超积累植物的资源化利用_朱文宇

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1 植物冶金的当前应用
植物冶金 ( phytom in ing) , 也称植物采矿, 是通过 种植高生物量且富集高浓度重金属的作物, 对其作 物进行再生产, 制造具有经济价值的生物矿石并从 中提炼出重金属。 1983 年美国科学家 Chaney 首先 提出利用植物来清除土壤重金属的设想
[ 2]
。随后一
2 [ 7] 2 [ 3]
。虽然这个数值低
于对 S. polygaloides 研 究 中 提 出 的 1 % 的理想含 [ 8] 359- 362 2 量 , 但是实验的生物产量可达 1 t / hm ( 新西
2009年第 2 期 如水体和土壤铊的污染, 人畜慢性铊中毒等
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Vo.l 15 No . 2
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超积累植物的资源化利用
朱文宇, 侯明明
( 昆明理工大学环境科学与工程 学院 , 云南 昆明 650093)
摘 要 介绍了超积累植物在对镍、 金、 铊和其他重金属的植物冶金应用方面的最新研究动态, 介 绍了超积累植物资源化利用的常见方法, 阐述了焚烧、 高温分解、 灰化 、 萃取等方法的原理和特点, 同时提出了以后研究中应当注意的问题和研究方向 。 关键词 超积累植物 植物冶金 植物修复
。同
p intodasilvae(A. serpy llif oliu m ssp ), A. m alacitanum, A. lesbiacum, A. tenium 和 A. f allacinum , 除了可以积累 镍之外 , 在钴的摄取方面也有很大的潜力。同样地 , 这些植物也可以积累钯、 钌、 铑、 铂、 铱、 锇和铼。虽 然对铂和钯等金属积累浓度比较低 , 但由于这些金 属的高价值 , 使对这些金属进行植物冶金同样具有 经济潜力
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表 1 可以用来进行植物冶金的物种 ( R obert R. 1998) [ 3] 359- 362 元素 钙 钴 铜 铅 锰 镍 硒 铊 铀 锌 物种 T hlas p i caeru lescens H aumanias trum rober tii H aum aniastrum katangense T hlasp i ro tundifolium subsp M acadam ia neurophylla A ly ssum bertolonii B erkheya codd ii A stragalus p attersoni Iber is interm ed ia A tr ip lex conf ertifolia T hlasp i calam inare 积累量 3 000 ( 1 ) 10 200 ( 1 ) 8 356 ( 1 ) 8 200 ( 5 ) 55 000( 400 ) 13 400 ( 2 ) 17 000 ( 2 ) 6 000 ( 1 ) 3 070 ( 1 ) 100 ( 0. 5 ) 10 000( 100 ) 生物量 4 4 5 4 30 9 18 5 8 10 4
U se of R esources of H yperaccumulator
ZHU W enyu , HOU M ingm ing
( Facu lty of Env ironm enta l Science and Eng ineering, Kunm ing U n ivers ity of scien ce and T echn ology , K unm ing 650093, Ch in a) Abstract : Introduced the latest research trend s of phytom in ing in hyperaccumu lator of N ick e,l G old, Th allium and other heavym etals. R ecomm end th e generalm ethod o f resources of hyperaccumu lator , and expound the p rincip le and ch aracteristic of bu rn ing , pyro lys is , in cin erate and extraction etc . A t th e same tm i e put forward th e p rob le m s shou ld p ay atten tion to and th e research d irections in the n ex t study . K ey W ords : hyperaccumu lator , phytom in ing , phytore m ed iation
[ 13, 14]
时铊在光电管, 低温温度计 , 光学玻璃等方面有着很 多利用价值 , 并且它的市场价格也非常昂贵。 研究人员检测发 现了芥属植物 披针叶屈曲花 ( Iberis interm ed ia )的叶子里面可以 富集大量的铊 , 通过 对 活 体 内 的 微 型 X 射 线 吸 收 近 边 ( XANES) 和微型 X 射线荧光 ( - XRF ) 检 查, 用分 光镜对植物叶子内铊的形 成和分布进行分 析。将 披 针 叶 屈 曲 花 植 物 控 制 在 含 有 铊 为 0、 10 和 20 m g / kg的土壤条件下栽种 , 在 10 周的种植中 , 生 物中铊的浓度可达到 13 430 m g / kg。之后研究人 员用 xanes和 X 射线荧光光谱法分析植物叶片 , 确 定了这个示范种里铊的水合物主 要通过叶脉网络 分布。观察 到 了叶 脉 的 大 小 和铊 分 布 的 直 接关 系。结果表明披针叶屈曲花对铊 的高富集率和它 潜在的高生物 产量 , 使它 成为铊 植物 冶金 的理想 物种
2 [ 5] [ 5] 2
兰的实验表明可以通过在初秋提前播种来获得一年 两收 ) 。如果这个目标得以实现, 那么通过植物 2 冶金方式可以得到 96 kg /hm 的镍 , 和 理想情况收 益相当 。 增加植物对 N i的富集一般通 过降低土壤 p H 值、 在土壤中施加适量的钙保持中等的含钙水平、 施 加适量氨氮调节根际酸度改善植物生长、 土壤中施 加螯合剂 (例如氨三乙酸、 乙二胺酸、 合成四乙酸和 乙烯 - 乙二醇 - - N 氨 基酸等 ) 提高 植物根的富 集 能 力 等 几 个 方 面 来 实 现。 2006 年, Abou Shanabd R A I等 发现一些根基细菌可以提高庭 芥对镍的富集作用。他们选择了在蛇纹石镍富集土 壤里生长于庭芥根际附近互相隔离的 9 个菌种, 研 究 它 们 对 增加 镍 在 不 同土 壤 里 溶 解 度的 能 力和它们对庭芥富集镍的影响效应。这九种细菌被 培养在低、 中、 高浓度的镍污染土壤中, 其 中一种细菌显著地增加了高浓度和中等浓度土壤的 镍萃取量, 对低浓度镍污染土壤作用不明显。另外 的 8 个菌种对各个浓度的含镍土壤的植物萃取量都 有明显的增益。同时, 试验表明与那些未受影响的 植株相比, 各浓度下超积累植物 A. murale 的生物产 量没有受 到明 显的影 响。在 根际 细菌 的影 响 下, A. m urale的镍富集率在低、 中、 高三种浓度的土壤中 与未添 加菌 种 的植 株 相比 , 分别 增 长 了 36 . 1% , 39 3 % 和 27 . 7 % 。同样的三种土壤栽培条件下, 施 加了菌种的植物叶子中的 N i含量分别提高了 82 9 , 261 . 3 和 2 829 . 3 m g / kg, 达 到 了 129 . 7 , 430 . 7 , 和 [ 10 ] 3 914 . 3 m g / kg 。 1 . 3 铊的植物冶金 铊是一种剧毒的银白色重金属元素, 随着富含 铊矿床的开发利用 , 已引起一系列铊环境污染问题, 45
超积累植物本身是一种富含重金属的有机物资 源 , 因此应考虑这类植物的重金属、 类金属元素的资 源化以及金属提取、 燃烧、 生物油的综合利用。目前 正在研究的资源化利用方式有植物冶金、 药用植物、 有机微肥和防腐原料等
[ 1] 587 - 592
2007年, 德克萨斯大学研究了沙漠葳 (Chilop sis linearis) 、 沙漠柳 (Sw eet )在不同的植物种植时长情况 下, 从富含金的媒介中对金的摄入情况。他们把植物 分别暴露在含金量 20 、 40 、 80 、 160 和 320 mg /L 的琼 脂培养液中达 13 、 18 、 23和 35 天, 然后使用光学分光 计( I C P /OES) 和 X 射线分析仪 ( XAS) 来测定植物中 金和金的氧化物的含量。结果表明, 在金浓度为 20~ 80 m g /L 时, 沙漠葳的植株生长没有受到明显影响。 植物体内金的含量随着植物年龄的增加而增加。在 金浓度分别为 20 、 40 、 80 、 160 m g /L 的培养液中, 干树 叶中的金含量分别为 32 、 60 、62 、 179 m g /kg , 证明了 沙漠葳的金富集能力。 XAS 数据表明沙漠葳的植物 组织 中 生 成 了 纳 米 级 金 粒 子。暴 露 在 含 金 量 160 m g /L培养液中的植株 , 其根、 茎、 叶中形成的纳米 级粒子的直径平均值分别为 0 . 8 、3 . 5 、1 . 8 nm。研究 同时发现金在植物体内形成的纳米级粒子的平均直 [ 4] 径同组织中的总金含量和它们的栽种场所有关 。
注 : 积累量数值代表最高的元素富集量 ( 单位 : 量。生物量单位是 t/( hm
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g /g, 植物为干 重 , 后同 ); 括号中 的数值是 等量的 非超富 集植物 的积累
a) 。
Christopher Anderson 等的初 步预测模型显 示: 当作物收获量 ( 干重 ) 达到 10 t /hm , 并且金富集率 达到 100 m g / kg , 这样每公顷提炼出 1 kg 金在经济 上是可行的 。 2003 年 Com panh ia Va le 和 R io Doce 合作在巴西实现了对金的植物萃取示范性研究。把 印度芥 ( Brassica juncea ) 和谷物 ( Zea m ays ) 种 植于 含有 0 . 6 g / t的金的氧化物的矿石堆中 , 然后使用氰 化物和硫氰化物进行处理, 以测试其对黄金的吸收 能力。在氰化钠处 理后表现 出最好的 黄金富 集能 力 , 平均值达到 39 mg /kg 。这一结 果表明, 田 间试 验的结果与那些在受控条件下 获得的结果高 度符 合。因此可以认为 , 使用植物冶金技术从土地中回 收黄金达到 1 kg /hm 是可以实现的目标 1 . 2 镍的植物冶金