淺談土壤鎘污染的修復(fù)技術(shù)

駱翠紅

（武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰?，武漢 430079）

土壤重金屬污染已成為普遍的環(huán)境問(wèn)題之一，有關(guān)資料顯示，我國(guó)礦區(qū)、冶煉區(qū)、污水灌溉區(qū)的鎘濃度明顯高于邊遠(yuǎn)地區(qū)，在空間分布上，南方地區(qū)土壤鎘含量比北方高，土壤中的鎘含量為0.27 mg/kg，超過(guò)國(guó)家一級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。許多地區(qū)的鎘污染是開(kāi)采和冶煉活動(dòng)引起的，或者是污水、污泥與磷肥的排放、工業(yè)中的廢料排放引起的。它會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程造成各種不利影響。其中，長(zhǎng)期施用磷肥已使鎘通過(guò)食物鏈的連續(xù)積累對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅，長(zhǎng)期攝入過(guò)量的鎘污染食品會(huì)造成人體器官衰竭、骨質(zhì)疏松軟化。關(guān)于土壤鎘污染方面的消息，國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道。例如，2013年，湖南攸縣爆發(fā)“鎘大米事件”。2014年，中國(guó)環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布數(shù)據(jù)，2005–2013采集的土壤樣品中有7%的樣品受到鎘污染，反映了我國(guó)目前土壤鎘污染問(wèn)題亟待解決。

土壤中有效態(tài)的鎘才能產(chǎn)生影響，鎘遷移到土壤中以后，通過(guò)溶解、凝聚、沉淀、螯合、吸附等物理化學(xué)反應(yīng)，依次形成不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)[1]。根據(jù)五步連續(xù)提取法得知，土壤中鎘的存在形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。其中，處于絡(luò)合態(tài)和離子態(tài)的水溶性鎘極易被吸收，危害較大，而非水溶性鎘由于不易遷移很難被植物根部吸收，但隨環(huán)境條件發(fā)生變化，二者可相互轉(zhuǎn)化。因此，處理土壤鎘污染，人們還需對(duì)癥下藥。

目前，我國(guó)面臨嚴(yán)峻的土壤鎘污染。在保障人們生活生產(chǎn)不再受到持續(xù)污染的前提下，以一種高效率、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、見(jiàn)效快的修復(fù)技術(shù)治理土壤鎘污染，實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用，已成為當(dāng)今環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文結(jié)合當(dāng)前已有的修復(fù)技術(shù)，指出其存在的不足之處，旨在為我國(guó)土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 土壤鎘污染的物理修復(fù)技術(shù)

1.1 換土法

換土法是將部分或全部鎘污染土換入非污染土，或者是換去受鎘污染表土，這樣可以根據(jù)無(wú)污染表層土的特性，活化下層的土壤。

1.2 客土法

客土法是將鎘污染土表層覆蓋上非污染土，也可混勻非污染土與污染土，使污染濃度降低從而減輕危害，上下土層翻土法是指將上層鎘污染土翻動(dòng)至下層，使鎘擴(kuò)散到周?chē)翆?，防止鎘在某一層土壤集中，并使?jié)舛冉档偷酵寥揽沙惺艿姆秶?/p>

對(duì)于治理土壤鎘污染而言，上述方法適合于小面積污染土壤的治理，操作較為簡(jiǎn)單，但是耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，資金投入較大。同時(shí)，其存在效果不明顯、治標(biāo)不治本、再次污染的問(wèn)題，因此不是一種有效的治理方法。

2 土壤鎘污染的化學(xué)修復(fù)技術(shù)

2.1 化學(xué)淋洗

土壤淋洗是指利用淋洗劑產(chǎn)生的化學(xué)作用，將土壤中各種形態(tài)的重金屬污染物先分離出來(lái)再加以去除。因此，尋找一種合理的淋洗劑，在確保不會(huì)破壞原本土壤理化性質(zhì)的同時(shí)，使其既不會(huì)再次對(duì)土壤造成污染，還可以有效地去除各種形態(tài)的污染物。人們?cè)诶肊DDS（乙二胺二琥珀酸）對(duì)土壤鎘、銅、鋅和鉛污染進(jìn)行修復(fù)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸堿度調(diào)整為5時(shí)，淋洗劑能夠去除污染土壤中的部分銅、鉛、鋅等重金屬離子；而使用EDTA（乙二胺四乙酸）淋洗污染土壤，可以去除污染土壤中大量重金屬離子。有研究表明，以上兩種淋洗劑均能去除土壤中的鎘元素[2]。

2.2 穩(wěn)固化

土壤穩(wěn)定化是指向重金屬污染土壤中加入某類(lèi)藥劑，通過(guò)溶解、吸附、沉淀、氧化還原、螯合等物理化學(xué)作用，來(lái)抑制重金屬在土壤中的遷移和降低生物有效性，抑制、降低土壤中有毒重金屬排放的技術(shù)。藥劑的選擇應(yīng)符合以下要求：添加的藥劑本身不含重金屬離子，對(duì)修復(fù)土壤不存在再次污染；選擇經(jīng)濟(jì)、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)的藥劑；藥劑的穩(wěn)定化效果顯著，后期持續(xù)性強(qiáng)。

研究表明，向鎘污染土壤中添加海泡石，能夠有效降低鎘的含量。海泡石降低了土壤中的有效性鎘，使糙米中鎘含量明顯降低，在對(duì)海泡石分別進(jìn)行磷肥復(fù)配和硅肥復(fù)配處理后，糙米鎘含量分別降低至0.33 mg/kg和0.34 mg/kg，最大降幅約為72.7%[3]。另外，鋼渣對(duì)鎘離子有吸附和沉淀作用，因?yàn)橹亟饘匐x子在土壤中易被氧化，從而形成鐵氧化物固定下來(lái)[4]。

3 土壤鎘污染生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)是指利用植物、動(dòng)物、微生物代謝產(chǎn)生的一系列生理生化反應(yīng)，減少土壤環(huán)境中的重金屬含量。該技術(shù)修復(fù)效果好、見(jiàn)效快、易于管理與操作、持續(xù)性強(qiáng)，因而研究與應(yīng)用最廣泛。植被形成后，能保護(hù)表土、減少侵蝕和水土流失，還可以起到修復(fù)景觀的作用。

3.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)具有適用范圍廣、投入成本低、持續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，既能在保持原土壤結(jié)構(gòu)和土壤活性的條件下去除污染物，還可以改善土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤結(jié)構(gòu)，提高土地肥力，保持水土、修復(fù)景觀，因此深受?chē)?guó)內(nèi)外有關(guān)部門(mén)的青睞[5]。其中，植物提取是使用頻率較高的一種技術(shù)。植物提取是利用植物地下部分吸取污染物，并通過(guò)富集轉(zhuǎn)運(yùn)將污染物積累于地上部分，最后通過(guò)收取地上部分實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)的過(guò)程。因此，篩選重金屬超富集植物成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。

目前，學(xué)者發(fā)現(xiàn)了超富集植物400余種，其中包含不少耐鎘植物。劉周莉等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的鎘超富集植物——忍冬，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中鎘含量為25 mg/L時(shí)，忍冬地上部分鎘含量接近300 μg/g，遠(yuǎn)高于鎘超富集植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)值100 μg/g[6]。蔣先軍等人的研究提出，印度芥菜是對(duì)土壤鎘污染具有較大修復(fù)潛力的植物之一，其對(duì)鎘的吸收與積累效果十分顯著，同時(shí)，它還能吸收鉛、鋅、銅、鉻、鎳等[7]。侯伶龍等人研究表明，魚(yú)腥草是一種根系發(fā)達(dá)、對(duì)鎘具有超富集能力的草本植物，能在200 mg/kg的土壤鎘污染環(huán)境下生長(zhǎng)[8]。研究表明，EDTA和EDDS均為高效的鎘提取劑。

3.2 微生物修復(fù)技術(shù)

土壤中的重金屬離子可由根系分泌物固定，通過(guò)植物根際細(xì)菌和放線(xiàn)菌的活動(dòng)，改變根際土壤理化性質(zhì)而影響重金屬的化學(xué)形態(tài)，同時(shí)降低重金屬對(duì)植物根系的毒性。學(xué)者劉靈芝等人研究了在不同鎘濃度下，叢枝菌根菌對(duì)萬(wàn)壽菊根系浸染率的影響[9]。結(jié)果表明，萬(wàn)壽菊在接種礦區(qū)污染土叢枝菌根菌之后，根系浸染率顯著增加，體現(xiàn)了叢枝根菌對(duì)鎘有很強(qiáng)的抗性。這可能與植物根系對(duì)離子的固定作用有關(guān)，它改變土壤中重金屬的轉(zhuǎn)移能力，從而降低生物的有效性，也阻止重金屬離子在食物鏈中的傳遞與積累，這為鎘污染尾礦修復(fù)與景觀重建研究提供了初步依據(jù)。需要注意的是，植物固定技術(shù)并沒(méi)有真正去除土壤中的鎘，只是將鎘固定在植物根部或根際土中，改變環(huán)境條件后仍可使重金屬污染物的生物有效性發(fā)生改變。

此外，利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)，可以使土壤中的污染物化為揮發(fā)形態(tài)。芥菜累的根系分泌物可以使土壤中硒揮發(fā)之后并去除。洋麻類(lèi)可使土壤中離子態(tài)硒轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)性的甲基硒。

細(xì)菌的細(xì)胞壁中羧基，容易將金屬離子結(jié)合于壁表面。研究發(fā)現(xiàn)，一些菌株能鈍化固定土壤中的鎘，降低它們?cè)谕寥乐械挠行B(tài)含量。研究表明，在鎘濃度為1 mg/L，pH值為7時(shí)，細(xì)菌ZAN-044對(duì)鎘的吸附率為69%，比放線(xiàn)菌R27、紅緣層孔菌更適合修復(fù)鎘污染土壤。

真菌對(duì)于提高植物對(duì)重金屬的抗性，提高修復(fù)效率具有重要作用，可通過(guò)根系分泌物改變重金屬存在形態(tài)，進(jìn)而降低重金屬的植物毒性及其生物有效性。需要注意的是，不同種類(lèi)的菌根真菌對(duì)植物吸收重金屬的機(jī)制不同，某些菌種可能抑制植物對(duì)重金屬的吸收，從而降低植物的提取效率，因此要根據(jù)不同的土壤特性來(lái)合理選擇菌根菌種。

3.3 生物炭修復(fù)技術(shù)

生物炭可以通過(guò)提高土壤酸堿度、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改變土壤中土壤微生物的結(jié)構(gòu)組成，從而降低重金屬毒害作用。生物炭本身含有碳酸鹽類(lèi)，可促進(jìn)離子交換反應(yīng)，提高土壤酸堿值，進(jìn)而降低重金屬的毒害作用。研究表明，棉稈炭處理土壤明顯降低了小白菜地上部分和根部的鎘積累量，地上部分鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至49.43%～68.29%，根部降至64.14%～77.66%。

研究表明，生物炭可以保持土壤肥力，因此對(duì)于污染農(nóng)田土壤有極大的幫助，它可以提高土壤有機(jī)質(zhì)水平，改善肥料的利用效率。泥炭土能降低甜瓜對(duì)鎘的吸附，雞糞能有效地降低小麥組織50%的鎘含量，促進(jìn)小麥生長(zhǎng)。生物炭提高土壤有機(jī)質(zhì)水平體現(xiàn)在兩方面。一方面，通過(guò)吸附土壤中的有機(jī)分子，利用表面催化，促進(jìn)小顆粒有機(jī)分子聚合，生物炭的多孔性為微生物生存提供附著位點(diǎn)和較廣闊的生存空間，進(jìn)一步改善土壤微環(huán)境的理化性質(zhì)，促進(jìn)有益微生物繁殖及活性，最終影響土壤中微生物礦質(zhì)元素循環(huán)的促進(jìn)過(guò)程和形態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而改善土壤肥力。另一方面，生物炭本身所具備的極為緩慢的分解特性，有助于土壤形成腐殖質(zhì)，并通過(guò)長(zhǎng)期作用促進(jìn)土壤肥力的提高。

生物炭表面含有豐富的官能團(tuán)，可以在表面與重金屬形成絡(luò)合物，增加土壤對(duì)某種重金屬的專(zhuān)性吸附能力，降低重金屬離子的遷移率，從而減小毒害作用。然而，土壤對(duì)鎘離子的吸附受到土壤粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，粘粒礦化組分越大，土壤對(duì)鎘的吸附速率越低。目前，有研究結(jié)果顯示，土壤中有效鎘含量隨著鎘污染土壤中秸稈添加量的增加而減少。

4 現(xiàn)階段面臨的問(wèn)題

肥料濫用是引起土壤鎘污染的一個(gè)重要因素。因此，人們應(yīng)當(dāng)最大化地降低化肥本身的重金屬含量，生產(chǎn)無(wú)污染的肥料。在全國(guó)土壤環(huán)境背景值所允許的鎘含量標(biāo)準(zhǔn)下，國(guó)家要指導(dǎo)農(nóng)民通過(guò)科學(xué)方法合理施肥，這樣既可以提高土壤肥力，又可以降低土壤中重金屬含量。根據(jù)土壤環(huán)境適當(dāng)調(diào)整作物種類(lèi)，也是降低土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的有效措施，在污染土壤中種植具有抗重金屬鎘耐性的作物，可以顯著降低鎘污染環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)展土壤鎘污染的修復(fù)技術(shù)研究，對(duì)于促進(jìn)人類(lèi)生活生產(chǎn)質(zhì)量安全、建設(shè)美好的生態(tài)環(huán)境具有重大意義。本文介紹了三種修復(fù)土壤重金屬鎘污染的方法，其中，生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的修復(fù)措施，如植物修復(fù)技術(shù)。我國(guó)重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)在經(jīng)過(guò)多年的研修與改進(jìn)后，目前取得可觀的成果。然而，由于問(wèn)題較為復(fù)雜，這一領(lǐng)域仍然存在不少問(wèn)題。例如，目前多利用草本植物進(jìn)行修復(fù)，草本植物的生物量小、根系較淺、生長(zhǎng)緩慢、修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，使其在實(shí)際修復(fù)中的應(yīng)用效果不太顯著。因此，有學(xué)者開(kāi)始研究木本植物對(duì)重金屬的修復(fù)能力。相較于草本植物，木本植物在建立植被景觀上更具優(yōu)勢(shì)。目前，人們已發(fā)現(xiàn)不少鎘的超富集植物，而在實(shí)際應(yīng)用中，人們還應(yīng)考慮各個(gè)品種的特性，從而達(dá)到更好的修復(fù)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

土壤中的鎘污染與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，因此，要徹底解決鎘對(duì)環(huán)境所造成的污染，保護(hù)農(nóng)田、河流等生態(tài)環(huán)境，人們不僅要改進(jìn)治理技術(shù)，還要從保護(hù)的源頭做起。一是減少有關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)，或采取預(yù)防措施，禁止使用工業(yè)生產(chǎn)所排放的、未經(jīng)處理的污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉；二是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，應(yīng)當(dāng)控制磷肥中的鎘含量，并合理施肥；三是對(duì)于已被鎘污染的土壤，應(yīng)采取見(jiàn)效快、無(wú)污染的措施對(duì)其進(jìn)行治理，最終減少鎘給人類(lèi)健康帶來(lái)的危害；四是加強(qiáng)人們對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段土壤鎘污染情況的認(rèn)識(shí)，使其自發(fā)地參與到土壤環(huán)境保護(hù)的行動(dòng)中來(lái)。

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