土壤重金屬鎘污染來(lái)源及其修復(fù)技術(shù)探究

王娜 魏樣

摘要：土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，Cd作為“五毒元素”之一，其污染是目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)目前土壤Cd污染來(lái)源、危害及植物修復(fù)和鈍化修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了綜述，提出了未來(lái)土壤Cd污染修復(fù)應(yīng)具有針對(duì)性。

關(guān)鍵詞：土壤;鎘污染;修復(fù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.031

Study on sources of heavy metal cadmium pollution in soil and its remediation technology

Wang Na1，2，3，4 ，Wei Yang1，2，3，4

（1. Institute of Land Engineering and Technology， Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710075， China; 2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group， Xian Shaanxi 710075， China; 3. Key Laboratory of Degarded and Unused Land Consolidation Engineering， the Ministry of Natural Resources of China， Xian Shaanxi 710075， China; 4. Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center， Xian Shaanxi 710075， China）

Abstract： Soil heavy metal pollution is becoming more and more serious. Cd is one of the “five poisonous elements”， and its pollution is a key problem that needs to be solved urgently. In this paper， the current sources of Cd pollution， hazards and phytoremediation and passivation techniques of soils are reviewed. It is proposed that the future soil Cd pollution restoration should be targeted.

Keywods： Soil; Cadmium pollution; Repair technology

土壤是人類賴以生存的重要自然資源，隨著全球工業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)污染也在日益加重。在長(zhǎng)期污染的情況下，污染物通過(guò)大氣、水等媒介不斷遷移至土壤中。如今為了增加糧食產(chǎn)量促使農(nóng)田化肥及農(nóng)藥的大面積施用，也不同程度的造成農(nóng)田重金屬污染。重金屬Cd與Hg、As、Cr、Pb被稱為“五毒元素”[1]，其在地殼中的平均含量為0.2mg/kg，廣泛存在于巖石、土壤及沉積物中。由于其遷移性強(qiáng)、難降解、毒性高等特點(diǎn)成為當(dāng)今環(huán)保學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

自日本富山縣神通川流域鎘污染事件以來(lái)，我國(guó)鎘污染事件頻繁發(fā)生。例如2005年12月15日廣東省孟洲壩電站斷面鎘超標(biāo)近10倍、2013年5月的“鎘大米”事件、2014年廣西大新縣的重金屬污染事件等，重金屬Cd污染成為全民關(guān)注的焦點(diǎn)[2]有研究報(bào)道，我國(guó)農(nóng)田土壤受Cd污染的面積已超過(guò)28ⅹ104hm2，每年因Cd污染所產(chǎn)生的農(nóng)產(chǎn)品及動(dòng)物造成的累積性毒害品高達(dá)146萬(wàn)t[3]。在2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，在無(wú)機(jī)污染物中土壤Cd的超標(biāo)率躍居第一位，超標(biāo)率達(dá)7.0%。 我國(guó)部分農(nóng)田土壤及農(nóng)作物Cd含量如表1。Cd污染已嚴(yán)重威脅到人類的健康和安全，土壤Cd污染治理迫在眉睫。本文綜述了土壤Cd的來(lái)源、危害及修復(fù)技術(shù)，著力于為土壤Cd修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 土壤重金屬鎘污染來(lái)源

重金屬鎘污染主要有兩種途徑，一是自然因素;其二是人為因素。通常在巖石風(fēng)化和火山活動(dòng)等自然環(huán)境中加劇了鎘向土壤環(huán)境中的傳輸。重金屬在自然環(huán)境中常以化合物狀態(tài)存在，一般情況下含量較低，一般為0.01～0.33mg/kg[5]，不會(huì)影響到人體健康。1817年，斯特羅邁爾教授發(fā)現(xiàn)Cd以來(lái)，Cd被大量應(yīng)用于核工業(yè)、電鍍及化工領(lǐng)域，隨著這些工業(yè)的迅速發(fā)展，其產(chǎn)生的廢水、廢渣、廢氣污染處理不當(dāng)或不經(jīng)過(guò)處理直接排入環(huán)境中，加劇了Cd的污染。工業(yè)“三廢”通過(guò)大氣沉降、污水灌溉、雨水淋溶等途徑進(jìn)入土壤環(huán)境。除此之外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用農(nóng)藥、化肥等也會(huì)加劇土壤Cd的含量。

2 鎘污染的危害

2.1 對(duì)人類及動(dòng)物的危害

圖1 鎘的毒性機(jī)制[8]

鎘對(duì)人體的危害主要通過(guò)食物、水、空氣等介質(zhì)由消化道進(jìn)入人體。鎘具有蓄積性，在人體中的潛伏性較長(zhǎng)，其生物學(xué)半衰期為20～40年，可引起慢性中毒，對(duì)人體的各個(gè)組織器官都有一定的危害，人體一旦受鎘毒害，其治療也是極為困難的。將含鎘物質(zhì)注入大鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)大鼠的腎臟收到損傷，當(dāng)鎘的濃度增加時(shí)，損傷程度加重[6]。動(dòng)物體內(nèi)鎘主要來(lái)源為牧草和飼料。動(dòng)物體內(nèi)的鎘含量過(guò)高可導(dǎo)致其食量減少，生產(chǎn)性能下降，從而影響其生育能力。動(dòng)物體內(nèi)的鎘主要蓄積在腎臟中，導(dǎo)致其腎小管結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而破壞腎臟的排毒功能。據(jù)報(bào)道，鎘在腎臟中的耐受濃度為2.7l×10-4 mg/kg，若超過(guò)該值，則會(huì)引起中毒[7]。鎘與眾多疾病相關(guān)，例癌癥、代謝綜合癥、神經(jīng)退化疾病等，這些都與鎘的化學(xué)性質(zhì)和毒性機(jī)制有關(guān)。鎘對(duì)人類及動(dòng)物毒性機(jī)制如圖1所示。

2.2 對(duì)植物的危害

Cd是植物生長(zhǎng)必須的微量元素，Cd在植物體內(nèi)積累并富集到一定程度時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出毒害作用，通常植物Cd含量較高時(shí)植物生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制，主要表現(xiàn)為生長(zhǎng)緩慢、植株矮小、顏色發(fā)黃、產(chǎn)量較低等癥狀。例如受Cd污染的大麥其種子發(fā)芽率降低，且隨著Cd濃度的升高，種子發(fā)芽率降低。植物根系往往是最直接、最嚴(yán)重的毒害器官之一[9]，例如蠶豆苗被Cd污染后其根尖開始變黑直至壞死[10];還有一些植物如玉米、番茄、黃瓜等受Cd脅迫后其葉片發(fā)黃，生長(zhǎng)緩慢，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)量。還有一些研究表明豆科植物在Cd污染下其生理生態(tài)可產(chǎn)生一定的影響，例如受Cd 脅迫的豆科作物細(xì)胞亞微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并可使DNA 發(fā)生變化，誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[11]。受Cd的脅迫，大豆根部細(xì)胞膜的選擇通透性和機(jī)能受到破壞，由于通透性的增大，加劇了細(xì)胞中的一些可溶物質(zhì)外滲，這就使得細(xì)胞內(nèi)酶及代謝作用原來(lái)的區(qū)域性發(fā)生改變，這勢(shì)必影響了大豆體內(nèi)酶的活性。除此之外，Cd污染破壞了豆科植物的細(xì)胞亞微結(jié)構(gòu)，且具有遺傳性[12]。

3 土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)

土壤Cd污染的修復(fù)治理成為當(dāng)今環(huán)境領(lǐng)域的熱門話題。土壤重金屬Cd污染修復(fù)主要通過(guò)兩種途徑，一種是穩(wěn)定化處理，即改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，達(dá)到降低重金屬活性劑其遷移性;另一種是去污化，將土壤重金屬?gòu)耐寥乐蟹蛛x出去，使土壤中重金屬的含量達(dá)到或接近背景值。主要包括物理法、化學(xué)法、植物修復(fù)法、微生物修復(fù)法、動(dòng)物修復(fù)法等，其中物理修復(fù)一般包括客土法、換土法、熱處理和電動(dòng)修復(fù)。本文旨在分析土壤Cd污染的植物修復(fù)技術(shù)與鈍化修復(fù)技術(shù)。

3.1 鎘污染土壤的植物修復(fù)

植物修復(fù)是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物體系清除污染物的一種環(huán)境污染治理技術(shù)。同生物修復(fù)技術(shù)分類方法類似，植物修復(fù)技術(shù)也具有廣義定義和狹義定義。植物修復(fù)技術(shù)廣義上是指利用植物提取、吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技術(shù)的總稱;狹義上是一種利用自然生長(zhǎng)植物或者遺傳工程培育植物修復(fù)重金屬污染土壤環(huán)境的技術(shù)總稱，核心在于重金屬污染物濃度逐漸減少。植物修復(fù)經(jīng)濟(jì)有效、成本低，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小，產(chǎn)生的富集重金屬的植物可統(tǒng)一處理，甚至可以從這些植物體內(nèi)回收重金屬，可以長(zhǎng)期、大面積的田間應(yīng)用，還可綠化環(huán)境。有研究表明印度芥菜地上部對(duì)Cd的吸附達(dá)到1800mg/kg[13];東南景田達(dá)到9000mg/kg[14];龍葵為228.4mg/kg[15];商陸為482.25mg/kg[16];鼠耳芥為157 mg/kg[17];寶山堇菜為1168 mg/kg[18];鐵皇冠為2477.74 mg/kg[19]。

3.2 鎘污染土壤的鈍化修復(fù)

鈍化修復(fù)就是通過(guò)施用鈍化劑等來(lái)降低土壤污染物的水溶性、擴(kuò)散性和生物有效性，削弱它們進(jìn)入植物體、微生物體和水體的能力，減輕污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害。其技術(shù)核心是向污染土壤中加入土壤鈍化劑改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)對(duì)重金屬的吸附、離子交換、沉淀或共沉淀作用，改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)和存在狀態(tài)，從而降低其生物有效性和遷移性，減少重金屬元素對(duì)動(dòng)植物的毒性及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。常用的鈍化劑包括以下幾種類型。

①無(wú)機(jī)鈍化劑：無(wú)機(jī)鈍化劑包括磷酸鹽類（羥基磷灰石、磷礦粉、磷酸、石灰、磷肥和骨炭等）、粘土礦物類（膨潤(rùn)土、蒙脫石、海泡石、鉀長(zhǎng)石、凹凸棒土、麥飯石和沸石等）、工業(yè)副產(chǎn)品類（赤泥、飛灰、磷石膏和白云石殘?jiān)龋┑龋€有一些純化學(xué)制品。一般來(lái)說(shuō)，在鎘、鉛、銅污染的土壤中，施用石灰性物質(zhì)，可提高土壤pH值，使重金屬生成氫氧化物沉淀，降低其在土壤中的活性，減少作物對(duì)重金屬的吸收。例如，范玉超等研究表明，在Cd污染土壤中添加磷灰石和石灰其表層土壤pH、Cu、Cd含量隨鈍化劑用量的增加而增加，但是深層土壤中Cu與Cd含量均顯著降低[20];王林等研究海泡石和磷酸鹽對(duì)鎘鉛污染稻田土壤的鈍化修復(fù)效應(yīng)與機(jī)理研究，結(jié)果表明施用海泡石和磷酸鹽后土壤pH增加，促進(jìn)了污染土壤中Cd、Pb由交換態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到鈍化Cd、Pb污染土壤的目的[21]。

②有機(jī)鈍化劑：常用的有機(jī)鈍化劑主要包括有機(jī)堆肥、畜禽糞便、綠肥、草炭等有機(jī)肥料。施用腐殖酸類肥料和其他有機(jī)肥料，可以增加土壤中腐殖質(zhì)含量，使土壤對(duì)重金屬的吸附能力增加，從而減少植物的吸收。同時(shí)，腐殖酸是重金屬的螯合劑，在一定條件下能與重金屬結(jié)合，從而降低土壤中重金屬元素的危害。吳繼陽(yáng)等研究污泥生物炭對(duì)土壤中Pb和Cd的生物有效性的影響，結(jié)果表明污泥生物炭對(duì)Pb和Cd均有較強(qiáng)的固定作用，且污泥生物炭在復(fù)合污染土壤中對(duì)Pb 的固定效果優(yōu)于在單一污染土壤中[22]。

4 結(jié)語(yǔ)

《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》規(guī)定，Cd是一類污染物。隨著工農(nóng)業(yè)廢棄物與生活污物的任意排放，環(huán)境中Cd的含量在不斷上升，已經(jīng)嚴(yán)重影響了人類的健康，因此Cd污染治理勢(shì)在必行。以往研究的化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)、電動(dòng)法修復(fù)對(duì)重金屬Cd均有修復(fù)效果，但其投資昂貴，設(shè)備復(fù)雜。植物修復(fù)不破壞農(nóng)田土壤的生態(tài)功能，不占耕地，有利于水土保持和生態(tài)環(huán)境改善;鈍化修復(fù)費(fèi)用較低，對(duì)一些非敏感區(qū)的污染土壤可大大降低修復(fù)成本，且能夠修復(fù)多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤。因此，植物修復(fù)和鈍化修復(fù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土壤Cd污染修復(fù)。然而在以往的研究中并非結(jié)合重金屬Cd污染來(lái)源、污染特征等方面有針對(duì)性的進(jìn)行治理。因此，在后續(xù)的研究中，研究學(xué)者們應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性的進(jìn)行修復(fù)研究。

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收稿日期：2019-06-10

作者簡(jiǎn)介：王娜（1990-），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槲蹞p土地修復(fù)治理。