土壤銻污染及其修復(fù)技術(shù)

張 譞，郭 婧

1.武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武漢 430000

2.武漢市生態(tài)環(huán)境局江夏區(qū)分局，湖北 武漢 430000

土壤重金屬污染問題近年來開始受到人們的廣泛重視，這類污染具有隱蔽性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、無法被生物降解等特點(diǎn)，帶來的危害較為嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)土壤銻污染問題，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞相應(yīng)修復(fù)技術(shù)開展了大量研究，主要涉及物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等。

1 土壤銻污染現(xiàn)狀

作為環(huán)境系統(tǒng)核心介質(zhì)，土壤屬于大氣和水體溝通的關(guān)鍵紐帶，環(huán)境中各方面污染物的90%由土壤承受。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可以了解到，受銻冶煉和銻礦開采影響，土壤、河流等會(huì)受到嚴(yán)重的銻污染。我國(guó)有86.1%的銻集中分布在貴州、湖南等南方地區(qū)，土壤銻含量最高達(dá)到5045mg/kg，礦山活動(dòng)屬于土壤中銻污染的重要來源。隨著土壤銻污染問題的日趨加重，蔬菜和農(nóng)產(chǎn)品的銻含量不斷增加，重金屬銻通過食物鏈進(jìn)入人體，與人體內(nèi)的巰基結(jié)合后，人體糖的代謝及蛋白質(zhì)會(huì)受到干擾，同時(shí)損害神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、肝臟，并刺激黏膜，銻屬于典型的人類致癌物。對(duì)于植物而言，土壤銻污染也會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重危害，如影響生長(zhǎng)發(fā)育、影響光合作用、產(chǎn)生氧化脅迫、影響相關(guān)物質(zhì)的代謝、影響營(yíng)養(yǎng)元素分布等。為降低土壤銻污染危害，解決日益凸顯的土壤銻污染，近年來修復(fù)技術(shù)大量涌現(xiàn)，這類技術(shù)可細(xì)分為四類，包括物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)[1]。

2 土壤銻污染修復(fù)技術(shù)

2.1 物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)

物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)屬于土壤銻污染修復(fù)技術(shù)研究熱點(diǎn)，固化（穩(wěn)定化）技術(shù)、土壤淋洗技術(shù)、氧化（還原）技術(shù)、光催化降解技術(shù)、解吸脫附技術(shù)、電動(dòng)修復(fù)技術(shù)、豎向隔離技術(shù)、離子拮抗技術(shù)等均屬于土壤銻污染的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)范疇。以土壤淋洗技術(shù)為例，該技術(shù)能夠?qū)ν寥乐袖R的重金屬沉淀和離子吸附兩種反應(yīng)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，土壤中的銻等重金屬向土壤淋洗液中轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到減少土壤中重金屬總量的目的。淋洗劑屬于土壤淋洗技術(shù)的核心，可細(xì)分為表面合性劑、無機(jī)提取劑、有機(jī)螯合劑，相關(guān)研究主要圍繞淋洗劑應(yīng)用效果展開，如采用人工螯合劑EDTA、蘋果酸、酒石酸等淋洗劑解決銻污染嚴(yán)重的土壤問題。通過對(duì)比不同淋洗劑的重金屬淋洗效果，篩選出最優(yōu)的淋洗劑。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)三種有機(jī)螯合劑通過溶解、解吸及螯合等作用，淋洗效果明顯，同時(shí)酒石酸和蘋果酸存在較高的淋洗效果。土壤淋洗技術(shù)具備徹底、快速等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在可能導(dǎo)致二次污染出現(xiàn)、成本較高等缺點(diǎn)，現(xiàn)階段主要用于重度土壤銻污染的大面積治理；電動(dòng)修復(fù)技術(shù)同樣屬于典型的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用中需依托銻污染土壤兩端的直流電源產(chǎn)生電遷移和電滲析，以此實(shí)現(xiàn)污染物的去除，土壤的pH值為電動(dòng)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵，如無法較好控制土壤pH值，電動(dòng)修復(fù)技術(shù)在土壤銻污染修復(fù)中將難以發(fā)揮預(yù)期效果，因此電動(dòng)修復(fù)技術(shù)需要與電滲析法、陽離子選擇膜法、酸堿中和法、氧化還原法等共同應(yīng)用，該技術(shù)具備效率高、速度快的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)存在易產(chǎn)生二次污染且對(duì)電力輸送要求較高等不足[2]。

2.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

通過基于農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的高水平農(nóng)田耕作管理，可有效緩解農(nóng)田土壤銻污染。在農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究中，研究主要圍繞土壤pH值、水分、氧化還原電位等方面展開，如通過淹水和干濕交替處理土壤銻污染，無定形氧化鐵在土壤中能夠基于淹水處理吸附銻污染，隨著淹水天數(shù)的增加能夠得到平穩(wěn)增加的銻含量、As（Ⅲ）含量，銻的有效性和移動(dòng)性較高。基于盆栽實(shí)驗(yàn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究也較為常見，如圍繞不同淹水條件下土壤中銻的氧化還原種類和溶解度的研究發(fā)現(xiàn)，土壤溶液中的總銻濃度在淹水1周后由110μg/L降至20μ g/L，之后總銻濃度隨Mn和Fe氧化物的溶解而緩慢增加。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)具備易實(shí)施、成本低等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)存在效果不顯著、修復(fù)周期長(zhǎng)等不足。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)同樣屬于近年來土壤銻污染修復(fù)前沿?zé)狳c(diǎn)，這是由于該技術(shù)的成本較低且能夠最大限度降低銻污染濃度，應(yīng)用過程中也不會(huì)出現(xiàn)二次污染。生物修復(fù)技術(shù)可細(xì)分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)三類。微生物修復(fù)技術(shù)主要利用土壤中真菌、細(xì)菌、藻類、古菌類生物對(duì)土壤銻污染進(jìn)行沉淀、吸收、氧化還原處理，減少銻毒性。微生物修復(fù)技術(shù)的研究需要篩選具有銻抗性或氧化作用的微生物。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究可以發(fā)現(xiàn)，受不同區(qū)域環(huán)境條件差異影響，需關(guān)注環(huán)境變化對(duì)微生物效用帶來的不利影響?，F(xiàn)階段我國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)的抗銻和氧化微生物數(shù)量相對(duì)減少，為滿足微生物修復(fù)技術(shù)在土壤銻污染治理中的應(yīng)用需要，必須更深入、廣泛地開展相關(guān)研究。微生物修復(fù)技術(shù)在去除土壤銻污染方面有著出色表現(xiàn)，還能在耗費(fèi)較低成本前提下實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)改善和肥力提升，但存在修復(fù)耗時(shí)過長(zhǎng)的問題；植物修復(fù)技術(shù)同樣屬于典型的生物修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)在土壤銻污染修復(fù)中有著較為廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)主要是通過植物新陳代謝活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中重金屬銻的吸收、分解、提取、固定、轉(zhuǎn)化。但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)界僅發(fā)現(xiàn)幾種銻的耐受植物和超富集植物。在不同的銻污染條件下，同種植物對(duì)銻的吸收和積累也會(huì)出現(xiàn)一定差異，通過深入研究這種差異，便可更好地指導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用。如有研究發(fā)現(xiàn)白背葉、狗尾草、芒草、苧麻、淡竹葉5種植物具備修復(fù)土壤銻污染的潛力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)苧麻在當(dāng)?shù)負(fù)碛猩锪看蟆⑸L(zhǎng)迅速、適應(yīng)能力極強(qiáng)等特點(diǎn)，且能夠在較高濃度的銻污染土壤中快速生長(zhǎng)形成局部小群落，實(shí)現(xiàn)對(duì)銻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)均大于1，具備修復(fù)土壤銻污染的應(yīng)用價(jià)值。動(dòng)物修復(fù)技術(shù)指的是利用蟲類、鼠類、蜈蚣、蚯蚓等進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的直接或間接處理，以此改善土壤環(huán)境，同時(shí)與微生物、植物相互作用，提高對(duì)土壤銻污染的修復(fù)效果。如基于植物的根系作用和蚯蚓的生理活動(dòng)，土壤銻污染可在植物及蚯蚓體內(nèi)富集，通過對(duì)植物、蚯蚓及蚯蚓糞便進(jìn)行收集，即可實(shí)現(xiàn)土壤銻污染的修復(fù)[3]。

2.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

聯(lián)合修復(fù)技術(shù)指的是綜合利用上文提及的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行土壤銻污染修復(fù)，動(dòng)植物、化學(xué)-物理、化學(xué)-植物、植物-微生物等均屬于聯(lián)合修復(fù)技術(shù)范疇。以植物-微生物聯(lián)合修復(fù)為例，該技術(shù)具備較強(qiáng)的環(huán)保性，可細(xì)分為植物與菌根聯(lián)合修復(fù)、植物與專性菌株聯(lián)合修復(fù)，通過兼顧微生物修復(fù)和植物修復(fù)的優(yōu)勢(shì)，可大幅度提升污染物修復(fù)的有效性。在土壤銻污染修復(fù)實(shí)踐中，產(chǎn)鐵載體根際菌可實(shí)現(xiàn)植物根際環(huán)境中銻的活性提高，植物對(duì)銻污染的吸收和累計(jì)顯著增加，提高土壤銻污染植物修復(fù)效率和效果?？傊?，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，但多種技術(shù)結(jié)合也很容易產(chǎn)生復(fù)雜的機(jī)理問題，這可能引發(fā)的環(huán)境相關(guān)問題同樣需要得到重視。

3 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比

分析上文提及的四種土壤銻污染修復(fù)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要具備處理周期短、快速、徹底、簡(jiǎn)單易行、適用范圍廣、耗時(shí)短等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)存在有二次污染、技術(shù)不成熟、耗能大、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，且不同的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)存在不同應(yīng)用范圍，如土壤淋洗適用于大面積重度銻污染土壤、電動(dòng)修復(fù)適用于低滲透土壤。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)具備易實(shí)施、成本低的優(yōu)勢(shì)，但也存在效果不顯著、修復(fù)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，這使得其在土壤銻污染修復(fù)的具體工程實(shí)踐中存在較大應(yīng)用限制。生物修復(fù)技術(shù)擁有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、無二次污染、綠色、易操作、易接受等優(yōu)勢(shì)，但也存在修復(fù)緩慢、不能單獨(dú)修復(fù)土壤污染、僅限于植物根系區(qū)域等缺點(diǎn)。聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿^大，但現(xiàn)階段的相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索不足，理應(yīng)得到業(yè)內(nèi)人士的重視。

4 結(jié)束語

綜上所述，土壤銻污染修復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此基礎(chǔ)上，文章通過介紹物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，直觀地展示了土壤銻污染修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。為更好地開展土壤銻污染修復(fù)，相關(guān)研究人員還需重點(diǎn)關(guān)注宏基因組與大數(shù)據(jù)土壤銻污染修復(fù)技術(shù)、基于微生物動(dòng)態(tài)的人工智能模擬、多金屬超積累植物的培養(yǎng)雜交等方面的內(nèi)容。