镉砷污染土壤“三高”富集植物筛选与修复成本分析

文章通过湖南镉砷复合污染矿区筛选的具有高生物量、高富集量、高利用价值的10种"三高"富集植物进行大田对比试验,拟确定其修复效果,为湖南镉砷复合污染植物修复技术提供支撑。结果表明,不同富集植物的生物量,镉(Cd)、砷(As)含量及积累量皆差异显著。籽粒苋和秋葵可作为Cd污染土壤的修复植物,其Cd含量分别为东南景天的11.0%(P<0.05)和15.4%(P<0.05),但积累量分别比景天高133.3%(P<0.05)、131.3%(P<0.05);地肤和水稻Cd含量略低于籽粒苋和秋葵,其Cd积累量与景天相当;但所有植物As含量远低于蜈蚣草,As积累总量也较低,皆不适合作为As污染土壤的修复植物。从修复成本上看,人力成本平均占植物修复成本的81.7%,不同植物修复成本差异主要发生在除草和秸秆离田的人力成本和种子种苗的生产资料成本上。可见,筛选"三高"富集植物是植物修复的关键环节,而采用种植技术成熟、种子繁殖且生长快的富集植物则是降低植物修复成本的关键;籽粒苋和秋葵可作为Cd污染土壤的修复植物,地肤和水稻也可选择性的作为Cd污染土壤的修复植物。     

不同磷肥对砷超富集植物蜈蚣草修复砷污染土壤的影响

施肥是提高重金属污染土壤的植物修复效率的必要强化措施之一.通过研究农业生产中常用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草生长、砷累积及氮磷钾吸收的影响,确定可提高蜈蚣草修复砷污染土壤能力的最佳磷肥类型.结果表明,与不施砷对照组相比.添加砷处理中施用相应磷肥的蜈蚣草总生物量中蜈蚣草均有所降低(除钙镁磷肥外);在添加砷的情况下,钙镁磷肥、磷酸二氢钙和磷酸二氢铵等3个施磷处理总生物量相对较高.显著高于其他磷肥处理和不施磷处理(0.83 g/pot);地上部砷累积量由大到小的顺序为:磷酸二氢钙>钙镁磷肥>磷酸二氢铵>磷酸二氢钾>磷酸二氢钠>不施磷>过磷酸钙;磷酸二氢钙处理的砷去除效率高达7.28%.由此可见,磷肥能一定程度提高砷超富集植物的修复能力,但不同磷肥对其砷去除效率的影响可达数倍之差,磷酸二氢钙是首选磷肥类型,综合考虑土壤pH、N、P和有效态砷等各种因子,磷酸二氢铵和钙镁磷肥也可作备选肥料类型.     

植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展

土壤重金属污染植物修复技术应用广泛,但超富集植物的寻找耗时费力,现存超富集植物通常生长缓慢、生物量低、地域限制较大,导致植物修复效果不能达到预期.基因工程在植物修复中的应用,为提高植物修复土壤重金属污染的效率提供了新的思路.通过综述基因工程强化植物修复土壤重金属污染的研究进展,着重关注植物修复关于重金属转运、储存、解毒过程的调控过程,主要包括:①控制植物体内重金属由胞外运移至胞内的关键基因,主要有锌铁调控蛋白、黄色条纹样蛋白、天然抗性相关巨噬细胞蛋白,作为载体参与重金属在植物体内的不同组织的转运.②改变重金属在细胞内储存位置、提高植物耐受能力的关键基因,主要调控ATP结合盒转运器、阳离子扩散促进器和P_1B型ATPases,通过增强植物对重金属的区隔化能力来实现储存功能.③降低重金属对植物毒害作用的关键基因,主要调控植物体内植物络合素、金属硫蛋白的大量合成,并络合重金属形成螯合物.根据植物基因对重金属超耐性和超富集的作用机制,建议后续研究可利用基因工程向目标植物导入相关功能基因,使其在目标植物中高效表达,并在实际环境中进行植物生长测试应答机制,最终更好地调控植物体内重金属含量平衡关系,以克服超富集植物与环境适配性差的缺陷.      

磷肥对砷污染土壤的植物修复效率的影响:田间实例研究

通过田间试验研究施用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生长和砷污染土壤修复效率的影响.结果表明,适量施用磷肥促进蜈蚣草的生长,显著提高其生物量,但过量施用磷肥对植物产量无贡献.随着磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后减少的趋势,理论上在施磷量为340kg·hm-2时,砷含量可达最高(1622mg·kg-1).磷的含量与施磷量呈极显著的正相关关系.施磷量为200kg·hm-2的砷累积量最高,是不施磷处理砷累积量的2 4倍及600kg·hm-2施磷量砷累积量的1 2倍.种植蜈蚣草7个月后,土壤总砷均有不同程度的下降,施磷量为200kg·hm-2的土壤中砷含量下降5 0mg·kg-1,土壤修复效率最高(7 84%).对照和600kg·hm-2施磷量处理的土壤修复效率分别为2 31%和6 63%.理论上达到最大土壤修复效率所需施磷量为369kg·hm-2.施用磷肥可以维持土壤有效态砷含量在蜈蚣草种植前后变化不大,保证蜈蚣草下个生育期对砷的吸收.这些结果说明施用磷肥是蜈蚣草等砷超富集植物在现场修复中的必要手段,优化施磷技术可大大提高砷污染土壤的修复效率.     

1株厌氧砷氧化菌的分离鉴定及砷氧化特性研究

三价砷(As(Ⅲ))氧化细菌能够将毒性大的As(Ⅲ)氧化成毒性小的五价砷(As(Ⅴ)),在生物修复砷污染方面具有应用价值。该研究从砷污染水稻土壤中分离到1株硝酸盐依赖型砷氧化菌,命名为HC11。根据表型特征、生理生化特性及16S rDNA序列同源性分析,将HC11归类为林杆菌属(Alsobacter sp.)。菌株HC11对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的耐受能力分别为5 mmol/L和10 mmol/L。菌株HC11能够在厌氧条件下以硝酸盐为电子受体将1 mmol/L As(Ⅲ)氧化,氧化率为99%。用简并引物扩增As(Ⅲ)氧化酶大亚基aio A基因,获得了1 100 bp的基因片段,其基因产物与已报道的Ancylobacter sp. OL1(ABJ55852)砷氧化酶大亚基aio A具有76%的同源性。     

不同水分条件对蜈蚣草修复砷污染土壤的影响

采用室内盆栽实验研究了不同土壤含水量(绝对含水量10%~60%)对蜈蚣草的生物量、砷富集及蜈蚣草和土壤中砷的形态的影响.结果表明,土壤含水量35%~45%的范围内蜈蚣草的修复效率显著高于其他处理,可达到4.48%~5.00%.在此水分区间内,植物细胞的质膜透性较小且植株的生物量较大.蜈蚣草地上部和地下部的最大干重出现在45%的含水量下,分别为2.95 g·plant-1和11.95 g·plant-1.适宜的水分条件利于蜈蚣草吸收和累积土壤中的砷,35%的含水量下植株地上部和地下部的砷含量可分别达到307.3 mg·kg-1和218.6 mg·kg-1,而总砷累积量在40%的含水量下达到峰值2.81mg·plant-1.将土壤含水量控制为35%~45%,还可提高蜈蚣草地上部中As(Ⅴ)的还原效率,促进了蜈蚣草的砷解毒.研究结果对于蜈蚣草大规模种植和工程应用中的水分管理措施具有重要的指导意义.     

无机砷和甲基砷在水稻体内吸收运移的比较研究

由于含甲基砷的农药残留或土壤中微生物的砷甲基化作用,除了无机砷,水稻籽粒中也可以检测到相当含量的不同形态的甲基砷.通过水培试验研究了不同形态砷在水稻幼苗中的吸收、转运、转化和外排.结果表明,水稻中各形态砷的含量排序为:亚砷酸盐(As(Ⅲ))>单甲基砷盐(MMA(Ⅴ))>砷酸盐(As(Ⅴ))>二甲基砷盐(DMA(Ⅴ)),但从地下部向地上部的转运系数排序为:DMA(Ⅴ)>As(Ⅲ)>As(Ⅴ)>MMA(Ⅴ).实验中未发现水稻体内无机砷向甲基砷的转化,甲基砷向无机砷的转化比例也较低,但观察到MMA(Ⅴ)部分被还原为MMA(Ⅲ).相比其地上部和地下部的吸收量,DMA(Ⅴ)在水稻中通过木质部(向上)和韧皮部(向下)的转运比例在4种形态砷中最高.甲基砷(MMA(Ⅴ)和DMA(Ⅴ))通过根系外排的速率和比例明显的高于无机砷(As(Ⅲ)和As(Ⅴ)).实验结果表明,不同形态砷的累积与其在水稻体内的吸收、运移及砷的根系外排密切相关.     

野外条件下土壤砷浓度对蜈蚣草砷富集特征的影响

以As超富集植物蜈蚣草广泛分布的湖南省郴州市为例,调查了不同As污染程度下植物对As的富集和转运特点.结果表明,在野外条件下根际土壤中As浓度相对较低时(64～1000mg/kg),蜈蚣草地上部As浓度随根际土壤中As浓度的增加而逐渐增加,而在根际土壤中As浓度相对较高(1000～2712mg/kg)时,蜈蚣草地上部As浓度表现为逐渐下降的趋势.在调查的所有样点中,蜈蚣草对As的转运系数介于1.08到6.03之间,显示出超富集植物的典型特征.结果还表明,在污染区土壤As浓度存在很大的空间变异性,根际土壤与非根际土壤之间的As浓度也存在很大差异.因此,在野外调查时最好是直接采取距离植物根部最近的根际土壤.     

脱落酸对蜈蚣草生理特性及砷积累的影响

为探索植物激素脱落酸对砷(As)超积累植物蜈蚣草生理特性及砷积累的影响,作者在As含量为50 mg/kg的土壤中种植蜈蚣草,并向蜈蚣草叶面分别喷施0(T0)、15(T1)、30(T2)、45(T3) mg/L的脱落酸(ABA),每株每次施用量为30 mL,共计喷施4次,并对蜈蚣草叶片光合特性、抗氧化酶活性与As积累量等进行测定。结果表明,T1处理能显著提高蜈蚣草叶片蒸腾速率、净光合速率、气孔导度与SPAD值(p<0.05);此外,T1处理下蜈蚣草叶片超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性升高,丙二醛含量降低(p<0.05),且地上部分As含量和积累量显著增加(p<0.05),而T2、T3处理下蜈蚣草As含量和积累量降低(p<0.05)。这说明适量喷施ABA可提高蜈蚣草叶片抗氧化能力,降低膜脂过氧化水平,增强光合作用,促进植株生长与As积累,是强化蜈蚣草修复As污染土壤的有效措施。     

砷、汞对植物毒性影响及其迁移富集效应探讨

介绍了自然环境中砷、汞的污染来源与污染现状,探讨了砷、汞对植物生长发育、光合作用和抗氧化能力的影响;为了缓解砷、汞对植物的毒害作用,可以添加新一代植物激素、营养元素和改良剂。分析发现,植物对不同浓度砷和汞的敏感程度并不相同,可利用特定植物的富集作用进行环境修复。当前研究主要集中于植物对砷、汞的吸收和转运生理机制,今后还需要加强对超积累植物分子基础的探索。     

Arsenic speciation for the phytoremediation by the Chinese brake fern, Pteris vittata

Arsenic(As)speciation for the phytoremediation by the Chinese brake fern was studied.In particular,the mechanism of how plants induce compounds containing thiol(SH)and proteins by As exposure in terms of the relationship between As and phosphate uptaken into plant cells was examined.Pteris vittata callus could effciently reduce As(V)to As(III)by the rapid introduction of reductase and synthesize thiols leading to phytochelatins production.Furthermore,Pteris vittata could control phosphate concentration in t...     

Arsenic speciation for the phytoremediation by the Chinese brake fern, Pteris vittata

Arsenic (As) speciation for the phytoremediation by the Chinese brake fern was studied. In particular, the mechanism of how plants induce compounds containing thiol (SH) and proteins by As exposure in terms of the relationship between As and phosphate uptaken into plant cells was examined. Pteris vittata callus could efficiently reduce As(V) to As(III) by the rapid introduction of reductase and synthesize thiols leading to phytochelatins production. Furthermore, Pteris vittata could control phosphate concentration in the cells corresponding to the concentration of arsenite and arsenate. To our best knowledge, this is the first report to show the mechanisms of such high As tolerance of Pteris vittata using their callus in terms of in vitro approach for the analysis of As speciation and metabolism route.     

植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年田间定位试验

鉴于砷超富集植物蜈蚣草已被成功地用于修复砷污染土壤,本研究通过连续5年的植物修复田间试验,研究了土壤氮、磷、钾的消减动态和蜈蚣草对土壤氮、磷和钾的吸收动态.结果表明:种植蜈蚣草可使土壤全氮含量降低约25%(2100～2700mg.kg-1),土壤全磷和全钾含量的年际变化不明显;蜈蚣草地上部氮、磷和钾含量分别为1.23～2.38、0.14～0.47和1.10～2.01g.kg-1,地上部带走的总氮、总磷和总钾量分别为23～89、4.4～13.0和21～69kg.hm-2.a-1;与水稻和小麦相比,蜈蚣草对氮、磷和钾的吸收量都较低,但如果在连续种植过程中不施肥,蜈蚣草则可能会出现养分亏缺问题.     

Arsenic uptake and transport of Pteris vittata L.as influenced by phosphate and inorganic arsenic species under sand culture

In order to understand the similarity or difference of inorganic As species uptake and transport related to phosphorus in As-hyperaccumulator,uptake and transport of arsenate(As(V))and arsenite(As(III))were studied using Pteris vittata L.under sandculture.Higher concentrations of phosphate were found to inhibit accumulation of arsenate and arsenite in the fronds of P.vittata.The reduction in As accumulation was greater in old fronds than in young fronds,and relatively weak in root and rhizome.Moderateincreases,from 0.05 to 0.3 mmol/L,in phosphate reduced uptake of As(III)more than As(V),while the reverse was observed at highconcentrations of phosphate(1.0 mmol/L).Phosphate apparently reduced As transport and the proportion of As accumulated in frondsof P.vittata when As was supplied as As(V).It may in part be due to competition between phosphorus and As(V)during transport.Incontrast,phosphate had a much smaller effect on As transport when the As was supplied as As(III).Therefore,the results from presentexperiments indicates that a higher concentration of phosphate suppressed As accumulation and transport in P.vittata,especially inthe fronds,when exposed to As(V);but the suppression of phosphate to As transport may be insignificant when P.vittata exposed toAs(III)under sand culture conditions.The finding will help to understand the interaction of P and As during their uptake process in P.vittata.     

蜈蚣草对污染土壤中As、Pb、Zn、Cu的原位去除效果

通过2年的原位修复试验,探讨了蜈蚣草对污染土地中As、Pb、Zn、Cu的修复(去除)潜力.研究结果表明,蜈蚣草除了能富集As外,对Pb也有较强的富集能力,地上部Pb含量可高达1303mg·kg-1·蜈蚣草生物量达到了极大值时,地上部As、Pb、Zn、Cu含量可分别高达1455、937、365、101mg·kg-1.蜈蚣草对As和Pb都具有良好的修复效果,每年刈割2次蜈蚣草,As、Pb分别能够去除15.5kg·hm-2·a-1和8.5kg·hm-·2a-1.蜈蚣草对As、Pb、Zn有很强的耐性,在土壤中Pb、Zn、Cu含量高达10913、2511、510mg·kg-1时,不会显著降低蜈蚣草的生物量.     

Arsenic uptake and transport of Pteris vittata L. as influenced by phosphate and inorganic arsenic species under sand cu｜ture

In order to understand the similarity or difference of inorganic As species uptake and transport related to phosphorus in As-hyperaccumulator, uptake and transport of arsenate (As(Ⅴ)) and arsenite (As(Ⅲ)) were studied using Pteris vittata L. under sand culture. Higher concentrations of phosphate were found to inhibit accumulation of arsenate and arsenite in the fronds of P. vittata. The reduction in As accumulation was greater in old fronds than in young fronds, and relatively weak in root and rhizome. Moderate increases, from 0.05 to 0.3 mmol/L, in phosphate reduced uptake of As(Ⅲ) more than As(Ⅴ), while the reverse was observed at high concentrations of phosphate (≥ 1.0 mmol/L). Phosphate apparently reduced As transport and the proportion of As accumulated in fronds of P. vittata when As was supplied as As(Ⅴ). It may in part be due to competition between phosphorus and As(Ⅴ) during transport. In contrast, phosphate had a much smaller effect on As transport when the As was supplied as As(Ⅲ). Therefore, the results from present experiments indicates that a higher concentration of phosphate suppressed As accumulation and transport in P. vittata, especially in the fronds, when exposure to As(Ⅴ); but the suppression of phosphate to As transport in the root or rhizome may be insignificant when P. vittata when exposure to As(Ⅲ) under sand culture conditions. The finding will help to understand the interaction of P and As during their uptake process in P. vittata.     

砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系

为了在研究砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布,并探讨其与蜈蚣草耐砷毒的关系进行了试验研究.结果表明,蜈蚣草吸收的磷主要分布在胞质组分中(平均占各部位总磷含量的44%以上),吸收的钙主要分布在细胞壁组分中(平均占各部位总钙含量的48%以上).与低钙(0.03和2.5 mmol·L-1)处理相比,高钙(5.0 mmol·L-1)处理时,根部的胞质组分和叶柄的细胞器组分中磷含量较高.各器官的亚细胞组分中钙含量随着介质中添加钙浓度的提高而增加.介质钙浓度过高会抑制蜈蚣草的生长.在加砷处理下,根部和叶柄细胞壁组分的磷含量有所减少,但地上部细胞器组分的磷含量及其含磷总量占植株含磷总量的相对比例、根部细胞壁组分的钙含量增加.蜈蚣草自主调节磷和钙的亚细胞水平分布可能是其耐砷毒的机制之一.     

一种强富集砷的欧洲蕨——能从被污染土壤中萃取砷的耐寒、适应性强的速生植物

我们的研究首次发现一种耐寒的、适应性强的、速生的欧洲蕨，能在短时间内将土壤中有大量砷吸收并积累到其复叶之中，它不仅能祛除土壤中不同浓度的砷，还能祛除土壤中不同形态的砷，且欧洲蕨体内高达93％的砷被富集到复叶，从而使欧洲蕨成为修复土壤砷污染的救星。     

稳定化处理砷污染土壤对3种修复植物的生态效应

为探索某矿区高浓度砷污染土壤的污染控制与生态修复,以粉煤灰、干化污泥、粉碎花生壳、硫酸亚铁（Fe₂SO₄）和磷酸二氢钾（KH₂PO₄）为稳定剂,采用其不同组合对矿区土壤进行稳定化处理,以蜈蚣草、香根草、苎麻为供试植物,研究稳定化处理对土壤中As的形态转化及其对修复植物的生态效应.结果表明,添加不同稳定剂组合处理后,土壤pH值、有机质、阳离子交换量显著增加,增幅分别为：24.4%~29.0%、23.3%~41.1%、17.8%~45.0%;10%粉煤灰、10%干化污泥和1% Fe₂SO₄组合处理对土壤中的As稳定化作用最佳,可交换态As和碳酸盐结合态As含量下降最显著,降幅分别为62.3%、55.3%;添加KH₂PO₄会活化土壤中As,10%粉煤灰、10%干化污泥和1% KH₂PO₄组合处理,土壤中可交换态As、碳酸盐结合态As含量显著增加,增幅分别为26.9%、101.9%.不同稳定剂的组合处理能不同程度的提高3种植物生物量、影响As在植物中的富集、增加植物对As的累积量.3种植物生物量的大小表现为苎麻 > 蜈蚣草 > 香根草.粉煤灰、干化污泥和粉碎花生壳组合处理使蜈蚣草和苎麻地上部分生物量干重增加最显著;粉煤灰、干化污泥、粉碎花生壳、Fe₂SO₄和KH₂PO₄组合处理使香根草地上部分生物量干重增加最显著.10%粉煤灰、10%干化污泥和1% Fe₂SO₄组合处理使蜈蚣草、香根草和苎麻地上部分As含量下降最显著,降幅分别为45.5%、29.5%和53.9%;而10%粉煤灰、10%干化污泥和1% KH₂PO₄的组合处理使蜈蚣草、香根草和苎麻地上部分As含量显著增加,增幅分别为：12.8%、25.2%和62.7%.粉煤灰、干化污泥、粉碎花生壳、Fe₂SO₄和KH₂PO₄组合处理使蜈蚣草、香根草和苎麻地上部分对As的累积量都达到最大值,与对照相比,分别增加了3.7倍,12.8倍和3.3倍.3种植物对As的富集能力和累积量表现为蜈蚣草 > 香根草 > 苎麻.