土壤重金屬的植物污染化學(xué)

前言

植物污染化學(xué)是研究環(huán)境污染物與植物相互作用的化學(xué)反應(yīng)和效應(yīng)的科學(xué)，是隨著環(huán)境污染加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境日益惡化的狀況逐漸發(fā)展起來的，是農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)性、支柱性分支學(xué)科，由環(huán)境化學(xué)、土壤化學(xué)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、生物化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)等學(xué)科交叉綜合形成的邊緣學(xué)科分支。土壤重金屬以其特殊化學(xué)性質(zhì)，對環(huán)境污染的持久性以及強(qiáng)烈的生物毒性，一直被世界各國環(huán)境科學(xué)工作者作為研究的重點(diǎn)。近幾十年來，由于農(nóng)藥和化肥的大量使用、廢水或污水灌溉、工業(yè)廢渣與垃圾填埋滲漏和大氣沉降等，造成土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重。土壤重金屬污染，改變土壤化學(xué)組成，直接或間接地破壞土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)，通過土壤一作物系統(tǒng)遷移累積，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品安全乃至人體健康，如1955年至1977年發(fā)生在日本的“痛痛病”公害事件導(dǎo)致207人死亡。據(jù)估算，我國重金屬污染的土壤約3億畝，占耕地總面積的1／6左右，每年因重金屬污染的糧食高達(dá)數(shù)百萬噸。土壤重金屬污染問題以及農(nóng)產(chǎn)品安全問題已對我國環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅，亟須解決。土壤重金屬的植物污染化學(xué)是探討土壤一植物系統(tǒng)中重金屬的分布、存在形態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化、累積以及生物學(xué)效應(yīng)和控制規(guī)律的科學(xué)。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中重金屬以不同的形式存在，不同的化學(xué)形態(tài)具有不同的理化及生物效應(yīng)，植物是其直接的作用對象之一，而重金屬在植物體內(nèi)的分子形態(tài)，吸收、遷移、轉(zhuǎn)化、積累過程及其生物學(xué)效應(yīng)等十分復(fù)雜。目前，土壤重金屬的植物污染化學(xué)研究主要集中在以下幾個方面：①土壤重金屬的化學(xué)行為；②土壤重金屬的植物根際化學(xué)行為；③土壤重金屬的植物吸收、累積、耐性和解毒機(jī)制；④重金屬污染土壤與植物、微生物的交互作用；⑤重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)等。土壤重金屬的化學(xué)行為：土壤重金屬的化學(xué)行為是探究土壤重金屬環(huán)境行為、生物可給性及污染危害性的重要切人點(diǎn)，是土壤重金屬的植物污染化學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。土壤重金屬的化學(xué)行為不僅與重金屬元素自身的性質(zhì)有關(guān)，而且與重金屬在土壤環(huán)境中的化學(xué)形態(tài)有關(guān)。土壤環(huán)境中重金屬的化學(xué)形態(tài)研究一直受到廣泛關(guān)注。常用的連續(xù)萃取方法將土壤中的重金屬按照活性高低和生物可給性大小分為不同化學(xué)形態(tài)：可溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等。這些形態(tài)與土壤質(zhì)地等物理化學(xué)特性有關(guān)，而不同形態(tài)重金屬的環(huán)境危害性和生物毒性不同。因此，研究土壤中重金屬化學(xué)形態(tài)含量及其變化情況，可為評價重金屬的環(huán)境效應(yīng)和治理、改善環(huán)境質(zhì)量，提供重要參考和依據(jù)。

內(nèi)容概要

植物污染化學(xué)研究目前已成為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本書是在作者多年進(jìn)行土壤重金屬植物污染化學(xué)研究的基礎(chǔ)上撰寫而成的，以理論研究為主，與實(shí)踐相結(jié)合。內(nèi)容包括土壤重金屬及其生物可給性，土壤重金屬的植物根際化學(xué)行為，土壤重金屬的植物吸收與累積，植物對重金屬的耐性和解毒機(jī)制，重金屬污染的土壤-植物-微生物交互作用，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)等。    本書適合環(huán)境科學(xué)與工程研究、環(huán)保管理與服務(wù)等領(lǐng)域的從業(yè)人員參考，也可作為大專院校環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、生態(tài)學(xué)、土地管理、土壤學(xué)、植物學(xué)和農(nóng)學(xué)等專業(yè)師生的教材與參考用書。

書籍目錄

前言第1章  植物根際土壤重金屬的界面過程  1.1  土壤重金屬的生物可給性及其評價方法    1.1.1  土壤重金屬的生物可給性    1.1.2  土壤重金屬生物可給性的評價方法  1.2  土壤重金屬的形態(tài)及分析技術(shù)    1.2.1  土壤重金屬形態(tài)的化學(xué)提取分析    1.2.2  土壤重金屬形態(tài)的光譜分析  1.3  重金屬在土壤—植物—微生物系統(tǒng)的界面行為特征    1.3.1  土壤固—液界面重金屬行為特征    1.3.2  土壤—微生物界面的重金屬行為特征    1.3.3  土壤—植物根系界面重金屬行為特征  1.4  土壤重金屬的植物根際化學(xué)行為    1.4.1  重金屬脅迫的植物根際效應(yīng)    1.4.2  根際環(huán)境重金屬的化學(xué)行為    1.4.3  典型重金屬的根際化學(xué)行為  主要參考文獻(xiàn)第2章  植物對土壤重金屬的吸收與積累  2.  1植物的重金屬耐性與超積累    2.1.1  植物對重金屬的適應(yīng)性和耐勝    2.1.2  重金屬耐性植物和超積累植物的概念    2.1.3  超積累植物的種質(zhì)資源  2.2  植物體內(nèi)重金屬的積累與影響因素    2.2.1  植物體內(nèi)重金屬的含量    2.2.2  影響重金屬在植物體內(nèi)積累的因素  2.3  植物對土壤重金屬吸收與積累機(jī)理    2.3.1  植物對根際土壤重金屬的活化    2.3.2  植物對重金屬的吸收    2.3.3  重金屬的木質(zhì)部運(yùn)輸    2.3.4  分布和貯存  2.4  細(xì)胞內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制    2.4.1  重金屬ATP酶(HMAs)：CPx型ATP酶    2.4.2  ABC轉(zhuǎn)運(yùn)家族    2.4.3  Nramps家族    2.4.4  C—DF家族    2.4.5  ZIP家族    2.4.6  陽離子／H+反向運(yùn)載器    2.4.7  Cu轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族    2.4.8  其他重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白  主要參考文獻(xiàn)第3章  植物對重金屬的耐性與解毒  3.1  土壤重金屬的植物效應(yīng)    3.1.1  重金屬對植物的毒害癥狀    3.1.2  重金屬對植物生理生化反應(yīng)的影響    3.1.3  重金屬對植物結(jié)構(gòu)的損傷  3.2  重金屬在植物體內(nèi)的分布定位    3.2.1  重金屬在植物細(xì)胞水平的分布定位    3.2.2  重金屬在植物組織水平的微區(qū)分布特征    3.2.3  Mn在商陸器官水平的分布定位  3.3  植物體內(nèi)重金屬形態(tài)    3.3.1  植物體內(nèi)重金屬的化學(xué)結(jié)合形態(tài)    3.3.2  基于同步輻射x射線吸收光譜的重金屬分子形態(tài)分析  3.4  植物對重金屬的耐性和解毒機(jī)制    3.4.1  植物對重金屬的排斥機(jī)制    3.4.2  植物對重金屬的耐受機(jī)制  主要參考文獻(xiàn)第4章  根際微生物生態(tài)效應(yīng)及其對重金屬行為的影響  4.1  重金屬污染土壤的微生物分子生態(tài)效應(yīng)    4.1.1  重金屬污染對土壤微生物活性的影響    4.1.2  重金屬污染對土壤酶活性的影響    4.1.3  重金屬污染對土壤微生物群落組成的影響    4.1.4  重金屬耐性植物根際效應(yīng)與微生物群落結(jié)構(gòu)  4.2  根際耐性微生物對重金屬的吸附行為    4.2.1  根際微生物對重金屬的耐性與富集    4.2.2  耐性微生物對重金屬的吸附    4.2.3  重金屬的微生物吸附機(jī)理  4.3  根際耐性或功能微生物對土壤重金屬形態(tài)的影響    4.3.1  銅鋅耐性微生物對土壤重金屬形態(tài)的影響    4.3.2  硫循環(huán)相關(guān)功能微生物對土壤重金屬形態(tài)和植物吸收的影響  主要參考文獻(xiàn)第5章  重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)  5.1  重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)概述    5.1.1  植物修復(fù)技術(shù)的概念    5.1.2  植物修復(fù)技術(shù)的含義    5.1.3  重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理    5.1.4  植物修復(fù)技術(shù)的調(diào)控  5.2  重金屬污染土壤物理化學(xué)調(diào)控的植物修復(fù)    5.2.1  磁處理—植物聯(lián)合修復(fù)系統(tǒng)    5.2.2  化學(xué)處理—植物聯(lián)合修復(fù)系統(tǒng)  5.3  重金屬污染土壤植物—微生物聯(lián)合修復(fù)    5.3.1  菌根對重金屬污染土壤的生物修復(fù)    5.3.2  “植物—微生物—菌根”載體對重金屬污染土壤的生物修復(fù)    5.3.3  “銅耐性植物—微生物”載體對重金屬污染土壤的生物修復(fù)    5.3.4  植物—微生物聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)的環(huán)境風(fēng)險評估  5.4  重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)研究展望  主要參考文獻(xiàn)彩圖

章節(jié)摘錄

第1章 植物根際土壤重金屬的界面過程重金屬是土壤環(huán)境的重要污染物，主要隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水、廢渣和廢氣進(jìn)入土壤。土壤重金屬污染引發(fā)的土壤生態(tài)功能破壞和農(nóng)產(chǎn)品安全等問題日益受到各界的高度關(guān)注。重金屬不僅直接毒害土壤生物和植物，破壞土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)，還可以通過食物鏈遷移轉(zhuǎn)化，危害人體健康。所以，如何修復(fù)重金屬污染土壤和保障農(nóng)產(chǎn)品安全是當(dāng)前的重要環(huán)境問題。根際是重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)的主要通道和屏障，有效調(diào)控重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中的遷移對于提高重金屬污染土壤植物的修復(fù)效率和保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。Stumm等(1987)指出對幾乎所有環(huán)境組分的過程控制問題的理解都應(yīng)該考慮界面過程。這些界面過程直接影響重金屬的生物可給性、重金屬形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。除了土壤本身物理化學(xué)特性直接影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化外，微生物和植物根系也對土壤重金屬遷移轉(zhuǎn)化有著深遠(yuǎn)的影響。根際土壤環(huán)境是土壤、植物根系和微生物的復(fù)合體系，重金屬在植物根際土壤中的傳輸受該系統(tǒng)中多層次微界面的控制，主要包括土壤固一液界面(土壤固相一土壤水相界面)，土壤一微生物界面以及土壤～植物根系界面等。由于界面反應(yīng)的復(fù)雜性，無論在理論上還是在方法學(xué)上都有許多問題值得深入探索。結(jié)合我們的相關(guān)研究成果，本章主要從土壤重金屬的生物可給性及其評價方法、土壤重金屬的形態(tài)、重金屬在土壤一植物一微生物界面的環(huán)境行為特征以及土壤重金屬的植物根際化學(xué)行為四個方面對植物根際土壤重金屬的界面過程進(jìn)行論述。1.1 土壤重金屬的生物可給性及其評價方法土壤重金屬的生物可給性與土壤重金屬的毒性、環(huán)境風(fēng)險以及重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中的遷移密切相關(guān)。土壤重金屬的生物可給性部分直接決定了土壤重金屬的毒性、環(huán)境風(fēng)險大小以及重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中的遷移量?？偭款A(yù)測法、化學(xué)浸提法和植物培養(yǎng)法等是評價土壤重金屬生物可給性的常用方法，在重金屬污染土壤管理及其防治中得到廣泛應(yīng)用。土壤重金屬的生物可給性與其生物可給性過程密切相關(guān)。所以，深人理解土壤重金屬的生物可給性及其過程，完善土壤重金屬的生物可給性評價方法，對于重金屬植物污染化學(xué)的研究，具有重要理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

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