浅议土壤重金属污染中植物修复技术的应用.doc
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浅议土壤重金属污染中植物修复技术的应用
刘准桥070106114
(南京林业大学)
摘要:
土壤重金属污染在世界范围内广泛存在并且日益严重,植物修复技术作为一低成本,效果好,无二次污染的绿色技术成为当前学术界研究的热点。
本文论述了重金属的概念和土壤重金属的来源,介绍了植物修复技术的概念并从植物提取、植物挥发、植物稳定或固化、根系过滤四个方面阐述了植物修复技术在清除土壤重金属污染方面的应用,且进一步提出了植物修复技术的发展建议。
关键词:
土壤;重金属;植物修复
土壤水生态环境的重要组成部分,是人类赖以生存的主要资源之一,近年来,随着现代工业的发展和农业生产的现代化,工业三废的排放,农业化肥与有机农药的大量施用,生活污水的不断排放,城市污泥,矿床的开采等大量的污染物进入土壤环境,土壤污染日益严重。
其中重金属污染在土壤污染中不仅面积大,并且残留时间长。
当土壤中的重金属含量积累到一定程度,会对土壤—植物系统产生毒害作用,导致土壤退化、农作物的产量和品质下降,每年因重金属污染带来的粮食减产达1000多万吨,被重金属污染的粮食每年达1200万吨,年经济损失在200亿以上[1]。
另外,重金属可以通过植物的吸附作用进入植物体内,另外还可以通过径流和淋洗等作用污染地表水和地下水,最终能通过接触和食物链等途径危害人们的生命健康[2]。
一、重金属的概念及土壤重金属的来源
1、重金属的概念
重金属是在工业生产和生物学效应方面均具有重要意义的一大类元素,在化学概念上,还没有明确的的定义,但是目前还是有了广为接受的概念,那就是元素的密度大于6g/cm3,具有金属性质(延展性、导电性、稳定性、配位特性等,且原子数目大于20的元素)。
其中常见的重金属有镉、铬、汞、铅、铜、锌、银、锡等。
重金属离子(如Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+和Co2+等)是植物代谢必需的微量元素,但如果它们过量则具有相当毒性。
环境污染方面所涉及的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷,还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等。
土壤一旦受到外界污染就相当难治理,通常具有以下几个特点:
累积性;隐蔽性和滞后性;不可逆转性[3]。
2、土壤重金属的来源
伴随着工业化和城市化的发展,重金属在土壤中的含量日益增加,重金属侵入土壤的主要途径有:
1、矿产资源的开采。
由于现代化发展的需要和技术的发展,各种矿藏不断的被发现、开采、加工和利用,产生了大量的采矿废弃场地,大量的采矿废水,废气,进而引起了土壤的重金属污染。
2、化肥和农业的大量使用。
现代农业生产中,不节制的随意滥用化肥和农药,导致农业土壤中重金属含量急剧增加,进而形成农业土壤的重金属污染。
3、污水灌溉和污泥的利用。
城市污泥的农业利用和含有重金属的污水的农业灌溉都对是引起土壤重金属污染的来源。
4、汽车尾气的排放。
由于汽车工业的发展,越来越多的汽车进入家庭,汽车排放的尾气对公路两旁的土壤重金属污染尤为严重[4]。
二、植物修复的概念和类型
对土壤重金属污染的治理,目前常用的有淋滤法、客土法、吸附固定法等物理方法以及生物还原法、络合浸提法等化学方法。
但这些方法往往投资昂贵、需用复杂设备条件或打乱土层结构,对大面积的污染更是无可奈何。
如据报道,对1hm2面积的污染土壤进行工程法治理(客土),每1m深度土体的耗费高800~2400万美元。
如此惊人的代价迫使人们不得不寻求另外途径。
近年来出现的植物修复恰恰为人们提供了一种价廉且有效的土壤重金属污染治理方法。
“植物修复”是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目的[5]。
植物修复技术主要包括四种类型植物稳定、植物提取、植物挥发、根系过滤,这四种类型的主要介绍如下:
1、植物提取
植物提取最早是Chaney提出的,即利用重金属富集能力较高的植物的吸收和转运,将土壤中的一种或几种重金属转移并储存在地上部分,随后收获地上部分并集中处理。
能应用于植物提取的植物往往是一些超积累植物。
目前已经发现超积累植物500多种,广泛分布于45个科,其中Ni的超积累植物最多,主要是十字花科的庭荠属,据报道,红根苋可富集137Cs,对切尔诺贝利核电站1986年泄露后大面积土壤的核污染放射性进行植物修复有较大潜力。
植物提取的关键要求所用的植物生长快、生物量大、抗病虫能力强的特点,并具备较强的多种重金属的富集能力。
2、植物挥发
植物挥发指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。
如烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞,洋麻可以使土壤的47%的三价硒转化为甲基硒挥发去除,海藻能吸收并挥发砷,其机理是把(CH3)2AsO3挥发出体外。
现代分子生物技术和基因工程的介入,使得植物挥发技术有了更大的发展,如Meagther等将细菌中的Hg还原酶修饰基因转入拟南芥中发现这种转基因植物所表现出来的Hg还原酶可以从溶液或介质中产生挥发态的Hg。
这一方法只适用于挥发性污染物,所以应用范围小,并且将污染物转移到大气中对人类和生物有一定的风险。
3、植物固化
植物固化指的是利用植物根际的一些特殊物质使土壤中污染物转化为相对无害物质的一种方法,从而减少其对环境和人类健康的风险。
在这过程中土壤重金属的含量并不减少,只是暂时将其固定,其中包括分解、螯和、氧化还原等多种过程。
植物在植物稳定中主要有两种功能:
一是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;另一种是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。
如植物能使六价铬变为三价铬,使其固化。
植物固定技术对废弃的重金属污染和放射性核元素污染物尤为重要,原地固定这两类污染物是上策,可以降低风险,减少异地污染,目前这项技术已经在矿区污染修复中使用。
4、根际过滤
根际过滤指将特定的植物种植在重金属污染的水体中,利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中重金属元素后,将植物收获处理,达到治理水体重金属污染的目的。
例如:
水科植物浮萍和水葫芦可有效吸收清除水体中镉、铜和硒,目前用于根系过滤的植物有印度芥菜,盐地鼠尾粟,宽叶香蒲等等。
此技术主要用来处理石油天然气生产中产生的废水,及含重金属的各种废水[6]。
三、植物修复技术的展望
植物修复技术是一种支持可持续性发展的环境修复技术,并以其高效、经济、清洁、美观等优势解决了环境中的持久性污染物问题,占领了世界重金属污染土壤的修复市场。
植物修复技术虽然也存在一些诸如生物量小、影响因素较多等不足。
但通过适当的强化措施可以使其扬长避短,更好地为修复重金属污染土壤服务。
今后很长一段时间植物修复的研究热点仍将集中在超富集植物的筛选与优化上。
为提高植物修复效率可以尝试将植物修复技术和其它修复技术联合以发挥各自的优势。
例如:
化学试剂加强、电刺激、磁感应等,这将有助于拓展植物修复的实施领域和应用前景。
我国土壤重金属污染的来源更加广泛,污染形态日趋多样。
重金属污染土壤的面积在逐渐扩大,程度在不断加深,急切需要有成熟高效的植物修复技术加以市场化应用。
虽然我国对植物修复的研究起步较晚,但我国是一个植物资源丰富的国家,植物类型众多,通过大量的筛选工作肯定能找到适合本土推广种植的超富集植物。
加上丰富的农业经验和传统的精耕细作,对重金属污染土壤植物修复的大规模使用将会起到更大的促进作用[7]。
参考文献:
[1]武正华.土壤重金属污染植物修复研究进展[J].盐城工业学院学报,2002,15(6).
[2]肖鹏飞,李法云等.土壤重金属污染及其植物修复研究.辽宁大学学报,,自然科学版,2004,31(3).
[3]高利娟,蒋代华等.重金属污染土壤的植物修复及展望.甘肃农业,2006,4.
[4]郭彬,李许明等土壤重金属污染及植物修复金属研究.安徽农业科学,2007,35(33).
[5]王庆仁,崔岩山等植物修复重金属污染土壤整治有效途径.生态学报,2001,21
(2).
[6]丁佳红,刘登义等.重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景.生物学杂志,2004,24(4).
[7]冯颖俊,孙龙仁.重金属污染土壤的植物修复技术研究进展.现代农业科学,2009,16
(2).
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