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        探討土壤重金屬危害及修復措施

        瀏覽量:    發布時間:2019-01-05    編輯:管理員

         

        1 土壤重金屬污染的內涵及特點

          土壤重金屬污染是指土壤中重金屬元素含量明顯高于其自然背景值,并造成生態破壞和環境質量惡化的現象。重金屬元素在化學中一般定義為相對密度等于或大于5.0的金屬,包括Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45種元素。As是一種類金屬,但由于其很多性質和環境行為都與重金屬元素類似,所以也將它歸入重金屬元素。一般來說,引起土壤重金屬污染的元素主要包括Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8種元素。土壤重金屬污染的危害不僅僅取決于重金屬在土壤中的總量,還取決于其存在形態和各形態所占的比例,其中重金屬元素以水溶態、交換態的活性毒性最大,殘存態的活性毒性最小。離子交換態的重金屬在土壤環境中活性大毒性強,易被植物吸收,也易被植物吸附、淋失或發生反應轉為其他形態。如Cr6+在土壤中很穩定,其毒害程度要比易被土壤吸附的Cr3+大100倍,甲基汞要比Hg的其它形態毒性要強。由于重金屬元素本身所具有的特點和土壤環境的多介質、多界面、多組分以及非均一性等特點,決定了土壤重金屬污染具有以下特點:隱蔽性和滯后性,不可逆性和長期性,區域性和嚴重性,治理難且周期長。由于重金屬能進入所有生態系統中,釋放到大氣圈、陸地圈、生物圈和水圈,對植物、動物和人類產生嚴重問題,特別是重金屬能在土壤和有機體中富集,在食物鏈中產生不可預見的結果。

          2 土壤重金屬污染危害

          2.1 對植物的危害

          土壤中的重金屬會對植物產生一定的毒害作用,引起株高、主根長度、葉面積等一系列生理特征的改變。主要是因為吸收到植物體內的重金屬能誘導其體內產生某些對酶和代謝具有毒害作用和不利影響的物質,如H2O2、C2H2等類物質。重金屬的脅迫有時會引起大量營養的缺乏和酶有效性的降低,較高濃度的重金屬含量有抑制植物體對Ca、Mg等礦物質元素的吸收和轉運的能力。經過Cd處理的小麥幼苗葉和根的生長明顯受到抑制,其莖和葉中富集的Cd量增加,Fe、Mg、Ca和K等營養元素的含量下降。對廣州市農業用水的狀況與蔬菜產品的質量進行了深入的分析研究,得出長期使用富含重金屬的污水灌溉菜田,各種蔬菜都會受到不同程度的污染。土壤重金屬污染影響植物生理生態過程、植物產量和品質,如廣水城郊由于耕地土壤受到重金屬污染,不同農作物中的Cu、Pb、Zn、Cd檢測結果全部或部分重金屬超標。重金屬污染脅迫可以危害植物的根系,造成根系生理代謝失調,生長受到抑制,反過來,受害根系的吸收能力減弱,導致植物體營養虧缺。

          2.2 對土壤動物的危害

          隨著各種重金屬元素在土壤中的富集,對土壤動物的生存繁衍帶來了嚴重威脅。研究了淮南市重金屬污染對土壤動物群落和多樣性影響,得出重金屬污染不同程度地對土壤動物構成危害,土壤動物群落的組成與數量隨著污染的加重而減少,在重污染的土壤中,優勢類群與常見類群的種類明顯減少;重金屬對土壤動物群落的多樣性指數、均勻性指數、密度類群指數都有減少的趨勢。土壤重金屬含量對蚯蚓、線蟲等無脊椎動物數目、豐富度、生物數量和群體構成等有直接影響。袁方曜等對魯中地區農田環境有害化學物質對蚯蚓群體構成的影響進行了調查,發現重金屬污染農田蚯蚓種群的多樣性指數為1.5835,而在相比較的普通潮土農田中為2.2262,說明重金屬污染農田蚯蚓種群多樣性水平已顯著下降。Van-deeeleBart等調查了疏浚底泥土壤的蚯蚓數和移植率,將調查結果與沖積平原土壤進行比較,發現沙質平原土壤蚯蚓數量明顯高于受重金屬污染的疏浚底泥土壤的蚯蚓數。

          2.3 對土壤酶的危害

          土壤酶是一種生物催化劑,是反映土壤肥力的一個敏感性生物指標,更能直接反映土壤生物化學過程的強度和方向。由于土壤酶活性易受土壤物理性質、化學性質和生物活性的影響,環境污染對土壤酶活性影響較大,可在一定程度上靈敏地反映出土壤的環境狀況。劉樹慶應用一元線性與非線性回歸擬合尋優模型,研究了保定市污灌區土壤重金屬Pb、Cd污染與土壤酶活性間關系,發現土壤脲酶和過氧化氫酶活性與土壤、Cd含量之間呈指數負相關。Hg對土壤中脲酶的抑制作用最為敏感,當土壤中脲酶明顯減少時,可表明土壤Hg污染。邱莉萍通過室內盆栽實驗,得出Cu、Zn、Cd元素都降低土壤中脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶的活性。和文祥研究發現Hg、Cd對土壤脲酶活性具有顯著的抑制作用,抑制幅度和強度分別以Hg、Cd和Hg為最大。土壤重金屬元素對土壤的復合污染并不是各單元素污染的簡單疊加,而是更為復雜。單元素處理Zn對土壤過氧化氫酶活性具有一定的抑制作用,Cd<10mg/kg時表現為激活作用,達50mg/kg時表現為抑制作用,Cd、Zn對土壤過氧化氫酶活性交互作用表現出協同抑制負效應特征。

          2.4 對人體健康的危害

          土壤尤其是表層土壤中的重金屬極易進入人體,直接對人體健康造成威脅,當人體攝入或吸入過量的Cd,會引起身體各器官一系列的病變,可引發以骨礦密度降低和骨折發生機率增加為特征的骨效應。Pb能導致包括人類在內的各種生物的生殖功能下降、機體免疫力降低,當人體內血鉛質量比達到600μg/g~800μg/g時會表現為頭暈、頭疼、記憶力減退和腹疼等一系列癥狀。長期食用含Cr的食物,人體會出現不同程度的皮膚和呼吸道系統病變,并且出現潰瘍和炎癥。長期吸入Ni可以引起鼻癌、肺癌,并且可以引起接觸性皮炎、肺炎等病癥。當金屬Hg進入人體后,可與體內酶或蛋白質中許多帶負電的基團如巰基等結合,使能量生成、蛋白質和核酸合成受到影響,從而影響細胞正常的功能和生長。研究得出,癌的產生和發展與土壤環境中Sn元素質量分數有關,居住在Sn元素質量分數高的地區的人群癌癥死亡率較高。可見,土壤重金屬污染對人體產生極大的危害。

          3 土壤重金屬污染的修復措施

          3.1 物理修復

          物理修復主要包括電動修復、電熱修復和土壤淋洗三種修復技術。電動修復技術的原理類似于電池,在通電的情況下使得重金屬離子定向移動,從而把它們從土壤中去除的技術。這種技術對土壤環境的要求比較高,難以廣泛的、大規模的應用。電熱修復技術是利用一些重金屬在高溫下快速揮發的特性,用高頻電壓加熱土壤,重金屬受熱揮發,離開土壤以達到修復土壤重金屬污染的目的。但是,在高溫加熱的同時也對土壤本身造成了嚴重的破壞。土壤淋洗是應用最早,也是應用最多、技術最成熟的物理修復方法。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理的土壤修復方法。研究發現EDTA可明顯降低土壤對Cu的吸收率與解吸率,其值與加入的EDTA量的對數呈顯著負相關。此外,物理修復修復措施還包括固化/穩定化土壤修復技術、排土填埋法、稀釋法。但是無論那種修復方法都不能很好的解決經濟實用性和“二次破壞”、“二次污染”的問題。

          3.2 化學固定修復

          在土壤中,金屬元素的溶解度和可遷移性較差,使得土壤中重金屬更易被固定下來,因此重金屬化學固定修復在污染土壤治理過程中有著不可替代的作用。通過向土壤中加入有機質、沸石、污泥、生物固體和磷酸鹽等外源添加物,調節和改變重金屬在土壤中的物理化學性質,使其產生沉淀、吸附、離子交換、腐殖化和氧化還原等一系列反應,這種外源物質與土壤中金屬離子結合后,極大地限制了其在土壤中的遷移性和被植物所吸收的可能性,從而減少這些重金屬元素對動植物的毒性。不同金屬離子的移動性不同,所以很難找出單一的物質降低所有金屬離子的移動性,因此對于不同的金屬離子要使用不同的固定物質。施用石灰或碳酸鈣主要是提高土壤pH值,促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氫氧化物或碳酸鹽結合態鹽類沉淀。

          微生物修復法就是利用土壤中的某些微生物的生物活性對重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用,把重金屬離子轉化為低毒產物,從而降低土壤中重金屬的毒性,具有費用低、對環境影響小、效率高等特點,是一項廉價的綠色治理方法。微生物對重金屬的生物積累機理主要表現在胞外絡合作用、胞外沉淀作用以及胞內積累3種形式。

          3.3 其它修復措施

          近幾年研究發現,當一些修復技術與其它修復技術相結合進行修復時,

          會有更好的修復效果。如電流能有效地提高重金屬在土壤中的移動性,促進植物對重金屬的吸附和吸收,提高植物修復的效率。許多真菌對重金屬有很高的耐性和積累性,真菌的活動能降低重金屬對植物的毒性,提供對植物根系的保護,有利于修復植物的生長,提高植物修復的效率。化學添加劑能改變土壤中重金屬的形態,提高重金屬的生物可利用性。研究發現向Pb污染土壤中加入EDTA(1.0g/kg)24h后,Pb從根向枝干部分的凈轉移提高了120倍。可見,施加螯合劑可明顯提高某些植物對重金屬的吸收,促進了重金屬向地上部分的轉移,因而對植物修復的成功非常有利。化學誘導技術和植物修復技術相結合,利用化學誘導技術提高土壤中重金屬的有效性,以提高植物修復的效率。這些兩種或兩種以上修復技術相結合的修復技術,能夠較好發揮各自的優點,消除自身的缺點,更加利于土壤重金屬污染的修復工作。

          4 結束語:

          近年來隨著社會經濟的快速發展,土壤中重金屬含量不斷增加,土壤重金屬污染已成為普遍的環境問題,越來越受到人們的關注,目前,對土壤重金屬污染研究已取得了一定的進展,但多數研究是從某一方面進行分析,尤其是修復措施的研究不具有系統性和全面性。鑒此,從土壤重金屬的危害出發對不同的修復方法進行對比分析對于土壤重金屬污染研究具有重要意義。

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