柳树在环境污染生物修复中的应用
第33卷第2期2006年4月
文章编号:1001-7380(2006)02-0040-04
江 苏 林 业 科 技
JournalofJiangsuForestryScience&TechnologyVol.33No.2
Apr12006
柳树在环境污染生物修复中的应用
汪有良,王宝松,李荣锦,韩杰峰,施士争
(江苏省林业科学研究院,江苏
3
南京211153)
摘要:柳树适应性强、根系发达、生物量大、生长速度快、萌芽更新能力强,耐水湿,可以吸取各种污染物,是环境遭受污染后的重要生物修复树种。深入地论述了柳树对重金属污染、有机物污染和水体富营养化的生物修复作用,以及对土壤污染、水体污染、大气污染的生物修复作用。关键词:柳树;生物修复
中图分类号:S792112;X172 文献标识码:A
Utilizationofwillow(Salixsp.)iniaWANGYou2liang,WANGBao2song,LIfeng,I(Jiangsuof)
hasssuchashighadaptabilitytoenvironment,highbiomassproduction,toler2ancetoetc.,isshowntobeabletoaccumulateheavymetalions,organiccontaminants.Willowisbeingusedinphytoremediationtoedaphic,aquaticandatmosphericcontaminations.Keywords:Salixsp.;Phytoremediation
柳树(Salixsp.)主要分布在北半球温带地区,不仅种类繁多,而且分布的生态条件复杂,具有相当丰富的遗传多样性和生态多样性,是重要的多用途造林、绿化速生树种。面对日益严重的全球能源危机和环境污染问题,柳树作为生物能源树种和生物修复树种的新用途也被发现,柳树的育种目标也就更加丰富和多样化。柳树用于生物修复的研究工作开始于20世纪90年代,目前柳树环保林的营建与应用已在欧洲和美洲大陆逐步盛行。
柳树适应性强,生物量大,生长速度快,耐水湿,可以吸收各种污染物,这是其用于生物修复的主要原因。柳树可以对重金属污染、有机物污染、水体富营养化进行修复,用于土壤污染、水体污染、大气污染的生物修复。柳树在维护环境的同时,结合能源
林、用材林等经营,有一定的经济回报。
[1]
按照Greger等的分析,在轻中度重金属污染土壤上,柳树能够进行生物修复,是因为柳树某些无性系具有以下一些特性:(1)吸收、积累重金属的能力很强;(2)根系吸收重金属后向地上部分运转的能力很强;(3)生物修复性状稳定;(4)对不同重金属的吸收是独立的;(5)生物量高;(6)可以用作生物能源;(7)柳树灰分中镉的回收技术已经掌握。与其他植物的修复作用一样,利用柳树进行原位环境修复还具有成本低廉、对环境没有破坏性等优点,而且柳树根系发达,在土壤中分布范围广,与草本相比,其超积累性植物修复能力高。但相对于物理化学修复方法,柳树的修复进程缓慢,需要花费几年到几十年的时间。
3收稿日期:2005212220;修回日期:2005212229
(20032基金项目:国家林业局六大林业重点工程关键技术应用研究与试验示范专项“生物修复型柳树良种选育与试验示范”0102L10)和
(BS2002028)资助江苏省社会发展项目“柳树人工生态系统对受污染水体及土壤的修复”
作者简介:汪有良(1963-)男,江苏兴化人,副研究员,研究生班毕业,现从事林木育种研究工作。
第2期汪有良等:柳树在环境污染的生物修复中的应用
41
1 柳树用于生物修复的研究方法
柳树生物修复作用研究,通常采用的方法有田间栽培试验、盆栽试验和水培试验。1.1 田间栽培试验在已受污染的地方栽植柳树,对柳树的修复能力直接进行试验。这种方法简便易行,比较切合实际。但由于土壤情况复杂,有时难以准确评定不同柳树无性系的修复能力,而且试验周期长,面对大的筛选群体时工作量巨大。
在英国一个农场进行了20个柳树
品种的重金属修复试验,该地点50a来一直施用污水、污泥。测定表明,土壤中重金属含量很高(见表1,由Pulford表格整理而成)。
Pulford等
表1 试验地0～25cm表土中的重金属含量
mg/kg
重金属种类
CdCrCuNiPbZn
215%
0105MNH4CH3COOH
[2]
的试剂是其氯化物、硫酸盐、醋酸盐或络合物。1.3 水培试验
在进行柳树修复能力快速评价时通常采用水培方法。试验中一般使用去离子水或营养液,加入其中的污染物在一定时间内其有效性是可以得到保证的,而且对其含量和溶液的养分及pH值可以进行定期跟踪测定及调整。试验一般在温室中进行,光照、温度、湿度等环境条件可以调控且相对稳定。 Watson等参照植物无土栽培的营养液膜栽培技术(NFT),研制了一种薄层营养液栽培系统(见图
[5]
1),专门用于测定柳树对重金属的抗性。该系统主要由贮液池(罐)、溶液栽培槽、水泵3部分组成,通过进液管和回液管相连,构成完整的溶液循环体系。将带有柳树插条的岩棉块或小盆放置在栽培槽中,深的营养液。采用
良的(Hoaglandand,0溶液最28d的预培养,长成,然后小苗在含有重金属化合物的处理液中培养42d,就可以通过根系及叶的生物量(干重)、萌条长度等的测定,揭示出不同无性系对重金属的抗性差异。
总含量
[***********]
0105MCaCl2
浸提量
1110113818-1416
浸提量
1126129611-433
浸提量
2216
[1**********]137
重金属的有效态是指植物根系可以从土壤中吸
收的部分,通常用化学试剂浸提法测定而得,但不同
[3]
的浸提剂提取效率相差较大,评价也不一致。Pulford的测定至少说明土壤中除Cr而外的5种重
金属的有效态含量较高。而且另外的测定还表明,土壤的使用状况对重金属的有效性影响很大,栽树后土壤中的重金属有效态含量明显升高。因此在评价柳树的修复能力时,既要测定土壤中金属的总含量,也要关注金属的有效含量和土地的利用情况。1.2 盆栽试验 盆栽试验方法也经常使用,一般用土壤做基质。所用土壤可以是已被污染的土壤,也可以是未被污染的土壤(按试验要求加入一定量的污染物)。这里也存在污染物的有效性问题。Greger等在进行柳树盆栽时,所用土壤是6a前加入重金属试剂配制而
[1]
成的。捷克共和国的Vyslouzilová等用盆栽法研究了柳树无性系对As,Cd,Pb和Zn的吸收作用,做法是将重金属化合物与土壤充分混匀后即马上开始栽种柳树
[4]
1.水泵;2.贮液池;3.溶液栽培槽;4.进液管;5.回液管
图1 薄层营养液栽培系统示意
水培试验结果的可靠性及应用价值至关重要。
Watson等就此与田间试验进行了比较分析,发现两者之间存在显著相关。无性系抗性越强,2种试验的柳树生物量越大,木材部分的重金属含量也越高;无性系抗性越弱,2种试验柳树树皮中的Cu,Ni含量越高,柳树生物量也越低。
用于水培的营养液配方很多。Greger等应用100μMCa(NO3)2溶液,培养插条20d,测定了蒿柳(S1viminalis)104个无性系对Cd,Cu,Zn的修复潜力。作者直接用去离子水培养J172等4个柳树
2+
优良无性系40d,研究了Cd对插条根系形态建成
[7]
和萌芽生长的影响。Punshon等将预培养14d的
[1]
[6]
。一般来说,进行重金属试验时,加入
42
江 苏 林 业 科 技第33卷
10个柳树品种的插条进行了28d的重金属处理液
的培养,使用0125倍的Hoagland溶液,研究其对
[8]
Cd,Cu,Zn,Ni的抗性和富集特性。Gommer等则用015倍的Hoagland溶液培养筛选不吸收或少吸
[9]
收放射性铯的柳树无性系。
2 柳树对重金属污染的生物修复作用
重金属污染物主要有镉、汞、铅、铜、锌、铬、钴、镍及非金属砷等。重金属进入土壤后,不易被雨水淋溶,不易被生物降解,影响农作物的产量、品质甚至遗传背景,并通过食物链危害人类健康。据不完全统计,我国受镉、砷、铅、铬、汞等重金属污染的耕
2
地近2000万hm,约占总耕地面积的1/5,其中镉
2
污染耕地1133万hm,涉及11个省;汞污染耕地
2[10]
312万hm,涉及15个省。
研究柳树的生物修复作用,包含柳树对重金属污染物的抗性和柳树对污染物的吸收能力2个方面。物量,不定根数量和长度,PunshonCu,Zn,Ni按试验浓度要求分
别加入溶液中进行柳树培养。结果显示,重金属对柳树毒性大小的总体顺序是:Ni>Cu>Zn>Cd;S.caprea的无性系抗性最强,S.viminalis和S.trian2dra的无性系抗性最弱;利用溶液培养方法对柳树的重金属修复能力进行无性系筛选是可行的。
Greger等对Cd,Cu,Zn的水培试验发现,柳树的抗性与吸收能力之间、根系吸收能力与枝条吸收能力之间、对不同重金属的吸收能力之间、抗性之间
[1]
均没有相关性。柳树吸收Cd,Cu,Zn后向地上部分的运输能力分别为1%～72%,1%～32%和9%～86%;对重金属耐受能力(以根系干重的变化衡量)的IDW50(指干重抑制率)值分别是314～817,0196～5118,4011～7819μg。因此,可以针对1种或几种重金属筛选修复能力强的无性系。Greger还对柳树无性系修复能力的稳定性进行了研究:在4个不同试验地点的结果显示,参试的4个无性系的
2+
枝条中Cd含量高低的排序一致,与溶液培养的结果排序一致。
[1]
Greger等研究表明,经过3a柳树栽培,土壤中Ni,Cd,Cu,Zn,Pb的总浓度分别降低到原来的50%,32%,50%,22%和61%;柳树的枝条和叶中
[8]
的重金属含量与栽培密度无关,增加栽培密度可提高修复效率;柳树落叶可满足来年柳树生长所需的85%的N源,而落叶后的8个月内没有发现重金属从枯叶中释放返回到土壤中,因此适时处理好落叶可提高柳树修复效率。 作者研究了水培条件下镉对乔木柳4个优良无性系的插条根系形态建成和芽萌动生长的影响。发现镉对插条起始生根时间和不定根的伸长生长有一定抑止作用,对不定根数量和根系鲜重则表现为高质量浓度时抑制、轻中等质量浓度下促进或无明显影响,对插条生根率影响不大。镉对插条的萌芽影响小,对其生长发育有抑制作用。镉对插条根系形成的影响比对萌条的影响大。在镉质量浓度不超过
-6
20×10的污染环境中参试无性系插条能正常生长
[7]
发育。
[11]
Wang,发现根系015%～,。因此,柳树对土壤,却不能通过地上部分的。
[12]
周理树在安徽桐城煤矿粉煤灰田上栽种J172、J194等柳树无性系,发现柳树枝叶可以吸收Hg,F,Pb,对环境有净化作用。
[9]
Gommers等利用柳树对铯吸收量很小的特点,采用溶液培养法专门筛选吸收量更低的无性系,用于在被放射性铯污染的地方进行能源林栽培;并通过施用K肥进一步降低铯的吸收量。
[1]
关于柳树的生物修复潜力,Greger等将其与
2+
2个超积累植物进行了栽培对比。试验地Cd含量为810mg/kg左右,土壤pH值为710。试验结果表明,S.viminalis、Thlaspicaerulescene、Alyssummu2rale每年每公顷的生物量分别为10,219,113t,植株
-6
(干物质)的Cd2+含量分别为2212×10,1211×-6-610,3317×10,每年从每公顷污染土壤里吸收带出的Cd量分别是21617,3510和4313g。由于柳
2+
树生物量远大于超积累植物,实际吸收Cd的量也比2个超积累植物多得多。不过在另一个土壤2+-6Cd含量为016×10地点的试验显示,每年每公
2+
顷面积上,柳树生物量为12t,地上部分吸收Cd的量为81g,说明柳树的修复效率与土壤背景值有很大关系。
3 柳树对有机污染物的生物修复作用
有机污染物对环境的污染主要包括石油污染、
第2期汪有良等:柳树在环境污染的生物修复中的应用
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多环芳烃类(Polycyclicaromatichydrocarbons,PAHs)污染、多氯联苯类(PolychlorinatedBiphenyls,PCBs)污染、农药污染等。这些物质残留在水体和土壤环境中,不仅影响农作物的产量、品质和遗传背景,同样也能通过食物链而危害人体健康,其中不少物质具有很强的致畸、致癌作用。
巴西由于使用混有酒精的汽油而造成水体的酒精污染。Corseuil等采用溶液培养方法研究了柳树(S1babylonica)对水体中的酒精和苯的修复作[13]
用。结果显示,在7d内,柳树插条可以使水体中的酒精和苯浓度降低99%以上;柳树对酒精和苯的吸收与其蒸腾能力显著相关;而且只有当水体中的酒精浓度达到2000mg/L时插条生长才会受到影响。可见,柳树对酒精、苯的抗性和修复能力很强。
此外,Elowson、Aronsson等都曾研究用柳树来
[14215]
清洁受污染水体。
士中的一分子。
参考文献:
[1] GregerM,LandbergT.Useofwillowinphytoremediation[J].In2
ternationalJournalofPhytoremediation,1999,1(2):1152123.[2] PulfordID,Riddell2BlackD,StewartC.Heavymetaluptakeby
willowclonesfromsewagesludge2treatedsoil:thepotentialforphytoremediation[J].InternationalJournalofPhytoremediation,2002,4(1):59272.
[3] 李发生.不同浸提剂对几种典型土壤中重金属有效态的浸提
效率研究[J].农业环境科学学报,2003,22(6):7042706.
[4] VyslouzilováM.etal.As,Cd,PbandZnuptakebySalixspp.
clonesgrowninsoilsenrichedbyhighloadsoftheseelements[J].PlantSoilenvironment,2003,49(5):1912196.
[5] WatsonC,PulfordID,Riddell2BlackD.Developmentofahydro2
ponicscreeningtechniquetoassessheavymetalresistanceinwil2lows(Salix)[J].
InternationalPhytoremediation,
2003a,5(43332349.
[6]onofsresistancetoheavy
onoforhydroponicssystemand].(4):3512365.
[7] 汪有良,王宝松,韩杰峰,等.水培柳树插条对重金属镉的反应
JournalofPhytoremediation,2003b,
4 柳树对水体富营养化的生物修复
NK,、消耗营养多的特点,,变废为宝,一举两得。这方面研究不少,瑞典、英国等国家已建立了柳树生活污水处理系统。
[16]
Dimitriou报道了瑞典用柳树对污染水体中
2
的N,P,K进行吸收处理的情况。在76hm柳树林地中,每年在夏季120d内浇灌了200000m生活污水,处理的总氮量和总磷量分别是30和t1t。
3
研究[J].江苏林业科技,2005,32(6):127.
[8] PunshonT,DickinsonN.Heavymetalresistanceandaccumulation
characteristicsinwillows[J].InternationalJournalofPhytoremedi2ation,1999,1(4):3612385.
[9] GommersA,etal.ScreeningWillowclonesforRadiocesiumUptake
atVaryingPotassiumSupplyinSolutionCulture[J].InternationalJournalofPhytoremediation,2000,2(3):2432253.
[10]陈承利,廖 敏.重金属污染土壤修复技术研究进展[J].广
东微量元素科学,2004,11(10):128.
[11]WangYaodong.Phytoremediationofmercurybyterrestrialplants
[D].Sweden,StockholmUniversity,2004.
[12]周理树.柳树吸收有害物质能力的测定[J].江苏林业科技,
1988,15(1):30231.
[13]CorseuilHX,MorenoFN.Phytoremediationpotentialofwillow
treesforaquiferscontaminatedwithethanol2blendedgasoline[J].WatRes,2001,35(12):301323017.
[14]ElowsonS.Willowasavegetationfilterforcleaningofpolluted
drainagewaterfromagriculturalland[J].BiomassandBioenergy,1999(16):2812290.
[15]AronssonP,PerttuK.Willowvegetationfiltersforwastewater
treatmentandsoilremediationcombinedwithbiomassproduction[J].TheForestryChronicle,2001(77):2932299.
[16]DimitriouI,AronssonP.Wastewaterphytoremediationtreatment
systemsinswedenusingshortrotationwillowcoppice:shortRota2tionCropsforBioenergy[M]:NewZealand,2003.
5 柳树生物修复作用的深入研究
柳树在全世界约有520种以上,其中我国有柳树257种、122变种、33变型,目前可以开发利用的约56种。因此,开展柳树生物修复性状的育种改良具有非常丰富的遗传资源基础。要加强对柳树资源的生物修复性状优异种质的发掘研究,也要充分运用基因工程等先进育种技术。针对水体、土壤、大气等不同受污染主体以及不同的污染物和不同污染情形,可以进行生物修复型柳树无性系的定向选育。柳树可以修复的污染物种类、柳树对污染逆境的反应等都需要认真研究。但国内相关研究刚刚起步,需要加大人力、物力投入,进行深入细致的科学研究,真正让柳树成为使人类免遭污染危害的绿色卫