土壤污染及其防治

土壤污染及其防治

1前言:

土壤是自然环境重要组成之一,它是处于岩石圈最外面的一层疏松的部分,具有支持植物和微生物生长繁殖的能力,被称为土壤圈。土壤层是处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间的过渡带,是联系有机界和无机界的中心环节。它是农业生产的基础,是人类生活的一项极其宝贵的资源。土壤还具有同化和代谢的外界进入土壤的物质的能力,所以土壤又是保护环境的重要净化剂。土壤同时也是很脆弱、容易被人类活动损害的环境因素。 我国土壤污染总体形势相当严峻。一是土壤污染程度加剧。据不完全调查,目前全国受污染的耕地约0. 1 亿hm2 ,占全国耕地的1/ 10 以上;受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000 万hm2 ,约占总耕地面积的1/ 5 ,其中工业“三废”污染耕地1000 万hm2 ,污 水灌溉农田面积达330 多万hm2 ,1600 万hm2 耕地受到农药的污染,固体废弃物堆存占地和毁田13. 3 万hm2 ,合计占耕地总面积的10 %以上。二是土壤污染危害巨大。据估算,全国每年因重金属污染而减产粮食1000 多万t ,造成的直接经济损失超过200 亿元。由土壤污染引发的农产品安全和人体健康事件时有发生,成为影响农业生产、群众健康和社会稳定的重要因 素。土壤的生态环境保护与治理已引起人们的普遍关注。美国于1980 年制定了CERCLA ( The Comprehen2sive Environmental Response , Compensation and LiabilityAct) 法,在法律上对污染土壤的修复义务进行了规定。近年来,世界各国都非常重视污染土壤修复技术的研 究[1 ]

2 污染物在土壤中的迁移转化过程和机理

2.1 重金属的迁移转化

随着现代工农业的发展,土壤中重金属污染日益严重,已经引起了国内外专家的极大关注。在农业生产中,开矿、冶炼以及长期输入含重金属的污水、污泥或磷肥等均会导致土壤重金属的积累,从而引起土壤退化。认识重金属在土壤中的迁移转化是非常重要的。重金属在物理、化学、生物作用下, 经过吸附解吸、溶解沉淀、氧化还原、络合、质子化等生物地球化学行为, 在土壤内部及其环境之间发生迁移转化。研究表明土壤中重金属对食物链和水体的污染都与重金属在土壤中的形态有关,不同形态的重金属被释放的难易程度不同, 其在土壤中的迁移难易程度差异也较大。可交换态的重金属在中性条件下最为活跃, 易被释放, 也容易发生反应转化为其它形态; 而残渣态的重金属与沉积物结合最牢固, 活性最小, 只能通过漫长的风化过程释放。有研究表明, 一般情况下在旱作农田中, 重金属向下迁移的深度大约在20~ 60 cm, 在成熟度高、分层性好、地表有机质与重金属含量相对丰富的土壤中, 重金属能迁移至地表下60 ~100 cm处。 [ 1 ]

2.2 有机污染物的迁移转化

多氯联苯( PCBs) 、多环芳烃( PAHs) 和多氯代二噁英( PCDD / PCDFs) 等难降解有机污染是近年来最引人关注的几种典型污染物, 其在土壤环境中的迁移转化是研究的热点。 土壤是PCB s在环境中的重要归宿[ 2 ] , Stuart& Harrad 对英国的土壤、淡水、海水、沉积物、牧草等介质中PCB s的含量、来源、分布、迁移、归宿等环境行为进行了研究, 发现残留于环境中的PCB s其中93.1 % 都留存在土壤中[ 3 ] 。土壤中的PCB s很难随滤过的水渗漏出来, 特别是在含粘土高的土壤中, 有研究表明PCBs在土壤中的迁移性很弱, 并且随着土壤深度的增加PCBs含量迅速降低[ 4 ] 。PAHs在土壤中可以被土壤吸附、迁移以及被微生物所降解。PAHs

进入土壤后, 根据土壤的水文特征可由液态迁移引发下层土壤污染和溶进地下水, 有研究表明PAHs的垂直分布特征为距土壤表面15 cm以上浓度最大, 20 cm以下浓度较小[ 5 ] 。PCDD /PCDFs进入土壤后可通过微生物分解、光降解、挥发、作物蒸腾作用、淋溶等途径损失降解。有研究表明PCDD /PCDFs最初的移动取决于载体溶剂的体积及其粘性、土壤的孔隙度、PCDD /PCDFs在载体与土壤间的分配系数[6 ] 。有学者在研究被木材防腐油污染的土壤中发现PCDD /PCDFs可能存在于油相饱和的地下土层, 在没有油相的地方, PCDD /PCDFs很易分布在土壤表面, 而且不能被水溶液浸出[ 7 ] 。.

3 污染土壤的修复技术

3.1 物理修复

物理修复对于污染重,面积小的地方修复效果好。但对于污染面积较大的土壤需要消耗大量的人力和财力, 而且物理修复容易导致土壤的结构破坏和肥力下降,给土壤带来二次污染。常用的物理修复技术主要有改土换土法、热修复法[8 ]、通风去污法[9 ]以及电动修复等, 随着生物修复及复合技术的发展, 物理修复中的一些技术, 例如改土换土法等已经逐渐被取代。

3.2 化学修复

化学修复法费用较低, 操作人员不会直接接触污染物, 但其适用的范围较窄, 一般 用于砂壤等渗透系数大的土壤, 而且由于引入的清洗剂等化学试剂, 极易造成二次污染。目前进行土壤污染修复的化学技术主要有化学淋洗技术 、化学还原与还原脱氯修复技术[ 10 ] 、化学氧化修复技术[ 11 ] 、溶剂浸提技术[ 12 ]和土壤性能改良修复技术[ 13 ]等。

3.3 植物修复

植物修复(Phytoremediation)是指种植对土壤中某种重金属元素具有特殊的吸收富集能力的植物,收获植物并进行妥善处理以使该种重金属移出土壤,达到污染治理目的的修复。植物修复通常包括植物吸收提取、植物挥发、根际滤除和植物稳定。

植物修复技术可以分为:根部过滤技术,植物稳定技术,植物挥发技术,植物萃取技术,不管是植物吸收、植物挥发还是植物稳定作用,植物本身的特性是决定污染治理效率的关键。因此,寻找与筛选适宜的植物始终是植物修复研究的一项重要任务。金属阳离子跨膜运载蛋白可能决定性地参与了重金属在根部的吸收、木质部的装载以及液泡的区室化[14 ] ,在细胞中重金属运输、分布和富集及提高植物抗性方面发挥了极其重要作用。超积累植物

(Hyperaeeumulator)的概念是BIDoks等人提出来的,是指那些超量地累积某种或者某些化学元素的野生植物。超积累植物可以活化土壤中不溶态的重金属,金属不能被降解而从环境中彻底清除,只能从一种形态转化为另一种能在生物体内富集。

4 主要土壤污染物的处理

4.1 重金属污染的修复

由于重金属污染范围广、持续时间长、不易在生物物质循环和能量交换中分解,重金属在环境中易蓄积,且性质稳定。环境中痕量重金属如Pd、Cr 、Cd 等可通过食物链最终在生物体内累积,破坏正常的生理代谢活动;又能抑制植物生长发育,促进早衰,降低产量并通过根系进入植物体,再通过食物链的传递和富集最终危害人体健康。重金属污染已经成为目前亟待解决的世界性难题。进入20 世纪30 年代以来,随着工农业迅速发展,大量的污染物尤其是重金属进入环境,引起环境质量严重恶化。

4.1.1 镉污染的修复

土壤中的可溶镉通过食物链可危害动物及人类的身体健康,镉可使生物骨矿物质代谢障碍,影响成骨细胞的形成,导致骨质疏松、软化、变形、骨折和疼痛,也可以降低生物角

膜内皮完整性。镉同时对人类和动物具有致癌作用,并诱发动物的前列腺癌和睾丸肿瘤。目前,镉已被国际癌症研究机构归类为第一致癌物。

可以用植物修复的方法修复镉污染的土壤,如超积累植物的提取修复,重金属排异植物的稳定修复,转基因植物修复,植物促进修复等,植物- 微生物及动物的协同修复等。

4.1.2 铜污染的修复

铜是农作物生长发育所必需的营养元素,然而铜也是导致土壤污染的重要重金属之一,当土壤中铜含量超过一定浓度时,将对作物生长发育及产量产生影响[ 15 ] 。植物铜中毒会出现失绿症,主要是由缺铁引起的;另外铜毒害抑制光合电子转移,而且破坏光系统Ⅱ,导致作物光合作用及其产量下降[ 16 ]

对于铜污染土壤的修复和其它重金属污染土壤的修复技术相同,都有物理、化学和生物3大类,物理方法投入大,化学方法难持久,对大面积土壤污染更是由于成本太高而无法实施。与之相比,植物修复是一种投资少、能持久、适宜大面积污染治理的一种方法。。在植物对铜的耐性中,细胞壁起着重要作用,其次是叶绿体[ 17 ]。通过种植铜超富集植物,能有效地将铜从土壤中取出,达到修复目的。

4.1.3 汞污染的修复

汞是常温下唯一呈液态的重金属元素, 同时具有较高的蒸汽压, 对环境及人体健康极具危害, 它被各国政府以及UNEP、WHO 和FAO 等国际组织列为优先控制的环境污染物, 一直受到人们的关注和重视[ 18 ]我国土壤中汞的几何平均值为0.04mg/kg, 含量范围为

0.001~45.9mg/kg, 高于世界土壤中汞的自然含量的平均值。汞的天然释放是土壤中汞的重要来源, 而人为污染主要来自工业和农业污染。汞在土壤中存在形态的影响因素有:PH值,有机质,氯离子,土壤Eh。土壤中汞污染的治理措施有:

4.1.3.1客土法

客土法是指在被污染的土壤表面覆盖上大量的未被污染的干净土壤, 使汞浓度降低到临界限度以下。这种方法是治理土壤重金属严重污染的切实有效的方法。在一般情况下, 覆盖土厚度越大, 降低作物中重金属含量的效果越显著。不足之处是需花费大量的人力与财力, 因此, 只适用小面积严重污染土壤的治理

4.1.3.2 固汞法

调节土壤酸碱度、增施有机肥、加入硫化钠等都可以使土壤中的汞以难被作物吸收的形态存在, 从而减轻汞对作物的危害, 这些方法可称为固汞法[ 19 ]

4.1.3 .3 水解法

采用加热的方法可以将汞从土壤中解吸出来, 然后回收利用。此方法一般应用于土壤汞含量极高的情况, 而且此方法技术复杂, 投资非常大。目前我国尚未应用。

4.1.3.4 热解析法

微生物在被污染土壤环境去毒方面具有独特的作用, 可以通过土壤生物改造或土壤生物改良, 提高微生物活性从而净化污染土壤, 这对去除汞污染应该是可行的。

4.1.4 铅污染处理

铅污染处理方法主要分为两个方面:净化和隔离。净化主要采用植物修复,尤其关注植物叶子的我变化;隔离则是隔绝的措施包括在污染地原处固定重金属成为不能溶解的状态,还有通过离子间的颉抗作用来降低植物对污染物的吸收。

4.2 持续性有机污染物的处理

持久性有机污染物是指具有持久性、生物蓄积性、半挥发性和毒性,能在大气中远距离迁移并能沉积回地球,对人类健康和环境具有严重危害的有机化合物[20]。

POPs物质一旦通过各种途径进入生物体后,就会在生物体内的脂肪、胚胎和肝脏等器官中积累下来,累积到一定程度就会对生物体造成伤害。各种POPs的毒性作用机制现在并不

是完全明确,POPs物质对人体造成的伤害,一般并不是某一种或某一族POPs单独作用的结果,而是某几族POPs相互协同作用的结果。大部分POPs物质具有致癌性、致突变和致畸变作用。此外,POPs能够破坏人体的内分泌、影响生殖与发育、导致男性雌性化和女性雄性化、肝损害、免疫力下降等等例如苯并(a) 芘(BaP) 是世界公认的强致癌性多环芳烃污染物,具有五环结构,可积累在生物体中,导致染色体畸变,无序地合成DNA ,威胁人类健康常见的处理方法有微生物降解,真菌,细菌的降解作用。PCBs可以通过好氧菌的共代谢和基因工程菌的降解来进行处理。

5 结语

总结土壤的污染物类型,主要表现为重金属和有机农药的污染,这些物质都是在人类生产活动和日常生活中产生的,对土壤造成严重的影响,危害人类健康及生态环境的平衡。比较集中土壤污染处理的方法,像客土法之类的物理处理方法在逐渐被淘汰。因为物理化学常规方法,不仅昂贵,难以大规模应用,而且常导致土壤结构破坏、肥力下降,降低土地的使用功能和应用价值[ 21 ]。而像植物修复、微生物处理方法因其处理效果好,成本低,便于操作,更加被广泛的使用。由于植物修复技术绿色环保,社会生态综合效益良好,易为公众所接受,尤其是治理费用比传统技术低,对重金属污染土壤的治理成效具有永久性。因此,植物修复概念提出后很快成为环境领域的前沿热点研究课题,普遍认为植物修复技术将成为环保领域的朝阳产业。然而,由于该项技术起步时间不长,在基础理论、技术等方面还需进行大量研究。 预想土壤污染物的处理,可能会有以下前景:

1)继续寻找、筛选超富集植物。

2)筛选耐性/抗性较强的微生物菌株。

3)利用分子生物学技术及基因工程等手段,选育高效富集重金属的植物,驯化、培养耐性微生物,构造工程菌剂具有广阔的前景,但是,转基因植物与微生物在现场应用的时候必然要考虑到其对生态系统存在的风险问题,因此关于这方面的研究还需要进一步探讨。

4)深化基础理论研究。

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