重金屬污染下土壤重金屬元素異常成因機(jī)理研究

李 濤

（云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500）

重金屬污染是環(huán)境污染的重要形式，對(duì)土壤以及植物的正常生長發(fā)育產(chǎn)生了極為惡劣的影響。重金屬污染可以直接對(duì)土壤內(nèi)植物的遺傳信息載體DNA、植物自身的循環(huán)代謝、光合作用以及根系生長產(chǎn)生影響，使植物受到較為嚴(yán)重的危害。在此情況下，對(duì)重金屬異常成因機(jī)理進(jìn)行研究，揭示重金屬元素異常形成過程，可以減緩、防治土壤污染，修復(fù)土壤地球化學(xué)環(huán)境等，為異常生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 重金屬對(duì)土壤污染的機(jī)理

重金屬元素通常屬于過渡元素，其內(nèi)部含有較多的d電子，而d電子的排布形式?jīng)Q定了重金屬自身的催化性，其是對(duì)土壤與周圍植物產(chǎn)生污染的主要原因。

重金屬對(duì)土壤產(chǎn)生危害通常有兩個(gè)途徑，其一是重金屬離子通過植物表面進(jìn)入其體內(nèi)，并從根部流入到土壤當(dāng)中，在土壤內(nèi)原有的離子平衡產(chǎn)生了干擾，嚴(yán)重阻礙了土壤離子進(jìn)行正常的調(diào)節(jié)、滲透、運(yùn)輸工作，造成了對(duì)植物生長代謝紊亂；其二是，重金屬滲透到土壤內(nèi)后，制約土壤內(nèi)金屬元素以及礦物的密切空間聯(lián)系，使其活性大幅度降低，甚至改變土壤的金屬元素狀態(tài)，從而影響了周圍環(huán)境與植物正常的功能運(yùn)作，使植物產(chǎn)生較為嚴(yán)重的病變。

2 重金屬對(duì)土壤造成的危害影響

2.1 影響植物DNA

重金屬污染可以影響植物承載遺傳信息的DNA，通過在植物體內(nèi)誘導(dǎo)氧化反應(yīng)對(duì)植物自身的DNA修復(fù)系統(tǒng)造成損傷或抑制。相關(guān)工作人員曾進(jìn)行對(duì)蠶豆葉片的重金屬污染實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明不同的Cd濃度能夠引起蠶豆葉片不同程度的DNA損傷:重金屬濃度為5mg/L時(shí)，植物內(nèi)部會(huì)形成不穩(wěn)定位點(diǎn)，DNA單鏈?zhǔn)艿綋p傷；重金屬濃度為10mg/L時(shí)，植物內(nèi)部的DNA雙鏈發(fā)生斷裂；重金屬濃度為20mg/L時(shí)，DNA雙鏈損傷及DNA單鏈損傷程度均大幅度提升[1]。

2.2 影響土壤內(nèi)金屬元素大分子結(jié)構(gòu)

土壤內(nèi)金屬元素大分子結(jié)構(gòu)是元素信息表達(dá)的重要功能結(jié)構(gòu)，對(duì)于土壤的正常使用具有重要的作用。重金屬的可以對(duì)土壤內(nèi)部的金屬元素合成造成抑制并對(duì)土壤內(nèi)金屬元素自身的組織結(jié)構(gòu)造成破壞，致使土壤內(nèi)重金屬元素濃度集區(qū)數(shù)量相對(duì)較大，加速土壤受害范圍。相關(guān)工作人員對(duì)土壤進(jìn)行了重金屬污染研究，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤內(nèi)Zn濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)對(duì)金屬元素在土壤內(nèi)的傳導(dǎo)造成阻斷，抑制元素合成，加速土壤老化。

2.3 土壤重金屬元素異常機(jī)理分析

重金屬對(duì)土壤的污染危害已經(jīng)明確表明，金屬元素異常的機(jī)理成因，土壤中出現(xiàn)的金屬元素與礦物具有密切的空間聯(lián)系。金屬元素礦物的產(chǎn)生、擴(kuò)散以及沉降過程進(jìn)行分析，得到此類重金屬元素異常形成過程。決定土壤中重金屬元素含量及其分布特征的直接因素之一，就是金屬元素礦物的數(shù)量和分布狀況[2]。重金屬在滲透到土壤內(nèi)部后，擾亂了土壤金屬元素自身的離子平衡，致使土壤內(nèi)的金屬元素排序紊亂，金屬礦物分布不均等問題，同時(shí)重金屬的電子傳遞對(duì)土壤礦物沉降過程造成一定程度的影響，致使區(qū)域內(nèi)土壤周圍植被無法及時(shí)合成葉綠素，最終對(duì)周圍環(huán)境以及植被的光合作用產(chǎn)生較大程度的影響。

2.4 異常土壤重金屬元素特征

重金屬除了直接作用于土壤內(nèi)部產(chǎn)生污染外，還能夠通過滲透進(jìn)土壤深處對(duì)周圍植物產(chǎn)生毒害。當(dāng)土壤中的重金屬含量超標(biāo)時(shí)，生長于土壤內(nèi)部的植物根系最先受到重金屬的影響。在進(jìn)行該區(qū)土壤進(jìn)行異常圈定篩選發(fā)現(xiàn)，土壤內(nèi)部存在由As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn元素組成的異常。異常組分中，Sb異常面積最大，并包含其他元素異常，除As外，其余元素異常套合較好，各金屬元素均有表面富集的特點(diǎn)，富集系數(shù)變化范圍為1.27～1.87，從側(cè)面反映出土壤重金屬異常的形成受到后期疊加的作用影響。

3 重金屬異常機(jī)理分析

3.1 土壤剖面元素分布異常分析

土壤水平剖面元素空間含量變化顯示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素異常變化較為明顯，各個(gè)元素的趨勢基本一致，而Zn元素呈現(xiàn)出異常的特征。通過土壤水平剖面顯示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素基本上在原異常范圍內(nèi)存在，到土壤外圍含量明顯下降，這說明元異常范圍基本穩(wěn)定，而Zn異常范圍有所減小，從而有效避免了重金屬對(duì)土壤的進(jìn)一步危害。

3.2 重金屬異常成因分析

土壤剖面分析結(jié)果顯示，重金屬異常元素含量很大程度上受到金屬元素的制約，呈現(xiàn)出反消長的關(guān)系，即是土壤異常元素含量在很大程度上受到控制。由此分析得出，土壤異常元素含量與重金屬元素含量呈反消長的關(guān)系，土壤中常量元素的含量在很大程度上反應(yīng)出土壤地質(zhì)情況。因此，在通過對(duì)土壤的調(diào)查，重金屬元素等常量組份及其所決定的土壤質(zhì)地是導(dǎo)致異常形成的主要原因，后期疊加作用是土壤異常形成的次要因素。

3.3 搶奪結(jié)合位點(diǎn)

在重金屬離子侵入土壤內(nèi)部后，土壤自身對(duì)金屬元素離子的吸收會(huì)與重金屬對(duì)土壤的危害在結(jié)合位點(diǎn)上產(chǎn)生競爭，從而有效的使重金屬對(duì)土壤的危害形成最小化。相關(guān)試驗(yàn)表明，提高土壤環(huán)境中的Zn元素含量會(huì)在一定程度上效促進(jìn)Cd元素的產(chǎn)生，使土壤內(nèi)的Cd含量也明顯增加。但由于其二者具有相似的化學(xué)性質(zhì)在結(jié)合位點(diǎn)競爭過程中互為協(xié)同，從而使得Cd的溶解性能得到有效的提升。而Zn活性酶則維持原有的性能不變，從而抑制了Cd元素對(duì)土壤的污染。并且通過二者對(duì)土壤內(nèi)部元素結(jié)合位點(diǎn)的爭奪，有效提高了Zn元素在土壤內(nèi)的活性以及利用率，加快金屬元素礦物的合成，強(qiáng)化土壤自身的重金屬元素排解性能。

3.4 異常土壤區(qū)生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

在植物受到重金屬污染時(shí)主要的解毒方式即為合成絡(luò)合蛋白。當(dāng)重金屬成功滲透至植物細(xì)胞內(nèi)部后，會(huì)與細(xì)胞質(zhì)中的蘋果酸、草酸、谷胱甘肽等小分子物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，生成性質(zhì)較為穩(wěn)定的復(fù)雜絡(luò)合物，從而減小重金屬離子對(duì)植物的毒害影響。根據(jù)相關(guān)資料得出，重金屬元素在酸性土壤條件下活性增強(qiáng)，而在堿性土壤條件下活性較弱。在異常區(qū)土壤中，重金屬元素異常具有突出明顯特征，逐漸導(dǎo)致土壤中Ph值降低，對(duì)土壤礦區(qū)周圍的環(huán)境與植物產(chǎn)生巨大危害。

4 結(jié)語

礦區(qū)土壤重金屬元素異常成因機(jī)理研究結(jié)果表明，此類異常的形成在礦物釋放過程中，是重金屬礦物直接形成的原因，土壤中的重金屬元素異常形成機(jī)理也是對(duì)植物、生存環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土壤抗重金屬機(jī)理與影響因素的研究力度，采用更為先進(jìn)的分子手段進(jìn)行土壤中抗金屬基因分離并利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面提升土壤的抗重金屬污染性能，對(duì)受污染土壤進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)，重金屬污染土壤治理技術(shù)也是未來研究的主要方向。