环境修复中植物的应用.ppt
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1、环境修复中植物的应用1、什么是生物修复一、基本知识 生物修复技术主要是利用生物特有的分解有毒有害物质的能力,去除污染环境如土壤中的污染物,达到清除环境污染的目的。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下,利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。广义的生物修复通常是指利用各种生物(包括微生物,动物和植物)的特性,吸收、降解、转化环境中的污染物,使受污染的环境得到改善的治理技术。广义的生物修复可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类。污染环境的植物修复1、什么是植物修复 植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发
2、、降解和转化作用来清除环境中污染物质的一项新兴的污染治理技术。具体地说植物修复就是利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用,利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态环境中的微生物的生长繁殖,以及利用某些植物特殊的积累与固定能力,提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力。广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气和水体、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物。狭义的植物修复技术主要指利用植物清除污染土壤中的重金属。2、植物修复的类型 根据植物修复在某一方面的修复功能和特点可将植物修复分为6种基本类型:植物转移 植物通过
3、叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系,每天可以蒸腾大量的水,将水中某些污染物转移至植物体内。植物提取修复 利用陆生或水生植物超量吸收一种或几种重金属,并富集到可收割部分再进行集中处理。为应用最多和最有发展前途的植物修复技术。植物挥发修复 将挥发性污染物吸收到植株体内,再转化为气态物质释放到大气中,主要集中在挥发性重金属修复方面,如汞、硒、砷。植物降解修复 两种途径:一是将污染物吸收到植株体内储存于组织中或矿化,二是分泌物质直接降解根系圈内有机污染物。根际圈生物降解修复 利用植物根际圈菌根真菌、专性或非专性细菌等微生物的降解作用来转化有机污染物,降
4、低或彻底消除其生物毒性。其中植物对根际圈降解微生物起到活化的作用,此外根分泌的一些有机物质也是细菌通过共代谢降解有机污染物质的原料。这种修复方式实际上是微生物与植物的联合作用过程,其中微生物在降解过程中起主导作用。植物固定稳定化修复 一是通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈附近的污染物质,二是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀,防止污染物质迁移和扩散。3、植物修复的特点 优点包括:资源丰富,开发和应用潜力巨大在实践应用中有了良好的技术保障;能耗较低,可防止水土流失,创造生态效益和经济效益,符合可持续发展战略的理念;修复工艺操作简单,成本低,减少了公众的担心,可以在大
5、面积污染范围内实施。缺点包括:具有不确定性和多学科交叉性,受环境条件和病虫害影响较大;受植物栽培和生长的限制,周期较长。4、植物修复作用原理 植物修复作用原理如图9所示,主要是通过植物自身的光合、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应,从而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。图9 植物修复作用原理示意图(1)根的生理作用 首先,植物根具有深纤维根效应,根的形态可以影响土壤的物化性质以及污染物的生物可利用性和降解程度。其次,根可以通过吸收和吸附作用在根部积累大量的污染物质,加强了对污染物质的固定,其中根系对污染物质的吸收在污染土壤修复中
6、起重要作用。再次,根还有生物合成的作用,可以合成多种氨基酸、植物碱、有机氮和有机磷等有机物,同时还能向周围土壤中分泌有机酸、糖类物质、氨基酸和维生素等有机物,降低根际圈内污染物质的可移动性和生物有效性,减少污染物对植物的毒害。(2)根际生物圈 植物根际圈指由植物根系和土壤微生物之间相互作用而形成的独特圈带,包括根系、与之发生相互作用的生物,及受这些生物活动影响的土壤,是一个良好的适应微生物群落生长的生态环境,是由土壤为基质,以植物的根系为中心,聚集了大量的细菌、真菌等微生物和蚯蚓、线虫等一些土壤动物的独特的“生态修复单元”。植物的根系从土壤中吸收水分、矿质营养的同时,向根系周围土壤分泌大量的有
7、机物质,而且其本身也产生一些脱落物,这些物质促使某些土壤微生物和土壤动物在根系周围大量地繁殖和生长,使得根际圈内微生物和土壤动物数量远远大于根际圈外的数量,而微生物的生命活动如氮代谢、发酵和呼吸作用及土壤动物的活动等对植物根也产生重要影响,它们之间形成了互生、共生、协同及寄生的关系。(3)有机污染物的修复机制植物修复有机污染有以下三种机制:有机污染物的直接吸收和降解 植物根对中度憎水有机污染物有很高的去除效率,包括BTX、氯代溶剂和短链脂肪族化合物等(0.5lgKow 3.0)。根系对有机污染物的吸收程度还取决于有机污染物在土壤水溶液的浓度、植物的吸收率和蒸腾速率。酶的作用 一般来说,植物根系
8、对有机污染物吸收的强度不如对无机污染物如重金属的吸收强度大,植物根系对有机污染物的修复,主要是依靠根系分泌物对有机污染物产生的配合和降解等作用,以及根系释放到土壤中酶的直接降解作用得以实现。例如从沉积物中鉴定出的脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和脂水酶均来自植物的分泌作用。根际的微生物降解 植物以多种方式帮助微生物转化,根际圈在生物降解中起着重要作用。(4)重金属的修复机制植物修复重金属有以下四种机制:植物对重金属的移运 通过蒸腾拉力和扩散途径使重金属到达根表面;重金属的跨膜运输;重金属在穿过根的中柱,进入导管,并向植株上部传输。植物积累 将重金属富集和固定于植株上部的组织中,有的可实现超
9、积累,该类植物往往被选为修复植物。植物挥发 植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质,释放到大气中,目前在这方面研究最多的是金属元素汞和非金属元素硒。植物稳定 利用植物吸收和沉淀固定土壤中的大量有毒金属,以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链,从而减少其对环境和人类健康的污染风险。5、植物修复的影响因素影响植物修复的环境因子包括:土壤酸碱度 土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的,其可溶性受pH值限制,进而影响到植物的吸收与利用;根际圈微生物对有机污染物的降解活性同时也受到土壤pH的影响。氧化还原电位 重金属多为过渡元素,在不同的氧化还原状态下,有不同的价态、溶解性和毒性。共存物质 例
10、如络合-螯合剂和表面活性剂就有对重金属的增溶和增加吸收作用。另外还有污染物间的复合效应、营养元素、植物激素以及生物因子等影响因素。(1 1)植物修复在空气污染中的应用)植物修复在空气污染中的应用 (2 2)植物在水环境污染中的应用)植物在水环境污染中的应用 (3 3)植物在土壤污染中的应用)植物在土壤污染中的应用 6、植物修复在环境污染中的应用(1)植物修复在空气污染中的应用)植物修复在空气污染中的应用 氮氧化物氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物,是污染空气的一类主要化合物,NO2同同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾,在光照的条件下容易形成光化学烟雾,N2O是一种能引起是一种能引起
11、温室效应的气体,它可以辐射传热温室效应的气体,它可以辐射传热,破坏同温层的破坏同温层的O3。某些。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。Hiromichi Morikawa 等人详细研究了等人详细研究了NO2被被217种高等种高等植物、植物、50种野生草本植物、种野生草本植物、60种人工培育的草本植物和种人工培育的草本植物和107种木本植物吸收和还原为种木本植物吸收和还原为N2的情况,结果表明辛荑对的情况,结果表明辛荑对NO2
12、吸收最高,达吸收最高,达12.7mg/g(干重干重);菊科、桃金娘科、茄科和;菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原杨柳科有较高的还原N2的能力。的能力。(2 2)植物在水环境污染中的应用)植物在水环境污染中的应用 水环境中的污染大致可分为三类水环境中的污染大致可分为三类:无机营养元素如氮、磷等;无机营养元素如氮、磷等;有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHsPAHs、炸、炸药等;药等;重金属的污染重金属的污染 。无机营养元素如氮、磷等去除无机营养元素如氮、磷等去除 利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富
13、营养化问题已有大量研究。起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好又有很好的经济价值;被制成浮床的水芹、多花黑麦草等对的经济价值;被制成浮床的水芹、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。生物往往共同对水环境起着净化作用。有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHsPAHs、炸药等去除炸药等去除 利用某些植物具有降解、矿
14、化污染物为毒性弱利用某些植物具有降解、矿化污染物为毒性弱的小分子、无机物的特性的小分子、无机物的特性,修复受污染的水体。修复受污染的水体。水葫芦水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物;酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物;浮萍浮萍、伊乐藻伊乐藻对杀虫剂对杀虫剂DDTDDT降解有明显的作用降解有明显的作用,金鱼藻、伊金鱼藻、伊乐藻或浮萍乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药长春花可用于修复受炸药TNT TNT 污染的地表水污染的地表水;龙葵能龙葵能有效地降解有效
15、地降解PCBsPCBs。重金属去除重金属去除 植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法处理方法,是目前研究的热点问题。是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物漂浮植物,其中如其中如绿藻绿藻对对CdCd、HgHg、CuCu、Pb Pb 的去除的去除率可达率可达80%-90%;80%-90%;黑麦草黑麦草对黄金废水不仅有很强的净对黄金废水不仅有很强的净化能力化能力,而且也具有很高的富集功能而且也
16、具有很高的富集功能,其根部的含其根部的含金量最高可达金量最高可达784 g/t(784 g/t(干重干重)。植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强,利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤,是修更强,利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤,是修复含重金属废水发展的新方向。复含重金属废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中苗对水体中ZnZn、PbPb、CuCu的去除作用,结果表明的去除作用,结果表明:蓖麻蓖麻对对ZnZn的积的积累最高,达累最高,达3
17、0.0m g/g30.0m g/g;向日葵向日葵对对PbPb的积累最高的积累最高,达达91.6 91.6 mg/gmg/g;向日葵向日葵对对Cu Cu 的积累最高的积累最高,达达24.3 m g/g24.3 m g/g,其茎、叶中,其茎、叶中也有一定量的铜积累。也有一定量的铜积累。荷花荷花香蒲香蒲再力花再力花【拉丁学名】Thalia dealbata凤眼莲凤眼莲狐尾藻狐尾藻大型水生植物的大型水生植物的4种生活型种生活型生活型生活型生生长长特点特点代表种代表种类类挺水植物挺水植物根茎生于底泥中,植物根茎生于底泥中,植物体上部挺出水面体上部挺出水面荷花、香蒲、再力花等荷花、香蒲、再力花等浮叶根生浮
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