生物對鉛吸收、富集的初步研究及鉛污染危害與治理

紀佳淵

(西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

1 引言

鉛(Pb)分布廣泛，容易提取和加工，既有很高的延展性，又很柔軟，而且熔點低。鉛是一種重金屬元素，可用作耐硫酸腐蝕、電纜、蓄電池、防丙種射線、防X射線，防β射線等器材的材料。其合金可作鉛字、軸承、電纜外皮等之用，還可做體育運動器材。鉛對健康的潛在危害，已日益引起人們的關注。鉛對人體的所有器官都能夠造成損害，表現(xiàn)為影響智力和骨骼的發(fā)育，造成消化不良和內(nèi)分泌失調(diào)，導致貧血、高血壓和心律失常，破壞腎功能和免疫功能等。而且，即便脫離了污染環(huán)境或經(jīng)治療使血鉛水平明顯下降，受損的器官和組織也不能修復，因此鉛污染危害極大。

2 鉛污染概況

2.1 鉛污染來源

鉛污染主要有兩個大的方面，一個是自然來源，其中包括火山爆發(fā)、森林火災等自然現(xiàn)象釋放到環(huán)境中的鉛;二是非自然來源，即指人類活動造成的，主要有工業(yè)污染，如煤燃燒、鉛礦的開采和冶煉以及其他鉛加工工藝中，比如制造鉛蓄電池、鑄字、鉛管、鉛彈、軸承合金、化學反應器(內(nèi)壁)電極等;含鉛汽油的廢氣污染，大氣鉛污染主要來源于汽車廢氣;學習用品和玩具，如教科書的彩色封面，彩色畫面的報刊，兒童彩筆中所含的鉛以及部分玩具的表面油漆含有可溶性鉛等;食品帶有如爆米花機的機身是由含鉛合金制成，使爆米花中含有較多量的鉛，松花蛋的傳統(tǒng)制作工藝以氧化鉛作為食品添加劑，因此松花蛋中也含有較高的鉛;其他如陶瓷、油漆、化妝品、染發(fā)劑、電池等物品都含有較高量的鉛。

2.2 鉛污染現(xiàn)狀

煉鉛、化鉛過程中，大量的鉛塵飄在空氣中。鉛與顆粒物一起被風從城市運送到郊區(qū)，從一個省轉(zhuǎn)移到另一個省，甚至到國外，影響其他地區(qū)，成為世界公害?？茖W家在北美格陵蘭地區(qū)的冰山上逐年積冰的地區(qū)打鉆鉆取冰柱，結(jié)果表明:1750年以前鉛含量僅為20μg/t;1860年為50μg/t;1950年上升為120μg/t;1965年劇增到 210μg/t。

我國鉛的主要消費領域有蓄電池、電纜護套、氧化鉛和鉛材。蓄電池行業(yè)是年用鉛量達30萬t，占總消費量的70%左右。我國蓄電池年產(chǎn)量達5億只，遠低于美日等發(fā)達國家，但污染情況卻嚴重得多。國內(nèi)有大小不等的再生鉛廠幾百多家，但卻普遍處于規(guī)模小、耗能高、污染重、回收率低的狀況，工藝極其落后且污染嚴重。

3 生物對鉛的吸收及富集

3.1 生物對鉛的吸收

因Pb具有高負電性，易與Fe、Al、Mn氧化物、有機質(zhì)和碳酸鹽形成共價鍵，因此土壤中的鉛不易被植物吸收，但一旦進入根系，則會貯存在根部或運輸?shù)降厣喜?。植物的根部是吸收鉛的主要部位，鉛進入土壤后，會產(chǎn)生明顯的生物效應，導致植物特別是其根部中毒，甚至植株枯萎死亡。

以植物為例，影響植物吸收鉛的因素較多，主要決定于植物種的生物學、生態(tài)學特性及外界環(huán)境(pH值、氧化還原電位、污染物間的不同效應等)。

不同的植物對鉛的吸收情況不同，同一植物的不同部位以及某一部位在植物不同生育期對鉛的吸收情況也不同。通常雙子葉植物根系能夠比單子葉植物吸收更多的鉛。Wierzbicka發(fā)現(xiàn)，在洋蔥中被植物吸收的鉛最高濃度位于根尖部位，這是基本符合鉛在植物體內(nèi)分布規(guī)律的。對于葉片來說，老葉當中鉛濃度分布一般最高，新葉最低。

3.2 生物對鉛的富集

生物個體或處于同一營養(yǎng)級的許多生物種群，從周圍環(huán)境中吸收并積累某種元素或難分解的化合物，導致生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過環(huán)境中濃度的現(xiàn)象，稱為生物富集。影響生物富集的因素很多，主要有生物種的特性、污染物的特性、污染物的濃度和作用時間以及環(huán)境特點。

3.2.1 不同生物種

不同生物對鉛吸收不同，不同生物種對鉛的富集情況也是存在差異的。如有些植物能超量吸收和積累鉛，但是有些卻不能適應環(huán)境中的這類污染物，這主要是由生物自身的結(jié)構(gòu)和功能所決定的。自然界中有些植物能超量吸收和積累重金屬，Brook稱這種植物為重金屬超量積累物(hyperaccumulator)。

3.2.2 不同的器官

生物的不同器官對鉛的富集量有很大的差異。這主要是因各器官結(jié)構(gòu)、功能不同，與鉛接觸時間長短、接觸面的大小存在較大的差異。

對植物來說，從根表面吸收的鉛能橫穿根的中柱，被送入導管，進入導管后隨蒸騰流被動運輸?shù)降厣喜?。對大多?shù)植物，各器官鉛的富集量大小次序為:根＞葉＞莖＞花＞種子;但這個次序也因植物種類的不同而有可能發(fā)生改變。從亞細胞結(jié)構(gòu)來看，細胞間隙是富集鉛濃度最高的部位，細胞壁和液泡次之，細胞質(zhì)最低。

對動物來講，以3種魚(鰱魚、草魚、鯉魚)的研究為例，在相同鉛濃度下，3種魚各部位的富集規(guī)律都一致，為:鰓＞內(nèi)臟＞骨骼＞頭＞肌肉。因為鰓是呼吸器官，始終與水中的鉛接觸，使大量鉛吸附在鰓耙、鰓絲上，所以鰓的含鉛量最高。其余一部分在肝臟中大量沉積，當血鉛通過骨骼時便以Pb3(PO4)2的形式沉積，而肌肉代謝力強且對鉛的親和力弱，因此肌肉中含鉛量最低。

3.2.3 不同生育期

處于不同生育期的生物，接觸鉛時體內(nèi)富集量有明顯差異。在對水稻的研究中，不同生育期得到根部對鉛的富集順序為:拔節(jié)期＞分蘗期＞苗期＞抽穗期＞結(jié)實期。而谷殼和糙米相應的順序為:結(jié)實期＞苗期＞拔節(jié)期＞抽穗期＞分蘗期。通過研究小麥在不同發(fā)育階段施投六六六也證明了生育期與富集量之間的關系。

3.3 鉛污染的危害分析

鉛在環(huán)境中不會被降解，只會發(fā)生形態(tài)或者價態(tài)的變化，大量鉛在環(huán)境中長期存在，有可能污染地下水;某些微生物也許會將鉛轉(zhuǎn)化為其他毒性更強的金屬化合物;另外，鉛在進入生物體內(nèi)后不易被排出，在食物鏈中的生物放大作用十分明顯，其富集系數(shù)在各營養(yǎng)級中可達到驚人的程度，較高營養(yǎng)級的生物會在體內(nèi)成千萬倍地富集鉛，然后通過食物鏈進入人體，在人體的某些器官繼續(xù)富集，造成人體慢性中毒。據(jù)權(quán)威調(diào)查報告透露，現(xiàn)代人體內(nèi)的平均含鉛量已大大超過1000年前古人的500倍。

鉛進入人體后，除部分通過糞便、汗液排出外，其余在數(shù)小時后溶入血液中，阻礙血液的合成，導致人體貧血，出現(xiàn)頭痛、眩暈、乏力、困倦、便秘和肢體酸痛等癥狀;有的口中會出現(xiàn)金屬味，動脈硬化、消化道潰瘍和眼底出血等癥狀也與鉛污染有關。小孩鉛中毒則出現(xiàn)發(fā)育遲緩、食欲不振、行走不便和便秘、失眠;若是小學生，還伴有多動、聽覺障礙、注意力不集中、智力低下等現(xiàn)象。這是因為鉛進入人體后通過血液侵入大腦神經(jīng)組織，使營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應不足，造成腦組織損傷所致，嚴重者可能導致終身殘廢。特別是處于生長發(fā)育階段的兒童對鉛比成年人更敏感，對鉛的吸收量比成年人高，受害尤為嚴重。鉛進入孕婦體內(nèi)則會通過胎盤屏障，影響胎兒發(fā)育，造成畸形等。

4 鉛污染的治理措施

4.1 傳統(tǒng)治理方式

環(huán)境中的無機鉛及其化合物十分穩(wěn)定，不易代謝和降解，因此一旦鉛進入環(huán)境，將不會輕易被去除。所以傳統(tǒng)法治理鉛污染主要是從污染源控制鉛排放量以及對鉛進行回收再利用。重金屬的物理化學法修復技術(shù)有:隔離包埋技術(shù)、固化穩(wěn)定技術(shù)、熱冶分離技術(shù)、化學穩(wěn)定技術(shù)、電動修復技術(shù)、客土和翻土法、土壤淋洗技術(shù)。

我國于2000年開始全面禁止生產(chǎn)和使用含鉛低標號汽油，盡量使用潔凈能源，但是汽車尾氣中排放的鉛塵依然是鉛污染治理中的難點。筆者認為不應該單單限制對含鉛產(chǎn)品的使用，還應當借鑒發(fā)達國家的先進技術(shù)經(jīng)驗，應加強國內(nèi)汽車技術(shù)改造更新，改進內(nèi)燃機缸內(nèi)的工作過程，尤其是燃燒過程，即對內(nèi)燃機的供油、點火及進排氣系統(tǒng)進行改進和最優(yōu)化匹配，盡可能使燃料充分燃燒，并達到排放標準，這樣既節(jié)約能源且減少污染。對那些經(jīng)修理和調(diào)整后或采用排氣污染控制后，排放污染物仍超過國家規(guī)定的汽車排放標準的車輛應予以淘汰。對鉛污染的土壤應進行相應的治理，植樹種草，減少直接暴露;對污染嚴重的土壤應進行表土填埋或移除，減少兒童與鉛污染土壤的直接接觸。

對鉛煙塵的處理中，排氣凈化中常用布袋除塵器、靜電除塵器以及用水作吸收介質(zhì)的各種洗滌器，為了更好的凈化效果，還可采用濕式化學吸收法凈化鋁煙，如用稀醋酸溶液吸收鉛煙污染等。

4.2 生物法治理鉛污染

因重金屬污染的特點是不能通過降解而從環(huán)境中消除，只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，或從高濃度轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜐舛?，且能在生物體內(nèi)積累富集。近年來，一些科學家開始探索利用生物技術(shù)來修復重金屬污染。農(nóng)學、生態(tài)學、土壤學、植物學、植物生理學、分子生物學和環(huán)境工程學等多學科的發(fā)展和合作，也為生物修復的提出和應用提供了可能，它是污染整治的重要手段之一，也是目前僅見的土壤污染治理的環(huán)境友好技術(shù)。

生物修復是利用各種天然生物過程而發(fā)展起來的一種現(xiàn)場處理各種環(huán)境污染的技術(shù)，具有處理費用低、對環(huán)境影響小、效率高等優(yōu)點。土壤被重金屬污染后，在治理重金屬污染時常用的一些生物修復技術(shù)有動物修復技術(shù)、植物修復技術(shù)及微生物修復技術(shù)。

4.2.1 動物修復技術(shù)

動物修復技術(shù)是指利用土壤中某些低等動物，如蚯蚓等吸收土壤中的重金屬的特性(圖1)，在一定程度上降低污染土壤中的重金屬含量，但動物的排泄物會對土壤造成二次污染，因此很少將此方法用于治理鉛污染。

4.2.2 植物修復技術(shù)

植物修復技術(shù)的機理是植物吸收、轉(zhuǎn)化、降解和合成重金屬污染物。植物修復一般分為植物提取、植物揮發(fā)和植物固定。通過對植物的集中處理，造成二次污染的機會較少。對一些植物內(nèi)的金屬還可回收利用，特別是貴金屬。

圖1 Pb2+在蚯蚓體內(nèi)的富集過程

重金屬超量積累植物體內(nèi)的重金屬含量要達到一般植物的100倍以上，在土壤重金屬的治理中發(fā)揮著重要的作用，這類植物已發(fā)現(xiàn)了360多種，其中大多數(shù)為十字花科植物。

何冰等對浙江古老鉛鋅礦區(qū)的土壤和植物種群進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)了一種新的具有耐鉛特性和鉛富集能力的植物——景天科(Crassulaceae)景天屬東南景天(Sedum alfredii Hance)是一種鉛富集生態(tài)型植物。比較和分析了不同濃度硝酸鉛處理對富集和非富集生態(tài)型東南景天的生長及其對鉛的吸收特性的影響。結(jié)果表明:320 mg/L的Pb處理對富集生態(tài)型的地上部分生長無顯著影響，而非富集生態(tài)型在20 mg/L的Pb時即出現(xiàn)受害癥狀。富集和非富集生態(tài)型的地上部分鉛含量、根系鉛含量以及單株鉛積累速率均隨處理濃度的增加而表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢。其中富集生態(tài)型的地上部分鉛含量、根系鉛含量以及單株鉛積累速率最高可達到514 mg/kg、13922 mg/kg和8.62 μg/plant/d，分別是非富集生態(tài)型的2.27、2.62和7.16倍。由于具有生長速度快和高積累鉛的能力，從植物修復的觀點來說，東南景天鉛富集生態(tài)型在鉛污染土壤的修復方而具有巨大的潛力。此外，東南景天還對土壤中過量的鋅、鎘具有強忍耐能力和超積累特性，并具有多年生、無性繁殖、生物量較大等特點。同時，它適應性強，耐瘠薄、干旱及強光等惡劣生境，觀賞性強，是實施植物修復與生態(tài)綠化的優(yōu)良植物。

通過采取有效的輔助栽培措施，改良土壤環(huán)境，可提高東南景天的生物產(chǎn)量以及地上部的重金屬積累量，提高修復重金屬效率。如適當?shù)牡c磷營養(yǎng)能提高東南景天根系發(fā)育，特別是使用硫酸銨，能提高植株對鉛、鋅、鎘污染的修復能力。

4.2.3 微生物修復技術(shù)

微生物修復技術(shù)是利用土壤中某些微生物對重金屬具有吸收、沉淀、氧化還原等作用，降低土壤中重金屬的毒性和遷移能力。某些微生物與鉛有很強的親合性，使鉛被貯存在細胞的不同部位或被結(jié)合到胞外基質(zhì)上，通過代謝過程，鉛離子可被沉淀，或被輕度鰲合在可溶或不溶性生物多聚物上。

當前微生物修復技術(shù)大多應用在對環(huán)境中有機污染物的降解上，而應用于上壤重金屬污染的修復上比較少。利用微生物修復鉛污染的研究在20世紀末才開始展開，而如何篩選專性高效富集菌株也成為制約微生物修復技術(shù)廣泛應用的一個瓶頸問題。杜立棟等研究發(fā)現(xiàn)青霉菌具有很強的鉛富集能力，經(jīng)富集能力最強的青霉菌處理后土樣中水溶性鉛含量都顯著降低，處理24h后最大富集率達96.28%;處理48h后最大富集率達95.92%;處理72h后最大富集率達96.54%;處理96h后最大富集率達95.58%。而在未經(jīng)青霉菌處理的對照土樣中，可溶態(tài)鉛的量基本保持不變(表1)。

表1 土樣經(jīng)青霉處理后離心上清液中水溶性Pb含量

微生物修復技術(shù)的研究雖然起步晚，但是這些研究具有相當大的經(jīng)濟應用價值，越來越多的重金屬超量積累微生物被發(fā)現(xiàn)，相信前景一定非常廣闊。

重金屬的生物修復具有投資少、效率高、不給環(huán)境造成二次污染的特點，充分利用自然界中的微生物與植物的凈化作用，并輔之以物理或化學方法，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，強化生物過程的解毒效力，是凈化重金屬污染的有效途徑。

5 結(jié)語

目前，不少科學家致力于重金屬污染的研究中，在眾多治理鉛污染的方法中，與傳統(tǒng)方法相比，生物修復因處理費用低、對環(huán)境影響小、效率高等優(yōu)點表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，尤其是植物修復技術(shù)及微生物修復技術(shù)。國際上有關鉛富集植物的研究，主要集中在十字花科植物及景天科植物東南景天等少數(shù)鉛富集植物上。而目前對于鉛富集植物材料的研究，大都集中在根際活化、生理反應和鉛在體內(nèi)的分配上，對其吸收轉(zhuǎn)運特性方面的研究則關注較少;當前相關研究己經(jīng)逐漸深入到細胞水平，試圖在微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)在機理等方面，進一步揭示植物在重金屬脅迫的生理反應和解毒機制。因此深入了解鉛富集植物對鉛的吸收特點，對進一步改良和提高植物對鉛的吸收轉(zhuǎn)運能力具有重要意義。

［1］鄧碧云，陳玉成.城市土壤鉛污染的分布特征及治理措施［J］.微量元素與健康研究，2006，23(4):36 ～38.

［2］蔣利萍.赤子愛勝蚯對鎘、鉛富集作用的初探［J］.內(nèi)江師范學院學報，2011，26(6):43 ～45.

［3］杜立棟.微生物對土壤中鉛富集作用的研究［J］.北京農(nóng)學院學報，2008，23(1):38 ～41.

［4］馬永剛.鉛污染現(xiàn)狀、原因及對策［N］.中國有色金屬報，2001－03－09(20).

［5］萬雙秀，王俊東.鉛污染的危害及防治［J］.微量元素與健康研究，2005，22(1):63 ～65.

［6］He Bing，Yang Xiaoe，Ni Wuzhong，et al.Sedum alfredii:A New Lead Accumulating Ecotype［J］.Acta Botanica Sinica，2002，44(11):1365 ～1370.

［7］楊 耀，劉二東，孫 英.土壤重金屬污染生物修復技術(shù)的研究進展［J］.內(nèi)蒙古環(huán)境科學，2009，21(6):188 ～190.

［8］夏立江，華 珞，李向東.重金屬污染生物修復機制及研究進展［J］.核農(nóng)學報，1998，12(1):59 ～64.

［9］王煥校.污染生態(tài)學［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［10］柳 丹，潘 凡，楊肖娥.鉛富集植物對鉛的吸收及其耐性生理機制進展研究［J］.池州學院學報，2007，21(5):88 ～91.

［11］沈振國，陳懷滿.土壤重金屬污染生物修復的研究進展［J］.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2000，16(2):39 ～44.

［12］白 雪，貝榮塔.三種田間雜草的鎘、鉛富集特征研究［J］.環(huán)境科學導刊，2010，29(4):9 ～13.