污染环境的植物修复原理知识讲解课件.ppt
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1、第五章,污染环境的植物修复原理,2,目录,?,5.1,概述,?,5.2,植物对污染物的修复作用,?,5.3,影响植物修复的环境因子,?,5.4,有机污染物的植物修复,?,5.5,重金属的植物修复,?,5.6,放射性核素及富营养化物的植物修复,3,5.1,概述,5.1.1,植物修复的概念和类型,植物修复技术:,是以植物忍耐和超量积累某种或某,些污染物的理论为基础,利用,植物及其根际圈微生,物体系的吸收、挥发、降解和转化,作用来消除环境,中污染物的一门环境污染治理技术。,具体地说植物修复就是,利用植物本身特有的利,用、分解和转化污染物的作用,利用植物根系特殊,的生态条件加速根际圈的微生态环境中微生
2、物的生,长繁殖,,以及,利用某些植物的特殊积累与固定能力,,,提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解,能力。,4,?,广义的植物修复,包括利用植物修复,重金属污染,的土壤,、利用植物,净化空气和水体,、利用植物,清除放射性核素,和利用植物及其根际微生物共,存体系,净化土壤中的有机污染物,。,?,目前植物修复主要,指利用植物及其根际圈微生,物体系清洁污染土壤,其中利用重金属超积累,植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是,植物修复的核心技术。,?,因此,,狭义的植物修复,技术主要指利用植物清,除污染土壤中的重金属。,5,?,植物修复应用范围:,a.,利用植物修复重金属污染的土壤,b.,利用
3、植物净化空气和水体,c.,利用植物清除放射性核素,d.,利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中,的有机污染物,6,图,5-1,植物修复与生物修复的关系及主要修复方式,生物修复,微生物修复,植物修复,微生物降解,微生物转化,植物去除,植物固定,/,稳定化,植物净化空气,植物,提取,植物降解,根际圈微生物降解,植物挥发,生态修复,7,植物修复的类型,?,植物净化空气,?,植物提取修复,?,植物挥发修复,?,植物降解修复,?,根际圈生物降解修复,?,植物固定,/,稳定化修复,8,(,1,)植物净化空气,净化空气,吸收有害气体,吸滞放射性物质,滞尘,除菌和杀菌,减弱噪声,吸收,CO,2,9,?,植物
4、修复在空气污染中的应用,氮氧化物,N,x,O,y,是污染空气的一类主要化合物,,NO,2,同,O,3,在光照的条件下容易形成光化学烟雾,,N,2,O,是一种能引起,温室效应的气体,它可以辐射传热,破坏同温层的,O,3,。某些,植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用,这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法,。,10,龙舌兰:,在,10,平方米左右的,房间内,可消灭,70,的苯、,50,的甲醛和,24,的三氯乙,烯,芦荟:,在,24,小时照明的条,件下,可以消灭,1,立方米空,气中所含的,90,的甲醛。,11,(,2,)植物促进,(Phytoaccumulation),?
5、,也称之为,植物提取,植物根系将土壤中重金属或,有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上,部分。,?,一般指那些能累积超过叶子干重,1.0%,的,Mn,,,或者,0.1%,的,Co,、,Cu,、,Pb,、,Ni,、,Zn,,或者,0.01%,的,Cd,的植物。目前世界上有,500,多种这样,的植物。,12,1583,年,,Cesalpino,首次发现,“,黑色的岩石,”上生长的特殊,植物,,1814,年,,Desvaux,将其,命名为,Alyssum bertolonii(,庭荠,属,),,,1848,年,,Minguzzi,和,Vergnano,测定该植物叶片含镍,高达,7900 mg/kg
6、,。,1977,年,,Brooks,将这类植物命名为“超富集植,物”,(hyperaccumulator),。,1983,年,,Chaney,提出利用植物提,取土壤中的污染物,通过收割植物带走土壤中污染物的设想。,13,(,3,)植物挥发,(Phytovolatilization),?,某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织,空隙中挥发。,如桉树降解三氯乙烯,(TCE),、甲基叔丁基醚,(MTBE),,印,度芥菜降解硒化合物;烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发,出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的,Hg,2+,经,植物挥发后变成了低毒的,Hg,,高毒的硒变成了低毒的硒化,物气体等。,1
7、4,(,4,)植物降解(,Phytodegradation,),?,利用某些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质的一种方式。,?,修复途径主要有两个方面:,如:硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如,TNT,分解,B,根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物,如:漆酶对,TNT,(三硝基甲苯)的降解,,脱卤酶对含氯溶剂如,TCE,(三氯乙烯)的降解等,A,污染物,植物体,木质化作用,植物组织,矿化为,CO,2,和,H,2,O,无毒或毒性小,15,(,5,),根际圈生物降解,(Rhizodegradation),?,根系降解:,植物中超过,20%,的营养成分如糖分、,氨基酸、有机
8、酸等都聚集在根部,因此会生长很多,微生物,尤其在根表面向外,13mm,的地方,这些微,生物是没有种植过植物的土壤的,34,倍。一些微,生物可以同植物相结合促进重金属的转化,也可以,矿化某些有机污染物如,PAHs,、,PCBs,。,植物,微生物体系,水分,养料,根分泌物质,降解有机物的原料(,共代谢的原料,),16,(,6,)植物固定,(Phytostabilization,),?,利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在,根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤,或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系,对污染物起固定作用。,17,5.1.2,植物修复的优势及存在的问题,优势:,?,植物修复开发
9、和应用潜力巨大。,?,植物修复符合可持续发展战略的理念。,(太阳能为能源、蒸腾作用、无二次污染、肥力增加,,回收金属等),?,植物修复过程易于社会接受。,18,局限性:,?,需要光、,T,、水分等适宜的环境条件,及病、虫草害,的影响;,?,对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达,不到,甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修,复并不适用;,?,对于复合污染土壤或水体,采用一种修复植物或几,种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复,要求;,?,修复周期较长,难以满足快速修复污染环境的需求。,19,?,修复原理:主要是通过植物自身的光合、,呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的,污染物质和微
10、生态环境发生交互反应,从,而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使,污染物达到净化和脱毒的修复效果。,5.2,植物对污染物的修复作用,20,5.2.1,植物吸收、排泄与积累,(,1,)植物吸收,?,植物为了维持正常的生命活动,必须不,断地从周围环境中吸收水分和营养物质。,?,植物具有广泛吸收性,除对少数几种元,素表现出选择性吸收外,对不同的元素,来说只是吸收能力大小不同而已。,?,植物吸收的,3,种方式,:被动吸收、避、超,积累,21,(,2,)植物排泄,?,向外排泄体内多余的物质和代谢物质(排泄物,或挥发的形式),?,植物排泄途径:,经过根吸收后,再经叶片或茎等地上器官排出,去,(,如汞、硒等)
11、。,叶片吸收后,根排泄。,去旧生新,22,(,3,)植物积累,?,进入植物体内的污染物质虽可经生物转化过程,成为代谢产物经排泄途径排出体外,但大部分,污染物质与,蛋白质或多肽,等物质具有较高的亲,和性而长期存留在植物的组织或器官中,在一,定的时期内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。,23,?,用富集系数来表征植物对某种元素或化合物的积累能力,,富集系数(,BCF,),=,植物体内某种元素含量,/,土壤中该种元素,含量,?,用位移系数来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,即,位移系数(,TF,),=,植物地上部某种元素含量,/,植物根部该种元素
12、,含量,富集系数越大,表示植物积累该种元素的能力越强。,位移系数越大,说明植物由根部向地上部运输该元素能力越强,,利于植物提取修复。,当植物吸收和排泄的过程呈动态平衡时,植物虽然仍以某种微,弱的速度在吸收污染物质,但在体内的积累量已不再增加,而,是达到了一个极限值,叫临界含量,此时的富集系数称为,平衡,富集系数,。,24,(,4,)植物吸收、排泄和积累间的关系,动态平衡,(,图,5-3),?,根据植物根对污染物质吸收的难易程度,可将土,壤中污染物分为:,可吸收态:,土壤溶液中的污染物如游离离子及螯合,离子,难吸收态:,残渣态等难为植物吸收的,交换态:,介于两者之间,包括被黏土和腐殖质吸附,的污
13、染物,可吸收态,交换态,难吸收态,25,5.3,影响植物修复的环境因子,共存物质,温度,氧化还原,电位,污染物间的,复合效应,生物因子,植物营,养物质,酸碱度,植物激素,27,?,影响土壤重金属活性的主要因素,影响溶解,和沉淀平衡,,pH,高重金属易沉淀,不易生物吸,收。,?,以,Cd,、,Zn,为例,随,pH,升高,,Cd,、,Zn,趋于稳,定,;,?,在低,pH,时,沉积物中生物可吸收态的水溶液,和可交换态,Cd,、,Zn,的浓度有明显增加。,?,可能不是单一的递增或递减。,(,1,),pH,值,28,(,2,)氧化还原电位,Eh,?,重金属在不同的氧化还原状态下,有不同的形,态且可互相转
14、化。,?,Cd,:在还原条件下,有机结合态,Cd,最稳定,但,在氧化条件下,有机结合态镉则被转化为生物可,利用的水溶态、可交换态或溶解络合态而释放到,水体中,并随,Eh,增大,其释放量增多。,?,淹水抽穗,29,(3),共存物质,?,可改变重金属的存在状态:,?,络合,-,螯合剂:,与可溶态金属结合,防止金属沉淀,或吸附在土壤上,,增加重金属的移动性和植物利,用性,。同时,被吸附态和结合态的金属离子溶解,如,土壤中植物吸收,Pb,的能力很低,土壤中加入,络合剂(,EDTA,),增加植物根对,Pb,的吸收能,力,富里酸,对结合态汞有较强的吸附能力,易于促进矿,物汞由固定结合态向有机溶解态转化,而
15、被植物,吸收。,30,(,4,)植物营养物质,?,营养物质是影响植物吸收重金属的要素,有,些已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。实,验表明,N,、,P,、,K,等植物营养物质对超积累植物吸,收重金属有较大的影响。,?,例如,在对小麦施用氮肥的过程中发现,硝酸,铵不仅能够增加小麦对土壤中,Cd,的吸收,促进,植物生长,而且,NH,4,进入土壤后发生硝化作用,,短期内可使土壤,pH,值明显下降,增加了,Cd,的生,物有效性,更重要的是,NH,4,Cd,形成络合物而降低,土壤对,Cd,的吸附。,31,(,5,)污染物间的复合作用,?,多种污染物复合污染,拮抗和促进,(,6,)植物激素,?,植物体内
16、合成的,对植物生长发育产生明显调节作用,的微量生理活性物质。(,植物激素类除草剂,),(,7,)生物因子,?,菌根真菌增加生长,降低土壤中的重金属含量等。,32,(,8,)温度,?,温度首先会影响水生植物的生长,,温度还会影,响水体重金属离子的活性,以及水体悬浮泥沙、,底泥对重金属的吸附,进而影响植物的吸收。,(,9,)重金属的种类及其形态差异,?,植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难,吸收,通过植物对,Cr,Hg,As,Cd,的吸收比较发现植,物最容易吸收,Cd,和,As,,而对,Cr,的吸附量就很少。,同一元素的不同价态吸收系数差别很大,如水稻,对,Cr,3,的吸收系数平均值为,0.0
17、32,,而对,Cr,6,则为,0.056,,可见,Cr,6,的吸收系数大于,Cr,3,。,33,5.4,有机污染物的植物修复,直接吸收,和降解,酶的作用,根际的生,物降解,?,5.4.1,植物对有机污染物的修复作用(,3,种机制),34,(,1,)直接吸收和降解,?,植物根中度憎水性有机物吸收好,:0.5lg Kow 3.0,?,Kow,是有机化合物在辛醇和水两相平衡浓度之比。辛,醇对有机物的分配与有机物在土壤有机质的分配极为,相似,,3.0,憎水,根部吸附紧密,不易进入植物体内;,0.5,,亲水,不易与根部吸附,不易进入植物体,?,苯系物,氯代溶剂,短链脂肪族化合物,?,植物吸收后木质化作用
18、新的组织中,?,矿化二氧化碳和水,?,挥发,35,(,2,)酶的作用,?,植物对有机污染物的吸收强度比无机物低,?,主要靠根系分泌物对有机物的污染产生的配,合和降解等作用;,?,根系释放到土壤中的酶的直接降解作用。,死的植物根酶分解作用脱卤酶等,(,3,)根际的生物降解,植物以多种方式帮助微生物的转化,?,包括:植物根的微生物区系内生微生物,36,根分泌酶和有机酸,微生物,土壤界面,促进根区微生物的生,长和繁殖,以利于降,解有毒化学物质。,根系分泌物:糖类,醇类,酸类,,细根的腐解有机碳,37,植物,-,微生物共生体,(,具有固氮菌的豆科植物,),中,根分泌物养育了微生物,微生物的活动也会,促
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