土壤重金屬污染修復(fù)

1、土壤重金屬污染修復(fù)1概述土壤是植物生長(zhǎng)的基質(zhì), 主要指陸地地表具有肥力并能生長(zhǎng)植物的疏松表層。它介于大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈之間, 是環(huán)境中特有的組成部分, 是動(dòng)物和人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ), 因此, 土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人來(lái)的生產(chǎn)、生活和發(fā)展。我國(guó)人多地少、土地資源短缺、人地矛盾突出, 而工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和礦產(chǎn)品的開(kāi)發(fā), 土壤中重金屬含量逐年增加, 其造成的污染也日益嚴(yán)重。防治土壤污染, 保護(hù)有限的土壤資源, 已成為突出的全球性問(wèn)題。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性, 污染物在土壤中的滯留時(shí)間長(zhǎng), 植物或微生物不能降解, 重金屬污染不僅導(dǎo)致土壤的退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低, 而且可

2、能通過(guò)直接接觸、食物鏈危及人類的生命和健康。因此, 修復(fù)重金屬污染土壤, 恢復(fù)土壤原有功能, 一直是國(guó)際上的難點(diǎn)和熱點(diǎn)研究課題。2修復(fù)途徑目前, 重金屬污染的修復(fù)主要有兩種途徑: 改變重金屬的存在狀態(tài), 降低其活性, 使其鈍化, 脫離食物鏈, 減小其毒性。利用特殊植物吸收土壤中的重金屬, 然后將該植物除去, 或用工程技術(shù)將重金屬變?yōu)榭扇軕B(tài)、游離態(tài), 再經(jīng)過(guò)淋洗, 然后收集淋洗液中的重金屬, 從而達(dá)到回收重金屬和減少土壤中重金屬的雙重目的國(guó)內(nèi)外采用的方法一般可分為工程措施、農(nóng)業(yè)措施、改良措施和生物措施。文章就近年來(lái)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)用性及其發(fā)展趨勢(shì)作一簡(jiǎn)述, 以便于今后的研

3、究。2.1改良措施改良措施就是施用改良劑、抑制劑等能有效地降低重金屬的水溶性、擴(kuò)散性和生物有效性, 從而降低它們進(jìn)入植物體、微生物體和水體的能力, 減輕它們對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害。當(dāng)前采用的改良措施有固化法、拮抗作用、添加還原性有機(jī)物質(zhì)等。所謂固化就是加入土壤添加劑( 固化劑) 改變土壤的理化性質(zhì), 通過(guò)重金屬的吸附或共沉淀作用改變其在土壤中的存在形態(tài), 從而降低其生物有效性和遷移性。重金屬在土壤中的可移動(dòng)性是決定其生物有效性的一個(gè)重要因素, 而移動(dòng)性取決于其在土壤中的存在形態(tài), 土壤的理化性質(zhì)如有機(jī)質(zhì)含量、礦物組成、pH值和Eh 值均可影響重金屬的形態(tài)及各種形態(tài)之問(wèn)的轉(zhuǎn)化, 通過(guò)改變這些參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)

4、重金屬在土壤中的移動(dòng)性固化方法就是加人土壤添加劑( 固化劑) 改變土壤的理化性質(zhì), 通過(guò)重金屬的吸附或( 共) 沉淀作用來(lái)降低其生物有救性污染土壤中的毒害重金屬被固定后,不僅可減少向土壤深層和地下水遷移, 而且有可能重建植被。然而固化方法并不是一個(gè)永久性的措施。2.2生物修復(fù)( bioremediation) 是指利用微生物或植物的生命代謝活動(dòng), 將土壤環(huán)境中的危害性污染物降解成二氧化碳和水或其他無(wú)公害物質(zhì)的工程技術(shù)。目前對(duì)于這一措施的修復(fù)技術(shù)主要有植物修復(fù)和微生物修復(fù)兩種。植物修復(fù)是利用植物及其根系微生物對(duì)污染壤、沉積物、地下水和地表水中的污染物進(jìn)行的清除技術(shù), 是一種有效的生物技術(shù)。對(duì)重金

5、屬污染土壤的植物修復(fù), 具有廉價(jià)、就地、土壤免遭擾動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。重金屬超積累植物, 雖然早有發(fā)現(xiàn)但是作為一種技術(shù)對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù), 是近20年來(lái)新興的研究領(lǐng)域。美國(guó)農(nóng)業(yè)部的、英國(guó)大學(xué)的、新西蘭大學(xué)的和他們的同事及其他一些科學(xué)家開(kāi)拓和積極倡導(dǎo)的重金屬污染土壤的植物修復(fù), 是備受推崇的技術(shù), 并且可望逐步實(shí)現(xiàn)商化。例如, 在巴西還有利用鎳的超富集植物進(jìn)行小規(guī)模植物冶金, 其效益比種植大豆要好很多。有些微生物具有嗜重金屬性, 這種高積累的特性是由于自身的基因類型, 也可能與根際的微植物群落有關(guān)。它們利用微生物對(duì)重金屬污染介質(zhì)進(jìn)行凈化。在水體污染中被證明是一種很好的方法。如果用于土壤環(huán)境的處理, 可能是

6、一種行之有效的方法, 目前已進(jìn)行了積極研究。據(jù)報(bào)道, 日本發(fā)現(xiàn)一種嗜重金屬菌, 能有效的吸收土壤中的重金屬, 但存在著土壤與細(xì)菌分離的難題。如果得到妥善的解決, 將是一種很有發(fā)展前景的處理方法。3應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景微生物降解有機(jī)污染物的技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用已有幾十年的歷史，而將微生物降解技術(shù)有意識(shí)地大規(guī)模地應(yīng)用于受污染的土壤治理僅僅是十幾年的事。美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究，并完成了一些實(shí)際的處理工程，結(jié)果表明這種技術(shù)是有效的、可行的。國(guó)外在利用微生物修復(fù)技術(shù)清除土壤中石油等有機(jī)污染物的應(yīng)用實(shí)例較多。美國(guó)猶他洲某空軍基地對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)油污染的土壤采用原位生物降解的方法，通

7、過(guò)噴濕土壤，使土壤濕度保持在8 一12范圍內(nèi)，同時(shí)添加N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并在污染區(qū)打豎井抽風(fēng)，以促進(jìn)空氣流動(dòng)，增加氧氣的供應(yīng)。經(jīng)過(guò)l3個(gè)月后，土壤中平均油含量下降了90 。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，科威特被破壞的油田流出的原油造成非常多油污染土壤，使20的國(guó)土受到了污染。日本大林組公司1994年開(kāi)始赴科威特，與該國(guó)科研人員一起進(jìn)行生物凈化修復(fù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。向含油2 一40 的土壤中添加氮、磷等微生物營(yíng)養(yǎng)要素及木屑等添加物，通過(guò)采取土地耕耘、大面積翻地、大面積強(qiáng)制通風(fēng)等方法，并同時(shí)適當(dāng)管理土壤的水分和氧氣，經(jīng)過(guò)15個(gè)月的處理，取得了良好效果，采用耕耘法，可使土壤中所含油分分解85 ，其它兩種方法也可分解75%

8、。重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用雖然有了一定的發(fā)展, 但仍處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段, 還有一些理論和技術(shù)問(wèn)題需要突破。在各種修復(fù)技術(shù)中, 物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)雖然效果很好, 但是費(fèi)用昂貴、工程量大。在中國(guó), 重金屬污染土壤的修復(fù), 在過(guò)去20 年中, 得到了很大的重視, 政府也在積極著手制定策略以修復(fù)污染土壤, 可是由于修復(fù)的費(fèi)用比較昂貴, 難以應(yīng)用于大規(guī)模污染土壤的改良。而且常常導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞、生物活性下降和肥力退化, 以及在實(shí)施時(shí)存在著這樣或那樣的缺點(diǎn)及條件限制。從而, 當(dāng)前迫切需要開(kāi)展土壤學(xué)、遺傳學(xué)、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境和生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的緊密合作, 研究和開(kāi)發(fā)修復(fù)的應(yīng)用技術(shù), 從

9、而加快重金屬污染土壤修復(fù)的步伐。目前利用微生物處理污染土壤的研究方向主要集中在如下幾個(gè)方面：高效降解菌株的篩選和基因T程菌的開(kāi)發(fā)；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)添加；擬降解對(duì)象的物理化學(xué)性質(zhì)等研究。3.1 高效降解菌株的篩選和基因工程菌的開(kāi)發(fā) 土著微生物雖然在土壤中廣泛地存在，但其生長(zhǎng)速度較慢，代謝活性不高，或者由于污染物的存在造成土著微生物的數(shù)量下降，致使降解污染物的能力降低，因此有時(shí)需要在污染土壤中接種一些降解污染物的高效菌，以縮短修復(fù)時(shí)間。如在實(shí)驗(yàn)室條件下，30時(shí)每g土壤接種106個(gè)五氯酚(PCP)降解菌，可以使PCP的半衰期從2周降低到1d。近年來(lái)，采用生物遺傳工程的手段研究和構(gòu)建高效的基因丁程菌引起了人們

10、的普遍關(guān)注。具體技術(shù)包括：組建帶有多個(gè)質(zhì)粒的新菌株、降解性質(zhì)粒DNA的體外重組、質(zhì)粒分子育種和原生質(zhì)體融合技術(shù)等。采用這些技術(shù)可將多種降解基因轉(zhuǎn)入同一微生物中，使其獲得廣譜的降解能力。例如將甲苯降解基因Peseudomonas putida轉(zhuǎn)移給其他微生物，從而使受體菌在0 時(shí)也能降解甲苯，這比簡(jiǎn)單地接種特定的微生物、使之艱難而又不一定成功地適應(yīng)外界環(huán)境要有效得多。盡管利用遺傳工程提高微生物降解能力的工作已取得了良好的效果，但是目前在美國(guó)、日本和其他大多數(shù)國(guó)家對(duì)工程菌的實(shí)際應(yīng)用有嚴(yán)格的立法限制。從科學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，決定是否將一種微生物施于環(huán)境主要應(yīng)基于該微生物的生物特性(如致病性等)，而不是看它

11、究竟是如何得來(lái)的，過(guò)分嚴(yán)格的立法和不切實(shí)際的宣傳會(huì)阻礙現(xiàn)代環(huán)境微生物技術(shù)在污染治理中的推廣應(yīng)用，因而不應(yīng)放棄微生物遺傳工程這一20世紀(jì)輝煌的科學(xué)成就，而應(yīng)謹(jǐn)慎地、實(shí)事求是地進(jìn)行研究，并將這一成就應(yīng)用于環(huán)境污染的治理中，以改善生態(tài)環(huán)境和造福人類。3.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加在土壤中，氮、磷都是微生物活動(dòng)的重要條件，為了達(dá)到對(duì)污染物的完全降解，適當(dāng)添加營(yíng)養(yǎng)物是非常必要的。為了達(dá)到良好的降解效果，必須在添加營(yíng)養(yǎng)鹽之前確定營(yíng)養(yǎng)鹽的形式、合適的濃度及比例。目前已經(jīng)使用的營(yíng)養(yǎng)鹽類型很多，如銨鹽、正磷酸鹽或聚磷酸鹽、尿素和釀造酵母廢液等。雖然可以在理論上估算N、P的需要量，但一些污染物的降解速度太慢，且不同地點(diǎn)N、P的可得性變動(dòng)很大，計(jì)算值與實(shí)際值會(huì)有較大的偏差。目前一些外國(guó)商業(yè)公司對(duì)特定的應(yīng)用環(huán)境開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的強(qiáng)化生物修復(fù)的肥料，如用石蠟包埋的尿素或正磷酸鹽，這種配方的營(yíng)養(yǎng)物可以溶于油相，緩慢釋放，對(duì)于處理石油類污染物效果顯著。33 擬降解對(duì)象的物理化學(xué)性質(zhì) 了解污染物的類型(酸性、堿性或中性，極性或非極性，氧化性或還原性)、污染物的物理性質(zhì)(分子量、熔點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和水溶性、脂溶性等)、化學(xué)反應(yīng)性(氧