蜈蚣草对砷的生物富集研究

《蜈蚣草对砷的生物富集研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

蜈蚣草对砷的生物富集研究摘要：砷具介致癌、致突变和致畸性，是一•种对免疫系统介害的物质。尚砷地下水严重威胁全球数百万人的健谈。超富集梢物以其对重金屈的耐性、富集性等特性展示了它在重金屈污染修鉍方而的巨人潜力。利川超富集植物修复环境污染的研究获得Y学术界和公众的普遍关注。近年來,发现蜈蚣草可髙效去除污染土壤和水环境屮的砷。关键词：砷、超富集植物、蜈蚣草、植物修复1.1砷的危害及研究现状1.1.1砷的危害砷是一种原浆型毒物，具科致突变、致癌和致畸性（郑凤英等，2006）,是我国砒霜的主要成分。砷化物是可由呼吸道、食物或皮肤接触中进入人体，能抑制酶的活性，干扰人体代谢过程，使屮楸祌经系统发生紊乱，并导致毛细血管扩张（Saha,1999）。如果人类长吋间暴露迕含砷环境中，会诱发肝癌、皮肤癌等，还会诱发畸胎。现迕越来越多的癌症与含砷饮用水密切相关（尚细元，2003）。砷的慢性作用可导致皮肤有色素沉着以及手脚存角质物质生成，从而进一少发展为皮肤癌。长期饮用含砷的地下水，爆发肝癌、皮肤癌及其它癌症的几率将高达10%。另外土壤和水体的砷污染还会导致粮食减产，造成经济损失。1.1.2砷的来源自然界中的矿物燃料煤和石汕中含宥一定量的砷，在冶炼燃烧过程中进入人气后产生大量砷化物，通过植物吸收和火山活动等自然过程可连续地将砷化物分散到土壤环境中。在世界各地，由于稀有金屌矿的开采和铜矿、金矿的工业活动、居民燃用的高砷煤还有治金、玻璃、陶瓷、制革、农药、菜些有机和无机化学品制造、炼油和稀土提取等领域T业废水的排放，以及农业含砷杀虫剂的使用，使得多数区域遭受砷污染。过量的自然和人为来源砷，由于地球化学作川，使砷广泛存在•丁•地表和地K水体中，进入地质大循环和生物地球化学小循环后，将表现出其地球化学危害行为（郑风英等，2006）。 1.1.3砷的污染现状由不同来源的砷化物进入环境后，在局部地区聚集，引起环境中砷含量升高，进而造成砷污染公害的事件时宥发中。砷污染及其危害己逐渐成为一个世界性突岀的环境问题。水体屮砷污染程度也史加严踅。目前受到砷污染危害的国家主要有：孟加拉、印度、智利、泰W、美国、屮国、阿根狂、巴西、墨曲哥、徳国、西班牙、英国、加拿人、越商（Smedley&Klnniburgh,2002）。另外，n本政府己将砷中毒继铅中毒、水俣病、痛骨病等严重污染疾病，宣布为第叫公害病。近年来，我闲不断出现砷污染和砷屮毒事件。在内蒙、贵州、山西、台湾、湖南、广西等地区砷危害严重。我国1956-1984年共发生了30多起砷污染事件，使砷广泛存在于地衣与地下水体中（廖自基，1992）。由于被污染的饮用水中砷浓度达到100（ig/L，就极易致癌，所以我国将砷列入水中优先控制污染物名单。从2003年幵始，国际上对饮川水标准进行了修订，将砷的允许含量从50Mg-L-'降至10pg-L'1（郑风英等，2006）。1.1.4治理砷污染的主要方法在砷污染的修复方法中，传统的十壤修复方法主要冇以卜*儿种：（1）同化/稳定化法；（2）玻璃化法；（3）土壤淋洗/酸提取法；（4）冶炼回收法；（5）吸附法（杨洁等，2003）o目前处理悛水或饮用水中砷的方法有：物化法（凝结/过滤、离了•交换、反渗透法），化学法（石灰软化、氧化铁或活性氧化铁（铝）吸附）和中物法等，但对于人流域、低含量的砷则很难处理。并且常规处理方法中：化学处理法处理含砷废水时存在成本高，外且处理后中成的浮濟易产生二次污染等缺点；物理处理法只能够处理浓度较低、处理景不大、组成申.纯并且有较高回收价位的含砷废水，而往往工业废水的成分较复杂，所以物理法实用化程度较低；生物处理法处理含砷废水时，迅然具冇经济、高效且无二次污染等优点，但是H前理论上尚未成熟，实际应用到工业中不多（孙桂琴，2008）。因此，研究具有成木低廉、操作简便、符合饮用水标准特性的深度处理方法直接处理水屮As至关重要。 1.1.5植物修复植物修复技术就足指利用植物提取、吸收、分解、转化或同定十壤、沉积物或地表水、地不水中有毒有害污染物技术的总称。从广义上讲就是是利川包括高人的乔木、灌木、草木植物等众多植物去除土壤、空气、水体、沉积物或污泥屮的重金属、冇机物等污染物的技术。按其修复的机理和过程分，植物修复可以包括植物稳定、植物挥发、根际过滤、根际降解和拉物萃取等技术。植物修复（phy-torcmediation）勾传统修复相比，具存利用太阳能、安全、成本低、生态协调及环境美化功能等特点（廖晓勇等，2007）,常常也被称之为绿色修复。超积累桢物这一概念在1977年笫一次巾新西兰地质学家Brooks提出，是指那些能超量积累某些化学元素的野生植物。超积累植物一•般生长于矿山区、成矿作用带或某些特定的地表土壤中，常常构成一个孤立的“生态孚岛屿”。对于植物富集化¥元素究竟要达到多少才能被列入超积累植物的范畴，B前还没有统一的标准。似超积累植物一般都具备以卜*两点特征：（1）是该杭物对某种或某儿种重金属炅奋超常耐性；（2）是该桢物对重金属具-冇超量积累性（蒋彬，2002）。超税累植物（Hyperaccumulator）是指对某种重金属vL素的吸收量超过一•般植物吸收量的100倍以上的植物（褚贵新&任岗，2001）。根据H前发现的超积累拉物匕达400余种（Chen&Wei，2002）,K•巾多为十字花科拉物，以镍超积累植物类型最多，约290种。有的超积累植物讨冋时积累多种重金属元素，如铜和钴的超积累桢物有约50种，铜的约24种，钴的约26种，其中有9种对铜和钴都有超积累能力，As的超富集植物研究较晚，但是比较系统（Chen&Fan,2002）。一般超积累植物休内某种重金属元素含量应大于一定的标准，必须有较高的运输该宽金属的能力。植物所吸收的金属元素大多分布在地上部分，时相对于非超积累植物，其地下根系的Zn、Ni等重金属含量往往是地上部的10倍以上（褚贵新&任W,2001）。并且超积累植物在进行产后处置-灰化后,其灰分中重金属含量可提高10倍，更有利丁•对重金属的回收利川（万云兵等，2002）。一般利用植物修复污染环境必须以下两点具备：（1）是髙效降解有机污染物、耐受或超富粜重金属污染物的植物材料；（2）是要获将最佳修鉍效果的理论知识及实际操作关键技术（涂书新，2004）。1.1.6砷超富集植物一蜈蚣草1999年，陈同斌等人在中国境A找到砷的超富集植物，并于2000年10月“土壤修复国际会议”上介绍了这一成果（Chenetal.,2002）；2001年3HMa等人也报道在美 国境lAl发现了砷超富集植物蚊蛇草（PterisvittataL.）（张斌/!•，2005）。蛟虫公草具存极强的耐砷特性，能够在23400mg/kgAs的矿渣上正常生长（ft细元等，2003）,苏羽什砷含景是普通植物的数十万倍，用包含9mg/kg的砷的未污染的土壤中试验，生物富集系数（羽片巾砷含量/土壤巾砷含量）高达80（Minganti&Comara,2004）；该杭物体内砷的分布规律与普通植物不同，砷含量为羽片〉叶柄〉根系（陈同斌等，2002）。植物修复是当前治理污染环境的一个研究热点，超富集植物是植物修复的关键材料。蜈蚣草（P.vittataL.）作为一种砷超富集植物，不但具有较强地耐砷和富集砷的能力，而且具有生长速度快，生物景大，适应性比较强，分布广的特点，预示其有较大的应用价值和潜力（安志装等，2003）。在我国秦岭以南的各宵，如湖南、湖北、广两、云南等地都有人量蜈蚣草中长，同时蜈蚣草也是一种钙质土壤指示桢物（廖晓勇等，2003）。对采ft生长于砷污染和未受砷污染土壤屮的蜈蚣草进行室内添加砷的试验，可以发现它们对砷的富集没有明敁的区别，他们的孢了育苗移栽后的蜈蚣草M样具有很强的砷富粜能力。这些说明蜈蚣草具有稳定的遗传性。除了FeAs04和AlAs04难溶以外，蜈蚣草能够有效的去除溶液中的K2HAsO4，NaAs04,Ca（As04）2等形态砷。蜈蚣草的地上部累积的砷可达22.6g/kg（以干粟计），砷占地上部生物量（以干重计）的2.3%,•其含量高于大量元素磷（Maetal.2001;Wangetal.，2002）。蜈蚣草的地上部砷含M远远岛丁•一般植物（＜10mg/kg）,其生物富集系数能够达到1450（Bioconcentrationfactor：拉物地上部与土壤砷含景的比值），K•生物转移系数能够达到24（Translocationfactor：植物地上部分与地卜部分砷含量的比值）（Congetal.，2002）。这些与一般桢物的U著差异说明了超宮集桢物必然具有独特的生理生化代谢过程和抗砷机制（段桂兰等，2007）。蜈蚣草羽片对砷具冇较强的木质部运输和御载能力，植物体内迁移能力较强的大量元素K的分布与As最为相似，而迁移能力较弱的Fe、Ca的分布和As呈相反的趋势。1.1.7研究现状土壤重金属污染是一个全球性的问题，因为重金属污染是一个不可逆的过程，其在土壤中滞留的时间长，非超富集桢物或微屯物难以降解，不仅对人类健康带来严重及潜在危害，而且使大量农用地荒废(赖发英，2004)。国PJ外针对蜈蚣草修复土壤重金属As 污染的研究I•分活跃，已经将生态修父作为探索利用生物工程技术来修父重金属污染土壤的一种新方法(赖发英，2003),并取得了一些创新性的成果。归纳起來，主要集中在：(1)是蜈蚣草对As的富集特性；(2)As在蜈蚣草中的存在形态以及K转化方式研究；(3)研究P、Ca、K等元素对蜈蚣草吸收、转运As的影响；(4)蜈蚣草对As的耐性机制等方而的研究(潘志明，邓天龙，2007)。超富集植物作为土壤重金属植物修复的棊础，前对吸收、转运和富集砷的机理研究，已经发展到了分了水平，但对于其根际分泌物和根际微生物的研究还较少。蜈蚣草作为近儿年来发现的超富集植物。虽然关于蜈蚣草富集土壤重金属As的研究报道己有很多，似关丁•蜈蚣草富粜水中As的研究0前少奋报道。蜈蚣草这类蕨类杭物过喜好温暖潮湿的环境但非水生，因此利用这些蕨类植物进行饮用水除砷的研究相对较少。到目前为止，国内还很少有关于超富集植物用于饮用水除砷的报道，且这些为数不多的研究集中于溶液培养条件下超富集拉物对溶液中砷的去除效果。其培养液与实际高砷饮用水差别较大，实际松用受到很大限制。在M外M然有少数是脱离营养液环境，研究蜈蚣草去除水中砷的效果，但他们也没有和实际高砷地K水环境相结合。如Elless等在没冇营养液存在的环境下，研究了流速对蜈蚣草吸收砷的影响(Ellessetal.,2005)。而实际上，高砷水水环境很复杂，如内蒙高砷地T水中含有人量的HCO3'cr,并凡砷在天然水体中主要以亚砷酸盐(As(m))及砷酸盐(As(V))形式存在，地卜'水则As(III)为主。As(III)与巯基有很强的亲和力，而As(V)和巯基亲和性不强，因此As(lII)比As(V)毐性人(郑风英等，2006)。而冋时在蜈蚣草对As(III)和As(V)处理中，由丁•蜈蚣草中砷的形态主要是无机砷,同时根系中的As分别以As(III)和As(V)为主;而在叶柄和叶片中As都以As(IIl)的形态为主(Lei&Chen,2008)。闪为植物根系吸收的As(V)在向上转运的过程中具有向As(III)转化的趋势，其转化过程主要发生在根部。蜈蚣草巾50%-78%的砷分布在羽叶中，并且As(III)比As(V)从根部转移到羽叶的效率要高(查红平等,2007)。蜈蚣草在将As(V)还原为As(ni)的过程产生人量的活性氧，这些有害物质将会由其体内产生的一系列抗氧化物分子和抗氧化酶来清除(涂书新&韦朝阳，2004)。Cao等人研究发现，蜈蚣草在As的胁迫不能够产牛.较多的抗坏血酸和GSH，而这些还原性物质能够消除As在植物体内产生的有毒过氧化物，从而解除As对其毒害性(Caoetal.,2003)。蜈蚣草在高砷水环境屮能否史冇效地去除As(IlI),值得我们深入研究。参考文献： 安志装，陈同斌等.蜈蚣草耐铅、铜、锌毒性和修复能力的研究[J].生态学报，2003,23(12)：2594-2598。査红平，肖维林等.砷的植物修复研究进展[J].地质灾害与环境保护，2007,18(2)：55-60。陈同斌，韦朝阳等.砷超富柒植物蜈蚣草及其对砷的富集特征[J].科学通报，2002,47(3)：207-210。褚贵新，任岗.重金属污染土壤的植物修复技术的研究进展U].石河子人学学报(自然科学版)，2001，5(4)：342-346。段桂兰，王利红.植物超富集砷机制研究的最新进展U].环境科学学报，2007,27(5):714-720o蒋彬.超积累植物在治理土壤重金属污染屮的应用[J].昭通师范高等专科学校学报，2002，24(5)：32-34。赖发英，郭成志等.重金属污染土壤生态修复和利用的初步研究[J].江西科学，2003,21(3)：180-183。赖发英，叶青华等.蜇金屈污染地区的植物调查与研究[J].江西农、||＜人学学报，2004,26(3)：455457。李文学，陈同斌，刘颖茹.刈割对蜈蚣草的砷吸收和植物修复效率的影响[J].生态学报，2005,25(3)：538-542o廖晓勇，陈同斌等.提高植物修复效率的技术途径与强化措施[J].环境科学学报,2007,27(6)：881-893。廖晓勇，肖细元，陈M斌.砂培条件下施加钙、砷对蜈蚣草吸收砷、磷和钙的影响[几生态学报，2003,23(10)：2057-2064。廖IM棊，微量元素的环境化学及生物效应[J].北京，屮国环境科学出版社，1992。林年丰，杨洁，卞建段.内蒙古砷中毐痫区环境地球化学特征研究[J].世界地质，1999,6(2)：83-88o潘志明，邓天龙.砷污染土壤的蜈蚣草修复研究进展上壤(Soils),2007,39(3):341-346。孙桂琴，王见平等.蜈蚣草湿地系统处理含砷废水的研究[J].江西化工，2008,3：102-105o涂书新，韦朝阳.我国生物修复技术的现状与展望[J].地理科学进展，2004,23(6)：20-29。万云兵，仇荣亮等.重金属污染土壤巾提高杭物提取修复功效的探讨U].环境污染治理技术与设备，2002,3(4)：56-59。 門细元，廖晓勇等.砷、钙对蜈蚣草屮金属元素吸收和转运的影响[J].生态学报,2003,23(8)：1477-1487。肖细元.蜈蚣草的某些营养特性及富砷机理研究[D].湖南，湖南农业大学，2003。杨洁，顾海红，赵浩等.含砷废水处理技术研究进展U].工业水处理.2003,23(6)：14—17。张斌冰.不同蜈蚣草种群砷富集能力及其生理机制研究[D].Pl蒙•占：PJ蒙A大学，2005。郑风英，李顺兴等.超富集植物蜈蚣草对水中As(III)吸附行为的研究[J].分析科#学报，2006,22(4)：401-405。周宝利.蜈蚣草富集砷过程巾的土壤微生物变化与钾、钙分析[D].重庆，两南大学，2006。