理学有机污染物的植物修复

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,本节课的主要内容,有机污染物的类型,植物修复技术简介,有机污染物的植物降解机理,植物对有机污染物的直接吸收作用,植物释放分泌物和酶去除环境中有机污染物,根际的矿化作用去除有机污染物,植物修复有机污染物的研究与应用,影响植物修复因素的研究,植物促进农药的降解研究,植物促进氯代化合物降解的研究,其它方面的研究,植物修复作用进一步研究的重点,一、,有机污染物的类型,1,、非农药有机污染物,(1),耗氧有机污染物 指所有的有机化合物在分解时都需要消耗,O,2,致使环境缺,O,2,而造成危害。,测量指标,:,化学耗氧量,(,COD,)(,Chemical Oxygen Digestion,),生化耗氧量,(,BOD,)(,Biochemical Oxygen Digestion,),溶解氧,(,DOC,)(,Dissolve Oxygen Concentration,),(2),富营养化有机物,富含,N,，,P,，,C,的有机废水,(3),有机毒物 如,:,三氯乙醛,酚,石油类和氰化物,(4),病原微生物 如,:,医院废水,生活垃圾渗水,人畜粪尿灌水,2,、农药有机污染物,(1),有机氯农药 指,用于防治植物病、虫害的组成成分中含有有机氯元素的有机化合物。（,DDT,、六六六,）,(2),有机磷农药 指,用于防治植物病、虫、害的含有机磷农药的有机化合物。（,乐果、敌敌畏,）,二、,植物修复技术简介,植物修复,(,Phytoremediation,),是利用植物的一系列生理、生化过程部分或完全修复和消除被污染土壤、水体、空气中特定有毒物质。广义的植物修复包括利用植物固定或修复重金属污染土壤,利用植物净化水体和空气,利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物降解有机污染物等方面。,有机污染物的植物修复是利用植物在生长过程中，,吸收,、,降解,、,钝化,有机污染物的一种原位处理污染土壤的方法。,植物修复的方式有,4,种,植物降解,(,Phytodegradation,),：植物吸收污染物后,在体内同化污染物或释放出某种酶,将有毒物质降解为无毒物质。,植物萃取,(,Phytoextraction,),：植物从土壤中吸收金属污染物,并在植物地上部分富集,对植物体收获后进行处理,;,植物挥发,(,Phytovolatilization,),：植物吸收污染物后,将其降解,散发到大气中,或把原先非挥发性的污染物变为挥发性污染物送入大气中。,植物固定,(,Phytostabilization,),：植物通过改变土壤的化学、生物、物理条件来抑制其中的污染物,使其发生沉淀或被束缚在腐殖质上,减少它对生物和环境的危害。,植物组织积累,植物萃取,植物固定,植物降解,植物挥发,植物修复重金属污染土壤的机理示意图,植物修复,毒素降解菌,三、有机污染物的植物降解机理,传统的有机污染物的生物修复是用,微生物,来完成的，有人认为研究植物去除有机物比较困难，因为有机物在植物体内的形态较难分析，形成的中间代谢物也较复杂，很难观察其在植物体内的转化，但是与微生物修复相比，植物修复更适合用于现场修复。,植物主要通过,3,种机制降解、去除有机污染物，即,植物直接吸收有机污染物,；,植物释放分泌物和酶，刺激根际微生物的活性和生物转化作用,；,植物增强根际的矿化作用,。,植物对有机污染物的直接吸收作用,植物从土壤中直接吸收有机物，然后将没有毒性的代谢中间体储存在植物组织中，这是植物去除环境中,中等亲水性有机污染物,（辛醇水分配系数为,logKow=0.5,3,）的一个重要机制。,疏水有机化合物,（,logKow3.0,）易于被根表强烈吸附而难以运输到植物体内，而比较容易溶于水的（,logKow0.5,）有机物不易被根表吸附而易被运输到植物体内。,化合物被吸收到植物体后，植物根对有机物的吸收直接与有机物的,相对亲脂性,有关。这些化合物一旦被吸收后，会有多种去向：植物可将其分解，并通过木质化作用使其成为植物体的组成部分，也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成,CO,2,和,H,2,O,，或转化成为无毒性的中间代谢物如木质素，储存在植物细胞中，达到去除环境中有机污染物的目的。,Jones,（,1991,）,指出,环境中大多数苯系物,(,BTEX,),化合物、有机氯化剂和短链脂肪族化合物都是通过植物直接吸收途径去除的。,许多化合物实际上是以一种很少能被生物利用的形式被束缚在植物组织中，普通的化学提取方法无法将它们提取出来。在有机质很少的砂质土壤中，利用根吸收和收获进行植物修复证明是可行的，如,Cunningham,（,1996,）,利用胡萝卜,(,Daucuscarota,）,吸收二氯二苯基,-,三氯乙烷，然后收获胡萝卜，晒干，完全燃烧以破坏污染物。在这个过程中，亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜根中。另一个运用植物从土壤中直接提取有机污染物的方法是根累积后经木质部转运，随后从叶表挥发。,有机污染物直接被植物吸收取决于植物的,吸收效率,、,蒸腾速率,以及,污染物在土壤中的浓度,。而吸收率反过来取决于污染物的物理化学特征、污染物的形态以及植物本身特性。蒸腾率是决定污染物吸收的,关键因素,，其又决定于植物的种类、叶片面积、营养状况、土壤水分、环境中风速和相对湿度等（,Jerald,等,1995,，,张锡辉等,2001,）。,植物释放分泌物和酶去除环境中有机污染物,植物可释放一些物质到土壤中，以利于降解有毒化学物质，并可刺激根际微生物的活性。这些物质包括,酶,及,一些有机酸,，它们与脱落的根冠细胞一起为根际微生物提供重要的营养物质，促进根际微生物的生长和繁殖。并且，其中的有些分泌物也是微生物共代谢的基质。,Nichols,（,1997,）,研究表明：植物根际微生物明显比空白土壤中多，这些增加的微生物能增加环境中的有机物质的降解。,Reilley,等（,1996,）,等研究了多环芳烃的降解，发现植物使根际微生物密度增加，多环芳烃的降解增加。,Jordahl,等（,1997,）,报道杨树根际的微生物数量增加，但没有选择性，即降解污染物的微生物没有选择性的增加，表明微生物的增加是由于根际的影响，而非污染物的影响。,Siciliano,等（,1997,）,通过研究也发现草原地区微生物对,2-,氯苯甲酸的降解率升高,11,63,。,植物释放到根际土壤中的,酶系统,可直接降解有关化合物，这已被一些研究所证实。,Schnoor,等（,1995,）,指出,硝酸盐还原酶和漆酶可降解军火废物如,TNT,（,2,4,6-,三硝基甲苯），使之成为无毒的成分，脱卤酶可降解含氯的溶剂如,TCE,（四氯乙烯），生成,Cl,-,、,H,2,O,和,CO,2,。通过根际的酶来筛选可用于降解某类化合物的酶，这可能是一种能快速找到用于降解某类化合物的植物的方法。,根际的矿化作用去除有机污染物,Hiltner,（,1904,）,提出,根际,(rhizosphere),的概念。根际是受植物根系影响的根土界面的一个微区，也是植物土壤微生物与其环境条件相互作用的场所，这个区与无根系土体的区别即是根系的影响。,Bolton,等（,2001,）,指出,根际微生物的群落组成依赖于,植物根的类型,（直根、丛根）、,植物种类,、,植物年龄,、,土壤类型,以及,植物根系接触有毒物质的时间,。,根际区的,CO,2,浓度一般要高于无植被区的土壤，根际土壤的,pH,值与无植被的土壤相比较要高,1,2,个单位。氧浓度、渗透和氧化还原势以及土壤湿度也是植物影响的参数，这些参数与植物种和根系的性质有关。根系与土壤物理、化学性质不断地变化，使得土壤结构和微生物环境也不断变化。,植物和微生物的相互作用是复杂的，互惠的。植物根表皮细胞和根细胞的脱落，为根际的微生物提供了,营养,和,能源,，如碳水化合物和氨基酸，而且根细胞分泌粘液（根生长穿透土壤时的润滑剂）和其它细胞的分泌液构成了植物的渗出物，这些都可以成为微生物重要的营养源。,另外，植物根系巨大的表面积也是微生物的,寄宿,之处。微生物群落在植物根际区繁殖活动，根分泌物和分解物养育了微生物，而微生物的活动也会促进根系分泌物的释放。最明显的,例子,是有固氮菌的豆科植物，其根际微生物的生物量、植物生物量和根系分泌物都有增加。这些条件可促使根际区有机化合物的降解。,植物促进根际微生物对有机污染物的转化作用，已被很多研究所证实。植物根际的菌根真菌与植物形成共生作用，有其独特的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的有机物。植物根际分泌物刺激了细菌的转化作用，在根区形成了有机碳，根细胞的死亡也增加了土壤有机碳，这些有机碳的增加可阻止有机化合物向地下水转移，也可增加微生物对污染物的矿化作用（,Chaineau,等,2000,，,吴畏,等,2001,）,。,董春香等（,2001,）,在,研究除草剂,阿特拉津的生物降解时，,发现微生物对阿特拉津的矿化作用与土壤有机碳成分直接相关。,四、植物修复有机污染物的研究与应用,1,、,影响植物修复的因素,环境条件,包括土壤水分、,pH,、有机质含量、孔隙度等,这些因素会间接决定土壤微生物的数量、种类和生物活性。,Brown,等（,1994,）,指出,pH,的变化显著影响耐重金属植物对重金属的吸收,在不同,pH,值处理的被,Zn,、,Cr,污染的土壤盆栽试验中,天蓝遏蓝菜,（,T,careulescens,）,吸收的,Zn,、,Cr,量大小值随土壤,pH,值下降而增加。,污染物性质,在低,pH,值下重金属呈吸附态进入土壤溶液,会增加植物对重金属的生物获取量。有机化合物的,亲水性大小,是影响它能否被植物吸收的因素之一,亲水性越大,进入土壤溶液的机会越小,被植物吸收量越少。通常,多环芳烃,（,PAHs,）,环的数目越多越难被植物降解。,吴龙华等（,2001,）,指出在土壤中加入,EDTA,会增加金属的活性和可溶性,但,EDTA,活化土壤重金属存在污染地下水的风险,这一点必须加以考虑。,植物种类,Paterson,等（,1990,）,发现有,88,种植物能有效吸收和富集,70,余种有机污染物,;,Bellin,和,O,Connor,（,1990,）,发现有些植物对重金属的耐受性特别高,其体内重金属含量是同类土壤上其他植物的,100,倍或,1000,倍。如果能找到或驯化出这种植物,(,超富集植物,),植物修复效率将大幅提高。遏蓝菜属植物,Thlaspirotundifolium,spp.,cepaeifolium,是已知的,唯一,能富集,Pb,的植物。,不同植物甚至同一种植物的亚种或变种所产生的分泌物和酶的种类、数量、功效是不同的,这对植物修复的功效产生一定的影响。经基因工程改造的植物能显著提高修复的功效。如改造的拟南芥菜和烟草在能杀死未改造种的,Hg,2+,浓度下存活,并把有毒的,Hg,2+,变为低度的单质,Hg,挥发掉。,根系分布,许多植物根系分布很窄,穿透的深度受土壤条件和土壤结构的影响。,Blaylock,等（,1997,）,用,芥菜型油菜,（,Brassica juncea,）,提取土壤中的,Pb,污染物时,其深度最多只能达到,15 cm,而,Pb,的移动范围在,15,45cm,。但在有些情况下,根的深度可达,110 cm,并扩展到高浓度的污染物的土壤中。修复过程发生时植物根系必须和污染物接触,所以根系的分布深度直接影响着被修复土壤或地下水的深度。多数能富集重金属污染物的植物根系分布在土壤表层,这对植物修复的效果会产生影响。,污染物浓度和滞留时间,柳树,(,Salix nigra,),能降解,除草剂,Bentazon,但当除草剂的浓度太高时,会对植物产生毒害,使植物无法生长或引起植物生长的衰退。,Conger,等（,1997,）,指出,浓度在,1 000,2 000 mgkg,时,Bentazon,对,6,种植物产生毒害。土壤中存留几年的污染物的生物获取量比新鲜污染物要少的多,降低植物