重金属Cd污染土壤的植物修复研究.docx

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1、 Classification code: X53 UDC: 502/504 University code: 10712 Postgraduate number: S060025 Confidentiality level: Public Thesis for Masters Degree Northwest A F University in 2009 RESEARCH ON PHYTOREMEDIATION OF SOIL CONTAMINATED BY CADMIUM Major: Environmental Engineering Research field: Environmen

2、tal Toxicology and Resource Clean Utilization Name of Postgraduate: Zhang Shouwen Adviser: Prof. Hu Shibin Date of submission: 2009.05 Yangling Shaanxi China 研究生学位论文的独创性声明 本人声明：所呈交的学历硕士学位论文是我个人在导师指导下独立进行的研究 工作及取得的研究结果；论文中的研究数据及结果是按学校关于规范西北农林科 技大学研究生学术道德的暂行规定获得的，如果违反此规定，一切后果与法律责任 均由本人承担。 尽我所知，除了文中特别加

3、以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：体 身令、 时间： 年 5 月曰 下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照 学校关于规范西北农林科技大学 研究生学术道德的暂行规定而获得的研究结果。 如果违反学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定，我必须接 受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。 关于其他单位与人员对研究生学位论

4、文使用授权的说明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人未经本论文作者的导师授权，不 得有对本论文进行复制、修改、发行、出租、改编等侵犯著作权的行为，否则，按 违背中华人民共和国著作权法有关规定处理并追究法律责任。 经本论文作者的导师同意，授权西北农林科技大学可向主管上级有关单位送交 论文的纸质件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用复印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文；否则，按违背中华人民共和国著作权法有关规 定处理并追究法律，责任。 导师指导研究生学位论文的承诺 f月二 7 重金属 Cd污染土壤的植物修复研究 摘要 土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重

5、要组成部分。然 而近年来，随着工业 “ 三废 ” 和机动车尾气的排放、污水灌概及农药、除草剂和化肥的 使用，土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。尤其是重金属污染不仅范围广、易累 积，而且隐蔽性和毒性强，它能影响作物的正常生长发育，直接导致粮食减产，并可通 过食物链影响人类健康。因此重金属污染土壤的治理已经引起国内外的广泛重视。治理 土壤污染有许多传统的方法，但是这些方法成本昂贵，操作复杂，而且容易破坏土壤结 构，改变土壤性质，易造成二次污染，且往往并不能达到彻底清除重金属的目的。目前 兴起的植物提取修复技术能利用植物将土壤中的重金属吸收、转移到植物的可收获部 分，通过收获植物来减少土壤重金属

6、含量。具有成本低、简便易行、安全可靠、环境友 好等诸多优点，已经成为国内外重金属污染环境治理研究的热点和前沿领域。 本试验将以油料作物甘蓝型油菜 “ 秦油八号 ” 、向口葵 “ 新葵 杂四号 ” 以及野生菊科植 物蒲公英为研究材料，采用盆栽试验，研究其对重金属 Cd的耐性以及富集效应，并施加 不同水平螯合剂对其修复效果进行强化，同时初步探讨了这些植物在重金属 cd污染土壤 修复实践中的应用前景，以期为深入研究植物对重金属 Cd的耐性和富集的分子机理及 Cd污染土壤的植物修复技术的应用等提供科学依据和理论基础。主要研究结果如下： (1) 甘蓝型油菜 “ 秦油 8号 ” 对土壤 Cd污染具有一定的

7、耐性，低浓度的 Cd处理对 油菜的生长表现促进作用，高浓度 Cd处理抑制油菜生长。同时，重金属 Cd可以引起 油菜的抗性反应，表现在 油菜体内的游离脯氨酸含量随 Cd浓度的升高而上升，二者之 间呈现显著的正相关性。 Cd在油菜体内的累积量分布大小为：根部 地上部 籽实， 其含量也随着土壤重金属浓度的增加而提高，但这种增加是有限度的，超过限度就会对 油菜造成伤害，使生物量下降，从而使 Cd吸收总量降低。辅助以螯合强化措施后，明 显提高了油菜对 Cd的吸收效率，地上部 Cd含量分别比对照增加了近 9倍，籽实重金 属含量增加较少。 (2) 向口葵 “ 新葵杂四号 ” 对土壤 Cd污染具有一定的耐性，

8、但重金属对其干重、叶 绿素等生理效应的抑制作用较大。 Cd在向口葵体内的分布规 律是低浓度时：叶 根 籽实 茎，高浓度时：根 叶 籽实 茎。且各部位 Cd含量均随着土壤重金属浓度的 增加而增加，有油菜相比，Cd更易向叶部迁移。加入螯合剂后，明显提高了向口葵对 Cd的吸收量。向口葵体内 Cd比对照均有较大幅度的提高，其中根、茎、叶部含量增加 幅度较大，籽实增加较少。 (3) 蒲公英对 Cd具有很强的耐性和富集能力，且相对普通植物而言， Cd在蒲公英 体内的分布规律是地上部 根部，即转运系数大于 1，具有很高的 Cd转运能力。蒲公英 地上部 Cd累积总量随着土壤 Cd浓度的增加呈先上升后下降的趋势

9、。在土壤 Cd浓度为 50 mg/kg时，蒲公英地上部的 Cd累积总量最高，为 77.88 ug/株。此后由于蒲公英受高浓度重 金属毒害，生物量显著下降而导致地上部吸收总量降低。加入低浓度的螯合剂，蒲公英 有较高的修复效率。 关键词：油菜；向口葵；蒲公英；重金属；植物修复 RESEARCH ON PHYTOREMEDIATION OF SOIL CONTAMINATED BY CADMIUM ABSTRACT Soil is one of the main natural resources on which human beings live, and it is also the majo

10、r component of ecological environment. But resent years, with the three-wastes and vehicle exhaust gas emission, waste water irrigation and the usage of the pesticide, herbicide and fertilizer, the soil contamination quickly expansion, and the contaminating degree is deepened gradually. Especially t

11、he heavy metal contamination, it has the characters of wide scale, accumulating, disguising, and strong toxicity, it can influence the regular growth of the plant, reduce crop yield directly, and also can be accumulated in human beings bodies through food chain, this a threat to health. So the remed

12、iation of heavy metal contaminated soil has aroused worldwide attention. There are many traditional methods to remove heavy metal in soil, but these remediation methods were costly, complicated to operated, easy to damage soil structure and property, and easy to bring about secondary pollution, they

13、 often dont reach the real purpose to remove heavy metals. Phyto-extraction, defined as the use of green plants to remove pollutants from the environment, in which plants absorb metals from soil and transfer them to harvestable shoots, we can harvest plant to reduce the heavy metal content in soil.

14、It has become a hot spot and one of the most important frontier fields in environmental sciences due to its known advantages over physical and chemical remediation, including high efficiency, low investment, cheap operational fee, easy management, simply operation and environmentally friendly techno

15、logy. Brassica napus L. (ccQinyou No.8), Helianthus annuus L. (“Xinkui No.4”) and Taraxacum mongolicum were selected as the experimental plants, pot experiment was conducted to study the tolerance, uptake and accumulation of these plants under different Cd concentration, and enhanced the remediation

16、 effect by adding chelator. At he same time, studied its application to phytoremediation and supplied scientific evidences and theoretical basis the application of phytoremediation technology to treat soils polluted by Cd. The major results obtained were summarized as follows: (1) wopwx I. (“Qinyou

17、No. 8” ） showed certain tolerance to Cd contaminated soil. Low Cd concentration could slightly promote the growth of plant and high Cd concentration restrained the growth of oilseed rape. The proline content was positively correlated to the Cd concentration. The distribution of Cd in different tissu

18、es of the plant was: root shoot seed, the Cd contents in different parts of the plant and total uptake of Cd per pot were significantly increased with the increase of heavy metals in soil. However, this increase is limited, exceeding the limits will cause injury to the plant, decrease the total abso

19、rption. Chelator addition to soil significantly increased the plant absorption to Cd. Cd contents in shoot were nearly 9 times higher than control respectively, there was a slight increase in heavy metal contents in seed. (2) Helianthus annuus L. (ccXinkui No) showed certain tolerance to Cd contamin

20、ated soil, but Cd concentration restrained the growth of sunflower mainly. The distribution of Cd in different tissues of the plant was: leafrootseedstem (Low concentration); rootleaf seed stem, and the Cd contents in different parts of the plant were significantly increased with the increase of hea

21、vy metals in soil. Cd is easy transfer to leaf compared with oilseed rape. Chelator addition to soil significantly increased the plant absorption to Cd. There were a rapidly increase in Cd contents in root， stem and leaf, a slightly increase in seed. (3) Taraxacum mongolicum had high tolerance and a

22、ccumulation ability. Compared with common plants, the distribution of Cd in the plant was: shoot root, that is, the transformation factor is higher than 1. Dandelion has a high capacity of Cd transport. The total uptake of Cd was significantly increased with the increase of Cd in soil, reached the h

23、ighest content 77.88 ug per plant when Cd concentration was 50 mg/kg, after that, it declined due to the toxicity of Cd to the biomass. The plant has higher absorption efficience under low chelator concentration. KEYWORDS: oilseed, sunflower, dandelion, heavy metal, phytoremediation 目录 第一章文献综述 . 1 U

24、 土壤重金属污染概述 . 1 1.1.1我国土壤重金属污染现状 . 1 1.1.2 土壤重金属污染的危害 . 1 U.3 土壤重金属污染的来源 . 2 1.2重金属污染土壤修复措施 . 4 1.2.1管理措施 . 5 1.2.2工程治理措施 . 5 1.2.3化学修复措施 . 5 1.2.4农业生态修复措施 . 6 1.2.5生物技术措施 . 6 1.3重金属污染土壤的植物修复技术 . 7 1.3.1植物修复基本类型 . 7 1.3.2超富集植物修复土壤重金属污染的机理 . 8 1.3.3植物修复强化措施 . 10 1.3.4植物修复技术研究进展 . 13 1.4本研究的意义、主要内容和创新点

25、 . 15 1.4.1本研究的意义 . 15 1.4.2本研究的主要内容 . 15 1.4.3本研究的创新点 . 16 第二章微波消解 -原子吸收法测定土壤中的 Pb、 Cd . 17 2.1试验仪器及试剂 . 17 2.1.1试验仪器及操作条件 . 17 2丄 2主要试剂 . 17 2.2试验方法 . 18 2.2.1微波消解 . 18 2.2.2样品测定 . 18 2.3试验结果 . 18 2.3.1校准曲线 . 19 2.3.2数据准确性检验 . 19 2.4本章小结 . 19 第三章油菜对 Cd的耐性和富集特性研究 . 20 3.1材料与方法 . 20 3.1.1供试材料 . 20 3

26、.1.2主要仪器 . 20 3.1.3试验方法 . 20 3丄 4项目分析测试方法 . 21 3.1.5数据处理 . 21 3.2结果与分析 . 21 3.2.1 Cd对油菜生物量的影响 . 21 3.2.2 Cd对油菜叶绿素和脯氨酸含量的影响 . 22 3.2.3油菜对重金属 Cd的积累作用 . 23 3.2.4螯合剂对油菜吸收 Cd的影响 . 24 3.3本章小结 . 25 第四章向日葵对 Cd的耐性和富集特性研究 . 27 4.1材料与方法 . 27 4.1.1供试材料 . 27 4.1.2盆栽试验设计 . 27 4.1.3主要仪器、项目测定和数据处理 . 28 4.2结果与分析 . 2

27、8 4.2.1 Cd对向 R葵生物量的影响 . 28 4.2.2 Cd对向 FI葵叶绿素和脯氨酸含量的影响 . 28 4.2.3向 R葵对重金属 Cd的富集作用 . 29 4.2.4螯合剂对向 R葵吸收 Cd的影响 . 30 4.3本章小结 . 31 第五章蒲公英对 Cd的耐性和富集特性研究 . 32 5.1材料与方法 . 32 5.1.1供试材料 . 32 5.1.2盆栽试验设计 . 32 5.1.3主要仪器、项目测定和数据处理 . 33 5.2结果与分析 . 33 5.2.1 Cd对蒲公英生长的影响 . 33 5.2.2 Cd对蒲公英叶绿素和游离脯氨酸的影响 . 33 5.2.3蒲公英对

28、Cd的富集特性 . 34 5.2.4蒲公英对 Cd污染土壤的修复潜力 . 35 5.2.5螯合剂对蒲公英吸收 Cd的影响 . 36 5.3本章小结 . 36 第六章重金属 Cd污染土壤植物修复效果预测 . 38 6.1修复效果预测 . 38 6.2经济效益预测 . 39 第七章结论与展望 . 40 7.1组仑 . 40 7.2本研究 的不足 与展望 . 40 . 42 SC i射 . 48 作者简介 . 49 第一章文献综述 1.1 土壤重金属污染概述 “ 民以食为天，食以土为本 ” ，土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人 类生态环境的重要组成部分。然而近年来，随着工业、城市污染的加剧

29、和农药、化肥的 大量使用，土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。尤其是重金属污染不仅范围广、 易累积，而且隐蔽性和毒性强，它能影响作物的正常生长发育，直接导致粮食减产 ，并 可通过食物链影响人类健康。此外，土壤中的污染物通过地下水以及污染物的转移构成 对人类生存环境多个层面上的不良胁迫和危害 1。正确认识土壤环境，有利于加强土壤 肥力的培育，防治土壤污染，实现土壤的可持续利用。 1.1.1我国土壤重金属污染现状 目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年向环境排放的汞 约为1.5万 t、 铜为 340万 t、 铅为 500万 t、 锰为 1500万 t、 镍为 100万 t2。

30、我国区域 农业环境污染现象也越来越严重，据有关资料统计， 1980年我国工业三废污染耕地面积 266.7万 hm2， 1988年增加到 666.7万 hm2， 1992年增加到 1 000万 hm2。 目前，全国遭 受隔 （ Cd)、砷 （ As)、铬 （ Cr)、铅（ Pb)等重金属污染的耕地面积近 2 000 5hm2, 约占耕地面积的 1/5。据我国农业部进行的全国污灌区调杳，在约 140万 hm2的污水灌 溉区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌面积的 64.8%，其中轻度污染的占 46.7%， 中度污染的占 9.7%，严重污染的占 8.4%3。 2000年对全国 22万 t粮食调杳发

31、现，粮食 中 Pb、 Cd、 Hg、 As超标率占 10%1。当前我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度 的污染，其中 Cd污染较普遍，污染面积近 1 000万 hm2， 其次是 Pb、 Zn、 Cu、 Hg等 ; 有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中 Cd、 Cr、 As、 Pb等重金属含量超标和接近临界 值。其中多数是由于工业污水灌溉造成的。如广州郊区老污灌区，土壤中 Cd的含量最 高达 228 mg/kg， 平均含量为 6.68 mg/kg4;沈阳张士灌区有 2 533 hm2 土地遭受 Cd的 污染，其中严重污染的占 13%;江西大余县污灌引起的 Cd污染面积达 5 500 hm2,其中

32、 严重污染面 积占 12%5。 1.1.2 土壤重金属污染的危害 土壤被污染后，部分污染物质可以通过土壤本身固有的生物化学作用或通过挥发而 减轻外，大部分污染物质能较长时间存在于土壤环境中，难以消除，特别是重金属化合 物，残留时间长，危害作用大，经作物吸收后进入食物链危害人类健康。因此，土壤污 染较之于大气和水体污染，一般污染暴露的时滞效应较长，易被人们所忽视，造成更大 的危害 6。 1 1. 1. 2. 1 土壤 重金属 污染导致的经济损失 对于各种土壤污染造成的经济损失，目前尚缺乏系统的调杳资料。仅以土壤重金属 污染为例，我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过 1万 t， 被重金属污染的粮

33、 食多达 1200万 t， 合计经济损失至少 200亿元 4。 1. 1. 2. 2 土壤重金属污染对作物品质的影响 我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、蔬菜、水果 等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标或接近临界值。据报道， 1992年全国有不少 地区已经发展到生产 “ 镉米 ” 的程度，每年生产的 “ 镉米 ” 多达数亿千克。仅沈阳某污灌区 被污染的耕地已多 达 2 500 hm2,致使粮食遭到严重的镉污染，稻米的含镉浓度高达 0.4 1.0 mg/kg。 江西省某县多达 44%的耕地遭到污染，并形成 670 hm2的 “ 镉米 ” 区 7。土壤 污染除影响食物的

34、卫生品质外，也明显地影响到农作物的其他质量。有些地区污灌已经 使得蔬菜的味道变差、易烂，甚至出现难闻的异味。农产品的储藏和加工品质也不能满 足深加工的要求，严重影响到了我国的粮食安全和农业出口问题。 1. 1. 2. 3 土壤重金属污染对人体健康的危害 土壤污染会使污染物在植物体内积累，并通过食物链富集到人和动物体中，危害人 畜健康，引发癌症等疾病。如世界公害事件口本的 “ 水俣病 ” 是含汞废水污染了水俣海域， 鱼贝类富集了水中甲基汞，人和动物食用后引起中毒，造成 1 004人中毒， 206人死亡 ; 骨痛病是当地铝厂排放的镉废水引起土壤及水环境污染，造成近 100人死亡，都是典型 例证 8。 1. 1. 2. 4 土壤重金属污染导致其他环境问题 土地受到污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作用下分别进 入到大气和水体中，导致大气、地表水、地下水污染和生态