具有超常规吸收与富集能力。将蜈蚣草植于污染土壤，吸收重金属加以回收，可达到“清污与回收”双重目的。中科院地理科学与资源所研究表明，蜈蚣草对土壤中铅、铜、锌与砷均有不同程度的抗性和修复能力。在自然条件下，蜈蚣草可生长在砷含量4050mg/Kg土壤中，甚至能在砷含量高达23400mg/Kg的矿渣中正常生长；在野外其叶片砷含量超过1000mg/Kg，室内栽培的叶片砷含量高达5070mg/Kg。美国佛罗里达的研究表明，生长在未污染地区的蜈蚣草植株砷含量只有11.864.0mg/L，而在受污染地区植株砷含量却高达14427526mg/L，远高于生长在正常土壤中植株的平均值（低于3.6mg/L）。 蜈蚣草可在铅浓度高达33683550mg/Kg的铅锌矿尾砂库及其周围环境成片生长；可在铜含量89612802mg/Kg的矿区土壤中正常生长，且其体内铜浓度高达918mg/Kg；可在锌浓度高达22616mg/Kg的矿渣上正常生长，其羽叶锌含量最高可达737mg/Kg。 目前，利用蜈蚣草等植物富集与修复砷、铜和锌等重金属污染的技术已推广应用，对受砷污染土壤进行低成本改良具有极大优势。如湖南郴州建立了第一个砷污染土壤植物修复基地，在田间种植条件下，蜈蚣草叶片砷含量高达0.8%，证明蜈蚣草对砷污染土壤治理具有极大的应用潜力。广西、云南等地运用蜈蚣草修复砷污染土壤技术，初步解决了污染土壤治理及农产品重金属污染超标问题。,思考,植物修复的概念与修复方式的划分植物修复的主要手段和内容重金属污染土壤的植物修复技术定义及主要类型和各自定义重金属植物修复技术的主要方法超富集植物的特性及选择修复重金属污染土壤植物的要求,