淺析土壤污染與修復(fù)技術(shù)

陶貴榮,王莉衡

（西安文理學(xué)院生命科學(xué)系,陜西西安 710065）

淺析土壤污染與修復(fù)技術(shù)

陶貴榮,王莉衡

（西安文理學(xué)院生命科學(xué)系,陜西西安 710065）

作為環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,土壤極易被污染,土壤污染是環(huán)境和土壤科學(xué)研究者近年來關(guān)注的熱點。綜述了土壤污染的來源、特點及危害,介紹了各種修復(fù)方法,認(rèn)為生物修復(fù)是今后土壤污染治理技術(shù)的發(fā)展方向。

土壤污染;污染物;防治;生物修復(fù)

土壤是地理環(huán)境的重要組成要素,是能夠生長植物的地球疏松表層,具有獨特的組成成分、結(jié)構(gòu)與功能,是十分復(fù)雜的系統(tǒng)。土壤與其它環(huán)境要素（如水分、大氣、養(yǎng)分、生命體等）互為外在條件,相互聯(lián)系、相互影響。因此,土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,是人類賴以生存的主要資源之一,是地球上生命活動不可缺少的物質(zhì)。

土壤污染是全球主要環(huán)境污染問題之一,它可引起和加劇水體、大氣、生物等環(huán)境要素的污染,進(jìn)而影響人類,并造成危害。土壤污染是環(huán)境污染的重要環(huán)節(jié),主要通過改變土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能,影響植物的正常生長發(fā)育,導(dǎo)致有害物質(zhì)在植物體內(nèi)累積,并通過食物鏈進(jìn)入人體,最終危害人體健康。近年來,隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,大量廢水、廢氣和固體廢物的排放,土壤污染日趨嚴(yán)重,對生態(tài)環(huán)境、食品安全、人體健康和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅,成為重要的社會與環(huán)境問題[1,2]。因此,對污染土壤進(jìn)行修復(fù),恢復(fù)土壤生態(tài)功能迫在眉睫。

1 土壤污染的涵義及其來源

1.1 土壤污染的涵義

土壤污染是指通過多種途徑進(jìn)入土壤的有毒有害污染物的數(shù)量和速度超過了土壤的容納能力和凈化速度,造成土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)、組成及性狀等發(fā)生變化,破壞了土壤的自然動態(tài)平衡,從而導(dǎo)致土壤自然功能失調(diào)、土壤質(zhì)量惡化、作物的生長發(fā)育受到影響、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量下降,產(chǎn)生一定的環(huán)境效應(yīng)（水體或大氣發(fā)生次生污染）,并可通過食物鏈對生物和人類構(gòu)成危害[3～5]。土壤污染的明顯標(biāo)志是土壤生產(chǎn)力下降。

1.2 土壤污染物的來源

凡是進(jìn)入土壤并影響到土壤的理化性質(zhì)和組成而導(dǎo)致土壤的自然功能失調(diào)、質(zhì)量惡化的物質(zhì),統(tǒng)稱為土壤污染物。土壤污染物的種類繁多,既有化學(xué)污染物也有物理污染物、生物污染物和放射性污染物等。按污染物的性質(zhì)一般可分為：有機污染物、重金屬污染物、放射性污染物和其它類型的污染物。土壤污染物種類繁多,其來源也十分復(fù)雜（表1）。

2 土壤污染的特點與危害

2.1 隱蔽性和滯后性

土壤污染是污染物在土壤中長期積累的過程,它不像大氣、水和廢棄物污染那樣通過感官就能發(fā)現(xiàn),易被人們及時察覺。土壤污染往往要通過對土壤樣品進(jìn)行分析化驗和檢測才能發(fā)現(xiàn),其后果要通過長期攝食污染土壤生產(chǎn)的植物產(chǎn)品的人畜健康狀況才能反映出來。因此,土壤污染從產(chǎn)生污染到出現(xiàn)問題通常會滯后較長的時間,具有隱蔽性和滯后性。日本的“痛痛病”便是一個典型例證,該病發(fā)生于20世紀(jì)60年代,直至70年代才被人們所認(rèn)識,證實是當(dāng)?shù)鼐用袷秤帽缓k廢水污染了的土壤所生產(chǎn)的“鎘米”所致[5,6]。

表1 土壤污染物及其主要來源[5]Tab11 Pollutan ts in soil and their main origins

2.2 累積性和不可逆轉(zhuǎn)性

有毒有害的污染物進(jìn)入土壤后會與土壤中其它物質(zhì)發(fā)生一系列吸附、置換、反應(yīng)、結(jié)合等作用,這些過程多數(shù)為不可逆的,因此作用后形成的難溶化合物在土壤中不斷積累而超標(biāo)。污染物質(zhì)在大氣和水中都比較容易遷移,而在土壤中相對較難。

2.3 難治理性和后果嚴(yán)重性

由于大氣和水的流動性較好,所以當(dāng)它們受到污染后,只要切斷污染源并通過稀釋和自凈化作用就能使污染減輕,但在土壤中由于形成了難降解的復(fù)合污染物,僅僅切斷污染是不行的,一旦土壤受到污染,就極難恢復(fù)。被某些重金屬污染的土壤可能需要100～200年才能夠恢復(fù)。因此,土壤污染必然導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn),還會通過食物鏈的積累危害人類健康。

3 污染土壤的防治與修復(fù)

3.1 污染土壤的防治

防治土壤污染,必須貫徹“預(yù)防為主”的方針。而控制和消除土壤污染源,是防治污染的根本措施?？刂七M(jìn)入土壤中的污染物的數(shù)量和速度,使其在土壤中緩慢自然降解,而不致大量積累造成土壤污染。

控制和消除土壤污染源的措施有：（1）控制和消除工業(yè)“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）的排放,加強綜合治理;（2）控制化學(xué)農(nóng)藥和化肥的使用,積極研制低毒、低殘留的高效農(nóng)藥新品種;（3）加強糞便、垃圾和生活污水的無害化處理;（4）加強污水灌溉區(qū)的監(jiān)測、管理與控制等[7]。

3.2 污染土壤的修復(fù)

污染土壤的修復(fù)主要有三種方法：物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生物修復(fù)法。采用物理或化學(xué)方法（如熱處理法和化學(xué)浸出法）修復(fù)污染土壤,雖然可以產(chǎn)生一定的實效,但費用昂貴、容易造成二次污染,不適于大面積應(yīng)用。生物修復(fù)是指在一定的條件下,利用土壤中的各種微生物、植物和其它生物吸收、降解、轉(zhuǎn)化和去除土壤環(huán)境中的有毒有害污染物,使污染物的濃度降低到可接受的水平,或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無毒無害的物質(zhì),恢復(fù)受污染生態(tài)系統(tǒng)的正常功能[8,9]。生物修復(fù)法近幾年發(fā)展非常迅速,同傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法相比,生物修復(fù)法具有成本低、效果好、不產(chǎn)生二次污染、可以削弱乃至消除環(huán)境污染物的毒性等優(yōu)點,適于大面積土壤的修復(fù)[10],因而逐漸被人們所重視和廣泛接受。

根據(jù)機理的不同,生物修復(fù)主要可以分為三種類型：植物修復(fù)、動物修復(fù)和微生物修復(fù)。

3.2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指利用植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的特性,或利用植物及其根系微生物與環(huán)境之間的相互作用,對污染物進(jìn)行吸附、吸收、轉(zhuǎn)移、降解、揮發(fā),將有毒有害的污染物轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì),最終使土壤功能得到恢復(fù)。植物修復(fù)技術(shù)因具有安全、成本低、就地、土壤免遭擾動、生態(tài)協(xié)調(diào)及環(huán)境美化功能等特點,又被稱之為綠色修復(fù)。作為一種新興、高效、綠色、廉價的生物修復(fù)途徑,植物修復(fù)技術(shù)已得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,尤其在重金屬污染土壤修復(fù)方面特別顯著。

根據(jù)修復(fù)作用、過程和機理的不同,植物修復(fù)可分為以下三種方式：植物提取、植物穩(wěn)定和植物揮發(fā)[11]。植物提取,即利用植物耐受并積累土壤中的污染物,將它們輸送并貯存在植物體的地上或根部,待收獲后進(jìn)行處理,主要包括熱處理、微生物處理和化學(xué)處理;植物穩(wěn)定,即植物在與土壤的共同作用下,將污染物固定,以減少其對生物與環(huán)境的危害;植物揮發(fā),即利用植物將土壤中的污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中。其中,植物提取是目前研究最多并且最有發(fā)展前景的一種去除土壤中重金屬的方法。研究不同植物對金屬離子的吸收特性,篩選出超量積累植物是植物修復(fù)研究的關(guān)鍵。中國科學(xué)院在湖南、廣西等地找到大面積分布的蕨類植物蜈蚣草,發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對A s具有很強的超富集功能,其葉片含A s高達(dá)8‰（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,大大超過植物體內(nèi)的氮、磷養(yǎng)分比例[12]。

3.2.2 動物修復(fù)

動物修復(fù)是利用土壤中的動物吸收和積累有毒有害污染物,可在一定程度上降低土壤中污染物的比例,達(dá)到修復(fù)和治理污染土壤的目的?？苡谰V等[13]研究了重金屬污染土壤中不同鉛濃度梯度下蚯蚓在培養(yǎng)期內(nèi)對鉛的富集量,結(jié)果表明,蚯蚓對鉛有較強的富集作用,且隨鉛濃度的增加,蚯蚓體內(nèi)的鉛富集量也增加;單位質(zhì)量蚯蚓培養(yǎng)期內(nèi)吸收鉛量與鉛濃度梯度表現(xiàn)出極顯著性差異。

3.2.3 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)是利用某些微生物對土壤中有毒有害污染物具有吸收、沉淀、氧化、還原和降解等作用,從而降低或消除土壤中污染物的毒性。

微生物降解有機污染物的技術(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)有意識地大規(guī)模應(yīng)用于受污染的土壤治理僅僅十幾年。美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家對微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究,并完成了一些實際的處理工程,從而證實微生物修復(fù)污染土壤有效、可行[14]。

海灣戰(zhàn)爭期間,科威特被破壞的油田流出的原油造成500多公頃的油污染土壤,使20%的國土受到了污染。1994年,日本科研人員在含油2%～40%的土壤中添加氮、磷等微生物營養(yǎng)要素及木屑等,在適宜的實驗環(huán)境與條件下,合理管理,15個月后取得了良好效果,土壤中所含油分可降解75%～85%[10]。

近幾年,我國科研人員在生物修復(fù)方面也做了大量的基礎(chǔ)性研究工作[10]。曹德菊等[15]利用大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌對重金屬離子Cu、Cd進(jìn)行生物修復(fù),結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境中 Cu、Cd濃度較低（≤5 mg·L-1）時,微生物修復(fù)性能良好,重金屬去除率可達(dá)25%～60%;而當(dāng)Cu、Cd濃度較高時,微生物修復(fù)性能下降,且不同菌體對Cu、Cd的修復(fù)存在一定差異。袁紅莉等[16]在遼河油田的渣油中富集分離菌株,使芳香烴的降解率達(dá)到80%、降解時間由60 d縮短到30 d。潘學(xué)芳等[17]研究了微生物降解前后石油烴組分的變化和細(xì)胞內(nèi)外烴組分的變化,結(jié)果表明,菌體細(xì)胞與原油的吸附很緊密,并在成分上有一定的選擇性,然后被不加修飾地運輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)。

4 結(jié)語

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,有毒有害污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤,持久性有機污染物的危害開始顯現(xiàn),土壤污染面積擴大。土壤污染不但影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì),而且涉及大氣和水環(huán)境質(zhì)量,并可通過食物鏈危害動物和人類的健康,影響環(huán)境安全和社會穩(wěn)定。開展生物修復(fù)技術(shù)的研究將推進(jìn)生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用,并將通過生物高科技的發(fā)展帶動整個環(huán)?？萍嫉陌l(fā)展,解決我國目前和未來面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境保護問題,對我國環(huán)境保護和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。

[1] 陳懷滿.環(huán)境土壤學(xué) [M].北京：科學(xué)出版社,2005：6213.

[2] 韓素清,遲翔.土壤污染的類型及影響和危害[J].化工之友,2007,（3）：32234.

[3] 竇貽儉,李春華.環(huán)境科學(xué)原理[M].南京：南京大學(xué)出版社,1998：97.

[4] 高偉生,肖德楨,宇振東,等.環(huán)境地學(xué)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,1992：1472167.

[5] 陳晶中,陳杰,謝學(xué)儉,等.土壤污染及其環(huán)境效應(yīng)[J].土壤,2003,35（4）：2982303.

[6] 陳懷滿.土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染[M].北京：科學(xué)出版社,1996：127.

[7] 林強.我國的土壤污染現(xiàn)狀及其防治對策[J].福建水土保持,2004,16（1）：25228.

[8] 陳堅.環(huán)境生物技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2000：55256.

[9] 沈德中.污染環(huán)境的生物修復(fù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002：55256.

[10] 丁愛芳.生物技術(shù)在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2008,14（23）：79280.

[11] 張桂香,趙力,劉希濤.土壤污染的健康危害與修復(fù)技術(shù)[J].四川環(huán)境,2008,27（3）：1052109.

[12] 俞佳,戴萬宏.土壤重金屬污染及其修復(fù)研究[J].環(huán)境科技,2008,21（S2）：79281.

[13] 寇永綱,伏小勇,侯培強,等.蚯蚓對重金屬污染土壤中鉛的富集研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33（1）：62264.

[14] 張從,夏立江.污染土壤生物修復(fù)技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2000：1602161.

[15] 曹德菊,程培.3種微生物對Cu、Cd生物吸附效應(yīng)的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,23（3）：4712474.

[16] 袁紅莉,楊金水,王占生,等.降解石油微生物菌種的篩選及降解特性[J].中國環(huán)境科學(xué),2003,23（2）：1572161.

[17] 潘學(xué)芳,倪秀珍,王浩.菌株SD21對石油烴類降解機理的初步研究[J].長春師范學(xué)院學(xué)報,2002,21（2）：49251.

Discussion on Soil Pollution and Remediation Technology

TAO Gui2rong,WANG L i2heng
（Faculty of L ife Sciences,X i′an University of A rts and Science,Xi′an710065,China）

A s a major component of both the environment and the ecosystem,soil could be contaminated eas2 ily.Environment and soil scientistswere paying more and more attention to the issuesof soil pollution.The pa2 per studied the o rigins,characteristics and dangers of soil pollution and discussed different kinds of technology fo r its remediation.The result p roves bio remediation is the o rientation of treatment of soil pollution among all kinds of treatment methods.

soil pollution;pollutant;p revention and remediation;bio remediation

X 53

A

1672-5425（2010）06-0004-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（20802057）,陜西省教育廳自然科學(xué)專項課題資助項目（06JK199）

2010-01-03

陶貴榮（1963-）,男,陜西西安人,副教授,研究方向：植物生理生化。E2mail：hengheng_1103@163.com,guirongt63@ya2 hoo.com.cn。