第三章重金屬污染及其生態(tài)效應ppt課件

1、第三章 重金屬污染及其生態(tài)效應 一、土壤的重金屬污染及危害 土壤本身均含有一定量的重金屬元素，其中有些是作物生長所需求的微量元素，如Zn、Cu、Mo、Fe、Mn、Co等，而有些重金屬如Cd、As、Hg等對植物生長是不利的。重金屬污染：含量背景值最引人留意的是汞、鎘、 鉻、鉛、砷五毒。重金屬污染的特點：1耐久性； 2生物富集來源：天然、人為大氣沉降、污灌、采礦和冶煉、農(nóng)藥和化肥土壤重金屬污染的危害主要表如今以下幾個方面：(1)影響植物生長。(2)影響土壤生物群的變化及物質(zhì)的轉化。 重金屬離子對微生物的毒性順序為：HgCdCrPbCoCu，其中Hg2+、Ag+對微生物的毒性最強。(3)影響人體安康

2、 (a)經(jīng)過揮發(fā)作用進入大氣 (b)受水特別是酸雨的淋溶或地表徑流作用，重金屬進入地表水和地下水，影響水生生物 。(c)植物吸收并積累土壤中的重金屬，經(jīng)過食物鏈進入人體。 影響土壤中重金屬活性或生態(tài)效應的要素：存在形狀土壤膠體的吸附：有機、無機配合物土壤酸堿度 微生物作用：構成金屬有機化合物二、土壤中重金屬的遷移和存在形狀1. 影響重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移的要素土壤理化性質(zhì): pH ,土壤質(zhì)地,土壤的氧化復原電位 , 土壤中有機質(zhì)含量 、陽離子交換量CEC)重金屬的種類、濃度及存在形狀植物的種類、生長發(fā)育期復合污染施肥CdAs易被植物吸收，CuMnSeZn等次之，CoPbNi等難于被吸收

3、，Cr極難被吸收。2.重金屬形狀定義：重金屬形狀是指重金屬的價態(tài)、化合態(tài)、結合態(tài)和結 構態(tài)4個方面。即某一重金屬元素在環(huán)境中以某種離子或分子存在的實踐方式。元素活動性、遷移途徑、生物有效性及毒性等主要取決于其形狀而不是總量。形狀分析：化學形狀分析、物理形狀分析化學形狀分析法-順序提取法：采用適當?shù)幕瘜W浸提劑有選擇性地將與土壤固相結合的不同形狀的重金屬浸提出來 。單獨提取法 ：單一形狀。適用于當重金屬含量大大超越地球背景值時的污染調(diào)查。 延續(xù)分級提取法 ：多種形狀 。有代表性的延續(xù)分級提取法：Tessier法：將堆積物或土壤中金屬元素的形狀分為可酸溶/可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有

4、機物和硫化物結合態(tài)、殘渣態(tài)5種形狀。 BCR法歐盟提出 ：3種形狀，弱酸提取態(tài)可酸溶/可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、可復原態(tài)鐵錳氧化物結合態(tài)、可氧化態(tài)有機物和硫化物結合態(tài)、殘渣態(tài)目前常采用兩種方法進展土壤中重金屬的生物有效性研討，即測定土壤中重金屬的存在形狀，或測定在此土壤上生長的植物中的金屬含量，并尋覓這兩者之間的相關性。重金屬不能被微生物所降解，同時由于膠體對重金屬離子有劇烈的吸附作用等，使其不易遷移。因此，土壤一旦蒙受重金屬污染，就很難予以徹底消除。土壤是重金屬污染的匯，故應積極防治土壤的重金屬污染。 耕作層030cm土壤中殘渣態(tài)的Cu明顯多于其他形狀的Cu，約占總量的80%，各形狀的Cu含量

5、大小順序為殘渣態(tài)可氧化態(tài)可復原態(tài)酸溶/可交換態(tài)。實驗所用堆肥污泥呈酸性，有機質(zhì)含量是土壤的40多倍，且其中的Cu含量低于農(nóng)用污泥中Cu的限制規(guī)范500 mg/kg，適宜農(nóng)用。污泥中Cu的形狀以殘渣態(tài)及可氧化態(tài)為主，兩者之和占總量的92.8%，可酸溶/可交換態(tài)及可復原態(tài)Cu所占比例較少。論文舉例：污泥土地利用中重金屬的環(huán)境效應研討小白菜中Cu的含量與施泥量呈顯著的正相關，且不同部位對Cu的吸收有所差別。Cu在小白菜中的富集為根部大于莖葉，這能夠與根系和Cu離子直接接觸有關。由此可見，在利用污泥堆肥時最好避開利用根部的植物。1經(jīng)過短期及中期淋溶后發(fā)現(xiàn)，污泥土地利用會添加土壤中的Cu含量，但主要集中

6、在上層土壤中；而長期淋溶后，各層土壤中的相對Cu含量有了明顯的添加，如長期施用污泥，那么Cu在土壤中的積累是一個需求思索的重要問題。2添加堆肥污泥后耕作層土壤中Cu的形狀百分含量也發(fā)生了變化，但依然以殘渣態(tài)為主，占50%以上；易被植物利用的酸溶/可交換態(tài)和可復原態(tài)Cu有了明顯的添加，且越接近污泥的土層增幅越大。3與去離子水相比，酸雨作用會促使污泥中Cu離子淋溶強度的添加,并能促使土壤中易遷移態(tài)Cu的百分含量有所添加，在一定程度上加強了Cu污染土壤及地下水的風險。因此在進展堆肥污泥對土地利用后Cu的遷移性風險評價時,不僅要思索土壤的性質(zhì),還應充分思索外界條件變化所引起的土壤中Cu性質(zhì)的改動。4經(jīng)

7、過淋溶可以發(fā)現(xiàn)，污泥中Cu的釋放分為兩個階段：前期穩(wěn)定性較差的酸溶/可交換態(tài)易隨淋溶液進入土壤中，后期可復原態(tài)、可氧化態(tài)甚至殘渣態(tài)Cu開場緩慢的釋放出來，并在土壤中進展遷移轉化的過程。5經(jīng)過長期的淋溶實驗可以看出，只需很小部分的Cu隨淋溶液淋出，且隨淋溶時間的延伸，淋出液中Cu的含量有逐漸降低且趨于平緩的趨勢。淋出液中Cu的含量0.08mg/l，遠低于地下水類規(guī)范及生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范中Cu的限制目的1.0mg/l，因此污泥農(nóng)用后Cu對地下水的污染風險較小。三、五種重金屬在土壤中的遷移轉化及其生物效應 1.鎘 來源：土壤中鎘污染主要來自礦山、冶煉、污灌及污泥的施用。鎘還可伴隨磷礦渣和過磷酸鈣的運

8、用而進入土壤。在風力作用下，工業(yè)廢氣中鎘分散并沉降至土壤中。交通忙碌的路邊土壤常發(fā)現(xiàn)有鎘污染。遷移轉化：土壤中的鎘可被膠體吸附。被吸附的鎘普通在015 cm的土壤表層累積，15 cm以下含量顯著減少。大多數(shù)土壤對鎘的吸附率在80%90%。土壤對鎘的吸附同pH值呈正相關；被吸附的鎘可被水所溶出而遷移，pH越低，鎘的溶出率越大。如pH 4時，鎘的溶出率超越50%；pH 7.5時，鎘很難溶出。 水稻田在淹水條件下，構成了復原性環(huán)境，鎘主要以CdS方式存在，抑制了Cd2+的遷移，難以被植物所吸收。當排水時呵斥氧化淋溶環(huán)境，S2-氧化或SO42-，引起pH降低，鎘溶解在土壤中，易被植物吸收。土壤中PO4

9、3-等離子均能影響鎘的遷移轉化；如Cd2+和PO43-構成難溶Cd3(PO4)2，不易被植物所吸收。因此，土壤的鎘污染，可施用石灰和磷肥，調(diào)理土壤pH至5.0以上，以抑制鎘害。生物效應：鎘是危害植物生長的有毒元素。植物對鎘的吸收與累積取決于土壤中鎘的含量和形狀、鎘在土壤中的活性及植物的種類。例如，水稻對三種無機鎘化合物吸收累積的順序為：CdCl2CdSO4CdS。 吸收量依次是玉米小麥水稻大豆 同一作物，其含量普通為：根莖葉籽實。 鎘對作物的危害，在較低濃度時，雖在外觀上無明顯的病癥，但經(jīng)過食物鏈可危及人類安康。 八大公害之一：日本痛痛病事件1955-1972年 ：日本富山縣居民食含鎘稻米和飲

10、用含鎘水而中毒。中毒情況：開場關節(jié)痛，最后骨骼軟化萎縮，自然骨折，患者280人，死亡34人2.鉛來源：土壤的鉛污染主要由汽油熄滅和冶煉煙塵的沉降、降水及礦山、冶煉廢水污灌引起。因此，城市和礦山、冶煉廠附近的土壤含鉛量比較高。汽車尾氣呵斥的鉛污染主要集中在大城市和公路兩側。 遷移轉化：進入土壤的Pb2+容易被有機質(zhì)和黏土礦物所吸附。不同土壤對鉛的吸附才干如下：黑土(771.6 g/g)褐土(770.9 g/g)紅壤(425.0 g/g)；腐殖質(zhì)對鉛的吸附才干明顯高于黏土礦物。鉛也和配位體構成穩(wěn)定的金屬配合物和螯合物。土壤中鉛主要以Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4固體方式存在。而在土壤溶液中

11、可溶性鉛的含量很低，故土壤中鉛的遷移才干較弱，生物有效性較低。當土壤pH降低時，部分被吸附的鉛可以釋放出來，使鉛的遷移才干提高，生物有效性添加。在酸性土壤中，植物對鉛的吸收累積大于在堿性土壤中。 生物效應：鉛不是植物生長發(fā)育的必需元素。鉛進入植物的過程主要是非代謝性的被動進入植物根內(nèi)。 普通情況下，土壤含鉛量增高會引起作物產(chǎn)量下降；在嚴重污染地域，能使植物的覆蓋面大大減少；在另一些情況下，生長在嚴重污染地域的植物，往往具有耐高濃度鉛的才干。 攝取5mg/kg體重的鉛即可引起人的急性中毒。攝入的鉛經(jīng)消化道吸收后，可在人體內(nèi)蓄積。90%的鉛以不溶性的磷酸三鉛的方式存在于骨骼中，少量蓄積在肝、腦、腎

12、和血液中，鉛可以對造血系統(tǒng)呵斥危害，引起貧血和溶血。長期攝入鉛后，可引起慢性鉛中毒腎病。兒童對鉛有其特殊的易感性 3.鉻來源： 鉻礦石加工、電鍍、皮革加工、印染等行業(yè)。遷移轉化：土壤中鉻以四種形狀存在，即三價鉻離子Cr3+、CrO2-及六價陰離子CrO42-和Cr2O72-，其中三價鉻穩(wěn)定。土壤中可溶性鉻只占總鉻量的0.01%0.4%。 鉻的遷移轉化與土壤的pH、氧化復原電位、有機質(zhì)含量等要素有關。 土壤吸附和pH影響：三價鉻進入土壤后，90%以上迅速被土壤吸附固定，以鉻和鐵氫氧化物的混合物或被封鎖在鐵的氧化物中，故土壤中三價鉻難以遷移。六價鉻進入土壤后大部分游離在土壤溶液中，僅有8.5%36

13、.2%被土壤膠體吸附固定。土壤溶液中，三價鉻的溶解度取決于pH。當pH大于4時，三價鉻溶解度降低；當pH 5.5時，全部沉淀；在堿性溶液中構成鉻的多羥基化合物。此外，在pH較低時，鉻能構成有機配合物，遷移才干加強。土壤有機質(zhì)影響：在土壤常見的pH和pE范圍內(nèi)，Cr()可被有機質(zhì)等迅速復原為Cr()。 當含鉻廢水進入農(nóng)田時，其中的Cr()被土壤膠體吸附固定；Cr迅速被有機質(zhì)復原成Cr()，再被土壤膠體吸附；導致鉻的遷移才干及生物有效性降低，同時使鉻在土壤中積累起來。然而，在一定條件下，Cr可轉化為Cr()；如pH 6.58.5時，土壤中的Cr()能被氧化為Cr()， 土壤中有機質(zhì)越多，負電性越強

14、，對六價鉻陰離子的吸附力就越弱。 生物效應：微量元素鉻是植物所必需的。植物短少鉻就會影響其正常發(fā)育，低濃度的鉻對植物生長有刺激作用，但植物體內(nèi)累積過量鉻又會引起毒害作用，直接或間接地給人類安康帶來危害。 Cr也是人體必需的微量元素。但Cr具有強毒性，致癌物，毒性比 Cr大100倍?？偟恼f來，鉻對植物生長的抑制造用較弱，其緣由是鉻在植物體內(nèi)遷移性很低。鉻是金屬元素中最難被吸收的元素之一。鉻容易從排泄系統(tǒng)排出體外，與其他毒性強的重金屬相比，危害性相對小一些。4. 砷土壤中砷以三價或五價形狀存在，其存在形狀可分為可溶性砷，吸附、交換態(tài)砷及難溶態(tài)砷?？扇苄陨橹饕獮锳sO43- 、 AsO33-等陰離子

15、，普通只占總砷量的5%10%。 來源：來自采礦、冶金、化工、化學制藥、農(nóng)藥消費、玻璃、制革等。遷移轉化：土壤中砷的遷移轉化與其中鐵、鋁、鈣、鎂及磷的含量有關，還和土壤pH、氧化復原電位、微生物的作用有關。土壤膠體對AsO43-和AsO33-有吸附作用。如帶正電荷的氫氧化鐵、氫氧化鋁和鋁硅酸鹽黏土礦物外表的鋁離子都可吸附含砷的陰離子，但有機膠體對砷無明顯的吸附作用。 砷可以和鐵、鋁、鈣、鎂等離子構成難溶的砷化合物，還可以和無定形的鐵、鋁等氫氧化物產(chǎn)生共沉淀，故砷可被土壤中的鐵、鋁、鈣及鎂等所固定，使之難以遷移。土壤中吸附態(tài)砷可轉化為溶解態(tài)的砷化物，這個過程與土壤pH和氧化復原條件有關。如土壤pE

16、降低，pH值升高，砷溶解度顯著添加。 由于AsO43-比AsO33-容易被土壤吸附固定，假設土壤中砷以AsO33-形狀存在,砷的溶解度相對添加。土壤中AsO43-與AsO33-之間的轉化取決于氧化復原條件。旱地土壤處于氧化形狀， AsO33-可氧化成AsO43- ；而水田土壤處于復原形狀，大部分砷以AsO33-形狀存在，砷的溶解度及有效性相對添加，砷害也就添加。此外， AsO33-對作物的危害比AsO43-更大。砷與鎘、鉻等的性質(zhì)相反；當土壤處于氧化形狀時，它的危害比較??；當土壤處于淹水復原形狀時， AsO43-復原為AsO33- ，加重了砷對植物的危害。 生物效應：單質(zhì)砷毒性極低，而砷的化合物均有毒性，三價砷化合物比五價砷化合物毒性更強，砷不是植物必需的元素。低濃度砷對許多植物生長有刺激作用，高濃度砷那么有危害作用。砷中毒可妨礙作物的生長發(fā)育。 作物對砷的吸收累積與土壤含砷量有關，不同植物吸收累積砷的才干有很大的差別，植物的不同部位吸收累積的砷量也是不同的。砷進入植物的途徑主要是根、葉吸收。長期接觸無機砷對人和動物體內(nèi)的許多器官產(chǎn)生影響。 5. 汞存在形狀：汞以金屬汞、無機汞、有機汞三種方式存在。分布：自然界的濃度不大，但分布廣。隨著工業(yè)