土壤重金屬污染及修復(fù)研究簡(jiǎn)述

高彥波　蔡飛　譚德遠(yuǎn)等

摘要隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。該研究主要對(duì)土壤重金屬污染的來(lái)源、危害及被污染土壤修復(fù)進(jìn)行了分析。土壤重金屬污染的來(lái)源主要有自然輸入和人為輸入。土壤重金屬污染不僅會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生影響，而且會(huì)對(duì)動(dòng)物、植物甚至人類的生存產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為減輕土壤的重金屬污染，從物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)3個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞土壤；重金屬污染；生態(tài)效應(yīng)；土壤重金屬修復(fù)；生物協(xié)同修復(fù)

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）16-093-03

Discussion of Soil Heavy Metal Pollution and Remediation

GAO Yanbo， CAI Fei*， TAN Deyuan et al（Beijing Orientscape Ecology Corp.， Beijing 100012）

AbstractIn recent years， heavy metals pollution in soil is more and more serious， which has been paid more and more attention. This paper explained the sources and impacts of soil heavy metal pollutants. The main sources of heavy metal pollution is natural and anthropogenic inputs. Soil heavy metal pollution not only impact on soil microorganisms， but also have a profound impact on the animals， plants and even the survival of humanity. To alleviate the pollution of soil heavy metal， the paper described physical restoration， chemical remediation and bioremediation.

Key words Soil； Heavy metal pollution； Ecological effects； Remediation of soil heavy metal； Biosynergy remediation

隨著社會(huì)人口的不斷增加、化工經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，化肥、農(nóng)藥、礦產(chǎn)資源等被大量消耗。這些資源在消耗過(guò)程中產(chǎn)生的含有重金屬的廢水、廢氣都被排入到土壤中，使得土壤遭受越來(lái)越嚴(yán)重的重金屬污染。由于離子遷移性和動(dòng)植物的吸附性，這些重金屬會(huì)進(jìn)入到生物鏈系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)這些重金屬進(jìn)入到人體時(shí)就會(huì)對(duì)人類的健康造成傷害[1]。如何防治土壤的重金屬污染已成為全球性問(wèn)題之一。

1重金屬污染的主要來(lái)源

土壤中重金屬的來(lái)源主要有2個(gè)部分組成，一部分是自然輸入，另一部分是人為活動(dòng)輸入。自然輸入主要指成土母巖的風(fēng)化分解和凋落的生物質(zhì)腐化分解，在自然情況下流入土壤，造成土壤重金屬富集[2]。人類活動(dòng)輸入主要指人類在礦藏資源開發(fā)、工業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等過(guò)程中造成的重金屬在土壤中的積累，是土壤重金屬污染的主要原因[3]。目前，人為活動(dòng)造成的土壤重金屬輸入主要受廢氣沉降、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、礦業(yè)生產(chǎn)、固體垃圾排放等方面的影響。

1.1廢氣沉降

人類在生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的含有重金屬的粉塵、廢氣以及煙氣被排放到空氣中后，會(huì)通過(guò)重力或者雨雪沉降過(guò)程流回至土壤中。有研究發(fā)現(xiàn)，煤、石油等礦物燃料燃燒后產(chǎn)生的揮發(fā)性金屬排放到大氣中后，約有近1/3重金屬沉降在周邊10 km的范圍內(nèi)。在對(duì)北京市一次強(qiáng)沙塵暴降塵的重金屬微量元素監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，測(cè)量中的重金屬元素含量均超出北京市土壤含量的本底值[4]。

1.2農(nóng)業(yè)活動(dòng)

隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的化學(xué)肥料、有機(jī)農(nóng)藥的使用力度不斷加大，使得土壤中重金屬含量富集加重。高太忠等[5]在研究磷肥對(duì)土壤重金屬的污染狀況時(shí)，發(fā)現(xiàn)磷肥中的重金屬鎘在土壤中的富集十分明顯。由于當(dāng)前動(dòng)物飼料配方中添加了部分重金屬元素，有機(jī)肥料中重金屬元素也出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象。農(nóng)藥中含有銅、汞、砷等重金屬元素。農(nóng)藥的大量使用使得土壤中的重金屬元素進(jìn)一步增加[6]。

另外，由于缺乏監(jiān)管力度，用污水對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。污水中的汞、鎘、砷、銅等重金屬元素導(dǎo)致土壤中重金屬元素大大增加。污水、污泥的隨意排放使土壤中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素在富集的同時(shí)，也會(huì)使其重金屬元素不斷增加[7]。

1.3礦業(yè)生產(chǎn)

在礦業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的尾礦等廢棄物露天堆放，經(jīng)風(fēng)化、降雨等作用后廢棄物中含有的重金屬會(huì)滲入土壤中，導(dǎo)致土壤重金屬污染[8]。再者，金屬礦山在開采過(guò)程中被酸性廢水溶解了的重金屬元素會(huì)以離子形式隨廢液的排放進(jìn)入土壤，造成土壤重金屬超標(biāo)。2001年中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門在對(duì)金屬礦山采選工藝廢水調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，金屬礦廢水排放中含有的重金屬量達(dá)210多t，占工業(yè)重金屬總排放量的18.93%[9]。

1.4固體垃圾

經(jīng)日曬、雨淋后，長(zhǎng)期堆積的固體垃圾內(nèi)部的重金屬以輻射狀向周圍土壤、水體擴(kuò)散，其中以礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物污染最為嚴(yán)重。王亞平等[10]通過(guò)對(duì)某礦山固體垃圾堆放地的研究，發(fā)現(xiàn)土壤中鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛、砷等重金屬含量均高于當(dāng)?shù)乇尘爸怠?/p>

2土壤重金屬污染的危害

2.1對(duì)植物的危害

重金屬進(jìn)入土壤后會(huì)以離子形式進(jìn)入植物體內(nèi)，進(jìn)而對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，造成植物體變異[11]。這主要是因?yàn)槲盏街参矬w內(nèi)的重金屬會(huì)抑制植物的光合作用、酶活性，改變細(xì)胞膜的通透性，進(jìn)而誘導(dǎo)其產(chǎn)生對(duì)植物不利的某些酶或有毒物質(zhì)[12]。重金屬元素污染的危害還表現(xiàn)在使植物的營(yíng)養(yǎng)缺乏，降低某些活性酶的有效性以及對(duì)植物運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)鈣、鎂等礦質(zhì)元素的能力[13]。Dahiya等[14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中較高的鎳含量會(huì)顯著影響小麥對(duì)氮的吸收。Narwal等[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中鎘濃度較高時(shí)，玉米植株磷濃度和吸收量降低。

2.2對(duì)動(dòng)物的危害

重金屬污染還可導(dǎo)致土壤中原生動(dòng)物種類減少，數(shù)量降低，群落多樣性下降。通過(guò)對(duì)受到重金屬污染的土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)污染后的土壤中原生動(dòng)物群落呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單化、不穩(wěn)定化的特點(diǎn)，群落演替呈次生演替趨勢(shì)[16]。有研究指出，重金屬污染不但會(huì)對(duì)土壤動(dòng)物構(gòu)成危害，而且會(huì)使土壤動(dòng)物的群落和數(shù)量減少，在受重金屬污染的土壤中優(yōu)勢(shì)類群和常見類群的動(dòng)物數(shù)量明顯減少；重金屬污染會(huì)導(dǎo)致土壤動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、密度類群指數(shù)下降[17]。唐浩等[18]調(diào)查了魯中地區(qū)受污染農(nóng)田蚯蚓群體構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)重金屬污染農(nóng)田蚯蚓種群的多樣性指數(shù)為1.583 5，相對(duì)于未被污染農(nóng)田中的2.236 2，已明顯降低。

2.3對(duì)微生物的危害

當(dāng)土壤中的重金屬元素富集到一定濃度時(shí)，還會(huì)對(duì)微生物的代謝、生長(zhǎng)、生存產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)有微生物生物量和活性細(xì)菌菌落數(shù)量減少，微生物活性受到抑制，微生物的生物量碳與有機(jī)碳比值降低，呼吸強(qiáng)度減弱，進(jìn)而使土壤中微生物的區(qū)系、群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變[19]。段學(xué)軍等[20]在研究鎘對(duì)稻田土壤生物、酶的活性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)鎘對(duì)土壤中脲酶活性有顯著的影響。

3重金屬污染土壤的修復(fù)

目前，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)3種，其中生物修復(fù)是當(dāng)今社會(huì)研究的重點(diǎn)。

3.1物理修復(fù)

物理修復(fù)主要包括電動(dòng)修復(fù)、電熱修復(fù)、土壤淋洗3種。第1種修復(fù)主要是通過(guò)通電，使得重金屬離子定向移動(dòng)到一端，從而將其去除[21]。電熱修復(fù)主要是針對(duì)土壤中熔點(diǎn)低、易揮發(fā)的重金屬。當(dāng)用高頻電壓對(duì)土壤加熱時(shí)，土壤重金屬就會(huì)受熱揮發(fā)，達(dá)到去除土壤中重金屬的目的[22]。土壤淋洗是利用淋洗液將土壤中的重金屬溶解到土壤洗淋液中，再將洗淋液中的重金屬離子置換出來(lái)的一種土壤修復(fù)方法。該方法是現(xiàn)有條件下最成熟的物理修復(fù)方法[23]。

此外，物理修復(fù)方法還包括固化土壤修復(fù)法、稀釋法、排土填埋法。目前，物理修復(fù)法存在的最大問(wèn)題是處理成本高，而且存在再次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)主要是指向被重金屬污染過(guò)的土壤中加入能夠改變土壤中重金屬化學(xué)性質(zhì)的污泥、有機(jī)質(zhì)等外源物質(zhì)。這種外源物質(zhì)會(huì)與土壤中金屬離子結(jié)合，使得金屬離子的遷移性和被植物吸收的可能性降低，進(jìn)而防止這些重金屬元素進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)[24]。由于各種金屬離子的遷移性各不相同，對(duì)不同金屬離子只能使用不同的固定物質(zhì)。例如，使用CaCO3或Ca（OH）2調(diào)節(jié)土壤的酸堿性，促使土壤中的鎘、銅、汞、鋅等元素形成碳酸鹽或氫氧化物沉淀[25]。在土壤中加入含硫物質(zhì)，可以使土壤中的鎘、汞生成硫化鎘、硫化汞沉淀，進(jìn)而減少重金屬對(duì)土壤的污染[26]。

化學(xué)修復(fù)的缺點(diǎn)是它只能使重金屬元素在土壤中固定下來(lái)，阻止其進(jìn)入生物循環(huán)系統(tǒng)，但并沒有從根本上將其從土壤中完全去除。在一定條件下，當(dāng)金屬離子的形態(tài)發(fā)生改變時(shí)易造成“二次污染”。

3.3生物修復(fù)

生物修復(fù)技術(shù)是上世紀(jì)開始研究的新型修復(fù)技術(shù)，主要是利用動(dòng)植物的新陳代謝活動(dòng)對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行固化、分離、降解、富集、修復(fù)[27]。該技術(shù)主要有動(dòng)物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)兩種形式。生物修復(fù)技術(shù)主要有2種途徑對(duì)受污染土壤進(jìn)行修復(fù)。一種是在土壤中改變重金屬形態(tài)，使其沉淀在土壤中，不再被生物吸收利用；另一種就是通過(guò)生物吸附，使其沉淀在生物體中，通過(guò)生物體代謝達(dá)到對(duì)重金屬的削減、固化作用[28]。作為一種新興的綠色環(huán)保技術(shù)，由于生物修復(fù)經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣、環(huán)境友好、符合可持續(xù)性發(fā)展的目標(biāo)等，已成為當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)。

3.3.1動(dòng)物修復(fù)技術(shù)。

研究表明，土壤中的部分低等生物可以吸收土壤中富集的金屬元素[29]。在受污染的土壤中，蚯蚓可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散作用和攝食作用使重金屬進(jìn)入其體內(nèi)，待金屬在蚯蚓體內(nèi)富集后可以采用一定的方法將蚯蚓從土壤中驅(qū)出，集中處理，從而達(dá)到修復(fù)的目的[30]。蚯蚓在污染土壤中還能有效地改變土壤中重金屬活性，促進(jìn)和強(qiáng)化植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用[31]。

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)的缺點(diǎn)是只能在一定程度上減少重金屬含量，而且對(duì)動(dòng)物的傷害也較嚴(yán)重；當(dāng)動(dòng)物體內(nèi)重金屬含量達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致其死亡，動(dòng)物死亡后其體內(nèi)的重金屬還會(huì)進(jìn)入土壤中再次污染土壤；另外，低等生物對(duì)生存環(huán)境的要求苛刻，限制了動(dòng)物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展[32]。

3.3.2植物修復(fù)技術(shù)。

植物修復(fù)是指通過(guò)利用植物、植物根系微生物對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)[33]。目前，植物修復(fù)主要是利用植物降解、植物萃取、植物揮發(fā)和植物過(guò)濾等作用來(lái)降低重金屬污染物的生物有效性或清除土壤中的重金屬污染物，降低重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[34]。隨著對(duì)重金屬植物修復(fù)技術(shù)研究的不斷深入，尤其是耐重金屬、超富集植物及其根際微生物共存體系的研究、根際分泌物在微生物群落的進(jìn)化選擇過(guò)程中的作用以根際物理化學(xué)特性研究的深入，植物修復(fù)技術(shù)的含義和應(yīng)用將得到延伸[35]。

3.3.3生物協(xié)同修復(fù)?；谥参镄迯?fù)原理，利用土壤動(dòng)物、微生物和植物的協(xié)同作用，改善土壤條件，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高重金屬的生物有效性，提高生物的吸收效率和修復(fù)效率，加速重建健康的土壤生態(tài)系統(tǒng)。一方面，微生物能夠通過(guò)產(chǎn)生鐵載體、ACC脫氧酶、合成植物生長(zhǎng)激素等方式促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，增加植物的生物量，有助于植物對(duì)重金屬的積累；另一方面，微生物代謝活動(dòng)中產(chǎn)生的有機(jī)酸、鐵載體、氨基酸等小分子代謝產(chǎn)物能夠活化土壤重金屬，進(jìn)一步提高植物對(duì)重金屬的富集量。

由于生物協(xié)同修復(fù)具有成本低、綠色環(huán)保、不存在再次污染等特點(diǎn)，它已成為礦山恢復(fù)、重金屬污染土壤改良等生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域新興的、高效的生物修復(fù)技術(shù)。

4展望

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，土壤重金屬污染問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。土壤作為人類賴以生存的根本基礎(chǔ)，如何使土壤免受重金屬污染已成為亟待解決的重大課題之一。目前，雖然建立了土壤重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)，但基本上局限于農(nóng)業(yè)用地的土壤。對(duì)于其他形式利用的土地，如污水排放地、工礦廢棄物排放地等，還沒有建立土壤重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)。在今后一段時(shí)間，應(yīng)結(jié)合土壤利用方式和人體健康評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)的土壤污染標(biāo)準(zhǔn)，并且在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的防治辦法。

研究表明，生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)是今后研究的重點(diǎn)，尤其生物協(xié)同修復(fù)技術(shù)，由于其具有費(fèi)用低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今社會(huì)研究的重點(diǎn)。

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