土壤重金屬污染及其修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊志英，張建珠，李春苑，戴林利

(普洱市林業(yè)科學(xué)研究所，云南 普洱665000)

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化水平發(fā)展迅猛，土壤重金屬污染是在此背景下產(chǎn)生的污染和安全問(wèn)題。隨著人們生活水平和意識(shí)的不斷提高，對(duì)土壤重金屬污染的認(rèn)識(shí)和關(guān)注也越來(lái)越多。如果重金屬通過(guò)養(yǎng)分循環(huán)和食物鏈進(jìn)入人體，將會(huì)嚴(yán)重危害人體健康，甚至造成無(wú)法挽回的后果。

2 土壤重金屬污染概述

重金屬元素是單質(zhì)密度大于4.5 g/cm3的一類(lèi)金屬元素的總稱(chēng)[1]。重金屬元素進(jìn)入土壤后，若含量高于安全標(biāo)準(zhǔn)從而使生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象就是土壤重金屬污染[2]。

2.1 土壤重金屬污染來(lái)源及現(xiàn)狀

2.1.1 土壤重金屬污染來(lái)源

地質(zhì)作用中的火山噴發(fā)、地震以及含重金屬元素的巖石風(fēng)化會(huì)影響土壤中重金屬元素含量，但大部分來(lái)源于以下幾個(gè)方面。

(1)農(nóng)藥和化肥中的金屬元素一般都超標(biāo)，且在生產(chǎn)中過(guò)度使用；另外農(nóng)膜和地膜的回收率地也會(huì)導(dǎo)致重金屬污染[3]。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，富含重金屬的固體垃圾的堆積排放會(huì)讓其中的重金屬元素呈放射狀向水體及土壤中擴(kuò)散，進(jìn)而造成重金屬污染。

(2)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣未經(jīng)處理后排放會(huì)導(dǎo)致土壤中的重金屬含量增加。據(jù)報(bào)道，我國(guó)許多污灌區(qū)土壤汞、鎘、鉻、鉛等重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，且呈逐年上升趨勢(shì)。

工業(yè)生產(chǎn)的固體廢棄物未經(jīng)處理隨意堆放在露天場(chǎng)所，重金屬離子會(huì)擴(kuò)散至周邊的農(nóng)耕地土壤中。排放的有毒廢氣和粉塵，進(jìn)入大氣中通過(guò)自然沉降和降水過(guò)程進(jìn)入土壤從而造成重金屬污染。煤和石油中含有鉻、鉛、汞、鈦等金屬，這些重金屬元素會(huì)隨著燃燒過(guò)程進(jìn)入大氣后，有相當(dāng)一部分隨著自然沉降和降水進(jìn)入土壤[4]。另外，車(chē)輛在行駛過(guò)程中燃料的燃燒、輪胎的摩擦、潤(rùn)滑性的損耗等都會(huì)增加路旁土壤中重金屬的含量[5]。

2.1.2 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

全球土壤都存在著不同程度的重金屬污染[6]。在我國(guó)范圍內(nèi)，大約有10%的農(nóng)耕地已受到重金屬污染，這在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)情況尤甚。國(guó)家環(huán)保部抽樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，土壤重金屬嚴(yán)重超標(biāo)面積占抽調(diào)面積的12.1%[7]。

3 土壤重金屬污染的特點(diǎn)及危害

3.1 重金屬污染的特點(diǎn)

部分土壤重金屬污染早期表現(xiàn)出滯后性，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)和逐步積累的過(guò)程往往發(fā)生危害事件后才被人們覺(jué)察到，因而具有明顯的隱蔽性；土壤自身的凈化能力難以對(duì)侵入的重金屬污染起作用，一旦污染基本是不可逆的。而且污染的后果具有持久性，會(huì)在土壤中長(zhǎng)久保存。

3.2 重金屬污染的危害

重金屬污染首先會(huì)影響土壤中的微生物，會(huì)降低微生物(包括真菌和細(xì)菌)的數(shù)量和種類(lèi)；再者，重金屬會(huì)危害植物的一系列生理生化特征，如光合作用減弱，水分、養(yǎng)分利用率下降，植物體內(nèi)酶的有效性也會(huì)降低，從而影響植物的正常生長(zhǎng)，減少作物產(chǎn)量，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)植株的死亡[8]。受重金屬污染的植物如果通過(guò)食物鏈層層富集進(jìn)入人畜體內(nèi)，將會(huì)對(duì)人畜造成不可估量的影響。

4 土壤修復(fù)技術(shù)

4.1 物理修復(fù)

4.1.1 客土及深耕翻土法

客土就是干凈未受污染的土壤，將客土混入受污染的土壤中以降低土壤重金屬污染濃度的方法就是客土法。深耕翻土法就是將下層的土壤翻過(guò)來(lái)與上層的土壤混合并加入肥料以降低重金屬濃度和土壤肥力的方法。這兩種傳統(tǒng)修復(fù)方法，能在短期內(nèi)能收到達(dá)到修復(fù)目的，但是成本高，投入的人力、物力和財(cái)力成本大，對(duì)土壤層會(huì)產(chǎn)生較大的危害，因此不適合大范圍推廣[9]。

4.1.2 固化穩(wěn)定化技術(shù)

利用穩(wěn)定劑與土壤中的重金屬污染物發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，改變污染物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使其最終形成穩(wěn)定的不溶態(tài)且遷移能力小的塊狀固體，從而降低污染物的遷移能力。該方法并不具有長(zhǎng)久性，固化的污染物容易被釋放出來(lái)從而造成環(huán)境的二次污染。

4.1.3 電動(dòng)力修復(fù)法

通過(guò)在土壤層面中插上雙電極，加上直流電或交流電，從而形成電場(chǎng)，而土壤中的重金屬帶電離子就會(huì)積聚在電場(chǎng)的兩極上，從而污染得到清除。但電場(chǎng)同樣會(huì)損害土壤中的微生物，目前相關(guān)的研究正在考慮降低這種損害。

4.1.4 熱脫附法

利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備加熱受污染的土壤，使污染物揮發(fā)，再收集揮發(fā)態(tài)的重金屬污染物以便消除。目前美國(guó)已成功運(yùn)用這一技術(shù)在汞污染的土壤治理中[10]。熱脫附法的效果明顯，但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備價(jià)格昂貴，此外，高溫?zé)崽幚淼姆椒?，破壞土壤中的有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)水，而且耗能多，未來(lái)的研究中要解決這些問(wèn)題。

4.2 化學(xué)修復(fù)

通過(guò)添加土壤改良劑或表面活性劑改變土壤重金屬的理化性質(zhì)從而降低其有效機(jī)能和遷移能力[11]。該方法易于操作，但清理的重金屬元素依然存在于土壤中，很容易被活化后造成二次污染。

4.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)主要通過(guò)動(dòng)植物和微生物的物理吸附和代謝來(lái)參與重金屬污染物的降解和清除。

4.3.1 植物修復(fù)技術(shù)

目前廣泛應(yīng)用的主要有植物固化、揮發(fā)和提取法。某些植物根部的一些分泌物質(zhì)可以降低重金屬污染物的活性，從而達(dá)到固化污染物的目的；植物通過(guò)自身的代謝，吸收重金屬污染物后通過(guò)揮發(fā)成氣態(tài)從而降低污染物的含量；通過(guò)大量的植物吸收一定的重金屬污染物后，通過(guò)技術(shù)手段將植物體內(nèi)的重金屬提取出來(lái)，從而修復(fù)土壤[12]。

4.3.2 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

通過(guò)在污染的重金屬土壤中人工飼養(yǎng)或自然的方式讓土壤動(dòng)物(如蚯蚓)生長(zhǎng)和繁殖，土壤動(dòng)物吸收土壤中的重金屬后在體內(nèi)形成金屬硫蛋白，在代謝作用下，金屬硫蛋白被分解成多肽，從而重金屬的活性得到降解，毒性被解除[13]。

4.3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

利用土壤微生物(細(xì)菌、真菌等)來(lái)修復(fù)重金屬污染的土壤。目前，叢枝菌根真菌、木霉屬真菌、酵母及諸多耐重金屬的功能微生物已在土壤重金屬污染治理中得到廣泛應(yīng)用[14～17]，土壤微生物通常通過(guò)對(duì)重金屬離子的生物吸附和生物轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)。

(1)生物吸附。微生物自身的細(xì)胞表面往往帶有電荷，可利用帶電荷的細(xì)胞表面吸附土壤中的重金屬離子(如Zn2＋、Pb2＋、Cu2＋等)，從而 降低土壤重金屬離子濃度[18]。

(2)生物轉(zhuǎn)化。利用土壤微生物把金屬離子從高價(jià)態(tài)還原成低價(jià)態(tài)，這樣更利于植物吸收，再把有機(jī)的金屬還原成為單質(zhì)，從而將重金屬毒性降低或排除。此外，對(duì)于某些甲基化狀態(tài)下毒性較大的重金屬離子，也可以通過(guò)微生物的轉(zhuǎn)化降低其毒性。同時(shí)，土壤微生物通過(guò)代謝可以產(chǎn)生低分子量的有機(jī)酸，其中一部分有機(jī)酸可以和重金屬離子絡(luò)合，在一定情況下，它還能夠促進(jìn)重金屬的淋溶。對(duì)于一些已經(jīng)形成重金屬－有機(jī)質(zhì)絡(luò)合物的土壤重金屬離子，微生物也能夠發(fā)揮出降解作用。

4.3.4 淋洗分離技術(shù)

用水或其他淋洗液(如酸堿液)沖洗土壤以達(dá)到重金屬污染物與土壤分離的過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，到90年代已經(jīng)成為治理土壤重金屬污染的主流技術(shù)之一。該技術(shù)也存在諸多弊端，比如工程量大、投入高等因素很難解決。此外，有些淋洗劑處理后只能暫時(shí)緩解頂部土層的重金屬污染狀況，不能從根本上清除土壤重金屬，這也是制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的主要因素[19]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)土壤中重金屬污染的主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)污染和工業(yè)污染這兩個(gè)方面。土壤重金屬污染將會(huì)嚴(yán)重影響人們的食品安全，從生產(chǎn)者的角度來(lái)說(shuō)，要嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)的規(guī)范，進(jìn)行綠色生產(chǎn)；國(guó)家層面也要制定更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)以及出臺(tái)和執(zhí)行更為嚴(yán)厲的處罰措施。當(dāng)前熱門(mén)的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)，每一種都有其鮮明的特點(diǎn)，且優(yōu)劣勢(shì)并存，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作者很難做出恰當(dāng)?shù)倪x擇，因此，鑒于我國(guó)土壤重金屬污染的特殊性，多出版有針對(duì)性的土壤修復(fù)指導(dǎo)意見(jiàn)的專(zhuān)著顯得尤為重要。

土壤重金屬修復(fù)工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，在廣大科研工作者的不懈努力及社會(huì)的大力支持下，人們將來(lái)一定能研究出應(yīng)對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)，探索出新的思路和方法。在諸多技術(shù)方法中，生物修復(fù)技術(shù)因其綠色、低碳、環(huán)保的特點(diǎn)，且對(duì)污染土壤具有良好的修復(fù)效果，因而更符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。