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1、大气污染的植物修复,王璐02130136,背景介绍,个案研究,污染物的毒害作用,前景,植物修复机理,影响因素,植物抗逆性,主要内容,植物修复,ONE,TWO,THREE,FOUR,FIVE,SIX,SEVEN,随着世界各地工业化、城市化和现代化的迅速发展，大气污染已成为人类无法回避的现实问题。大气中一次污染物与二次污染物的复合污染，有机污染物与无机污染物的混合污染和颗粒物、颗粒携带污染物与气态污染物的交织污染，已直接或间接地威胁到了陆地生态系统和人类自身的健康与生存。C:UserslenovoDesktop1859936-102-14301.mp4,一.背景介绍,二.污染物的毒害作用,大气污染
2、物主要包括：悬浮颗粒物（SPM），二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳，碳氢化合物，卤素化合物以及有害微生物等。就其性质而言，大气污染可分为物理性污染，化学性污染与生物性污染三种类。不同的污染物对人类的健康危害是不同的，它们会通过损伤肺脏和呼吸系统或进入血液和其他部位对人类造成危害。本章主要讨论一下三种污染物的危害：,硫氧化物（SO2)氮氧化物（NO2)悬浮颗粒物（SPM),2.1 SO2,大气中SO2中大约95%是由人类活动产生的，其中化石燃料的燃烧大概占到80%。S02毒性较大,并具有腐蚀性和分散性,易挥发。,人类健康,植物,其它,0.2ppm时,会引起呼吸系统和心血管的疾病 20ppm时使人咳嗽
3、、流泪 100ppm造成胸痛和呼吸困难 400一500ppm时,立即引起严重中毒、窒息死亡,低浓度，对植物有益。浓度达到0.28ppm后,有毒性作用，可改变植物组织内的pH值,使之凋谢并严重减产,可氧化成酸雾或成为硫酸盐微粒,对金属及建筑材料有腐蚀0.lppm,大气的可见度将降到3km,会影响航空、天文观测和太阳照射,2.2 NO2,NO2主要来自车辆废气，火力发电站，其它工业的燃料燃烧，硝酸，氮肥，炸药的工业生产过程。它在大气中易与水气反应生成硝酸气，是大气的重要酸性物质，也是酸雨形成的原因之一。环境效应：对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化，富营养化
4、，以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量。,NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应，它是大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）在阳光（紫外光）作用下发生光化学反应生成的混合物，所形成的烟雾污染现象。二氧化氮对人体的危害很大，即使暴露于二氧化氮的时间很短，肺功能也会受到损害；如果长时间暴露于二氧化氮，呼吸道感染的机会就会增加，而且可能导致肺部永久性器质性病变。,2.3 SPM（悬浮颗粒物）,定义,来源,分类,危害,悬浮在大气中的固体、液体颗粒状物质（或称气溶胶）的总称,人为来源：化石燃料燃烧；工业生产、工业粉尘、金属，水泥尘；汽车、飞机排气等。天然来源：土壤尘、火山灰、森林火灾灰
5、、海盐粒,一次颗粒物二次颗粒物,影响人体健康大气能见度降低具有腐蚀性,三.植物修复机理,植物修复(Phytoremediation)是利,应用范围广,对环境扰动小,有利于改善生态环境,修复成本较低,修复具选择性,染物进行清除、分解、吸收或吸附,使污染环境得以恢复的科学与技术。,用植物和共存微生物与环境之间的相互作用,对环境污,1,3,4,3.1植物吸附与吸收,植物对于污染物的吸附与吸收主要发生在地上部分的表面及叶片的气孔。在很大程度上，吸附是一种物理性过程，其与植物表面的结构如叶片形态、粗糙程度、叶片着生角度和表面的分泌物有关。吸收有两种方式,一种是植物用枝干表面吸收气体分 子和固体颗粒;另一
6、种为叶内积累,即植物利用其叶面皮孔直接吸收并储存有害气体,尤其是当湿度增大时,植物对可溶性气体的吸收量也大大增加。另外,由于光照条件可以控制叶片气孔的开闭,显著地影响植物生理活动,因而对植物吸收污染物有较大的影响。,3.2 植物降解,植物降解,植物降解是指植物通过代谢过程来降解污染物或通过植物自生的物质如酶类来分解外来污染物的过程。,定义,酶分类,能直接降解有机污染物的酶类主要为：脱卤酶、硝基还原酶、过氧化物酶、漆酶腈水解酶等,基因工程,对于一些在植物体内较难降解的污染物如 PCBs(多氯联苯），可将动物或微生物体内能降解这些污染物的基因转入植物体内。,3.3 植物转化,植物转化是指利用植物的
7、生理过程将污染物由一种形态转化为另一种形态的过程。植物转化过程与植物降解过程有一定的区别，因为转化后的污染物分子结构不一定比转化前的更简单。转化后产物还有可能比转化前物质具更高或更低的生物毒性，但一般对植物本身无毒或低毒。对于这两种不同的转化结果，毒性提高的可称之为植物增毒作用，毒性降低的称之为植物解毒作用。如何防止植物增毒和如何强化植物解毒是利用植物转化修复大气污染物的关键。,3.4植物同化和超同化,植物同化,超同化,超同化植物可将含有植物所需营养元素的大气污染物如氮氧化合物、硫氧化 合物等，作为营养物质源高效吸收与同化，同时促进自身的生长。这种 现象也可称为超同化作用。,植物同化是指植物对
8、含有植物营养元素的污染物的吸收，并同化到自身物质组成中，促进植物体自身生长的现象,植物可以有效地吸收空气中的SO2，并迅速将其转化为亚硫酸盐至硫酸盐，再加以同化利用。从天然植物中筛选或通过基因工程手段培育“超同化植物”及其理论和技术的发展是今后一个重要而有应用前景的研究工作。,Omasa提出了具有超吸收和代谢大气污染物能力的天然或转基因的超同化植物的概念。,植物对SO2的吸收和同化作用C:UserslenovoDesktop大气污染的植物修复.doc植物对NO2的吸收和同化作用C:UserslenovoDesktop大气污染的植物修复.doc,四.植物抗逆性,植物的抗逆性是指植物具有的抵抗不利
9、环境的某些性状；如抗寒，抗旱，抗盐，抗病虫害等。自然界一种植物出现的优良抗逆性状，在自然界条件下很难转移到其他种类的植物体内，主要是因为不同种植物间存在着生殖隔离。,避逆性（stress avoidance）,耐逆性（stress tolerance）,植物的抗逆性的分类,避逆性指在环境胁迫和它们所要作用的活体之间在时间或空间上设置某种障碍从而完全或部分避开不良环境胁迫的作用。例如夏季生长的植物不会遇到结冰的天气，沙漠中的植物只在雨季生长等。,耐逆性指活体承受了全部或部分不良环境胁迫的作用，但没有或只引起相对较小的伤害。一种植物可能有多种抗逆方式，并由于植物处于不同的生长发育阶段，不同的生理状
10、态，不良环境胁迫作用的不同强弱或几个环境因子的共同作用，植物的抗逆性方式是可变的，而且相互间的界限也不清楚。,不同植物吸收和吸附污染物的能力是不同,它与植物的生化,生理指标和形态特征有关。随着植物被作为吸收和吸附污染物的一个工具，沿街种树是减轻城市污染的一个非常重要的手段，因此,应该依据科学标准来选择用来减少污染物排放的植物种类。一般来说,自然界有以下四种植物类型：,少吸收,很大的耐受力（容忍性好）这种类型的植物有很强的抵抗力,可以生长在污染严重的地区。,吸收好，耐受力好(容忍性好)这些类型的植物是最适合的，能对空气污染有一个缓冲的作用。,吸收少，耐受力较弱（容忍性差）这种类型的植物抵抗力薄弱
11、,不能生长在污染区域。,吸收好，耐受力差（容忍性差）这种植物几乎没有抵抗力,他们不能生长在需要缓解的污染地区,但可以被用作指示物种。,植物对污染物的抵抗力的程度取决于吸收与耐受之间的平衡。吸收和耐受力与污染物的浓度有关。大部分的植物,当暴露在较高的浓度的空气污染物中时,会阻止污染物的进入。,有些植物,像花生和番茄,在接触到SO2时会迅速关闭气孔,因此来减少SO2进入。这些植物耐受SO2,尤其是在接触高浓度的二氧化硫的情况下。黄桦在二氧化硫存在时气孔关闭,是一种有效的抵制避免机制。研究者发现,007 ppm二氧化硫会导致净光合作用进入萧条期，总计约19%,在蒸腾损失46%。0.07 ppm的主要
12、影响二氧化硫在气孔中的运动，很少影响二氧化硫进入后内部阻力。所以有专家建议如果在没有其他光合作用干扰的情况下，由SO2引起的气孔关闭可能代表一个机制。,NOTICE,五.影响植物耐受性的因素,形态特征,细胞液PH,叶绿素含量,抗坏血酸含量,相对含水量,硝酸还原酶,5.1 形态特征,在确定植物对污染物抵抗性能力的时候，植物的形态特征是非常重要的一个因素，它的特征，比如像内陷气孔，厚角质层，小而密集的细胞和细胞壁的栓化作用等等。这些都可以阻止污染物进入叶子和细胞。污染物质也能导致角质层蜡的侵蚀（细胞表皮蜡质），它能像一个栅栏一样通过叶片表皮阻止污染物进入，因此，就空气污染的侵蚀效应来说，蜡质角质层
13、对于植物抵抗外界污染是一个非常重要的因素。,5.2 细胞液PH,酸性污染气体能够改变细胞内的PH和缓冲能力，细胞缓冲容量是指细胞总的缓冲浓度，酸在一周内的离解常数以及PH的价值。,较低PH情况下的植物更容易得病，而那些pH值在7附近的植物却被发现有更好的耐受性,抗坏血酸的活性也是受pH值控制的，在高PH值下活性较高，低PH下活性低,高PH值的叶片提取物可以增加植物对大气污染的抵抗性。,表观抵抗力,植物对SO2的耐受性,叶片提取物,5.3 叶绿素含量,叶绿素是绿色植物的主要触发分子，对于评估植物的耐受性来说，它的作用是不可小觑的。叶绿素的损耗可以直接降低植物的生产能力，从而使植物枯萎而失去活力，
14、直接影响耐受性。,5.4 抗坏血酸含量（维生素C),它是一种活化防御机制,它可以代替水来参与光反应。由 于抗坏血酸在植物新成代谢和抵御外界污染中的多元化作用，它可以作为一个指示植物对抗外界污染的参数，特别是外界污染压力，污染物能使植物体内的抗坏血酸含量减少，从而对植物的毒性增加，因此，植物容易遭受污染。Malviya(1986)报道，在二氧化硫和抗坏血酸同时存在的情况下，抗坏血酸能够减轻SO2对植物的危害。,5.5 相对含水量,水是植物生存的先决条件,缺水会对陆生植物的生存造成威胁。正常的水分需求情况可以保证植物的生长和繁殖能力。在污染环境下,蒸腾速率过高可能会导致植物过分干燥，因此,植物对相
15、对含水量的水平决定了它对大气污染的耐受性。,5.6 硝酸还原酶,几乎所有高等植物都利用硝酸盐作为氮的来源，大多数的植物种类都能自己调节降低根部与枝芽硝酸盐的含量，硝酸还原酶是一种能将植物体内累积的硝酸盐转化成亚硝酸盐的活性酶。对于处于NO2环境下的植物来说，提高硝酸还原酶的活性被认为是和积累的硝酸盐联系在一起的，这些硝酸盐是由溶解在水里的NO2生成的。而且这种酶可以用来标记植物是否将吸收的NO2同化了。在NO2污染下，硝酸还原酶的活性越大，植物的耐受力越强。,六.植物修复的前景,植物修复是一项对环境友好的、技术要求相对较低的修复方法，容易为社会民众接受，而且与传统的修复技术相比，成本要低得多。
16、大气污染的植物修复理论及技术将对城市园林绿化、环境规划和生态环境建设具有一定指导意义和应用价值。大气污染的植物修复还处于探索阶段，它涉及到植物生理学、生态学、大气化学、遗传学、环境保护学、生物工程等多学科知识的交叉和综合应用。今后有许多理论研究和应用工作要做，如大气污染的植物修复机理、超同化植物的筛选及植物基因工程的实施、提高植物修复效率的影响因子、植物修复的环境安全性等。随着研究的深入，植物修复技术将为大气污染治理带来新希望。,努力方向及存在问题,STEP 07,STEP 06,STEP 05,重金属和放射性元素的回收,STEP 04,阻断污染物沿食物链迁移,STEP 03,注重实验与应用的
17、关联与过渡,STEP 02,建立植物修复安全评价标准,STEP 01,建立超量积累植物数据库,探索生长条件与修复机理,植物基因工程技术,七.个案研究,1 step,研究内容,在鲜叶样品叶绿素分析中，主要测试PH值，硝酸还原酶的活动情况，相对含水量和抗坏血酸含量，而干燥的样品被用于硝酸盐和硫酸盐含量估计。,为了评价植物的缓解空气污染物的作用，在勒克瑙（印度北部城市）城开展了一项研究，这个城市分为三个地区即横穿Gomit，中央和南部。在每个区域，不同的十字路口代表不同的拥堵和交通密度，所以需要在不同的季节分别进行空气的监测和植物样本的收集，以测试出在城市污染最小化的有效性。通过使用来自植物的详细生
18、化值估算获得的数据样品，空气污染容忍指数（APTI），二氧化硫容忍指数（STI）和二氧化氮耐性指数（NTI），研究者得出三者的换算关系如下：,测 试 项 目,烷烃环烷烃芳香烃,A=叶片抗坏血酸含量（mg/g DW)T=总叶绿素含量（mg/g FW)P=叶提取物的pH值R=相对含水量（%）,A=叶片抗坏血酸含量（mg/g DW)T=总叶绿素含量（mg/g FW)P=叶提取物的pH值R=相对含水量（%）S=叶硫酸盐含量（%）,A，P，T，R同上NR=叶硝酸还原酶活性（摩尔NO2-/h/g FW)N=叶硝酸盐含量（mg/g dW),抗坏血酸含量可以通过（T+P）的乘法法则来测量出植物的解毒能力。植物
19、体内叶绿素的降解是与两种细胞PH有直接关系的，即高于和低于3.5。当PH大于3.5时，超氧自由基通过超氧化歧化酶形成过氧化氢，抗坏血酸在防止叶绿素被过氧化氢诱导损伤中起着重要的作用。因此，植物体内需要一个高水平的抗坏血酸来抵抗污染。由于叶绿素的合成也由抗坏血酸来作为一种导体介质（介导），抗坏血酸的减少可能阻碍植物的绿色部分的叶绿素合成。从而，在植物对大气污染敏感程度这方面，抗坏血酸和细胞PH一样对其起着决定性作用。,相对含水量的引入体现了在处于受污染的外界条件下，细胞膜维持细胞完整性的潜能。汽车尾气二氧化氮的污染可以增加NR的活性。在被NO2污染的环境中，耐受性高的植物NR活性较高。鉴于硝酸和
20、硝酸还原酶活性的相互依存关系，NR/N乘以生理总和A（T+P）+R，找出二氧化氮公差指标（NTI），这将帮助我们从污染的环境中筛选出耐受性的物种缓解二氧化氮。,总结,利用植物修复技术来治理大气污染，尤其是近地表大气混合污染是近年来国际上正在加强研究和迅速发展的前沿性新课题。但植物修复也并非完美无瑕的,其自身还是存在诸多问题:如本身耗时长,受生物量、生长周期以及地理环境等因素的限制;所吸收的污染物有可能又重新释放到环境中造成二次污染或通过食物链的生物放大而污染等。这些问题制约着植物修复投入实际应用。,但是随着研究的深入,特别是包括植物根际微生物在内的联合修复技术以及转基因技术等诸多拓展技术的出现,在改进植物在大气修复的应用时表现出的不足之处的同时,也大大促进了植物在大气净化应用方面的发展。因此我们有理由相信,随着植物修复效率影响因子及环境安全性的提高,在不久的将来,植物修复在大气污染防治中必将拥有越来越广阔的应用前景。,THE END,THANK YOU!,
