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探讨土壤重金属危害及修复措施

关注:日期:2018-03-07

摘要:土壤重金属污染问题日益受到人们的关注。从土壤重金属污染的内涵及特点出发,阐述了土壤重金属污染对植物、土壤动物、土壤酶以及通过食物链对人类的危害。在此基础上,对土壤重金属污染的修复措施进行了概述,主要包括物理修复、化学修复、植物修复及微生物修复等。可以预料,土壤重金属污染修复将向着植物修复和微生物修复的方向发展,并且多种修复方法的综合使用将受到越来越多的重视。

关键词:土壤;重金属污染;修复

1 土壤重金属污染的内涵及特点

土壤重金属污染是指土壤中重金属元素含量明显高于其自然背景值,并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。重金属元素在化学中一般定义为相对密度等于或大于5.0的金属,包括Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45种元素。As是一种类金属,但由于其很多性质和环境行为都与重金属元素类似,所以也将它归入重金属元素。一般来说,引起土壤重金属污染的元素主要包括Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8种元素。土壤重金属污染的危害不仅仅取决于重金属在土壤中的总量,还取决于其存在形态和各形态所占的比例,其中重金属元素以水溶态、交换态的活性毒性最大,残存态的活性毒性最小。离子交换态的重金属在土壤环境中活性大毒性强,易被植物吸收,也易被植物吸附、淋失或发生反应转为其他形态。如Cr6+在土壤中很稳定,其毒害程度要比易被土壤吸附的Cr3+大100倍,甲基汞要比Hg的其它形态毒性要强。由于重金属元素本身所具有的特点和土壤环境的多介质、多界面、多组分以及非均一性等特点,决定了土壤重金属污染具有以下特点:隐蔽性和滞后性,不可逆性和长期性,区域性和严重性,治理难且周期长。由于重金属能进入所有生态系统中,释放到大气圈、陆地圈、生物圈和水圈,对植物、动物和人类产生严重问题,特别是重金属能在土壤和有机体中富集,在食物链中产生不可预见的结果。

2 土壤重金属污染危害

2.1 对植物的危害

土壤中的重金属会对植物产生一定的毒害作用,引起株高、主根长度、叶面积等一系列生理特征的改变。主要是因为吸收到植物体内的重金属能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的物质,如H2O2、C2H2等类物质。重金属的胁迫有时会引起大量营养的缺乏和酶有效性的降低,较高浓度的重金属含量有抑制植物体对Ca、Mg等矿物质元素的吸收和转运的能力。经过Cd处理的小麦幼苗叶和根的生长明显受到抑制,其茎和叶中富集的Cd量增加,Fe、Mg、Ca和K等营养元素的含量下降。对广州市农业用水的状况与蔬菜产品的质量进行了深入的分析研究,得出长期使用富含重金属的污水灌溉菜田,各种蔬菜都会受到不同程度的污染。土壤重金属污染影响植物生理生态过程、植物产量和品质,如广水城郊由于耕地土壤受到重金属污染,不同农作物中的Cu、Pb、Zn、Cd检测结果全部或部分重金属超标。重金属污染胁迫可以危害植物的根系,造成根系生理代谢失调,生长受到抑制,反过来,受害根系的吸收能力减弱,导致植物体营养亏缺。

2.2 对土壤动物的危害

随着各种重金属元素在土壤中的富集,对土壤动物的生存繁衍带来了严重威胁。研究了淮南市重金属污染对土壤动物群落和多样性影响,得出重金属污染不同程度地对土壤动物构成危害,土壤动物群落的组成与数量随着污染的加重而减少,在重污染的土壤中,优势类群与常见类群的种类明显减少;重金属对土壤动物群落的多样性指数、均匀性指数、密度类群指数都有减少的趋势。土壤重金属含量对蚯蚓、线虫等无脊椎动物数目、丰富度、生物数量和群体构成等有直接影响。袁方曜等对鲁中地区农田环境有害化学物质对蚯蚓群体构成的影响进行了调查,发现重金属污染农田蚯蚓种群的多样性指数为1.5835,而在相比较的普通潮土农田中为2.2262,说明重金属污染农田蚯蚓种群多样性水平已显著下降。Van-deeeleBart等调查了疏浚底泥土壤的蚯蚓数和移植率,将调查结果与冲积平原土壤进行比较,发现沙质平原土壤蚯蚓数量明显高于受重金属污染的疏浚底泥土壤的蚯蚓数。

2.3 对土壤酶的危害

土壤酶是一种生物催化剂,是反映土壤肥力的一个敏感性生物指标,更能直接反映土壤生物化学过程的强度和方向。由于土壤酶活性易受土壤物理性质、化学性质和生物活性的影响,环境污染对土壤酶活性影响较大,可在一定程度上灵敏地反映出土壤的环境状况。刘树庆应用一元线性与非线性回归拟合寻优模型,研究了保定市污灌区土壤重金属Pb、Cd污染与土壤酶活性间关系,发现土壤脲酶和过氧化氢酶活性与土壤、Cd含量之间呈指数负相关。Hg对土壤中脲酶的抑制作用最为敏感,当土壤中脲酶明显减少时,可表明土壤Hg污染。邱莉萍通过室内盆栽实验,得出Cu、Zn、Cd元素都降低土壤中脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性。和文祥研究发现Hg、Cd对土壤脲酶活性具有显著的抑制作用,抑制幅度和强度分别以Hg、Cd和Hg为最大。土壤重金属元素对土壤的复合污染并不是各单元素污染的简单叠加,而是更为复杂。单元素处理Zn对土壤过氧化氢酶活性具有一定的抑制作用,Cd<10mg/kg时表现为激活作用,达50mg/kg时表现为抑制作用,Cd、Zn对土壤过氧化氢酶活性交互作用表现出协同抑制负效应特征。

2.4 对人体健康的危害

土壤尤其是表层土壤中的重金属极易进入人体,直接对人体健康造成威胁,当人体摄入或吸入过量的Cd,会引起身体各器官一系列的病变,可引发以骨矿密度降低和骨折发生机率增加为特征的骨效应。Pb能导致包括人类在内的各种生物的生殖功能下降、机体免疫力降低,当人体内血铅质量比达到600μg/g~800μg/g时会表现为头晕、头疼、记忆力减退和腹疼等一系列症状。长期食用含Cr的食物,人体会出现不同程度的皮肤和呼吸道系统病变,并且出现溃疡和炎症。长期吸入Ni可以引起鼻癌、肺癌,并且可以引起接触性皮炎、肺炎等病症。当金属Hg进入人体后,可与体内酶或蛋白质中许多带负电的基团如巯基等结合,使能量生成、蛋白质和核酸合成受到影响,从而影响细胞正常的功能和生长。研究得出,癌的产生和发展与土壤环境中Sn元素质量分数有关,居住在Sn元素质量分数高的地区的人群癌症死亡率较高。可见,土壤重金属污染对人体产生极大的危害。

3 土壤重金属污染的修复措施

3.1 物理修复

物理修复主要包括电动修复、电热修复和土壤淋洗三种修复技术。电动修复技术的原理类似于电池,在通电的情况下使得重金属离子定向移动,从而把它们从土壤中去除的技术。这种技术对土壤环境的要求比较高,难以广泛的、大规模的应用。电热修复技术是利用一些重金属在高温下快速挥发的特性,用高频电压加热土壤,重金属受热挥发,离开土壤以达到修复土壤重金属污染的目的。但是,在高温加热的同时也对土壤本身造成了严重的破坏。土壤淋洗是应用最早,也是应用最多、技术最成熟的物理修复方法。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去,再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。研究发现EDTA可明显降低土壤对Cu的吸收率与解吸率,其值与加入的EDTA量的对数呈显著负相关。此外,物理修复修复措施还包括固化/稳定化土壤修复技术、排土填埋法、稀释法。但是无论那种修复方法都不能很好的解决经济实用性和“二次破坏”、“二次污染”的问题。

3.2 化学固定修复

在土壤中,金属元素的溶解度和可迁移性较差,使得土壤中重金属更易被固定下来,因此重金属化学固定修复在污染土壤治理过程中有着不可替代的作用。通过向土壤中加入有机质、沸石、污泥、生物固体和磷酸盐等外源添加物,调节和改变重金属在土壤中的物理化学性质,使其产生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化还原等一系列反应,这种外源物质与土壤中金属离子结合后,极大地限制了其在土壤中的迁移性和被植物所吸收的可能性,从而减少这些重金属元素对动植物的毒性。不同金属离子的移动性不同,所以很难找出单一的物质降低所有金属离子的移动性,因此对于不同的金属离子要使用不同的固定物质。施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤pH值,促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。

微生物修复法就是利用土壤中的某些微生物的生物活性对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,把重金属离子转化为低毒产物,从而降低土壤中重金属的毒性,具有费用低、对环境影响小、效率高等特点,是一项廉价的绿色治理方法。微生物对重金属的生物积累机理主要表现在胞外络合作用、胞外沉淀作用以及胞内积累3种形式。

3.3 其它修复措施

近几年研究发现,当一些修复技术与其它修复技术相结合进行修复时,

会有更好的修复效果。如电流能有效地提高重金属在土壤中的移动性,促进植物对重金属的吸附和吸收,提高植物修复的效率。许多真菌对重金属有很高的耐性和积累性,真菌的活动能降低重金属对植物的毒性,提供对植物根系的保护,有利于修复植物的生长,提高植物修复的效率。化学添加剂能改变土壤中重金属的形态,提高重金属的生物可利用性。研究发现向Pb污染土壤中加入EDTA(1.0g/kg)24h后,Pb从根向枝干部分的净转移提高了120倍。可见,施加螯合剂可明显提高某些植物对重金属的吸收,促进了重金属向地上部分的转移,因而对植物修复的成功非常有利。化学诱导技术和植物修复技术相结合,利用化学诱导技术提高土壤中重金属的有效性,以提高植物修复的效率。这些两种或两种以上修复技术相结合的修复技术,能够较好发挥各自的优点,消除自身的缺点,更加利于土壤重金属污染的修复工作。

4 结束语:

近年来随着社会经济的快速发展,土壤中重金属含量不断增加,土壤重金属污染已成为普遍的环境问题,越来越受到人们的关注,目前,对土壤重金属污染研究已取得了一定的进展,但多数研究是从某一方面进行分析,尤其是修复措施的研究不具有系统性和全面性。鉴此,从土壤重金属的危害出发对不同的修复方法进行对比分析对于土壤重金属污染研究具有重要意义。

参考文献

[1].高太忠,李景印.土壤重金属污染研究与治理现状[J].土壤与环境,2016.10

[2].周永章,宋书巧.河流沿岸土壤对上游矿山及矿山开发的环境地球化学响应地质通报.2015.09

[3].刘春阳,张宇峰,滕洁.土壤中重金属污染的研究进展[J].污染防治技术,2015.05

原标题:探讨土壤重金属危害及修复措施


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