《生物修复技术》课程论文土壤重金属污染现状及生物修复技术的

《生物修复技术》课程论文土壤重金属污染现状及生物修复技术的 《生物修复技术》 课程论文 姓名:XXX 学号:20060019 班级:2006 级环境科 学 1 班 指导老师: 2009 年 11 月 5 日 土壤重金属污染现状及生物修复技术的 研究中文摘要:本文从土壤重金属污染的来源、污染特点、存在形态、污染危害等 方面，阐述了我国土壤重金属污染的现状，并从物理、化学、生物与微生物联合方 面简单介绍了目前重金属污染土壤的治理方法和最新进展，就其原理、实例、优缺 点和合理应用等问题作了阐述。同时，提出了当前土壤重金属污染与修复技术研究 的重点，并在此基础上提出一些自己的见解和看法。关键词:重金属 土壤污染 生 物修复Abstract:Reference is given on all characteristics and current situation of soils contaminated byheavy metal and where these contaminations come from status in quo pollution point existenceconformation and effect mechanism. As well it across- the - broad introduces the methods ofTreatment and the latest head way .According to the processes and mechanisms of the reactions itconcerns the research development from aspects in the principles cases advantagesdisadvantagesfeasibility and future research trends of the technology. In addition the research key of soilcontaminated by heavy metal and its remediation technology are put forward. Moreover it givessome sights and perspectives on the remediation of heavy metal polluted soil research which canprovide a number of references.Key words:Heavy metal polluted soil Bioremediation 土壤是指陆 地地表具有肥力并能生长植物的疏松表层1。它是人类赖以生存的自然资源之一，也 是人类获取食物和其他再生资源的物质基础。随着工业发展和农业生产的现代化， 重金属污染已成为一个危害全球环境质量的主要问题2。1 重金属污染现状 2 据统 计，目前全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近 2000 万 hm ，约占耕地面积的 1/53。据农业部环境监测系统近年的调查，我国 24 个省(市)城郊污水灌溉区工 矿等经 2济发展较快地区的 320 个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积 为 60 万 hm ，占监测调查总面积的 20;其中重金属含量超标的农产品产量与面 积约占污染物超标农产品总量与总面积的 80以上，尤其是 Pb、Cd、Hg、Cu 及其 复合污染尤为明显4。1.1 土壤重金属的来源 近年来，由于部分矿产开发中的选矿、 冶炼工艺水平落后，个别矿区没有环保治理设备，大量废弃物未经处理直接投放环 境，造成土壤重金属污染;化肥农药的过度使用也会造成土壤重金属的污染，氮肥 和钾肥中重金属含量较少，磷肥中重金属含量较多;含铅及有机汞的农药的使用， 造成土壤的胶质结构改变，营养流失，对农作物的产量及品质都造成极大的不良影 响，同时为土壤重金属污染埋下了祸根;饲料添加剂中也常含有高含量的Cu和Zn5， 这使得有机肥料中的Cu、Zn含量也明显增加并随着肥料施入农田，农村地区长期使 用畜禽粪便作为有机肥以增加土壤肥力也有可能造成土壤重金属污染;汽车尾气的 排放、汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉降所引起的以公路、 铁路为中心成条带状分布的土壤重金属污染，其污染元素主要为Pb、Cu、Zn等元素 6。1.2 土壤重金属污染的危害 土壤重金属污染首先会影响植物的生长发育，进而 影响农作物的产量和质量。如镉与巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的 失活，甚至导致植物的死亡;如Cd通过形成量的氧自由基，影响植物体内抗氧化酶 活性，破坏细胞膜系统、蛋白、核酸等生物大分子，抑制水稻叶绿素合成和植株生 长7。土壤重金属污染，给国家带来了严重的经济损失。此外，受土壤重金属污染的 作物在植(作)物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康， 引发癌症和其他疾病等。2 生物修复技术 生物修复技术是利用生物的生命代谢活动 降低环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害，从而使污染的土壤部分地或完全地恢复到原始状态。生物修复技术包括微生物修复和植物修复8。生物修复机理是利用生物主要是微生物、植物和动物作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性。这种技术主要通过2种途径来达到对土壤中重金属的净化作用:?通过生物作用，改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性;?通过生物吸收、代谢，达到对重金属的削减、净化与固定9。2.1 动物修复技术 动物修复技术是利用土壤中某些低等动物如蚯蚓等吸收土壤中的重金属，从而在一定程度上降低污染土壤中重金属的含量。这种途径虽能在一定程度上减少土壤中重金属含量，但低等动物吸收重金属后可能再次释放到土壤中造成二次污染。蚯蚓能通过提高土壤重金属的活性使得植物吸收重金属的效率增加。俞协治等通过模拟土壤污染试验发现蚯蚓活动能明显提高红壤Cu的生物有效性使得红壤中DTPA提取态Cu的含量明显增加，从而提高植物对重金属的吸收和富积效率10。利用土壤中某些低等动物蚯蚓和鼠类，吸收土壤中重金属。2.2 微生物修复技术 微生物修复技术是利用土壤中某些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化还原等作用，降低土壤重金属毒性。某些微生物能代谢产生柠檬酸、草酸等物质。这些代谢产物能与重金属产生螯合或形成草酸盐沉淀，从而减轻重金属的伤害。Siegel等研究表明，真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物。Chanmugathas等发现，以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作为微生物的碳源时，微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解;如果在加入土壤有机质、麦秆的同时还加入容易被微生物利用的葡萄糖，经过一段时间后，未灭菌处理的淋洗液中重金属离子浓度明显高于灭菌处理的。某些微生物能够产生胞外聚合物，这些物质具有大量的阴离子基团。由于阴离子基团对重金属具有很强的亲合吸附性，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，与重金属离子形成络合物，从而从土壤中有效去除重金属。在重金属的胁迫下，某些微生物能通过自身的生命活动积极地改变环境中重金属的存在状态。其主要机理是微生物通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属，改变其毒性11。自养细菌硫一铁杆微生物能氧化As、Cu、Mo、Fe等假单孢杆菌能氧化As、Fe、Mn等;微生物的氧化作用能降低这些重金属元素的活?浴?.3 植物修复技术2.3.1 植物提取法 植物提取最早是由Chaney提出来的，即利用重金属富集能力较强的植物通过吸收和运转的过程，将重金属转移并储存在地上部分，最终通过收获地上部分集中处理来达到减少土壤重金属含量的目的。植物提取是目前研究最多，最有发展前景的方法，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有45 科500 余种，其中73为Ni的超积累植物，主要是十字花科的庭芥属Alyssum12。据报道，红根苋Amaranthusretroflexus L.可富集高浓度137Cs， 对切尔诺贝利核电站1986 年泄漏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能在体内积累高浓度的污染物，能同时积累多种重金属，生长快，生物量大，抗病能力强。2.3.2 植物挥发法 植物挥发法是利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，使其从土壤和植物表面挥发出去。一些金属，如硒、砷和汞等，可以生物甲基化而形成可挥发性的分子。有关资料表明， 印度芥菜有较高的吸 收和蓄积硒的能力，在种植印度芥菜的第2a即可使土壤中的全 2硒减少48。在自然环境中，汞主要以Hg 存在，一些细菌利用汞还原酶可把汞离子还原成分子汞， 并挥发出去。Rugh等已成功地把细菌的Hg还原酶基因导入拟南芥植株，使植株耐汞能力大大提高13。Hg被转基因植物还原可以促进汞从土壤中的挥发，下一步研究重点是如何使汞转化为无毒的形态或使汞气的挥发控制在环境许可的范围内。2.3.3 植物根系过滤法 水生植物、半水生植物和陆生植物均可作为根系过滤的材料。理想根系过滤植物的根系应生长迅速，并且根系在相对长的时间内有较高清除重金属的能力。目前已筛选出了几种较理想的植物，如向日葵、印度芥菜等。对不同的金属来说，植物根系或幼苗清除有毒金属的机制不尽相同。例如，清除铅的机制主要是沉淀和离子交换吸附，在印度芥菜的根系细胞壁上形成沉淀，这一沉淀多为铅的碳酸盐类。铅也可交换性地吸附到细胞壁的负电荷点上14。2.3.4 植物固化—稳定化法 植物钝化是指利用一些植物使土壤重金属转变成低毒性形态。在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。在这方面最有应用前景的是铅和铬的钝化15。土壤中铅的生物有效性较高，而铅的磷酸盐矿物则比较难溶，不易被生物所吸收。3 生物修复技术的发展 采用生物修复技术治理土壤污染是当前环境科学研究的重要领域之一。生物修复是一种治理效率高、治理费用低和现场可操作性强的方法。目前世界各国对土壤重金属污染修复技术进行了广泛的研究，取得了可喜的进展。但在如何将植物修复、生物修复、物理修复和化学修复科学地结合起来方面，目前缺乏深入的研究。对植物修复中涉及的如何避免二次污染、有关植物收获后如何处理的报道，目前很少见到。另外，植物修复尚处于实验室和大田的试验、示范阶段，缺乏污染土壤的修复实践，与污染土壤修复产业化的形成相距甚远。 在修复措施方面，应积极寻找、筛选对重金属具有超积累能力的植物，进行超积累植物资源调查，了解其分布规律、生长特点、生长环境，收集并建立超积累植物的数据库。目前发现的500多种超累积植物主要集中在北美洲、大洋洲和欧洲等发达国家。中国物种资源丰富，但发现的超累积植物较少，因此要深入到污染区采集、各种植物。寻找多种重金属超累积植物是一项有意义的基础性工作，是超累积机理研究的前提，为转基因研究提供丰富的基因资源16。超累积植物的特性与污染物的种类、形态及程度密切相关，因此，深入研究超累积植物对重金属的超累积机理是修复环境污染的关键。 植物修复能力不仅与植物特性有关，与植物的根际环境也密切相关。如果利用微生物改善植物根际环境，则将加强植物的修复功能;如果将适合某种污染的真菌接种在超累积植物则可能促进植物的修复作用。植物- 微生物修复系统研究包括特定污染物的最合适微生物的筛选、植物- 微生物相互作用机理等。参考文献:1 环境监测2 梁家妮，马友华，周静.土壤重金属污染现状与修复技术研究J.环境整治，2009(4):45-50.3 杨科璧.中国农田土壤重金属污染与其植物修复研究J. 世界农业，2007(8):58-61.4 李一锟.土壤-蔬菜系统重金属富集规律研究J. 沿海企业与科技，2007，81(2):28-29.5 夏家淇.土壤环境质量详解M. 北京:中国环境科学出版社，1996.6 李波，林玉锁，张孝飞，等. 沪宁高速公路两侧土壤和小麦重金属污染状况J. 农村生态环境，2005，21(3):50-53.7 Salin M.Toxic oxygen species and protective systems of the chloroplastJ.Physiologia PlantArum，1987，72:681-689.8 WILES S C. 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