铅污染土壤的植物修复技术研究

量大面广的铅污染土壤已成为国内外环境保护与治理中不可忽视的问题,植物修复技术在治理铅污染土壤方面具有多种优势。综述了植物修复技术的特点及类型、目前已发现的铅超富集植物及其筛选方法、植物富集铅能力的影响因素和铅超富集植物耐性和积累机制等方面的研究进展,并指出了目前尚未解决的问题及未来发展趋势。     

5种草本植物对土壤重金属铅的吸收、富集及转运

以临汾西山煤矿周边的5种优势种植物苍耳（Xanthium sibiricum）、夏至草（Lagopsis supina）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、灰绿藜（Chenopodium glaucum）、早熟禾（Poa annua）为试验材料,研究植物修复土壤重金属铅的污染,分析比较其对铅的吸收、转运和富集的能力。结果表明:在铅处理下早熟禾的生物量最大;5种植物地上部分对铅的吸收量在10 000 mg时均达到1 000 mg/kg以上,其中夏至草的吸收量最高,达5 447.25 mg/kg;地下部分对铅的吸收量在10 000 mg时也达到1 000 mg/kg以上,以苍耳最高,达13 448.5 mg/kg。夏至草的转运系数和富集系数最高,为铅超富集植物,其余4种植物对重金属铅也有很好的吸收富集作用。     

营养元素N、P、K对Pb超富集植物吸收能力的影响

为了探索提高Pb(铅)超富集植物吸收能力的方法，该文通过温室土培方法，研究了单一营养元素N、P、K对Pb超富集植物羽叶鬼针草(Bidens maximowicziana)、绿叶苋菜(L.Amaranthus tricolor)和紫穗槐(Sophora japonica)3种植物Pb吸收的影响。营养元素的设计水平为N 0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 g/kg，P₂O₅ 0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 g/kg，K₂O 0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 g/kg，其他2种元素恒定为0.12 g/kg，土壤铅浓度为800 mg/kg土。结果表明土壤中施入不同水平的营养元素显著影响植物Pb迁移总量。18个处理中羽叶鬼针草、绿叶苋菜与紫穗槐Pb迁移总量最大值与最小值的比值分别为：11.6、10.6、11.9。该试验表明通过调节土壤营养的方法可以提高植物的重金属的迁移总量，利用Pb超富集植物修复Pb污染土壤。3种营养元素对植物的效应不一致，少量的N和K可促进富集植物干质量的增加，促进植物对Pb的吸收，随着N和K水平的增加，植物对Pb的吸收能力降低，但K的抑制作用不如N的显著；土壤供P会降低植物对Pb的吸收，且下降极显著。     

旱生复苏植物垫状卷柏对铅的超富集特性研究

通过对处于干热河谷的四川省汉源县唐家铅锌矿区及周围污染农田进行优势植物采样分析发现,垫状卷柏(Selaginella pulvinata)的地上部分、根系铅(Pb)积累量分别为672.10mg/kg和313.59mg/kg,转运系数为2.14,可能是一种新的铅超富集植物。为此,通过浓度梯度盆栽试验进一步进行验证,结果表明,垫状卷柏在铅质量浓度为600 mg/L时地上部分富集量为1 061.65 mg/kg,超过了铅富集量的临界值(1 000mg/kg),并且其地上部分富集系数和转运系数分别为1.77和2.62,均大于1。此外,垫状卷柏在铅处理浓度为200~600mg/L时,无明显的受害症状,且其单株地上部分生物量在600mg/L时达7.67g,抗性系数达0.923,单株地上部分提取量达8 147.80μg,提取1g铅仅需123株。垫状卷柏是一种铅超富集植物,具有较高的应用价值,可作为干热河谷铅锌矿区植被生态恢复和铅污染土壤的植物修复材料。     

超富集植物对稀土元素吸收转运解毒与分异的研究进展

稀土是重要的战略资源,在现代高科技行业和农业生产中发挥着重要的作用。随着稀土需求量的与日俱增,稀土矿山开发加剧,产生了大面积的稀土废弃尾砂地进而污染农田,对当地生态环境和居民健康构成威胁。植物采矿是指在金属污染地上种植超富集植物,在恢复植被和修复污染土壤的同时,还可通过收割地上部实现金属回收利用,是一种原位和低成本的污染土壤修复手段。探究超富集植物重金属富集机理是实现植物采矿的基础,但相对于Ni、Zn、As等超富集植物的研究,稀土超富集植物吸收转运和耐受稀土机制的研究仍然缺乏。本文结合近年国内外研究,从植物富集稀土的四个关键过程综述超富集植物对稀土的吸收、转运和分布解毒机制以及与稀土分异之间的关系,并提出超富集植物中稀土分异的概念模型。     

重金属污染土壤间作修复的研究进展

种植单一的超富集植物修复重金属污染土壤,不但中断农业生产导致经济收益降低,而且因生物量较低、修复周期长等诸多弊端导致修复效果不甚理想。间作作为一种传统的农艺管理方式,利用生态位和生物多样性原理等能提高农作物对资源的有效利用,对共植的农作物种类增量提质。在中、轻度污染土壤修复中利用间作体系,通过调控超富集植物与农作物的生长发育,促进超富集植物根系低分子量有机酸(LMWOAs)的分泌,降低其根际土壤p H,增加重金属活性,从而增加超富集植物对重金属的吸收,同时抑制农作物根系LMWOAs的分泌,以减少农作物对重金属的吸收,提高其产量和品质,实现"边生产边修复",提高土地利用率,并增加经济效益。本文根据近几年来国内外相关文献,综述了间作条件下超富集植物和农作物生物量、生理生化响应、重金属吸收、转运、富集等方面的变化,以及间作对土壤环境质量的影响,并对间作修复重金属污染土壤领域的发展趋势,如超富集植物和农作物间作的信号转导和分子生物学机制、间作体系下两类植物根际微生物类群的差异及其功能机制,以及构建高效间作体系提高重金属污染土壤的修复效率等方面进行了展望。     

四川汉源铅锌矿区铅锌富集植物筛选

通过在四川省雅安市汉源县铅锌矿区的调查发现,矿区周围土壤铅、锌污染严重,均已超过国家三级标准.在矿区所调查的14种优势植物当中,只有假繁缕体内铅含量、富集系数、转运系数达到铅富集植物标准(地上部分铅含量>500 mg/kg、地上部分铅富集系数>0.6、铅转运系数>0.6),其地上部分铅含量为728.3 mg/kg,地上部分铅富集系数为0.76,铅转运系数为0.81.因此,假繁缕可以作为该区矿山土壤铅污染修复的备选材料.     

土施超富集植物秸秆对荠菜生长及镉积累的影响

[目的]研究超富集植物秸秆对富集植物重金属积累的化感作用,为镉污染土壤的植物修复研究提供参考。[方法]通过在镉污染土壤中施用镉超富集植物〔(红果黄鹌菜Youngia erythrocarpa)、三叶鬼针草(Bidens pilosa)、少花龙葵(Solanum americanum)和豨莶(Siegesbeckia orientalis)〕秸秆,研究了4种镉超富集植物秸秆施入土壤对镉富集植物荠菜生长及镉积累的影响。[结果]4种镉超富集植物秸秆施入土壤均提高了荠菜地上部分生物量、总生物量和抗性系数,同时提高了荠菜叶片SPAD值(绿色度)。土施红果黄鹌菜秸秆提高了荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量,分别比各自对照高11.81%,102.07%,12.00%和54.95%,同时也提高了土样有效态镉含量,其余3种处理均低于各自对照。土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜地上部分和整株的镉积累量均高于对照,分别为42.11和54.74μg/株,比各自对照高83.09%和54.11%,而其余3种处理的镉积累量均低于对照。[结论]土施红果黄鹌菜能够提高荠菜对土壤镉的积累,有利于提高荠菜对镉污染土壤的修复效果。     

3种植物对红壤中镉的富集特性研究

重金属超富集植物是重金属污染土壤植物修复的基础,研究了3种重金属富集植物羽叶鬼针草、美洲商陆和紫叶芥菜对重金属Cd的吸收积累规律,为植物修复Cd污染的农田和生态环境建设提供科学依据。采用盆栽方法,在不同浓度（0、20、35、50、65、80mg·kg^-1）Cd处理下,分别测定3种植物地上部与根部Cd的含量,计算了地上部Cd迁移量、根系耐性指数、富集系数,研究了土壤中Cd添加量与植物富集Cd量的相关性。结果表明,随着土壤中Cd离子浓度的升高,3种植物地上部和根系中的Cd含量也在增加,相关系数都大于0．99;综合地上部与根部Cd含量,地上部Cd迁移量,根系耐性指数和富集系数,3种植物对Cd的富集能力的相对顺序为：羽叶鬼针草〉美洲商陆〉紫叶芥菜。羽叶鬼针草、美洲商陆种植在Cd处理浓度为65mg·kg^-1的土壤中和紫叶芥菜种植在Cd处理浓度为80mg·kg^-1的土壤中栽培时,3种植物地上部与根部的Cd含量均超过了100mg·kg^-1,达到了Cd超富集量的标准。羽叶鬼针草、美洲商陆和紫叶芥菜对Cd有很强的耐受性和富集性,可以作为先锋植物去修复被Cd污染的土壤。     

Pb、Cd复合胁迫下4种植物抗氧化防御差异性研究

为了解植物在Pb、Cd复合胁迫下抗氧化系统的响应, 研究了重金属超富集植物龙葵、印度芥菜和非重金属超富集植物玉米和萝卜在Pb、Cd复合胁迫下抗氧化系统的变化。研究结果显示: Pb、Cd复合胁迫下超富集植物印度芥菜和龙葵的叶生物量显著减少, 根和茎生物量在低浓度处理下减少不明显; 非超富集植物萝卜和玉米的生物量随重金属浓度升高显著降低。超富集植物的SOD活性随重金属浓度升高逐渐升高; 4种植物POD活性随重金属浓度变化规律各不相同, 非超富集植物玉米和萝卜POD活性总体上随重金属浓度增加而提高; 超富集植物叶片MDA含量随重金属浓度升高逐渐升高; 印度芥菜和萝卜的总GSH含量显著高于其他两种植物。超富集植物的SOD、MDA、TAST、总GSH和PC与土壤重金属毒性系数呈显著相关; 非超富集植物玉米的POD和总GSH与重金属毒性系数呈显著相关, 而萝卜的TAST和PC与重金属毒性系数呈显著相关性。不同植物的解毒机制并不相同, 因而进一步了解超富集植物的相关酶基因调控对阐明解毒机制尤为重要。     

模拟酸雨对茶园土壤中铅的溶出及形态转化的影响

采用模拟酸雨连续淋洗的方法,研究了茶园土壤的酸化以及不同铅污染程度土壤中铅的溶出和形态转化规律。结果表明,土壤的酸化程度受酸雨酸性强度的控制,酸雨pH越低,土壤酸化程度越强;土壤中铅的溶出总量随模拟酸雨的酸度和土壤本身含铅量的增加而增加,但是土壤滤液中铅含量随时间变化的规律只受模拟酸雨的pH影响;土壤铅污染程度越严重,其中的活性态铅含量越高,同时pH<4.5的酸雨会使土壤中的非活性态铅大量向活性态转化,这将导致土壤中铅的活化而增加其生态风险。     

外源铅在土壤中的形态、分布及其对土壤养分的影响

通过对加入外源铅的砂姜黑土、黄褐土、红壤进行培养处理,测定土壤中各形态铅及水溶态NH4 ,K 和速效态磷的含量,研究外源铅在各类土壤中的形态分布特点及对土壤养分的影响。结果表明:交换态和残渣态的铅为红壤>黄褐土>砂姜黑土,碳酸盐态铅为砂姜黑土>黄褐土>红壤,铁锰氧化态铅为红壤>砂姜黑土>黄褐土,有机结合态铅为黄褐土>砂姜黑土>红壤;交换态和残渣态所占比例随着外源铅的浓度增大而提高,有机结合态的比例随着外源铅浓度增大降低,碳酸盐结合态铅在砂姜黑土、铁锰氧化态铅在红壤上则呈现外源铅小于500 m g/kg时比例增高,大于500 m g/kg时比例开始下降的状况;加入外源铅的土壤中,水溶态的NH4 和K 的浓度增大,使其流失的风险性增加;水溶态磷和铅离子生成难溶性磷酸铅盐被固结,使速效磷的浓度减少,降低了水溶性磷肥的功效。     

马唐对Pb污染土壤的修复作用

研究了农田杂草马唐(Digitaria sanguinaisl)对于Pb污染土壤的修复效果。通过45d的盆栽试验研究观测了马唐在Pb污染下的生长情况和富集能力、土壤重金属Pb浓度与土壤酶活性的关系,以及经马唐修复后土壤酶活性恢复情况。结果表明:Pb污染对马唐的生长有明显的抑制作用;五种土壤酶活性均随土壤Pb浓度的增加而降低,回归分析表明土壤过氧化氢酶和脲酶活性与土壤Pb浓度极显著相关,可表示出土壤受Pb污染程度;Pb污染土壤经过马唐修复后,过氧化氢酶和脲酶活性得到恢复,可根据它们的活性恢复状况判断马唐的修复效果。     

不同土地利用类型下土壤-作物铅的积累特征及其健康风险分析

潜在有毒污染物对人体的暴露及其健康风险是当前环境研究中的一个主要问题,重金属Pb对人体具有较大毒性,为此通过对研究区菜地、稻田、果园、旱地、茶园等5种典型土地利用类型402个土壤和同步采集的作物样品的测试分析,探讨了不同土地利用方式对土壤及其种植作物Pb积累的影响。研究结果表明,不同土地利用方式下,土壤Pb积累的程度不同,菜地土壤Pb积累程度最高,果园土壤Pb积累程度最低。方差分析结果表明,菜地土壤与茶园、果园土壤之间,茶园土壤与菜地、稻田、旱地土壤之间Pb含量存在显著差异性。研究区不同土地利用方式对作物Pb积累的影响较大,水稻Pb平均含量最高,水果Pb平均含量最低。不同作物之间Pb含量也存在显著性差异,水稻Pb含量显著高于其他4种作物,水果和蔬菜Pb含量则远低于其他3种作物。利用定性风险分析技术,对不同土地利用类型下土壤Pb对人体健康的风险商值进行了计算。结果表明,不同土地类型土壤Pb对人体健康的风险商值为稻田〉菜地〉旱地〉果园,尤其是稻田和菜地土壤Pb对人体健康的风险较大,均存在土壤Pb含量对人体健康造成危害、处于不可接受的样点,居民面临较大健康风险,应采取积极措施对这两种土地利用类型下土壤Pb污染进行治理和修复。     

铅污染对青紫泥微生物活性的影响

土壤微生物量碳、基础呼吸作用、土壤代谢商是表征土壤质量的重要指标,并且与土壤本身的理化性质有关。脱氢酶活性是土壤微生物种群及其活性的重要敏感性指标之一。通过室内培养,研究了不同铅添加水平(200~1 200 mg/kg)对青紫泥田微生物生物量碳及土壤基础呼吸作用、土壤代谢商、土壤脱氢酶的影响。研究表明:随培养时间延长,青紫泥田生物量碳呈下降趋势,基础呼吸作用随铅浓度升高而加强。土壤代谢商随培养时间延长变化趋势不同。外源铅胁迫下土壤脱氢酶活性随铅处理浓度升高明显受抑制。相关分析表明,土壤铅含量与土壤微生物生物量碳、脱氢酶在不同培养时期相关性不同。     

基于文献数据的广西典型土壤铅含量特征及其风险研究

为阐述广西土壤铅含量现状及其潜在风险,通过检索20世纪90年代至今国内外关于广西土壤铅含量的文献,共筛选出目标文献57篇,涉及广西20多个地区,样品5 807个。结果表明,广西区土壤铅含量范围为18.80~6 350 mg kg-1,几何均值为147.9 mg kg-1。不同功能区的土壤铅含量分布存在较大差异,清洁土壤、城区土壤、工矿土壤、非矿区农用土壤和矿区农用土壤铅含量的几何均值分别为26.17、32.88、244.5、42.93和347.6 mg kg-1,分别是广西土壤铅背景值的1.391倍、1.747倍、12.99倍、2.281倍、18.47倍。调查区域中铅污染指数大于1的样本占总量的23%,有7%的样本属于重度污染,主要分布在南丹县、融安县等地,这可能与该区域的矿业活动有关。基于广西区铅矿产分布及目前未涉及调查的区域,建议对重污染区南丹、金城江、环江、融安、阳朔和崇左县等地采取治理措施,对铅锌矿分布较多的大新县、武宣县、岑溪县、贺县等地区作进一步的调查研究。     

Fractional-Isotopic Composition of Lead Compounds in Soils of the Kologrivskii Forest Reserve

Isotopic composition of lead is a very sensitive indicator allowing us to determine even very low contamination of soils by this element, which is not noticeable from the change in its concentration against the background of the natural variability. Isotopic composition of loosely bound lead fractions (exchangeable and specifically sorbed) changes in soils of the Kologrivskii Forest State Natural Reserve under the impact of global or regional atmospheric transport and deposition of contaminants, though these soils are not subjected to the local technogenic pollution. The maximum portion of lead bound with the soil organic matter in the upper organic horizons reaches 75% of the total lead content. The portion of lead bound with iron and manganese (hydr)oxides increases down the soil profile. The portion of the residual fraction of lead also increases significantly down the soil profile. The most pronounced changes are observed for the ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb ratio, which decreases from 1.20–1.24 to 1.15–1.18 under the impact of global pollution. The technogenic compounds of lead migrate down the soil profile. In the gray-humus gley alluvial soil (Fluvic Gleysol), low values of the ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb ratio are observed for the exchangeable and specifically sorbed lead fractions in the entire soil profile, which is explained by the worse conditions for lead fixation in the profile of this soil in comparison with those in the podzolic soils.     

Effect of soil composition on adsorption of lead as reflected by a study on a natural forest soil profile

The adsorption characteristics of lead on each genetic horizon of a natural brown forest soil profile were studied to recognize the possible immobilizing effect of a mineralogical diverse soil profile in the case of a possible lead contamination. Lead adsorption experiments were carried out on whole soil samples, soil clay fractions, as well as on their carbonate and organic matter free variant. TEM-EDS analyses were performed to characterize the adsorption capacity of individual mineral phases. The most important lead adsorbents in order of importance are the organic matter, the clay minerals, and the iron oxides. The most significant process is the ion exchange of calcium by lead with the respect to adsorption. The organic matter adsorbs more lead than clay minerals, and clay fractions adsorb more lead as compared to the whole soil samples. Among mixed layer clay minerals, those containing swelling component have the highest lead adsorption capacity, but the exact distinguishing of the individual clay mineral particles with the respect to their adsorption capacity is not possible. The calcite influences the lead adsorption through its buffering capacity: high calcite content results in lead precipitation. Soils characterized by high amount of organic matter, swelling clay mineral accumulation horizon and calcareous subsoil are suitable medium to immobilize a significant lead pollution.     

Remediation of Lead Contaminated Soil by Column Extraction with EDTA: II. Modeling

Lead contamination of soils is a common problem throughout the world. Laboratory batch test and bench scale experiments have shown that EDTA can be used to remove lead from contaminated soils. However, due to the high cost and laborious task associated with actual environmental remediation of a lead contaminated soil, there is a need to be able to predict the outcome of a remediation process in advance in order to optimize the process and minimize the cost. This paper describes the development and validation of a computer model which can be used to simulate the removal of lead from a contaminated soil column using EDTA as the chelating agent. The model is able to simulate the lead removal from soil based on equilibrium as well as kinetic dissolution of Pb. The comparison of the simulated results with actual lead concentrations both in effluent and soil shows that the model can predict the lead removal process with reasonable accuracy.     

Microbial removal of lead from solid media and soil

We have isolated a Pseudomonas aeruginosa strain designated CHL004 which is able to remove lead from solidified media and soil. The process for testing removal was generally the same for all experiments. A piece of sterile filter paper was placed on the surface of a plate containing solidified media and lead carbonate or lead contaminated soil and incubated at 29 °C for 30 days. Lead was removed from yeast malt plates but generally not from R2A plates. Dextrose was shown to be a critical component in the YM; without it almost no lead was removed. Sucrose, maltose and lactose could not be substituted for the dextrose although these carbon sources allowed for survival and growth of the isolate. In order to study the initial kinetics of lead uptake, lead nitrate was used in an aqueous environment. The rate of uptake of lead nitrate by CHL004 was very rapid initially then decreased greatly. Sodium azide treated cells did not remove lead. The removal of lead from an urban soil was affected by the pH of the soil. The pH of the soil in YM was 6.9 and 3.3% of the total lead in the soil was removed. When the pH was adjusted to a pH of 5, 8% of the total lead was removed but at a pH of 6, 6.4% was removed.