污染环境植物修复的原理与方法(唐世荣编著)思维导图

在土壤修复中，它通常以气体的形式直接进入污染 区，氧化其中的有机污染物。
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(KMn04)的标准还原电位为1.491V，能有效去 除受污染水环境中的多种有机污染物，还能显著地 控制氯化副产物，使水中有机污染物的数量和浓度 均有显著的降低。
高锰酸钾不仅对三氯乙烯、四氯乙烯等含氯溶剂 有很好的氧化效果，且对烯烃、酚类、硫化物和甲 基叔丁基醚(MTBE)等其他污染物也很有效。
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电Fenton—Fe2+氧化法 Fe2+由Fe在阳极氧化产生， H202由外界加入。在该 体系中导致有机物降解的因素除·OH外，还有 Fe(OH)2、Fe(OH)3絮凝作用，即阳极氧化产生的活 性Fe2+、Fe3+可水解成对有机物有强络合吸附作用 的Fe(OH)2、Fe(OH)3。
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电Fenton—Fe2+还原法
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EDTA
OH O
OH HO
O O
OH O
柠檬酸
OH O
O
O
OH
HO
O
OH OH
O O
OH O
单鼠李糖脂R1（左）和双鼠李糖脂R2（右）
图7 几种典型螯合剂和生物表面活性剂
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3.3 化学固定修复
定义：在污染环境中加入化学试剂，使污染物钝化， 形成不溶性或移动性差，毒性小的物质以降低其对生 物的有效性。（Chemical immobilization）
高锰酸钾通过提供氧原子进行氧化反应，因此反 应受pH值的影响较小且具有更高的处理效率。
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O3的标准还原电位为2.07V，它是一种强氧化剂， 氧化能力在天然元素中仅次于氟，能迅速而广泛地 氧化分解水中的大部分有机物，有效去除色、浊、 嗅味、铁锰、硫化物、酚、农药、石油制品等。水 中的溶解度是氧气的12倍，在土壤修复中可快速 进入土壤水分中；03自身分解产生的氧气可为土壤 中的微生物所利用；03氧化效率高，可减少修复时 间，降低成本。但是，在03投量有限的情况下，不 可能完全去除水中的微量有机物。因此，03氧化与 其他方法的联用技术去除水中有机污染物效果较好。

变；

重建 (reconstruction) ：是指使完全丧失功能的对象恢复至原 初水平；

改建(renewal)：则是指使部分受损的对象进行改善，增加人
类所期望的“人造”特点，减小人类不希望的自然特点。
1.3.1 环境修复的概念
环境修复（environmental remediation）就是研究对被污染的
据传，上世纪90年代，一支9人科学考察小组进入切尔诺贝利 时，曾遭遇一群巨鼠袭击，只有一人生还，最后当局集结大量 军队、轻重型武器，将所有能发现的”。
1.3 环境修复
1.3.1 环境修复概念 1.3.2 环境修复的对象和任务 1.3.3 环境修复类型
2）环境问题的发展恶化阶段
●时间段： 19世纪工业革命至20世纪50年代
●主要特点：
蒸汽机的发明和使用后，大工业日益发展，生产力有了 很大的提高，环境问题也随之发展并逐步恶化。 例如：从1873年－1892年间的冬季英国伦敦多次发生有 毒烟雾事件 ●影响： A.环境问题，尤其污染问题集中在工业发达国家 B.环境质量开始恶化，但未引起重视
处理。因此 ，对水环境进行修复是我国迫切的需要。
⑴污染水体的环境修复

在水环境修复领域，所修复的水体对象是环境的一部分，不可
能建造能将整个修复对象包容进去的处理系统。如果采用传统 治理净化技术，即使对于局部小系统的修复，其运行费用也将 是天文数字。
环境修复≠环境净化

环境有一定的自净能力。污染因子进入环境中，并非一定会 产生污染，而是只有当环境污染因子的载荷量超过了环境净 化容量时才导致污染。
环境中存在各种各样的净化机制 如稀释、扩散、沉降、挥发等物理机制，氧化还原、中和 分解、化合、吸附解吸、离子交换等化学 ( 含物理化学 ) 机制， 有机生命体新陈代谢等生物学机制。这些机制共同作用于环境 致使污染物的数量或性质向有利于环境安全的方向发生改变。

第五章 污染环境的植物修复原理
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• 5.1概述 • 5.2植物对污染物的修复作用 • 5.3影响植物修复的环境因子 • 5.4有机污染物的植物修复 • 5.5重金属的植物修复 • 5.6放射性核素及富营养化物的植物修复
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5.1概述
• 5.1.1植物修复的概念和类型
• 植物修复技术：
• 是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的 理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸 收、挥发、降解和转化作用来消除环境中污染物的 一门环境污染治理技术。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 环境中微生物的生长繁殖，以及利用某些植物的特 殊积累与固定能力，提高对环境中某些无机和有机 污染物的脱毒和分解能力。
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• 局限性 • 1 .需要光、T、水分等适宜的环境条件，及病、虫草
害的影响； • 2.对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达
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（4）植物降解修复
• 利用某些植物特有的转化和降解作用去除水体 和土壤中有机污染物质的一种方式。
• 修复途径主要有两个方面：
A 污染物
植物体 木质化作用
植物组织
矿化为CO2和H2O 无毒或毒性小
如：硝基还原酶和树胶氧化酶可以将弹药废物如TNT分解
B 根分泌的物质直接降解根际圈内有机污染物 如：漆酶对TNT（三硝基甲苯）的降解， 脱卤酶对含氯溶剂如TCE（三氯乙烯）的降解等
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1583年，Cesalpino首次发 现“黑色的岩石”上生长 的特殊植物，1814年， Desvaux将其命名为 Alyssum bertolonii(庭荠属)， 1848年，Minguzzi和 Vergnano测定该植物叶片 含镍高达7900 mg/kg。

图3－4 纤维素分解途径示意图
淀粉
微生物 淀粉酶
葡萄糖
需氧微生物
胞内酶
CO2、H2O
厌氧微生物 CO2、H2、有机酸等
胞内酶
图3－5淀粉分解途径示意图
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• 烃类 • 石油类 • 人工合成有机物
– 农药 – 合成洗涤剂 – 增塑剂 – 多氯联苯
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危险性化合物
• 危险性化合物（Hazardous Chemicals）的概念
– 微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制， 从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构 的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质， xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原 因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生 物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。
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活性污泥和生物膜的特点
• 具有很强的吸附能力 • 具有很强的分解、氧化有机物的能力
–图
• 具有较强的食物链
– 食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在系统中 存在的生物量就比较少，所剩余的污泥量就相应较少， 可减轻生物处理后污泥处理的负担。
• 具有良好的沉降性能
– 处理水易与污泥分离，最终达到废水净化的目的。 34
生物降解、难生物降解和不可生物降解。 • 评价生物可降解性的方法：
– 测定生物氧化率 – 测呼吸线 – 测定相对耗氧速度曲线 – 测BOD5与COD Cr之比 – 测COD30 – 培养法
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耗氧量（mg/g） 耗氧量（mg/g）
耗氧量（mg/g）
a 生化呼吸线
b c t
内呼吸线 时间（h）
生化呼吸线 内呼吸线 时间（h）
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生态效益评估
评估植物修复对土壤、水体和生物多 样性的影响，确保修复活动对生态环 境产生积极影响。
经济效益评估
分析植物修复的成本效益，探索降低 修复成本、提高经济效益的途径和方 法。
THANKS
感谢观看
REPORTING
案例
如印度芥菜和向日葵等植物对有机污 染物的降解效果显著，可用于有机污 染土壤的修复。
放射性核素污染的植物修复技术
放射性核素
指具有放射性的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ素，如铀、钚、铯 等。
植物修复原理
利用某些植物对放射性核素的吸收和 固定能力，将放射性核素从土壤中去 除或降低其浓度。
技术方法
包括植物提取、植物稳定和植物挥发 等。
工业区土壤污染的植物修复案例
总结词
工业区土壤污染的植物修复案例主要针对的是由工业 生产活动产生的污染物导致的土壤污染问题。
详细描述
工业区土壤污染通常包括重金属、石油、有机溶剂等污 染物。植物修复技术通过种植对特定污染物具有较强吸 收和富集能力的植物，如向日葵、芦苇等，将这些植物 种植在污染土壤中，利用其根系吸收和积累污染物，并 通过收获植物或利用其分解作用将污染物从土壤中去除 。例如，在某石油泄漏污染场地，种植了大量芦苇，通 过芦苇的吸收和分解作用，成功地降低了土壤中的石油 污染物含量。
未来展望
未来，环境修复将更加注重综合治理和预防措施的结合，推动环境修复与生态建设、资源循环利用的有 机结合，为建设美丽中国和地球家园作出更大的贡献。
PART 02
植物修复原理
REPORTING
植物修复定义
植物修复是指利用植物及其根际微生 物体系，对土壤和地下水中的污染物 进行吸收、降解和去除的过程。
矿山土壤污染的植物修复案例

Fig. 2. The path of a transition metal from the soil to the sites of use and storage in the leaf. These include attempts (a)to enhance mobilization by secretion of organic acids, (b)to increasee uptake by overexpression or deregulation of transporters, (c)to stimulate uptake into the root and translocation via the xylem by overproduction of intracellular chelators, or (d)to increase the strength of metal sinks in the leaves by overexpression of storage and detoxification mechanisms.
植物过滤
• 根系过滤：主要是利用水生植物、半水生植物和陆生 植物根系吸收能力和巨大的表面积去除大面积水体中 低浓度的金属元素。
• 种苗过滤：研究表明幼小植物的种苗根系对水体中重 金属的去除作用更强，种苗过滤是第二代植物修复技 术的代表之一。
植物提取
• 植物提取是利用能耐受并能过量积累金属的植物吸收环境中的 金属，将它们输送并贮存在植物地上部分。
Processes show distinct molecular characteristics in hyperaccumulator plants are represented by arrows of varying size. A thicker arrow indicates a process displaying higher activity in metallophytes as compared to non-metallophytes. A thinner arrow indicates a process displaying reduced activity in metallophytes. This applies to sequestration of metals in root tissue.

善和生物生存 成本低
植物修复的局限性
植物耐受能力的选择性，通常一种植物针对一、两种 植物
缓慢，周期长－－相对与物理、化学方法 植物生长对土壤肥力、气候等自然条件和人工条件有
一定的要求，植物本身会受病虫害影响 植物衰亡会导致二次污染，必需收割，并对收割部分
进行后续无害化处理
第二节 植物对污染物的修复作用
生物修复技术具有成本低、无二次污染、可大 面积应用等独特优点。植物-微生物联合生物 修复被认为是土壤修复中有着良好前景的研究 方向。
1.多环芳烃（PAHs）污染的生物修复
降解多环芳烃的微生物及降解机制
许多细菌、真菌及藻类都具有降解多环芳烃的 能力。原核生物和真核生物对多环芳烃的微生 物降解都需要氧气的参与，产生氧化酶，使苯 环结构降解（参见图1-1）
植物组织积累 植物吸收
植物挥发 植物排泄 植物固定
植物修复重金属污染土壤的机理示意图
3.植物根系的生理作用
基本作用：固定植物、吸收水分和营养、合成和分泌 有机物。
根系深纤维根效应；打破土壤的物理化学结构，产生 裂缝和根槽，强化土壤通风，挥发物可排出；另外根 系增大植物接触吸收面积等等
根系可通过吸收和吸附作用在根部积累大量污染物， 加强对污染物的固定作用
5. 研究内容
获取构建菌株 构建耦合系统 耦合系统中外源菌株生长与植物生长 耦合系统的修复效果
在香港浸会大学裘槎环境研究所做的植物－外源菌耦合系统 净化实验
二、植物修复的优缺点
植物修复的优点
应用广泛：土壤、水体、空气 环境兼容性好：修复同时也是美化环境，易被社会大
众接受 对环境扰动小，基本都是原位修复，特别是土壤 植物修复的过程也是土壤有机质含量和肥力增加的过

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• （5）污染物间的复合作用 • 多种污染物－复合污染，拮抗和促进 • （6）植物激素 • 植物体内合成的，对植物生长发育产生明显调节作用
的微量生理活性物质。 • （7）生物因子 • 菌根真菌－增加生长，降低土壤中的重金属含量等。
•
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（8）温度
• 温度首先会影响水生植物的生长， 温度还会 影响水体重金属离子的活性，以及水体悬浮泥沙、 底泥对重金属的吸附，进而影响植物的吸收。
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• 局限性 1 .需要光、T、水分等适宜的环境条件，及病、虫草害
的影响； 2.对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达不
到，甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修复 并不适用； 3.对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几种 修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要 求； 4.修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。
NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O 是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热, 破坏同温层的O3。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, 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 。
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龙舌兰：在10平方米左右的 房间内，可消灭70％的苯、 50％的甲醛和24％的三氯 乙烯
或吸附在土壤上，增加重金属的移动性和植物利 用性。同时，被吸附态和结合态的金属离子溶解 如，土壤中植物吸收Pb的能力很低→→土壤中加入 络合剂（EDTA）→→增加植物根对Pb的吸收能力 富里酸对结合态汞有较强的吸附能力，易于促进矿 物汞由固定结合态向有机溶解态转化，而被植物 吸收。
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• （4）植物营养物质
（9）重金属的种类及其形态差异
• 植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难 吸收，通过植物对Cr,Hg,As,Cd的吸收比较发现植 物最容易吸收Cd和As，而对Cr的吸附量就很少。 同一元素的不同价态吸收系数差别很大，如水稻对 Cr3＋的吸收系数平均值为0.032，而对Cr6＋则为 0.056，可见Cr6＋的吸收系数大于Cr3＋。

第四章 污染环境的生 物修复原理
• • • •
4.1 生物修复概述 4.2 环境微生物修复机理 4.3 环境修复微生物生态学原理 4.4 影响生物修复的污染物特性
4.1生物修复概述
1. 生物修复(Bioremediation)的概念
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， 一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类 型。 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。
自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它 们从氧化HNO2及HNO3中取得能量，以 CO2为碳源进行生活。 引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（ Nitrosomonas ）， 引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（ Nitrobacter ）。它们都是 革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。
四、反硝化作用
硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝 化（Denitrification）。由于还原的程度不同，可生成不同的还 原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。 引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境 中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微 生物，能将硝酸还原为亚硝酸。 在反硝化作用中微生物是将 NO3中的氧作为呼吸作用的受氢体， 因而使NO3还原。 C6H12O6 + 4NO3 = 6H2O + 6CO2 + 2N2 + 能量
3.微生物修复与物质循环
• • • • （一）碳循环 （二）氮循环 （三）氢与氧的循环 （四）硫循环
（一） 碳循环

水溶态污染物
主要通过根吸收
叶片也能吸收水溶态物质
水溶态的污染物到达根表面，主要有两 条途径： 一条是质体流途径(massflow)，即污染 物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水 一起到达植物根部； 另一条是扩散途径(diffusion)，即通过 扩散到达根表面。
叶片对农药通过气孔吸收与角质层吸收。 附着性能是影响药效的重要因素。表面活性 剂能显著降低表面张力，改善药液在叶面的 附着性, 从而提高吸收。 如: 刘支前等发现不加任何表面活性剂时， 草甘膦药液不能直接经蚕豆叶面气孔吸收； 添加0.5％的有机硅表面活性剂后，气孔吸 收率可达85.4％。
超积累植物的局限性
♫ 首先，大部分植物植株矮小，生长缓慢，且不易机 械化作业； ♫ 其次，多为野生型植物，对生物气候条件的要求也 比较严格，区域性分布较强，引种受到严重限制； ♫ 再次，专一性强，只作用于一种或两种特定的重金 属元素，对土壤中其他含量较高的重金属表现出中 毒症状； ♫ 最后，植物器官往往会腐烂、落叶，最终重金属重 返土壤。
能正常生长。根据其这一特性，某种重金属的超 积累植物往往还能成为金属矿藏的指示植物。
超积累植物分布
۩ 地域来看，多分布于富含重金属的矿区； ۩ 植物分类来看，多位于几个类别之内，如Ni 主要颁布于“五科” 、“十属”； ۩ 农田杂草也可能是超积累植物的一个重要来 源库。如魏树和等发现了8种对Cd具有超积 累性的杂草．
植物挥发
♫ 含义：植物将挥发性污染物吸收到体内后再将 其转化为气态物质，释放到大气中。 ♫植物挥发和土壤根际微生物的活动密切相关． ♫ 缺点：挥发性重金属经植物体进人大气最终沉 入土壤或水体，会产生二次污染． ♫挥发举例：植物从土壤吸收汞再向大气挥发； 硒以二甲基硒和二甲基二硒挥发。