土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)分析及應(yīng)用

張偉

摘? 要：近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，在大幅度提升我國國民收入的同時也使國內(nèi)的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，其中重金屬污染就是典型的工業(yè)污染類型。與其他污染類型不同，重金屬污染物對土壤造成的破壞具有一定的延續(xù)性，在很長一段時間都影響了土壤的質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中的植物受到污染。因此，相關(guān)技術(shù)檢測部門需要對土壤中的重金屬元素種類和含量進(jìn)行全面的檢測，只有這樣才能對土壤有針對性的防護(hù)與治理，防止土壤污染的進(jìn)一步加重。在此背景下，該文以土壤重金屬污染的危害為切入點，對當(dāng)前土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了重點分析，并闡述了土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用前景，最后總結(jié)了如何才能做好土壤重金屬快速監(jiān)測質(zhì)量控制。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬;快速監(jiān)測; 熒光光譜技術(shù)

中圖分類號： X833? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

重金屬污染是當(dāng)前我國土壤污染中最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，重金屬污染問題得不到解決會對土壤質(zhì)量造成持久性的破壞，甚至?xí)绊懼参锏馁|(zhì)量，對人類身體健康造成危害，因此治理土壤重金屬污染，已成為環(huán)保部門亟待解決的問題。要想成功治理土壤重金屬污染就必須對土壤中的重金屬含量和種類進(jìn)行準(zhǔn)確測量，重金屬快速監(jiān)測技術(shù)在其中發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)前，土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)有很多，其中較為常見的包括熒光光譜技術(shù)、生物傳感器技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)、高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)和環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測技術(shù)等，該文將對以上快速監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 土壤重金屬污染的危害

重金屬是指相對密度超過5的金屬元素，當(dāng)前常見的重金屬元素主要包括鉛、汞、鉻、鋅和銅等元素。如果土壤中重金屬含量過多，超出了安全范圍，就會導(dǎo)致土壤出現(xiàn)重金屬污染的情況。通常來說，如果在對植物進(jìn)行灌溉時用水質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、工業(yè)采礦時采礦方法不符合規(guī)定或者工業(yè)廢水排放質(zhì)量不達(dá)標(biāo)都會導(dǎo)致土壤重金屬污染。一般情況下，如果土壤中重金屬元素超標(biāo)，重金屬污染是不會自己進(jìn)行降解的，它會長期在土壤中留存，如果人和動物食用了土壤中的植物，重金屬元素還會在人和動物體內(nèi)逐漸積累，對人和動物身體健康造成威脅。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)也在不斷更新，因此需要相關(guān)人員對土壤中的重金屬進(jìn)行實時監(jiān)測，同時需要技術(shù)人員不斷地更新改進(jìn)土壤監(jiān)測技術(shù)，加強(qiáng)快速監(jiān)測手段，進(jìn)而從根本上提升我國土地環(huán)境質(zhì)量[1]。

2 土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)

2.1 熒光光譜技術(shù)

熒光光譜技術(shù)又稱為X射線熒光光譜技術(shù)，這種監(jiān)測技術(shù)主要可以對土壤進(jìn)行定量和定性分析。其主要工作原理是對采集到的土壤樣品進(jìn)行X光照射，樣品能夠吸收X射線，土壤中不同的重金屬元素吸收X射線后會產(chǎn)生不同波長的熒光，技術(shù)人員根據(jù)熒光的波長和能量能夠判斷出土壤中含有重金屬的元素種類和含量。熒光光譜技術(shù)的主要優(yōu)點是不會對土壤樣品造成其他污染和破壞，另外熒光光譜監(jiān)測技術(shù)具有較高的監(jiān)測速度和較高的穩(wěn)定性，如果有需要能夠直接在現(xiàn)場實施監(jiān)測。近年來，在熒光光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了一些新的監(jiān)測分析技術(shù)，例如電子探針X射線光譜監(jiān)測技術(shù)、全反射X射線熒光分析監(jiān)測技術(shù)和偏振激發(fā)X射線熒光分析監(jiān)測技術(shù)等。采用這些新型技術(shù)后，監(jiān)測技術(shù)的靈敏性和準(zhǔn)確度都有了較大幅度的提升，且對土壤取樣量要求不高，監(jiān)測過程復(fù)雜性有所降低，因此熒光光譜監(jiān)測技術(shù)在土壤重金屬監(jiān)測方面已引起了廣泛的關(guān)注。

2.2 生物傳感器技術(shù)

生物傳感器監(jiān)測技術(shù)是依靠蛋白質(zhì)、酶這兩種物質(zhì)進(jìn)行的重金屬快速監(jiān)測。眾所周知，蛋白質(zhì)和酶具有一定的生物識別能力，這種具有生物識別能力的物質(zhì)與監(jiān)測土壤結(jié)合可以發(fā)生相應(yīng)的變化，變化情況能夠轉(zhuǎn)換成容易被捕捉到的電信號或者光信號，監(jiān)測人員對捕捉到的電信號或者光信號進(jìn)行分析，就能測量出監(jiān)測物質(zhì)中所含貴金屬的種類和含量?，F(xiàn)階段，我國監(jiān)測機(jī)構(gòu)中常用的傳感器主要包括免疫傳感器、細(xì)胞傳感器和生物傳感器等[2]見表1和表2。

2.3 激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)又稱為激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法，它是一種借助于等離子體發(fā)光進(jìn)行土壤成分探測的一種污染檢測方法、激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)的工作原理為：讓激光穿透會聚透鏡，土壤表面的物質(zhì)經(jīng)過高峰值功率激光的照射會發(fā)生氣化和電離反應(yīng)，這時光學(xué)系統(tǒng)將土壤表面輻射出來的原子和離子光譜收集起來，監(jiān)測人員將收集起來的光譜信息輸入計算機(jī)系統(tǒng)，就能判斷分析出土壤中所含物質(zhì)的種類和質(zhì)量。激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)具有十分明顯突出的優(yōu)勢，監(jiān)測人員利用這種技術(shù)能夠在同一時間定量和定性分析出土壤中所含的不同物質(zhì)和狀態(tài)，另外采用這種方法進(jìn)行監(jiān)測分析對監(jiān)測樣本質(zhì)量沒有過高的要求，因此能夠節(jié)省大量人力，還能夠大幅度提升監(jiān)測分析效率。

2.4 高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)

當(dāng)前高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)主要包括地面高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)和航空航天高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)。其中地面高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)是將傳感器用三腳架、遙感車等儀器搭載起來，利用搭載后的傳感器進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)防范，這種地面高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)可以進(jìn)行各種地物波普測量。而航空航天高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)是指利用飛機(jī)飛艇或者氣球搭載傳感器，對地面進(jìn)行遙感觀測監(jiān)測，因此，航天遙感監(jiān)測技術(shù)又稱為太空遙感監(jiān)測技術(shù)。高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點是監(jiān)測效率高、監(jiān)測范圍大，相對于傳統(tǒng)遙感監(jiān)測技術(shù)具有更小的采樣間隔和更高的空間分辨率，因此這種高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)在土壤、植被、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測中具有極大的前景和價值。

2.5 環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境磁學(xué)監(jiān)測技術(shù)是利用磁性質(zhì)進(jìn)行污染監(jiān)測的技術(shù)方法，在自然界，任何物質(zhì)都具有一定的磁性質(zhì)，監(jiān)測人員根據(jù)物質(zhì)對外產(chǎn)生的磁效應(yīng)和電流，能夠檢測出土壤中所含物質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量，從而推算出土壤中有害重金屬的構(gòu)成和含量。

3 幾種土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用前景

3.1 熒光光譜技術(shù)的應(yīng)用前景

X射線熒光光譜技術(shù)以其監(jiān)測速度快，對土壤無二次污染等特點，成為了當(dāng)前發(fā)展速度最快的土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)。但是，為了更高效準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，該項技術(shù)在未來還應(yīng)該有所優(yōu)化，例如在進(jìn)行監(jiān)測時，技術(shù)人員應(yīng)該對光譜線進(jìn)行必要處理，同時還應(yīng)該對光譜譜峰進(jìn)行更精細(xì)的識別，提升監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

3.2 生物傳感器技術(shù)的應(yīng)用前景

使用生物傳感器進(jìn)行監(jiān)測時，由于生物酶具有很強(qiáng)的單一選擇性，很難對待檢樣本中的多種物質(zhì)同時進(jìn)行監(jiān)測，因此這種方法只偶爾的被應(yīng)用在土壤重金屬監(jiān)測過程中。在未來發(fā)展中，監(jiān)測技術(shù)人員應(yīng)該將研究重點放在多免疫抗體和多酶抑制監(jiān)測技術(shù)上，同時監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測過程的精化、智能處理也是未來生物傳感器監(jiān)測的開發(fā)重心。

3.3 激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)的應(yīng)用前景

近年來，激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)飛速發(fā)展，此項技術(shù)遇到的主要問題是在進(jìn)行土壤檢測時，監(jiān)測人員獲得的譜線密度十分復(fù)雜，對監(jiān)測結(jié)果有較大的影響，因此未來研究中，應(yīng)該將提升土壤樣品表面平整度作為研究的主要重心[4]。

4 土壤重金屬快速監(jiān)測的發(fā)展趨勢

4.1 提升監(jiān)測的主動性

未來對土壤中重金屬的檢測應(yīng)由過去的被動檢測向未來主動監(jiān)測發(fā)展，傳統(tǒng)的檢測只能在土壤已經(jīng)出現(xiàn)污染情況后檢測出來，因此無法達(dá)到提前預(yù)防的目的。在未來發(fā)展中，應(yīng)該實現(xiàn)以點帶面，大面積進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)土壤污染，盡早處理。

4.2 提升土壤監(jiān)測的綜合性

當(dāng)前使用最多的檢測方法是實驗室化學(xué)檢測法，這種檢測方式無法進(jìn)行大面積快速檢測，因此未來發(fā)展中具有更高綜合性的遙感車監(jiān)測、無人機(jī)等航空平臺監(jiān)測將是一個重要發(fā)展趨勢，利用綜合性更高的監(jiān)測方法能夠快速、大面積的分析、治理土壤重金屬污染。

5 結(jié)語

綜上所述，對土壤進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測，分析土壤中重金屬的含量是解決土壤污染的重要手段，因此應(yīng)該對土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行全面細(xì)致的分析，總結(jié)出具有可行性的應(yīng)對措施和治理方案。

參考文獻(xiàn)

[1]龔海明，馬瑞峻，旺昭軍，等.農(nóng)田土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2013（2）：140-147.

[2]施玉格.農(nóng)田土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014（9）：123.

[3]王豹，余建新，黃標(biāo)，等.便攜式X射線熒光光譜儀快速監(jiān)測重金屬土壤環(huán)境質(zhì)量[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015（6）：1735-1740.

[4]蔣世杰.土壤顆粒物中重金屬監(jiān)測技術(shù)進(jìn)展[J].環(huán)境與發(fā)展，2018（8）：176，178.