毕业论文_重金属超富集植物的研究与利用.doc

重金属超富集植物的研究与利用作 者：刘松指导教师：杨建伟摘要：重金属超富集植物的研究是治理重金属污染土壤的技术重点，文章介绍了超 富集植物的概念，分布，影响重金属富集的因素，重金属污染的处理方法，以及我国重 金属超富集植物研究进展，最后分析讨论了超富集植物的研究前景关键词：重金属；超富集；植物1超富集植物的概述1.1超富集植物的定义及特性由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大 差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集质量分数界限也有所不同 冃前采用较多的是Baker和Brooks捉出的参考值，即把植物叶片或地上部 中 Cd 达至！J 100 gg/g,含 Co, Cu, Pb, Ni,达到 1000 |ig/g, Mn, Zn 达至U 10000 |ig/g以上的植物称为超富集植物⑴超富集植物一般具备6个特性：（1）超富集植物在重金属含量高的土壤 以及在重金属含量低的非污染或弱污染土壤上，都具有很强的吸收富集能 力；（2）能将所吸收的重金属元素大量迁移至地上部；（3）可收割的地上部 能忍耐和积累高含量的污染物；（4）植物在野外条件下生长速度快，生长周 期短，生物产量高；（5）植物对农艺调控反应积极，如施N, P, K肥能使植 物生长量增长好儿倍，可以反复种植，多次收割；（6）具有发达的根系组织, 抗虫抗病能力强。

1.2超富集植物的分布超富集植物是一些古老的物种，是在长期环境胁迫下诱导，驯化的一 种适应性突变体，多为野半型稀有植物这些植物是一些地方性的物种， 其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性，这些植物作为指示 植物在矿藏勘探中发挥了…定的作用根据野外釆集样本分析，全世界现已发现Cd, Co, Cu, Pb, Ni, Se, Mn和Zn超富集植物400余种，这些植物涵盖了 20多个科，其中十字花科植物较多世界上研究得最多的超富集植物主要在芸苔属渭招，庭芥属及 遏蓝菜属这些超富集植物大多是在气候温和的欧洲，美国，新西兰及澳 大利亚的污染地区发现的超富集植物在自然状态下的分布是很有限的，并且还表现出受污染的 特殊性，目前还没有发现哪…种植物具有广谱的重金属超富集特性；同时, 对不同重金属有超富集作用的植物种的分布也是很不均匀已发现的超富 集植物中，73%为Ni超富集植物，达227种；Cu和Co的超富集植物有约 50种，Cu的约24种，Co的约26种，其中有9种对Cu和Co都有超富集能力Ni的超富集植物主要分布于津巴布韦，新喀里多尼亚，古巴，西澳 大利亚，南欧，美国西部，亚洲的马来群岛；Cu和Co的超富集植物多产 于非洲扎伊尔沙坝铜矿带。

我国有广襄的国土，丰富的植物资源，复杂多样的地理地质构造，有 可能蕴藏着大量超富集植物，为我国开展研究提供了良好的条件但从总 体来看，我国对超富集植物种类研究少，有关重金属超富集体的报道也很 少，目前我国仅报导了 12种金属和重金属的超富集植物2影响重金属离子富集的因素2. 1 pH值对重金属富集的影响酸碱度对植物的生长及其对重金属元素的吸附均有很大的影响一般 情况下，pH值降低，土壤溶液电导值增大，离子强度增强，植物从土壤 中吸收重金属的能力就会增强此特性同样适用于水体中水体中pH值降 低，导致碳酸盐和强氧化物的溶解，H+离子的竞争作用增加了重金属离子 的解吸量在一般情况下，沉积物中重金属的释放量随着反应体系pH值的 升高而降低其原因既有H+离子的竞争吸附作用，也有金属在低pH值条 件下致使金属难溶盐类以及配合物的溶解等因此，在受纳酸性废水排放 的水体中，水中金属的浓度往往很高李英敏〔2］等在2002年的一篇文章中 提到，将一定量的Pb?+溶液分别加入到pH值不同的藻液中，在不杀死藻细 胞的pH值（5〜10）范围内进行培养吸附，结果显示P/+的去除率也受到pH 值的影响，只是不是很大。

在正常的土壤Eh和pH值范围内，汞能以零价 状态存在⑶，易于植物对汞的富集可见，在研究植物对重金属的富集能力 时，pH值是不容忽视的一个重耍影响因素2.2温度对重金属富集的影响温度是主要的生态因子，它直接影响植物对重金属的富集能力根据 有关研究⑷，儿种常见的富集等温线表明，植物对重金属的富集量总是随着 温度的升高而呈上升趋势，直到达到一定的温度后其不随温度的变化而变 化温度升高，增大了分子的移动速率以及植物口身酶的活性，加快了体 系中分子离子的扩散同时，适宜的光照和温度也会影响藻细胞的活性，增 加植物对重金属的富集量李秋华等⑸在2007年的研究中得到，温度和光 照是藻类生物富集过程中可调节的两个因素温度在25〜38C之间时，富集 量会随着温度的升高而有所增加，但在38C以上富集量又有所减少李志 勇等［6］于egg年的研究报告中提到，温度升高可较显著地提高C产的富集 量，从而证明该生物富集过程为吸热过程2. 3氮磷对重金属富集的影响施肥是提高植物对重金属污染土壤修复效率的强化措施之…刘秀春⑺ 等提到，含有不同形态的N、P、K有机物对土壤理化性质和根际环境具有 明显的影响土壤中含氮有机物量升高，首先改变了土壤的pH值，一般情 况下pH值降低，土壤溶液电导值增大，离子强度增强，植物从土壤中吸收 重金属的能力就会增强。

因此，如果含氮有机物使土壤变酸，就会增大土壤 中重金属的溶解度，减少土壤吸附重金属的量,提高超富集植物对重金属的 富集量从根际环境看，当植物吸收NH和NO,根系分泌不同的离子，吸收 NH-N时引起H+的分泌，造成根际周围酸化；而吸收NO2-植物分泌-OH,造 成根际碱化…般情况下，增加含氮有机物的量能增加土壤中重金属的植物 活性，有利于超富集植物对土壤中重金属的吸收含磷有机物在这一方面 既促进植物活性，也对其有抑制作用有不少实验表明罔，增加土磷含量会 促进植株对镉的积累，能一定程度地提高碑超富集植物的修复能力施磷肥 同样也能增加土壤碑的牛物有效性，这是由于磷酸盐通过离子交换作用置 换土壤中碑酸盐所产生的效应廖晓勇等［刃的研究表明，含磷有机物含量增 大，确超富集植物蟆蚣草对磷碑（V价盐）的吸收表现为协同作用这说明 含磷有机物的种类对重金属在土壤中的形态有不同的影响，因此在土壤中 施加合理的磷肥能增加超富集植物对土壤中重金属的富集2. 4络合剂EDTA对重金属富集的影响植物对重金属的迁移转化能力是指植物从土壤中提取的重金属由生 长周期较长的根部向生长周期较短的茎叶转移的能力，其可用转运系数表 示。

转运系数即植物地上部分重金属含量与植物根部重金属含量之比，以 显示根部吸收的垂金属向地上部的迁移转化能力［⑼由于重金属离子在土 壤中会产生沉淀和吸附现象，降低植物对重金属的迁移能力，但施用螯合 剂可提高超积累植物对重金属的吸收EDTA是螯合剂的代表性物质，能和碱金属，稀土元素和过渡金属等形 成稳定的水溶性络合物，是一种重要的络合剂它能与重金属盐反应，生 成可溶性的金属络合物，提高金属离子在土壤中的迁移速率Domen Lestan 等研究表明，EDTA能与绝大部分重金属离子以1 ： 1的摩尔比螯合形成有 机金属螯合物，并且去除率随着两者摩尔比的增加而升高，因此理论上 EDTA的最少用量为1倍重金属的量，才有可能完全将重金属离子置换到溶 液相中杨天周［⑴在2008年的研究中提到，EDTA对Pb或Cu的单一污染 土壤可以大幅度增加金属的解吸量，但在Cu-Pb复合污染土壤中，由于两 种金属离子同时存在，出现了 Cu, Pb对EDTA的竞争性反应，彼此间互相 影响王伟等［巾在2009年的研究中发现，ED-TA不但能活化土壤中Cd, 而且能显著提高印度芥菜对Cd的富集量，使被活化的土壤Cd向印度芥菜 根系密集层迁移。

2. 5重金属离子间的影响不同重金属离子之间由于彼此竞争附着点，影响了植物对金属离子的 富集能力，某种离子浓度过高可能就会影响植物对其他离子的选择性吸收 一般而言，重金属污染土壤多是儿种重金属混合在一起的复合污染，而植 物富集重金属时往往只对其中一种重金属具有提取作用，只种植一种植物 每次仅能治理一种重金属，同时其他金属的含量也会影响植物对这种重金 属的富集能力例如，镉，锌具有相同的核外电子构型，化学性质相似， 可以相互取代，发生竞争［⑶大量的研究证明，向土壤中施锌可抑制植物 对镉的吸收沉水植物和浮水植物尽管能够吸收很多重金属，特别是对Cd 的吸收，但这种吸收不断增加会导致营养元素的丧失，如果程度严重，会导 致植物死亡所以，沉水植物和浮水植物适合在低污染区域作为吸收重金 属的载体，同时可以监测水体重金属含量关于这方面的研究比较少，很 难给出确切的参考内容2.6光照对重金属富集的影响光照不仅影响植物的光合作用，它对植物自身代谢，酶的活性、金属 离子的运动等都有不同程度的影响一般情况下，光照强度3000 lx吋，富 集量会高于在无光照或其他光照强度下的情况李英敏等在2002年的一篇 文章中将一定量的Pb2+加至密度，pH值都一定的藻液中，在室温下对比黑 暗培养的去除率分别为6.56%和50.12%o可见，一定条件下强度大的光照 能提高小球藻对Pb*的生物富集量。

李志勇等［⑷于1999年的研究报告中同 时也提到一定强度的光照能提高螺旋藻对C产的牛物富集效果，可初步证明 螺旋藻对C产的生物富集过程中确实存在着与生物体的某些代谢过程有关 的主动吸收途径该过程需要消耗一定的能量,而且可以涉及到某些酶的 参与3重金属污染的处理方法重金属污染土地的治理大致有客土法，石灰改良法，化学淋洗法等［⑸ 这些方法在污染土壤的改良和治理方面虽然具有一定的理论意义，但在实 际应用上往往都存在着很大的局限如加入土壤改良剂的沉淀法虽然在一 定时期内可以降低土壤溶液中重金属离子的溶解度，但同时却会导致某些 土壤营养元素的沉淀，造成土壤肥力的下降而难以耕作；淋洗法在淋洗重 金属元索的同时会造成营养元索的淋失；客土法虽效果较好，但费用昂贵, 只适用于小面积的土地，无法在大面积工程中使用而超富集植物的发现 和利用，为土壤修复开辟了新的途径由于它具有投资和维护成本低，操 作简便，不造成二次污染，具有双重经济效益等特点，因而越来越受到各 国政府，科技界和企业界的高度重视，并广泛应用于土壤，水体，污泥的 修复处理土壤重金属污染的植物修复指通过种植对土壤重金属元素有特殊富集 能力的植物，收获植物地上部将土壤中超量重金属去除以达到清洁污染土 壤的目的。

这种方法可节省大量治理费用，且可实现废物资源化，因此备 受关注植物修复通常包括植物萃取作用，即植物对重金属的吸收；植物挥发 作用，即通过植物使土壤中的某些重金属（如Hg2+）转化为气态（如HgO）而 从土壤中挥发出去;根际滤除作用，即利用植物根孔通过水流移出土壤重金 属；以及植物钝化作用，即利用植物将土壤重金属转变成无毒或毒性较低 的形态其中最有前景的是植物萃取作用，即狭义的植物修复与常规的土壤重金属清除方法相比，植物修复有如下优势：一是土壤 的物理结构不被破坏，生物功能保存完好；二是不产生废物残留的产品和 能植物修复项目与同期常规治理的费用比较，植物修复总费用为250,000美 元，而常规的治理需要660,000美元，比植物修复高1.6倍；四是可以长期, 大面积的田间应用；五是可冋收重金属元索，并加以循环利用从实用性角度来看，生长周期短，生物量积累迅速的草本植物具有相 当大的筛选价值，国内外目前发现的重金属富集，超富集植物主要集中在 草本植物中因此，草本植物在重金属污染土壤的植物修复中具有非常重 要的意义4我国超富集植物的研究进展目前，全世界己发现的重金属超富集植物有500多种，其中360多种 是Ni的超富集植物。

韦朝阳，陈同斌等［⑹通过野外调查和栽培实验，发现了神超富集植物 蟆蚣草。