關(guān)于影響土壤環(huán)境的新型環(huán)境材料的應(yīng)用研究

李 濤

((河南大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 開封 475000）

1 新型環(huán)境材料的概念

新型環(huán)境材料也稱新型環(huán)保材料，90年代被一位世界知名學者山本良一教授首次提出［1］，隨后世界各地的學者不斷的對其進行各種討論研究并逐步取得完善。環(huán)境友好材料是指一些具有較低環(huán)境負荷和較高再生率的新型材料。新型環(huán)境材料能夠改善環(huán)境，對資源和能耗消耗少，對生態(tài)和環(huán)境污染小，有利于人類健康。這些新型材料的運用、制取、用后處理以及循環(huán)再利用的整個過程，都對環(huán)境發(fā)展起著協(xié)同的作用，有助于實現(xiàn)材料的可持續(xù)發(fā)展。

新型環(huán)境材料具有3個主要特征：一是先進性，即主要的功能性；二是環(huán)境協(xié)調(diào)性，這是當代新材料的一個基本性能要求；三是舒適性，亦稱經(jīng)濟性，材料在使用中既要舒適美觀，又要良好的經(jīng)濟實用性［2］。新型環(huán)境材料目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)保、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2 目前我國土壤污染態(tài)勢

眾所周知，我國土壤污染具有以下幾個特點：潛伏性、長期性、不可逆性以及污染后果的嚴重性。一旦土壤環(huán)境污染爆發(fā)，人類可能就會成為這場災難性直接受害者。鑒于這種假設(shè)，一些學者形象地將土壤污染稱之為“化學定時炸彈”［3］。我國的耕地面積只占世界7%，但是卻養(yǎng)活著占世界近25%的人口，因此我們不僅要確保土壤生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，還要保障土壤資源的可持續(xù)利用。我國自90年代以來，經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展迅速，再加上不斷的使用一些新的農(nóng)用化學物質(zhì)，最終造成土壤污染物的種類和數(shù)量發(fā)生了明顯的變化。換而言之，最近這20年是我國土壤污染比較嚴重的時期。

2.1 耕地環(huán)境日趨嚴峻，農(nóng)產(chǎn)品安全無法保障

相關(guān)資料顯示，我國耕地污染較為嚴重，不少于1 000萬hm2耕地受到程度各異的污染。我國整體利用污水灌溉的農(nóng)田總面積僅為361.8萬hm2，僅占國內(nèi)總灌溉面積的7.3%，在全國地面水總灌溉面積的比例為9.96%；因大氣污染的農(nóng)田面積約530萬hm2；因固體廢物堆放占用農(nóng)田及垃圾、污泥處置不當污染的農(nóng)田面積90萬hm2。這些數(shù)據(jù)都表明，我國糧食每年因為農(nóng)田污染而造成的損失多達120億kg。

全國多數(shù)城市近郊土壤都因此受到了不同程度的污染，尤其是多地糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、鉻、砷、鉛等重金屬含量嚴重超標和趨近臨界值。而且，農(nóng)業(yè)環(huán)境污染也會造成土壤污染。通過對23個省(區(qū)市）的不完全統(tǒng)計，其中發(fā)生的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染事故多達891起，農(nóng)田污染多達4萬hm2，最終造成的直接經(jīng)濟損失多達2.2億元。

2.2 稀有金屬礦區(qū)土壤污染嚴重，破壞生態(tài)，危及飲用水源安全和人體健康

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的稀土元素(rare earth element，簡稱RE）深入土壤環(huán)境，且進一步參與到生物鏈和食物鏈中。由于土壤中新的放射性污染物含量不斷遞增，將衍變成為新的土壤環(huán)境安全問題［4］。多數(shù)媒體已有報道，并且環(huán)境毒理學研究結(jié)果也顯示，這些稀土元素容易蓄積在人體腦部，影響人的智力發(fā)育，特別是對免疫功能不完善的兒童影響較大。因此由于這些潛在的稀土元素所造成的土壤環(huán)境污染問題必然引起國家的高度重視。

2.3 土壤污染易引發(fā)其他環(huán)境問題

當土壤環(huán)境受到污染后，因風力和水力等自然因素的作用，容易使得高濃度的污染表土進入到大氣和水體中，引發(fā)大氣污染、地下水及地表水污染，造成生態(tài)系統(tǒng)退化，引發(fā)其他次生生態(tài)環(huán)境問題。不斷發(fā)生的事實說明，如果沒有清潔的土壤環(huán)境，也就不會有人們可以放心使用的糧食、空氣和水。

3 新型環(huán)境材料在受重金屬污染的土壤環(huán)境修復中的應(yīng)用

最近幾年，我國環(huán)境污染和生態(tài)破壞態(tài)勢日趨嚴峻，對人類的健康和生存造成嚴重影響，尤其是一些重金屬元素對土壤造成的污染和破壞。造成土壤重金屬污染的主要來源還是因為一些人類活動，譬如農(nóng)業(yè)種植、礦產(chǎn)開采、金屬冶煉等，其中尤以化學生產(chǎn)和金屬冶煉兩個過程釋放的重金屬為最?，F(xiàn)在我國因受Pb、As、Cd、Cu和Cr所造成的土壤環(huán)境污染也比較嚴重。土壤因 Pb、Cd、As所造成的污染不僅對農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響［5］，而且還會通過食物鏈進一步影響到人類的健康。多項研究數(shù)據(jù)表明，因受到了鉛的污染而對不同環(huán)境功能區(qū)造成影響的實例在全國比比皆是，特別是一些功能區(qū)已遭到了嚴重危害。故此，修復因重金屬As、Pb、Cd和Cr等所造成的土壤環(huán)境污染已成為目前我國土壤環(huán)境科學及其他相關(guān)學科研究的熱點問題。

近年來，我國對造成土壤環(huán)境污染的一些重金屬的吸附和解吸進行過一些研究，可是將新型環(huán)境材料、培養(yǎng)液的pH值和吸附解吸過程聯(lián)系起來的系統(tǒng)分析很少有比較客觀的數(shù)據(jù)說明。通過采用模擬方法進行實驗，向土壤中加入As、Cd、Pb等重金屬配制受污染的土壤，根據(jù)不同的培養(yǎng)條件下加入新型環(huán)境材料蛇紋石和沸石后進行重金屬吸附解吸模擬實驗，并對新型環(huán)境材料進行吸附前后的掃描電鏡分析，這些不但有助于選擇土壤重金屬固化的材料，而且還可以為這些新型環(huán)境材料的應(yīng)用提供科學依據(jù)。

在此主要介紹兩種新型環(huán)境材料SS(蛇紋石）和FS(材料沸石）對土壤重金屬Cd、Pb、As的吸附解吸［6-7］。由于本篇為綜述性文章，所以具體實驗過程在此沒有詳細描述。通過實驗可以得到以下幾個結(jié)論：

①堿性條件下的新型環(huán)境材料FS(沸石）在受Cd污染的土壤環(huán)境中有利于土壤吸附Cd，證明堿性土壤中的FS有助于土壤對Cd的固化。

②酸性條件下的新型環(huán)境材料SS(蛇紋石）在土壤對Pb的吸附效果上產(chǎn)生積極的作用，在堿性條件下該效果并不明顯。證明酸性土壤中的SS有助于土壤對重金屬Pb的固話。

③新型環(huán)境材料SS在受As污染的土壤環(huán)境中可以增加土壤對As的吸附量，但與土壤的酸堿度無直接關(guān)系。

4 新型環(huán)境材料在植物修復技術(shù)方面的應(yīng)用

鑒于當前土壤環(huán)境污染往往是由有機—無機多種環(huán)境污染物所形成的復合土污染，再加上目前在植物修復中發(fā)現(xiàn)的超集累植物大多存在生物量小、生長速度緩慢以及一種植物一般只能吸收一種或兩種重金屬等原因［8］，使得植物修復技術(shù)在重金屬污染土壤中的實際應(yīng)用受到了很大的限制。因此借助其他技術(shù)的聯(lián)合植物修復技術(shù)與一些生物量大、生長速度快的普通植物便成了有效可行的替代途徑，譬如一些金屬螯合劑誘導的植物—化學聯(lián)合修復技術(shù)被證實在植物—化學聯(lián)合修復中發(fā)揮顯著作用［9-10］。為了能夠提高污染土壤的修復效率，縮短修復年限，通常運用螯合劑誘導植物修復技術(shù)。我國到目前為止研究較多的螯合劑EDTA在提高植物對重金屬污染土壤的修復上面有著顯著的作用，但是在其作用的過程中會帶來一些因生物不可降解性而產(chǎn)生的次生環(huán)境問題。

通過不斷的進行研究和探索，目前發(fā)現(xiàn)三種新型環(huán)境材料——螯合劑ISA(Iminodisuccinic acid）、AES(aspartic acid diethoxysuccinate）和PESA［11］，和EDTA一樣同為冬氨酸的衍生物，與金屬離子具有很好的親和力，具備很好的生物可降解性。通過多次研究和不斷地進行各種試驗，獲知新型螯合劑與EDTA、EDDS對受到重金屬污染的土壤環(huán)境的修復潛力。進而可以使得螯合劑誘導的植物修復技術(shù)在受到污染的土壤環(huán)境修復過程中起到一定的促進作用。

通過多次進行不同種類及水平的螯合劑對污染土壤修復效率的研究試驗，相同溶液培養(yǎng)條件下不同螯合劑對植物吸收重金屬的影響試驗，螯合劑對土壤中重金屬的吸附解吸行為影響試驗，可以得到一些結(jié)論：

①螯合劑因種類和水平的不同造成修復污染土壤的效率不同

新型螯合劑中，ISA處理的植株根及地上部Cu含量、土壤中水提取態(tài)Cu含量顯著低于EDDS。通過EDTA處理的植株根部及地上部Pb含量顯著高于其他螯合劑處理。而PESA對植物影響并不明顯。AES處理的植株根部Zn含量及土壤水提取態(tài)Zn含量顯著高于其他螯合劑作用，而且在根部的表現(xiàn)作用比地上部顯著。AES處理后植物地上部Cd含量及積累量顯著高于其他螯合劑作用，通過EDTA、EDDS處理的植株根部中Cd含量明顯高于其他螯合劑處理。

②相同條件下的不同螯合劑對植物吸收重金屬的影響相同的溶液培養(yǎng)條件下，植株根中重金屬含量整體水平呈現(xiàn)明顯的下降走勢。有助于ISA對Cd，AES對Zn的吸收。說明螯合劑對植株地上部位重金屬含量的影響在植株地上沒有根部明顯。

③螯合劑影響土壤對重金屬的吸附解析。通過實驗數(shù)據(jù)我們可了解到：在新型生物可降解螯合劑中，新型螯合劑AES對受到污染的土壤環(huán)境中的Zn解吸的促進作用明顯高于其他螯合劑的作用。新型螯合劑ISA對污染土壤中Cu解吸的促進作用顯著高于除 EDDS外的其他螯合劑的作用。新型螯合劑PESA在對污染土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的解吸量方面無明顯的促進作用。

5 展望

新型環(huán)境材料的研究在國內(nèi)外進展較快，需要不斷進行廣泛和深入的研究。在研究的同時需要不斷的貫徹循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的思想，進行新型環(huán)境材料的研發(fā)工作。國家應(yīng)根據(jù)當前土壤環(huán)境的現(xiàn)狀制定相關(guān)標準，不斷進行深化和規(guī)范，旨在取得最大化的環(huán)境收益。

當今社會越來越多的人都認識到環(huán)境保護的意義所在，新型環(huán)境材料的功能和應(yīng)用可以通過越來越多的個例生動的展示在大眾的認知范圍內(nèi)。我國目前經(jīng)濟發(fā)展迅速，正處于經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展階段，資源與能源的消耗日益緊張、土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)狀日益加劇，新型環(huán)境材料的廣泛應(yīng)用便成為材料及其產(chǎn)業(yè)在資源和環(huán)境問題雙重制約下，實現(xiàn)我國循環(huán)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

［1］山本良一，環(huán)境材料［M］.北京：中國化工出版社，1996.

［2］黃占斌，孫在金.環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境治理中的應(yīng)用［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2013，21(1)：88-95.

［3］林玉鎖，李波，張孝飛.我國土壤環(huán)境安全面臨的突出問題［J］.環(huán)境保護，2004，(10)：39-42.

［4］駱永明.中國土壤環(huán)境污染態(tài)勢及預防、控制和修復策略［J］.環(huán)境污染與防治，2009，31(12)：27-31.

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