土壤重金屬污染的危害及修復(fù)

土壤重金屬污染的危害及修復(fù)摘要:土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們關(guān)注,闡明了土壤中重金屬污染的來(lái)源、污染情況及造成的危害,主要綜述了目前國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者對(duì)土壤污染及生物修復(fù)的研究進(jìn)展,結(jié)合我國(guó)具體情況,提出一些自己的看法.關(guān)鍵詞:土壤;重金屬污染;生物修復(fù)土壤重金屬污染是指人類活動(dòng)將重金屬加入到土壤中,致使土壤中重金屬含量明顯高于原有含量,并造成生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象1.環(huán)境污染方面所指的重金屬主要指對(duì)農(nóng)作物和人畜生物毒性顯著的Hg、Cd、Pb、Cr、以及類金屬As,還包括具有毒性的Zn、Cu、Co,Ni、Sn、V等污染物,后者在常量下對(duì)作物和人體是營(yíng)養(yǎng)元素,過(guò)量時(shí)則出現(xiàn)危害.加強(qiáng)土壤污染的化學(xué)及生態(tài)研究對(duì)推動(dòng)綠色食品和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義.1土壤中重金屬元素的來(lái)源和污染狀況除了來(lái)自于土母質(zhì)本身的重金屬,土壤重金屬污染主要來(lái)自于人類活動(dòng).研究表明:Pb、Cd、Hg、As與大氣污染有直接關(guān)系2.來(lái)源于象汽車含鉛汽油燃燒排放的尾氣、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的氣體,它們經(jīng)過(guò)自然沉降和雨淋進(jìn)入土壤.公路、鐵路兩側(cè)土壤中的重金屬污染主要是Pb、Cr、Zn,Cu、Co、Cd等,大氣汞的干濕沉降也可引起土壤中汞含量的增高.城市大量的工業(yè)廢水流入河道,其中含有的許多重金屬離子,隨著污水灌溉、污泥施肥而進(jìn)入土壤.太原、淮陽(yáng)污灌區(qū)土壤中重金屬的含量自污灌以來(lái)逐年增高.廣州市郊污灌區(qū)農(nóng)田中Pb、Cd、Hg、Cr、As等重金屬污染超過(guò)臨界值,殘留超標(biāo)率分別達(dá)16%、100%、68%、16%和52%3、4.研究還表明:用城市污水污泥改良土壤,重金屬Hg、Pb、Cr的含量明顯增加,青菜中的Pb、Zn、Cu、Cd、Ni也增加5.胡永定6通過(guò)對(duì)徐州荊馬河區(qū)域土壤重金屬污染成因的分析和研究,發(fā)現(xiàn)Cd是由垃圾施用和農(nóng)灌引起的,Pb、Zn、Cu、Cr是由垃圾施用引起的,As是農(nóng)田灌溉引起的,Hg是各種途徑都有.另外城市生活垃圾、車輛廢棄物、垃圾堆放場(chǎng)附近土壤中重金屬的含量都高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?如北京郊區(qū)某垃圾場(chǎng)周邊土壤中Cd含量是對(duì)照組的8倍.金屬礦山的開(kāi)采、有色金屬的冶煉排放的廢水、重金屬冶煉礦渣的堆放,工廠煙囪的排放物等,隨著降雨淋溶被帶入水環(huán)境或直接進(jìn)入土壤,都會(huì)成為土壤重金屬的來(lái)源.許多研究表明:隨著磷肥、復(fù)合肥的大量施用,土壤有效鎘的含量在不斷增加,作物吸收鎘量也相應(yīng)增加.據(jù)馬耀華等對(duì)上海地區(qū)菜園土研究發(fā)現(xiàn):施肥后,Cd的含量從0.1mgkg- 1上升到0.32mg kg- 1.魏秀國(guó)等人通過(guò)對(duì)廣州市蔬菜地土壤重金屬污染狀況調(diào)查及評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn):鉛污染最為普遍,其次是砷污染;就污染的程度而言,鎘污染最為嚴(yán)重,其次為砷7.2土壤重金屬污染的危害2.1對(duì)土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性的影響大多數(shù)重金屬在土壤中相對(duì)穩(wěn)定,一旦進(jìn)入土壤,很難在生物物質(zhì)循環(huán)和能量交換過(guò)程中分解,難以從土壤中遷出.從而對(duì)土壤的理化性質(zhì)、土壤生物特性和微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯不良影響,影響土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定.大量研究證明:重金屬污染的土壤,其微生物生物量比正常使用糞肥的土壤低得多,并且減少了土壤微生物群落的多樣性.藤應(yīng)8等在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)核酸快速提取系統(tǒng)提取了重金屬?gòu)?fù)合污染農(nóng)田的DNA并進(jìn)行分析,結(jié)果表明:重金屬?gòu)?fù)合污染導(dǎo)致了農(nóng)田土壤微生物在基因上的損傷,影響了農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)菌豐富度,改變了土壤環(huán)境的優(yōu)勢(shì)菌群,從而使農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣化發(fā)生變化,重金屬?gòu)?fù)合污染嚴(yán)重的農(nóng)田土壤DNA含量較低.2.2對(duì)植物的影響吸收到植物體內(nèi)的重金屬能誘導(dǎo)其體內(nèi)產(chǎn)生某些對(duì)酶和代謝具有毒害作用和不利影響的質(zhì),間接引起植物傷害.如某些重金屬脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)氧化氫、乙烯等類物質(zhì)對(duì)體內(nèi)代謝和酶活性的負(fù)效應(yīng),同時(shí)也能夠?qū)ζ鋷?lái)直接傷害.如鎘與巰基氨基酸和蛋白質(zhì)的結(jié)合引起氨基酸蛋白質(zhì)的失活,甚至導(dǎo)致植物的死亡9.重金屬的脅迫有時(shí)會(huì)引起大量營(yíng)養(yǎng)元素(N、P、K)的缺乏和有效性的降低,較高濃度的重金屬含量有抑制植物體對(duì)鈣、鎂等礦物質(zhì)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的能力.重金屬處理引起植物鐵含量的下降或缺乏,導(dǎo)致鐵參與生理過(guò)程的異常,呈現(xiàn)鐵缺乏癥狀.如較高濃度的鋅處理使大豆出現(xiàn)葉片失綠的毒害癥狀,在鐵供應(yīng)條件下葉片也不能復(fù)綠.經(jīng)過(guò)鎘處理的小麥幼苗葉和根的生長(zhǎng)明顯受到抑制,其莖和葉中富集的鎘量增加,鐵、鎂、鈣和鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的含量下降,重金屬也影響鈣離子在植物體內(nèi)的分配.研究證明:當(dāng)鎘超過(guò)一定濃度后對(duì)葉綠素有破壞作用,并促進(jìn)抗壞血酸分解,使游離脯氨酸積累,抑制硝酸還原酶活性10.土壤較高的鎳水平顯著抑制了小麥對(duì)氮的吸收,外界較高的鎘濃度也引起玉米植株磷濃度和吸收量的下降.劉秀梅等人在研究農(nóng)作物的分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn),高濃度的鉛嚴(yán)重阻礙作物的生理活動(dòng).研究發(fā)現(xiàn):Cr、Hg使小麥、玉米受到污染:Cr、Zn、Cu能引起水稻、蔬菜的污染.茂名市茂南污灌區(qū)由于Cd、Pb污染嚴(yán)重,每年有4萬(wàn)噸稻谷不能食用.土壤農(nóng)作物受Cd污染導(dǎo)致“鎘米”的地區(qū)還有上海的沙川灌區(qū)、廣東的廣州和韶關(guān)地區(qū),廣西的陽(yáng)朔、湖南的衡陽(yáng)等11.在我國(guó),由于重金屬污染而引起的糧食減產(chǎn)達(dá)1000萬(wàn)t/a,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100多億元12.2.3對(duì)人體健康的危害重金屬污染的土壤,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降,對(duì)人體健康造成很大傷害,尤其是區(qū)域性疾病的發(fā)生.據(jù)沈陽(yáng)市衛(wèi)生防疫站的調(diào)查結(jié)果表明:有30年污灌歷史的張士污灌區(qū),由于使用“鎘米”,人尿中Cd含量增高,風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、腎炎、潰瘍病平均死亡率均高于對(duì)照組,癌癥平均死亡率增加.Cd還影響酶的正?；顒?dòng),并可造成貧血、高血壓、骨痛病等疾病,其危害可達(dá)幾十年.陜西省華縣龍嶺村,面粉中鎘的含量超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1.6倍,鉛超標(biāo)2.98倍;芹菜中Hg、Cd、Pb、Cr、As全部超標(biāo),其中汞超標(biāo)16倍,鉛83.5倍,屬于嚴(yán)重污染和特級(jí)污染,現(xiàn)已成為一個(gè)“癌癥村”,經(jīng)查明:鉛、砷污染是致癌的主要原因.曾昭華、曾雪萍研究了癌癥與土壤環(huán)境中Sn元素的關(guān)系13發(fā)現(xiàn):癌的產(chǎn)生和發(fā)展與土壤環(huán)境中錫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),居住在錫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的地區(qū)的人群,食管癌、宮頸癌死亡率一般較低,而肝癌、鼻咽癌死亡率較高,反之亦然.通過(guò)對(duì)河南、山西等地的食道癌發(fā)病區(qū)研究表明:病區(qū)土壤中Cu、Zn、V、Zr等元素含量高.砷化物被廣泛用作殺蟲(chóng)劑和除草劑,通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古、山西等地砷中毒與環(huán)境關(guān)系的研究14,證明自然和人為作用能將環(huán)境中砷釋放出來(lái)提高水的毒性,加劇砷中毒的發(fā)生并導(dǎo)致癌癥發(fā)生.As可引起皮膚癌、膀胱、肝臟、腎、肺和前列腺以及冠狀動(dòng)脈疾病和所謂黑足病等慢性腎中毒.3 土壤重金屬污染的修復(fù)土壤污染的修復(fù)途徑包括物理、化學(xué)和生物學(xué)措施,其中物理和化學(xué)措施主要是通過(guò)改變重金屬在土壤中的存在狀態(tài),使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài),從而減小其毒害作用.或是將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ?使其保留濃度接近或達(dá)到背景值21.當(dāng)前世界各國(guó)很重視對(duì)重金屬污染治理方法的研究,國(guó)內(nèi)外專家曾采用深耕法、排土法、客土法、熱解吸法、電化學(xué)法、化學(xué)沖洗法、熱處理法、非毒性化改良劑法等來(lái)解決土壤重金屬污染問(wèn)題,但由于各方法都有一定的局限性,所以都沒(méi)有成為理想的修復(fù)措施15- 16.近年來(lái),土壤修復(fù)中生物學(xué)措施最受關(guān)注.3.1生物修復(fù)技術(shù)3.1.1植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)就是利用植物吸收、富集、降解或固定土壤中重金屬離子或其他污染物,以實(shí)現(xiàn)消除或降低污染程度,修復(fù)環(huán)境的綜合環(huán)境生物技術(shù)17.主要包括植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定18和植物促進(jìn)等修復(fù)技術(shù).有關(guān)植物提取的報(bào)道最多,通過(guò)植物提取修復(fù)重金屬污染土壤的基礎(chǔ)是超累積植物,目前已發(fā)現(xiàn)400多種,積累Pb、Cu、Ni、Hg、Cr、Co的含量一般在0.1%以上,Mn、Zn含量一般在1%以上19.國(guó)內(nèi)大量的研究表明:不同蔬菜對(duì)不同重金屬污染土壤有很大差異20- 22.已有報(bào)道紫花苜蓿對(duì)鎳和銅離子具有較高的富集作用;葉春和的研究表明:紫花苜蓿對(duì)鉛也具有較高的富集能力.紙皮樺、加拿大楊23、紅樹(shù)對(duì)土壤中汞的吸收、儲(chǔ)存能力強(qiáng),苧麻是較強(qiáng)的吸鎘耐鎘植物.林匡飛在苧麻吸鎘特征及鎘土的改良試驗(yàn)中得出,在含鎘100 mg/kg的土壤上改種苧麻,5年后,土壤鎘平均降低26.7%.龍育堂對(duì)非食用經(jīng)濟(jì)作物苧麻凈化土壤中的汞的效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為130.0 mg/kg的土壤中苧麻仍能正常生活,屬耐汞植物.據(jù)測(cè)算,其種植會(huì)使土壤的凈化限縮短8.5倍,該技術(shù)不僅可去除汞,還可美化環(huán)境,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益24.植物促進(jìn)是根據(jù)重金屬的螯合原理,向土壤中施加螯合劑如EDTA、DTPA、EGTA、檸檬酸等活化土壤中的重金屬,增加重金屬的生物有效性,提高富集植物對(duì)重金屬的積累,促進(jìn)植物的吸收,是植物修復(fù)發(fā)展的一個(gè)新方向25.因?yàn)橹参镄迯?fù)主要是通過(guò)收割地上部分進(jìn)行的,施加螯合劑提高了某些植物對(duì)重金屬的吸收,促進(jìn)了重金屬向地上部分的轉(zhuǎn)移,因而對(duì)植物修復(fù)的成功非常有利.研究發(fā)現(xiàn)向鉛污染土壤中加入EDTA(1.0 g/kg)后24 h,Pb從根向枝干部分的凈轉(zhuǎn)移提高了120倍.中國(guó)科技工作者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了砷超富集植物蜈蚣草、大葉井口邊草以及鋅、鎘等超富集植物26.很多研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜可吸收Pb、Zn、Cu、Cd等,在Cu為250 mg/kg、Pb為500 mg/kg、Zn為500 mg/kg條件下能生長(zhǎng),在Cd為200 mg/kg出現(xiàn)黃化現(xiàn)象27.利用超積累植物修復(fù)重金屬污染的土壤是一項(xiàng)綠色廉潔的污染治理方法,具有很大的開(kāi)發(fā)利用前景.3.2微生物修復(fù)利用微生物的生物活性對(duì)重金屬的親和吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物從而降低重金屬污染程度.由于微生物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的親和吸附能力,有毒金屬離子可以沉積在細(xì)胞的不同部位或結(jié)合到胞外基質(zhì)上,或被輕度螯合在可溶性或不溶性生物多聚體上,一些微生物如動(dòng)膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸還原菌以及某些藻類,能夠產(chǎn)生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等,它們具有大量的陰離子基團(tuán),與重金屬離子形成絡(luò)合物.李志超發(fā)現(xiàn)有些微生物能把劇毒的甲基汞降解為毒性較低的無(wú)機(jī)汞.近年來(lái)微生物生物技術(shù)己逐步應(yīng)用于凈化污染土壤,通常采用新的原位處理、反應(yīng)器或土壤填埋對(duì)污染土壤進(jìn)行生物修復(fù),在重金屬污染土壤中加入真養(yǎng)產(chǎn)堿菌株使得土壤水懸浮液得到凈化.一些微生物可對(duì)重金屬進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,其主要作用機(jī)理是微生物能夠通過(guò)氧化還原、甲基化和去甲基化作用轉(zhuǎn)化重金屬,改變其毒性,從而形成了某些微生物對(duì)重金屬的解毒機(jī)制.有人以硒的生物甲基化作為基礎(chǔ)進(jìn)行原位生物修復(fù),通過(guò)耕作、優(yōu)化管理、施加添加劑來(lái)加速硒生物甲基化,使其揮發(fā)來(lái)降低毒性28.4展望解決重金屬元素污染首先從源頭控制污染,同時(shí)加強(qiáng)重金屬元素生態(tài)化學(xué)行為和修復(fù)技術(shù)