1、 土壤銅污染的生物修復研究以江西德江銅礦礦區為例 學 院： 資源與環境工程學院 班 級： 環科 111 姓 名： 李 喆 學 號： 1108100056 任課老師： 劉 方 目錄前言1、 研究背景·································

2、3;··················11. 1江西德興礦區土壤銅污染的現狀與危害··························11.2江西德興礦區土壤

3、銅污染的特點································1二、研究目的················

4、;····································2三、研究意義············

5、3;·······································2四、研究內容·········

6、83;··········································24.1土壤中銅的來源及存在形態·····

7、;·······························24.2銅污染的生態修復·················

8、;···························34.2.1超積累植物對銅污染土壤的修復···················

9、83;···············34.2.2超積累植物對銅的耐性及解毒機理·······························

10、··44.2.3超積累植物修復銅污染土壤的強化措施·····························4五、研究方法··············

11、······································5六、研究結果分析··········

12、83;·····································6七、展望···········

13、3;············································6參考文獻前言銅是植物生長發育所必需的營養元素,然而銅也是導致土壤污

14、染的重要重金屬之一，當土壤中銅含量超過一定濃度時，將植物生長發育及產量產生影響1。楊桂芬等2的研究表明，高濃度銅在水稻根部累積，會使水稻根系變粗,根毛變少，影響根系對養分的吸收，谷粒不飽滿，造成減產。小麥遭受銅毒害，會出現生長前期的株高和分蘗受抑。另外，受銅污染嚴重的土壤中的微生物也會受到影響。綜上所述，土壤銅污染會對土壤中的生物造成嚴重危害。不過近年來，我國銅污染土壤的植物修復研究發展很快，發現了海州香薷、鴨跖草、蓖麻等銅超積累植物，同時有機酸、耐銅微生物也能加強超積累植物的修復作用3。文中我將以亞洲最大的銅礦江西德興銅礦為例，研究其受銅污染土壤的生物修復技術。一、研究背景江西德興地處北緯2

15、8°38至29°16、東經117°22至118°23,屬亞熱帶濕潤季風區，適合于水稻為主的多種農作物和亞熱帶長綠針、闊葉林木的生長。德興銅礦是我國最大的銅礦，也是全國有色金屬工業的重要生產基地，同時具有亞洲第一大尾礦壩。1.1 江西德興礦區土壤銅污染的現狀與危害自1958年露天開采以來，已造成5. 76 km2的裸地和207 km2尾礦堆積區。同時每年還排放大量的含銅、鐵等多種重金屬離子的酸性廢水。造成了下游大圬河、樂安河、甚至波及鄱陽湖水的嚴重污染及生態的破壞，也嚴重影響了沿河兩岸人民群眾的身心健康。1.2 江西德興礦區土壤銅污染的特點通過調查研究4，

16、銅在環境中的濃度一般較低，在非污染區土壤和沉積物中為1030mg kg-1，在非污染自然水體中低于2ug L-1。德興銅礦排放的工業廢水使得大塢河和樂安河河水嚴重偏酸， pH在24.5之間，經檢測主要是含硫酸的廢水；河水中銅離子濃度在1213mg L-1之間，超過正常水域600015000倍左右，土壤中銅含量平均為186.5mg kg-1，是正常值的10倍左右，特別值得一提的是河流底泥由于含銅廢水常年累月的沉積作用，銅含量高達50010000mg kg-1，甚至超過了礦石中的含量。如下表所示：二、研究目的（1）了解礦區土壤、河流銅污染狀況；（2）檢測礦區優勢植物的重金屬銅含量；（3）針對該礦區

17、銅污染特點研究生物修復方案。三、研究意義在現有的技術水平下，利用生物修復技術修復受污染的土壤主要包括植物修復、微生物修復和動物修復。目前在植物修復技術中己發現的超富集植物在自然界內數目很小，且均具有地域性；且絕大多數己經發現的超富集植物在很多方面存在著一些缺陷，如植物生育期較長、抗病蟲能力較弱、扎根淺、根系分布范圍小等缺點，因而,重金屬超富集、富集植物的篩選仍然是植物修復技術的關鍵所在5。另外，某些微生物與植物聯合修復受污染的土壤會取得更好的效果。四、研究內容4.1 土壤中銅的來源及存在形態重金屬開采、冶煉和加工等工礦業活動是土壤的重要銅污染源6,7。其化學形態與其生物有效性密切相關，其中以可

18、交換態生物活性最高，而殘渣態則是無效的銅化學形態，其余三種化學形態（碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機結合態）均可能成為有效態銅的源和庫。土壤溶液pH值是影響銅溶解性的主要因素。它除了直接影響被吸附銅的形態外，還可以通過影響土壤其它組分、吸附解吸平衡、沉淀溶解平衡、溶解有機質含量等改變銅在土壤中的賦存形態。另外影響銅在土壤中的存在形態因素有土壤理化性質、其他污染物與銅的作用以及環境因素等。4.2銅污染土壤的生物修復生物修復是利用某些特殊的植物、微生物和動物的生命代謝活動，吸收去除土壤中的重金屬或使重金屬形態轉化，減低重金屬的毒性。生物修復主要包括微生物修復、動物修復和植物修復法8。通常對銅污

19、染的土壤采取植物修復技術及植物-微生物聯合修復技術，相對于物理化學方法而言，植物修復技術有其獨特的優點:（1） 成本低；（2） 綠色凈化,不破壞土壤生態環境,無需進行二次處理；（3） 通過對植物的集中處理,造成二次污染的機會較少；（4） 植物修復是一個自然過程,易為公眾所接受。4.2.1超積累植物對銅污染土壤的修復植物修復技術的原理主要是利用超積累植物的富集作用，將土壤中重金屬濃度降至可接受水平，從而達到修復土壤的目的9,10。所謂超積累植物是指植物葉片或地上部Cd達到100mg/kg，Cu、Co、Ni、Pb超過 1000mg/kg，Mn、Zn達到或大于10000mg/kg，且同時滿足 S/R

20、>1(S和R 分別指植物地上部和根部重金屬的含量) 的植物11。目前已經發現幾種對銅有超累積性質的植物，通過研究，可以用它們來對銅污染的土壤進行植物修復。（1） 海州香薷（Elsholtzia splendens）海州香薷屬唇形科，香薷屬，是長江中下游地區廢銅礦石堆上常見的優勢植物，對銅有較高的耐性和強蓄積能力12。水培研究表明，在25umol/L銅處理下，海州香薷根銅含量達到1000mg/kg以上；當銅處理濃度超過75umol/L時，根中銅含量達到了10000mg/kg以上，在培養液銅濃度為500umol/L時，地上部銅含量達到1411mg/kg13。海州香薷各個部位對Cu的吸附能力都

21、比較強，特別是根細胞壁對Cu2+具有更強的吸附能力，因而海州香薷的根系比其他部分能固定更多的Cu2+14。對海州香薷中銅形態分析表明，含硫銅螯合物質( 可能為植物螯合肽) 對其銅的累積和解毒起著重要的作用。另有研究發現，銅脅迫有助于提高海州香薷酸性磷酸酶的活性并促進其向根際土壤的分泌，這將更加有利于海州香薷對磷的吸收，并且海州香薷對銅的積累量也隨著土壤有效磷濃度的增加而明顯提高15。海州香薷是目前國內研究較多的銅超積累植物，且其超積累效果也較好，但生物量較小是其最大的缺點。（2） 鴨跖草(Commelina communis)鴨跖草屬鴨跖草科，鴨跖草屬，為一年生草本.據研究16，礦山生長的鴨跖

22、草在水培條件下經銅（高于80umol/L）處理25d后，植株生長旺盛，根系發達，根明顯伸長，數目很多。當銅濃度達到160umol/L時，生長速率和干物質產量達到最大值。高濃度處理下銅含量在礦山鴨跖草中大小順序均為根 > 莖> 葉。通過銅形態的EXAFS的分析，發現鴨跖草和海州香薷相似，含硫銅螯合物對其銅的累積和解毒起著重要的作用。前面提到，銅礦開采區是主要的銅污染區，鴨跖草作為一種喜濕的草本植物，并不適合在礦區干燥貧瘠的土壤上生長。另外，與海州香薷一樣，它的生物量也較少，也許這也會成為限制其運用于銅污染土壤修復的因素，不過在未來應深入研究其機理，并結合生物工程技術加以利用。（3）

23、蓖麻(Ricinus communis)蓖麻屬大戟科，蓖麻屬，是一年生或多年生草本植物，株型高大，根系發達，耐貧瘠，適應性強，其蓖麻油在工業上具有廣泛的用途。蓖麻是新發現的一種具有廣闊前景的銅超積累植物。銅礦區廢棄地蓖麻體內銅含量隨土壤銅含量的增高而增高，其中葉的銅含量平均為 550.9mg/kg，最高達到717.9mg/kg; 莖的銅含量平均為394.4mg/kg ，最高達572.3mg/kg; 根的銅含量平均為2346.2mg/kg，最高達3495.1mg/kg17。可見銅主要積累在根部，但仍有部分樣品的S/R>1。同時，營養液培養實驗表明，銅濃度在40mg/kg 時，蓖麻地上部分銅

24、含量高達2186.4mg/kg。這說明銅礦區的野生蓖麻不僅能夠在銅含量很高的土壤和營養液中生長，還能在體內積累較多的銅，是一種新的銅超積累植物。國內外關于蓖麻銅超積累的研究還較少，作為生物量較大且有經濟價值的新型超積累植物，未來在土壤修復上具有廣闊的發展前景。4.2.2超積累植物對銅的耐性及解毒機理植物在進化過程中逐漸形成了對重金屬吸收、轉運以及解毒機制，以降低植物細胞內的重金屬濃度避免過量積累而導致中毒，但是當土壤中的銅濃度超過閾值時，植物生長發育受阻，甚至會造成植物死亡。有研究表明，銅超積累植物對銅耐性和解毒機理主要有以下幾個方面：（1） 細胞壁的吸附解毒機制植物細胞壁含有大量纖維素、半纖

25、維素、果膠質、木質素及蛋白質18，對銅有很高的親和力，可以很好的起到阻止過量的銅進入原生質體的效果。如在海州香薷細胞中的Cu2+主要分布在液泡、細胞壁、葉綠體膜等細胞器19。在植物的根系中，50%的銅結合在細胞壁的氨基、羧基等基團上，從而避免了其進入原生質體，保護細胞正常的代謝活動。（2） 質膜的選擇性吸收當植物的細胞質末受到高濃度金屬脅迫時，通透性會增大，細胞內營養物質流出，磷脂組分也會發生改變，因此質膜在細胞重金屬吸收和排出的動態平衡上扮演了十分重要的角色。所以可以通過保護質膜的完整和提高質膜的修復能力來提高植物對銅的耐性20，使得植物體內的銅含量降低到安全范圍，從而達到減輕或解除毒害的作

26、用21。（3） 絡合體的解毒作用植物細胞內許多重要的酶、有機酸、糖和蛋白質等有機物與銅絡合后可能會喪失活性，使植物的生理過程無法正常進行，甚至導致植物的死亡。植物體內的金屬硫蛋白等有機物能與銅絡合，減少銅與上述重要有機物質絡合的機會，從而達到緩解或解除銅毒害的目的22。4.2.3超積累植物修復銅污染土壤的強化措施植物修復技術因其廉價、二次污染小和操作簡單等特點，具有良好的發展前景，但在實際應用中還存在著植物生長緩慢、生物量較小、對重金屬具有選擇性、土壤重金屬的生物有效性低等不足之處，因此許多研究表明可以通過一些生物、理化等促進措施克服其修復過程中的不足，提高植物的修復效率。（1） 基因工程技術

27、強化植物銅的吸收利用基因技術，將異源基因在生物量大且容易收獲的植物體進行有效的表達，從而強化植物的修復作用，以解決海州香薷“鴨跖草株型矮小”生長速度慢等限制因素。隨著分子生物學的發展，轉基因技術在污染土壤修復領域越來越重要的同時，也必須考慮到“基因污染”等潛在威脅。（2） 微生物強化土壤銅污染的植物修復植物根際含有豐富的營養物質一根系分泌物，大量微生物能夠定殖于此，這構成了根際特有的微生物區系。孫樂妮8通過構建16S rDNA克隆文庫對銅礦廢棄地海州香薷和鴨跖草根際土壤細菌群落及多樣性進行研究，找到能夠自由生活在植物根際土壤的一類以直接或間接方式促進植物生長的有益細菌被稱為植物促生細菌(pla

28、nt growth- promoting rhizobaeteria,簡稱 PGPR) 強化植物修復技術。據不完全統計,國內外已發現20多個種屬的根際微生物具有防病促生的潛能，主要包括假單胞菌和芽孢桿菌,、根瘤菌、沙雷氏屬等，其中最多的是假單胞菌屬，次為芽胞桿菌屬、農桿菌屬等。（3） 有機酸強化土壤銅污染的植物修復外援有機酸的加入會改變土壤中銅的形態。如EDTA施入銅污染土壤，可顯著提高土壤水浸提態銅、交換態銅的含量，同時使海州香薷銅含量升高，并促進向地上部分轉移，可作為海州香薷修復銅污染土壤的助劑23,24。但是外源有機酸的加入大大提高了土壤中銅的移動能力，因此Cu2+進入水體的可能也會大大

29、增加，特別是進入地下水后造成的危害是不得不關注的。（4） 鈣對植物銅毒害的緩解作用Ca2+能穩定植物細胞壁的結構，維持植物細胞膜的完整性和穩定性并調節酶的活性，細胞壁和質膜的保護是植物耐銅機制的重要部分。向土壤中施入Ca2+可緩解銅對海州香薷的毒害13。此外，Ca2+能提高活性氧防御酶SOD（超氧化物歧化酶）POD（過氧化物酶）、CAT（脫氫酶）活性，從而導致葉片和根系的MDA（丙二醛）含量下降，降低脂質過氧化作用。因此Ca2+能增強植物抗逆性，以保證超積累植物在高濃度銅的情況下正常生長的作用。另外，Ca2+加入土壤后也會起到降低土壤酸度，改良土壤結構的作用，從而有利于修復植物的生長。五、研究

30、方法針對江西德興銅礦實例，黃長干4等主要運用的的實地采樣調查及實驗室數據分析來對該地區銅污染土壤做研究的，除了分析測定礦區附近河樣、泥樣、土樣和礦石之外，還對當地的一些植物進行分析研究，得出植物體內銅含量的簡表:雖然從此簡表中沒有我們要找的對重金屬銅的超積累植物，但是可以得到一些對重金屬銅有較強富集作用的植物，如：禾本科的蘆葦、莧科的空心蓮子草、蓼科的辣蓼和粘毛蓼、鴨跖草科的鴨跖草等可用于水體銅污染的植物修復；禾本科的狗尾巴草、菊科的野艾蒿、桑科的構樹、莎草科的莎草等可用于土壤銅污染的植物修復。通過他們提出的可用于土壤銅污染植物修復的植物種類，找到了孫樂妮8和金勇3等用海州香薷、鴨跖草和蓖麻對

31、土壤銅污染做植物修復的研究，并對其作用機理進行深入了解。六、研究結果分析 通過本次研究，可歸納總結出以下幾點：（1） 我國土壤重金屬污染嚴重，除開“汞、鎘、鉻、鉛、砷”這“五毒”外，銅污染也越來越受到人們關注。（2） 通過調查研究，針對土壤中銅的存在形態及轉化機制，提出適合的污染修復方案。除了采用傳統的物理化學法之外，還可以采用生物修復中的超積累植物修復，選擇出一些對銅具有超積累作用的植物對土壤中超量的銅進行選擇吸附，并儲存于體內，從而達到重金屬富集的作用。（3） 根據已有研究結果，可選海州香薷、鴨跖草和蓖麻等作為土壤銅污染的修復植物，通過實地采樣調查和實驗室盆栽實驗等證明這些植物對土壤中銅的

32、富集有很好的效果。針對江西德興銅礦礦區所處的環境位置，鴨跖草和蓖麻聯合一些微生物可共同修復地表受損的礦區。不過后期植物的處理仍需要深入探討研究。七、展望在土壤銅污染嚴重的形勢下，超積累植物因在污染土壤生物修復中的重要作用而受到越來越多的關注，其中超積累植物的選擇和培養是植物修復的關鍵。目前尋找、篩選自然界中銅超累積植物,探明植物對銅的忍耐機理,應用分子生物學和基因工程等技術培育馴化，使其滿足實際應用需要。像海州香薷、鴨跖草和蓖麻這些銅修復植物在土壤銅污染越來越嚴重的今天具有非常好的研究潛力和應用前景，不過由于海州香薷和鴨跖草生物量很小，所以富集的總銅量不理想，所以在實際中運用于土壤銅污染的實例

33、不是很多，但是可以通過基因技術來改善這個問題。另外，在做植物修復的同時還要研究植物體內銅元素的回收工藝,將其安全處理或循環使用。參考文獻1彭剛華.土壤銅污染對水稻生長及產量的影響研究J.福建環境,2000,17(6):31.2楊桂芬,李德波.中國南方某些銅礦附近水稻土銅污染的調查J.農村生態環境,1990,(4):55-59.3金勇,付慶靈,鄭進,等.超累積植物修復銅污染土壤的研究現狀J.中國農業科技導報,2012,14(4):93-100.4黃長干,邱先業.江西德興銅礦銅污染狀況調查及植物修復研究J.土壤通報,2005,36(6):991-992.5趙達偉.銅污染土壤的超富集富集植物篩選A.

34、陜西師范大學,2005.6Liao X Y, Chen T B, Yan X L,et al. Heavy metals in plants growing on Ni /Cumining areas in desert, northwest China and the adaptive pioneer species. Journal of Natural Resources, 2007, 22(3): 486-495.7Liao X Y, Chen T B, Wu B,et al. Mining urban soil pollution: concentrations and patterns of heavy metals in the soils of Jin chang, China.Geographical Research, 2006, 25(5): 843-852.8孫樂妮.銅耐性植物內生和根際細菌的生物多樣性及其強化植物富集銅的研究D.南京農業大學,博士學位論文,2009.9