（环境科学专业论文）新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理.pdf

n i 浓度随土壤中n i 浓度增加而增加；车前草对土壤n i 的富集率较高( 4 1 6 ) ，适合n i 中等污染土壤的修复。 关键词：室外娱乐地，居住地，重金属污染，植物修复，新乡，污染指数，车前草 i i a b s t r a c t s o i l c o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a li sa c c u m u l a t i v e ，l a g g i n g , d o r m a n t ，a n di r r e v e r s i b l e h e a v ym e t a l si n s o i l sn o to n l ye n t e rt h eb o d yt h r o u g ht h ef o o dc h a i n ，c a u s e st h ed a m a g et oh u m a n s ，b u ta l s ot h r o u g ht h e d u s t ，a n do t h e rm e a n so fd i r e c tc o n t a c tw i t ht h eh u m a nb o d ya n de n d a n g e rh u m a nh e a l t h , t h e r e f o r e ，i th a s b e e o m e dt os o l v ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m su r g e n t l yi nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h eo u t d o o re n t e r t a i n m e n t , t h e l i v i n gi n h a b i t e da r e aa r eo b s e s s i o n - r e l a t e d s ow ef i r s tt o o kt h ex i n x i a n gp a r ka n du n i v e r s i t yc a m p u s l o c a t e di nx i n x i a n ga sa l le x a m p l e ，t h r o u g ht h ee v a l u a t i o no ft h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ns i t u a t i o na m o n g t h e m ，e v a l u e dt h ex i n x i a n go u t d o o re n t e r t a i n m e n t t h el i v i n gi n h a b i t e da r e ao fs o i le n v i r o n m e n tq u a l i t y ，t h e a n a l y s i sp o l l u t i o nm a s o n , a n dt h e ns t u d yp h y t o r e m e d i a t i o no fh e a v ym e t a l h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n so fs u r f a c es o i l st a k e nf r o m6p a r k si nx i n x i a n gu r b a na r e aw e r ec a r r i e d o u t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so fp b ，c r , c d , n ia n dz nw e r e6 3 2 2m g k 9 1 ， 9 1 3 5 m g k 9 1 ，0 5 7 r a g k g 1 ，5 8 8 0 m g k 9 1 a n d l1 5 6 3 m g 培1 b a s e d o nt h eh e n a nb a c k g r o u n dc o n c e n t r a t - i o n s ，h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n so fc r , z nw e r el i g h t l yp o l l u t e d ，h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n so fp ba n dn i w e r em e d i u m - p o l l u t e d ，a n dh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n so fc dw e r ep o l l u t e ds e r i o u s l yi nt h e6p a r k s0 1 1 n e m e r o wnlp o l l u t e di n d e x e s a l lp a r k sw e r ep o l l u t e db yp b ，c da n dz n t h ex i n x i a n go u t d o o r e n t e r t a i n m e n ts o i le n v i r o n m e n tq u a l i t yi su n o p t i m i s t i c t h ea i rp o l l u t i o na n ds oo ni sp r i m a r yc a u s ew h i c h t h es o i lh e a v ym e t a lc o n t e n te x c e e dt h ea l l o w e df i g u r e l e a dc o n c e n t r a t i o n si ns u r f r a c es o i l so fh e n a nn o r m a lu n i v e r s i t yc a m p u sw a sc a r r i e d r e s u l t s s h o w e dt h a tp bc o n c e n t r a t i o n si nt h es o i l sa v e r a g e d5 5 18m g k g 1 r a n g i n gf r o m5 2 7 5t o5 9 1 0m g k 9 1 w h i c hw a s2 4 7t i m e st h eb a c k g r o u n dv a l u eo fs o i li nh e n a np r o v i n c e t h es u i ts h o w e dt h ec a m p u ss o i l s w e r el i g h t - o rm e d i u m p o l l u t e db yg e o a - c c u m u l a t i o ni n d e xt h a tu s e dt oa s s e s sp bp o l l u t i o no ft h es u r f a c e s o i l s t h ex i n x i a n gl i v i n gi n h a b i t e da r e ah a dt h ep bp o l l u t i o n t h r o u g ht h er e l e v a n ta n a l y s i sf o u n dt h a tt h e p bi nt h ec a m p u ss o i l sm i g h tc o m ef r o mt h eo u t e ra n di tw a sn o tc o r r e l a t e dt ot h et i m eo fs e t t i n gu p u n i v e r s i t ys i g n i f i c a n t l y l e a dc o n c e n t r a t i o n so fs u r f a c es o i l st a k e nf r o m11u n i v e r s i t yc a m p u si nx i n x i a n gu r b a na r e aw e r e s t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fp bi ns o i l sw a s7 9 4 9m g k 9 1 ，r a n g i n gf r o m 5 0 3 6t o17 8 9 6m g k g 1 ；t h ep o l l u t i o ni n d e x , w h i c hw a su s e dt oa s s e s st h es i t u a t i o no fs o i lp o l l u t i o n ，w a s i i i c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep r ce n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s 仃ys t a n d a r ds t a n d a r do fs o i lq u a l i t y a s s e s s m e n tf o re x h i b i t i o ns i t e s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eu n i v e r s i t yc a m p u so n l yt h e nt h ep a r th a dt h e p bc o n t a m i n a t i o nc o n c e r n , t h ep o l l u t i o ni n d e xw a so 3 弘1 1 6 i tw a sn o ts e r i o u st ot a k eg ba st h es t a n d a r d t oe v a l u a t ex i n x i a n gl i v i n gi n h a b i t e da r e ap bp o l l u t i o n t h eh e a v ym e t a lp ba c c u m u l a t i o no ft h es o i l sf r o m u n i v e r s i t yc a m p u sw e r ei n d u c e db ya n t h r o p o g e n i ci n p u t ，f u r t h e r m o r et r a f f i ca n di n d u s t r yw e r et h em a i n p o l l u t i o ns o u r c e s t h es u g g e s t i o nw a sp u tf o r w a r dt h a tp l a n t sp h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yw e r eu s e dt o c l e a nu pp bi ns o i l s p o ts t u d i e do nt h eu s eo fc h i n e s eh e r b a lp l a n t a i nw a su s e dt oi n v e s t i g a t ec h i n e s eh e r b a lm p l a n t a i n h y p e r a c c u m u l a t i n ga b i l i t yo fp o l l u t e ds o i lb yn i ，i no r d e rt op r o v i d en e wi d e a sf o rp h y t o r e m e d i a t i o n s c r e e n e dt h eh y p e r a c ：c u m u l a t o rf r o mc h i n e s eh e r b a l p l a n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp l a n t a i nh a s s o m e e x t e n tt o l e r a n c et on iw h e nn ic o n t e n ti ns o i l sw a sr e a c h e d15 0 r a g k g - 1 ，t h eg r o w t ho fp l a n t a i nw a sn o t s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yh e a v ym e t a lt o x i c i t y n ic o n t e n ti np l a n t a i ns h o o td r y w e i g h tw a si n c r e a s e da st h e l e v e l so fs o i ln ic o n t e n t si n c r e a s e d t h e r ew a sah i g h e ra c c u m u l m i o nr a t e ( 4 16 ) o fn ib yp l a n t a i nf r o m s o i l t h e r e f o r ep l a n t a i ni sag o o dp h y t o r e m e d i a t i o ni nm e d i u ms o i l sp o l l u t e db yn i k e yw o r d s ：d o o re n t e r t a i n m e n t ，l i v i n gi n h a b i t e da r e a , h e a v ym e t a l p o l l u t i o n , p h y t o r em e d i a t i o n ，x i n x i a n g ，p o l l u t i o ni n d e x , p l a n t a i n i v 独创性声明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：至金垒 日期：竺竺仝：墨： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 6 3 第一章绪论 第一章绪论 环境是人类赖以生存和发展的载体。环境是指自然和社会条件的总和，既包括对人 类的环境条件，也包括人类对环境的影响和作用。人类不仅生活于自然环境中，也生活 于社会环境中，所以，人类环境包括人类生命维持系统中的外界环境的全部因素，即自 然环境和社会环境两部分。自然环境，是指由影响人类生存的因素如大气圈、岩石圈、 水圈、土壤圈和生物圈所组成的相互渗透、相互制约和相互作用的复杂的物质体系。社 会环境，指人类创造出来的人文环境，由影响人类行为的因素如聚居环境、心理状态和 社会过程等相互交织的繁复的人工环境。本文所说的环境主要指社会环境中的人类聚居 环境，可以分为院落环境、村落环境和城市环境等。由此可见，人类与环境的关系，集 中体现于环境对人类的作用、人类对环境的适应和改造等方面。正是因为人类与环境纷 繁复杂地交织在一起，环境因而富于动力。人类一天存在，环境就一天不可或缺。从中 国“天人合一 传统视角来看，环境对人的身心发展起着潜移默化、持久性的作用。人 类活动又反过来影响环境。 人居环境系指人类聚居生活的地方，是与人类生存活动密切相关的地表空间，是人 类在大自然中赖以生存的基地，是人类利用自然，改造自然的主要场所【l 】。人居环境是 区域人居环境，是指一种局域环境或地区环境，以区别于大区域和地球环境或狭义的居 室及其周边环境，主要是指人类活动频繁、人口密度较高的区域性人类居住环境，那些 无人区如原始森林覆盖区、雪原戈壁荒漠区等则属非人居环境1 9 0 年代以来，随着联合国“环境与发展”大会( 1 9 9 2 年) 和“人居i i 大会”( 1 9 9 6 年) 的召开和中国2 1 世纪议程一中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书( 1 9 9 4 年) 的通过， 人居环境思想日益成为不少地区的规划观和发展观，其理论与实践得到进一步广泛结 厶 口0 城市人居环境是人类与其生存环境进行着最激烈的相互作用的时空存在形式，既是 一种状态，也是一个过程。城市人居环境是指人类在一定的地理系统背景下，进行着居 住、工作、文化、教育、卫生、娱乐等活动，从而在城市立体式推进的过程中仓l j 造的环 境。城市人居环境发展的非线性和多因素性决定了它既非居住区的放大，也非区域地理 系统的缩影，而应是一个综合型概念，一个兼容建筑学中人的尺度和地理学中社会经济 新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理 空间的尺度的新概念。 里约宣言 2 1 第一条原则就是“人类处于广受关注的可持续发展问题的中心，他 们应享有以与自然相和谐的方式过健康而富有生产成果的生活的权利 。健康是人类生 存的基本要求，一个人如果没有健康就谈不上欢乐、幸福，一个国家如果没有身体健康 优良的国民就不会有生气、活力。由于工农业的迅猛发展，资源利用不当，污染物的大 量排出，加上环境治理措施不力，致使环境日益恶化，人体健康受到严重威胁。中国国 家环保总局2 0 0 5 年一项未发表的研究结果指出，空气污染是造成每年4 0 多万人死亡的 原因。国内外学者一致公认，8 0 的癌症是由环境污染引起的。据研究，环境中的有毒 污染物增多是我国近年来各类怪病发病率递增的根本原因。一系列由于环境问题所导致 的重金属污染公害事件也屡屡见报，例如1 9 7 2 年，伊拉克发生误食经杀霉菌剂甲基汞 处理过的小麦种子磨粉做成的面包事件，致使65 3 0 人住院，4 5 9 人死亡。这些触目惊 心的数据使我们广泛关注环境污染对人体健康的危害，尤其是土壤重金属污染的危害。 在世界各国环境政策与法律的兴起和发展过程中，环境与健康始终是一个重要的考 虑因素。随着社会的发展，环境健康问题日益受到人们的重视，已逐渐成为推动环境保 护运动的主要驱动力。我国环境与健康管理起步较晚，国外特别是欧盟在环境与健康领 域已有了较长时间的发展，积累了很多经验。欧洲环境署、世界卫生组织和一些国家调 查机构在报告中指出，环境与健康之间的相互作用远比人们认识到的密切和复杂；尤其 是在人体和环境中，都存在着不同污染物的交互作用。由于污染物在环境介质( 水、土 壤、大气等) 中扩散转化，人们通常暴露在污染物复合影响的环境中。而目前的环境与 健康的管理手段、环境评估、标准设立以及科学研究，只是集中于单一环境里的单一污 染物处理，没有考虑到复合影响。 1 1 环境污染类型 根据环境定义可将环境污染分为以下几种类型。 1 1 1 大气污染 大气污染对人体健康的危害可分为急性作用和慢性作用。大气中的重金属主要来 源于是由工业生产、汽车等交通运输工具排放的尾气及汽车轮胎磨损产生的大量含重 金属的有害气体和粉尘等，它们大多数是经自然沉降【3 】进入土壤的，例如瑞典中部 f a l u n 市区的铅污染就是由于其周围的铜矿厂、硫酸厂、油漆厂、采矿业和化学工业产 2 第一章绪论 生的含铅细微颗粒在风的输送下扩散到周围地区的【4 1 。 汽车尾气已成为致毒、致癌、致畸、环境敏感的主要原因。汽车尾气能排出上百 种有害物质，其中对人体危害最大的是铅和其它致癌物质。汽车轮胎磨损产生的主要 是含铅粉尘。近年来，随着汽车数量增加，汽车尾气排放量也在迅速增加。这些尾气 对人体健康及人类居住环境造成极大危害，尤其是居住在公路、铁路两侧的居民，受 到的危害更大。 大气污染物主要通过呼吸道或附着在作物上及水体中经消化道进入人体，也可以 对人体皮肤、眼睛等造成刺激作用。大气污染甚至可以通过影响小气候、太阳辐射， 产生温室效应，破坏臭氧层，形成酸雨等环境问题，从而对人体健康产生严重影响。 1 1 2 土壤污染 土壤除受病原体等生物性污染外还常受重金属污染。重金属污染在土壤污染中不仅 面积大，而且持续时间长。土壤一旦受到破坏，就会导致土壤退化、农作物减产，品质 下降，土壤中过量的、有毒的重金属还可以通过径流、淋洗等方式污染地表水和地下水， 并能通过接触、食物链等途径危害人类健康。日本曾经发生的镉米事件就是由于当地土 壤受到重金属镉污染所致。土壤被污染后，部分污染物能够通过挥发进入大气，从而通 过呼吸道或直接接触而危害人体健康。土壤一旦被污染后，其危害远远大于大气和水体 的污染。土壤被污染后，部分污染物质可以通过土壤本身固有的生物化学作用或通过挥 发而减轻外，大部分污染物能较长时间存在于土壤环境中，难以消除，特别是重金属化 合物，残留时间长，危害作用大，经作物吸收后进入食物链危害人体健康。因此，土壤 污染较之于大气和水体污染而言，一般污染暴露的时滞效应较长，易被人们忽视而造成 更大的危害。所以重金属对土壤污染、治理及其对人类危害的研究迫在眉睫。 1 1 3 城市土壤重金属污染 过去的很长时间内，人们更多关注的则是农业土壤中的重金属污染，关注的是重 金属在农业土壤中的积累和在作物体内的残留，进而通过食物链进入人体，使人产生慢 性中毒，最终危害人体健康。而城市土壤重金属污染近年来也开始引起人们的重视【5 _ l 们。 城市是人类生产和生活的重要场所，城市土壤是构成城市环境的一个主要部分，它直接 影响到城市生态环境质量和人体健康。而频繁的人类活动和密集的工业、交通运输的影 响，致使城市土壤受到了人类的强烈干扰，以致造成较为严重的重金属污染。现有的研 新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理 究表吲1 1j 土壤中的重金属可通过吞食、吸入和皮肤吸收等主要途径进入人体，直接对人 特别是对儿童的健康造成危害，还可通过污染食物、大气和水环境间接影响城市环境质 量进而危害人体健康。根据抽样调查显示【1 2 1 3 】，我国大城市p b 超标率达6 0 以上，而 市区普遍高于郊区；上海市城区超标率则达8 5 以上；沈阳5 0 以上儿童为p b 污染的 高危人群。城市公园作为城市居民休息娱乐的主要场所与人们的日常生活、身体健康紧 密相关，因此，开展城市公园土壤重金属质量状况调查显得尤为重要。 1 2 城市土壤重金属污染对人体的危害和来源 1 2 1 重金属对人体的危害 部分金属元素( f e 、m n 、z n 、c u 、m o 等) 是生物体的微量元素，正常情况下，含量 较低，但却是生物的必要元素( f e 是植物所需微量元素之一，是一些及电子传递链的组 成部分，如过氧化物酶、过氧化氢酶、细胞色素氧化酶的成分之一，在体内与生物大分 子结合，并参与重要的生命活动。金属生物分子( m e t a l l o b i o m o l e c u l e s ) 、金属酶蛋白 ( m e t a l l o p r o t e i n s ) 、他含有金属的生物分子以及各种游离的金属离子k + 、n a + 、c a 2 + 、m 孑+ 等，在人类生命活动中具有重要作用。过量的重金属大多数都能够抑制生物酶的活性， 破坏正常的生物化学反应，例如n i 2 + 是人或动物所需的一种营养微量元素。n i 2 + 缺乏可 以引起生长抑制，肝功能异常等表现，若母体n i 2 + 缺乏还可导致子代死亡率增加【1 4 】。然 而，过量n i 2 + 摄入亦可造成机体损害。业已证到1 5 】：n i 化合物是一类危害多器官毒物， 可累及肝、肾、肺和心血管系统、血液等多种重要器官。n i 也是一种比较明确的致突变 剂和致癌剂【1 6 1 刀。 p b 在人体中是一种具有累积性的有害元素【l 引，其可通过肠胃道的吸收，损害神经 系统、造血系统和消化系统，使机体免疫力降低。另外，无机p b 或有机p b 均有致畸、 致癌、致突变性作用，可致胚胎发育差，并出现肢体畸形，高浓度p b 对动物可显示致 癌活性。无机p b 可引起果蝇的基因突变等【1 9 】。 现在，人们的研究焦点集中在环境p b 污染对儿童中枢神经系统的影响上，已经报 道的关于环境p b 污染对儿童中枢神经系统影响的证据，已成为公共卫生讨论环境p b 污 染标准的中心问题。许多研究揭示，亚临床的p b 暴露与儿童行为和智力有关，儿童长 期接触低浓度的p b 可导致行为功能改变，常见有模拟学习困难、空间综合能力下降、 运动失调、多动、易冲动、注意力下降、侵袭性增加、智商下降。p b 是一种强烈亲神 4 第一章绪论 经性物质，其神经毒性明显早于其它器官系统，同时，引起行为功能损害的p b 浓度显 著低于细胞损害及形态改变所需的浓度。儿童处于大脑发育时期，血脑屏障不及成人健 全，p b 容易通过此屏障而进入大脑；同时，儿童脑部p b 积累所引起的毒性比成人敏感。 p b 可以作用于中枢神经系统的不同部位，导致中枢神经系统功能紊乱，而儿童心理活 动是受中枢神经系统支配的，当儿童中枢神经系统受影响时，势必反映到神经行为功能 的改变。因此就产生了上述的儿童p b 中毒症状。 重金属通过空气、水、食物等渠道进入体内，产生遗传毒性、生殖毒性等，极大地 影响了人群的健康和可持续发展。 1 2 2 城市土壤重金属污染来源 城市土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。在自然因素中城 市土壤成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大【2 们。在各种人为因素中，则主 要包括工业、农业和交通等来源引起的土壤重金属污染【2 1 1 。 ( 1 ) 不同工矿企业对重金属积累的影响 工业过程中广泛使用重金属元素，工矿企业将未经严格处理的、含有重金属元素的 废水直接排放出去，使得它们周围的土壤容易富集高含量的有毒重金属【2 2 1 。企业排放的 烟尘、废气中也含有重金属，并最终通过自然沉降和雨淋沉降进入土壤 2 3 - 2 4 1 。矿业和工 业固体废弃物在堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗等，重金属极易移动，以辐 射状、漏斗状向周围土壤扩散，固体废弃物也可以通过风的传播而使污染范围扩大。据 报道【2 5 j ：南京某合金厂周围土壤中的c r 大大超过土壤背景值，c r 污染以工厂烟囱为中 心，范围达到1 5 k m 2 。m e s h a l k i n ajl 等2 6 】研究了俄罗斯一硫酸生产厂周围土壤中元素 的污染及其空间变异后发现，在距烟囱1 - - 2 k m 外的土壤中仍能监测到高含量的s 、v 和a s 。沈阳冶炼厂冶炼z n 的过程中产生的矿渣主要含z i l 和c d ，1 9 7 1 年开始堆放在一 个洼地场所，其浸入液中z n 、c d 含量分别达6 6 x 1 0 3 m g l 1 和7 5 x 1 0 3 m g l ，目前已 扩散到离堆放7 0 0 m 以外的范围，这些重金属污染物浓度是以同心圆状分布【2 7 1 的。 ( 2 ) 城市周围畜禽养殖业对土壤重金属积累的影响 城市周围畜禽养殖业也是土壤重金属污染一个不可忽视的重要方面。随着规模养殖 业的发展，其对周围土壤的污染也越来越严重，其原因是养殖户使用的配方饲料中往往 添加适当比例的重金属元素【2 8 1 ，另外，饲料本身也存在被重金属污染的问题，饲料中过 量的重金属元素通过所饲养动物排泄到土壤或水域中造成重金属污染。近年来，随着城 s 新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理 市范围的不断扩大，原来被畜禽污染的土地又用来作为居住地或娱乐地而对人体存在潜 在威胁。 ( 3 ) 交通运输对土壤重金属污染的影响 道路两侧土壤中的污染物主要来自汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重 金属的有害气体和粉尘的沉降，而污染元素则主要为p b 、c u 、z n 等元素【2 9 1 ，它们一般 以道路为中心成条带状分布，强度因距离公路、铁路、城市以及交通量的大小有明显的 差异。如在法国索洛涅地区a 7 1 号高速公路沿途重金属p b 、z n 、c d 严重污染。f a k a y o d e 和o w o l a b i 3 1 】研究了尼日利亚不同交通密度公路边表层土壤中p b 、c d 、c u 、n i 和z n 的分布，结果表明，车流密度大的公路两侧土壤中重金属含量要高于车流密度小的公路 两侧土壤，且随着距公路距离的增大，重金属含量快速降低，到距公路5 0 m 左右的地方， 重金属含量基本降低到背景值水平。 1 3 土壤重金属污染的现有治理技术 污染土壤治理措施的选择主要取决于污染物的特性。根据土壤重金属的特点，现有 的治理途径主要有以下两种【3 2 】，一是改变重金属在土壤中的存在形态，从而降低其在土 壤中的迁移性及生物可利用性；二是从土壤中移走重金属。 1 3 1 化学治理方法 主要是向受污染的土壤中增加改良剂、抑制剂，例如，向土壤中投放阴离子s 0 4 2 、 o h 等可使土壤中的重金属形成难溶性盐，从而降低重金属在植物体内的毒性。沈阳城 区污灌区利用石灰进行改良，稻米籽实里含c d 量下降5 0 t 3 3 1 。施加有机物质可使土壤 溶液中的重金属离子形成络合物、螯合物，促使土壤对重金属离子的吸收或使重金属沉 淀，从而降低土壤重金属污染。调节土壤e h 值也能使土壤重金属沉淀。 利用离子拮抗也能达到降低土壤重金属污染的目的。 化学治理方法的优点是投资不大但治理效果显著，重金属被活化后会再度污染土壤 是它致命的弱点。 1 3 2 工程治理 工程治理主要是利用物理、物理化学原理来治理土壤重金属属污染：客土法是在 被污染的土壤上覆盖未污染的土壤；换土法是将受污染的土壤移走，换上未受污染的 6 第一章绪论 土壤【3 4 】；去表土法是将被污染的土壤移走；吸附法是指重金属离子被润土、沸石等 硅酸盐、碳酸钙、粘土矿物、高炉渣等吸附固定：淋洗法是用试剂淋洗污染土壤； 电解法是使土壤重金属在电解、电渗、电迁移等作用下在阳极或阴极处被移走。热处 理法是将土壤加热，使土壤中易挥发污染物挥发并收集的一种处理方法。 工程治理方法虽然具有处理彻底、效果稳定等优点，但治理费用高，工程复杂。 1 3 3 生物修复技术 生物修复技术是利用植物或土壤中天然微生物资源，或人为地投加菌株，甚至用构 建的特异降解功能菌投加到各种污染土壤中，将滞留的污染物快速降解，或降低重金属 毒性，减少污染现场污染物的浓度，或者使环境中的污染物的危害减少到最低程度的一 种现场处理环境污染的技术。它主要包括微生物法和植物修复法两种。 ( 1 ) 微生物法 重金属在低等生物如藻类中的毒害临界值较高，因此有人认为蚯蚓和蕨类植物可以 用来富集和指示重金属，也有人认为可以考虑把苔藓和地衣用于对重金属的监测和富集 上。其原理是，苔藓吸收重金属是一种离子交换和螯合作用的过程，但对地衣而言，则 是一个被动扩散过程，重金属主要沉积在真菌共生体细胞壁外表面上，或进入真菌细胞 壁之内，且是一种非常有效的重金属蓄积器。还有一些微生物是通过氧化还原来降低重 金属毒性的【3 5 】。 ( 2 ) 植物修复法 所谓植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是指将某种特定的植物种植在受重金属污染的土壤 上，而该种植物对土壤中的污染元素有特殊的吸收和吸附能力，将植物收获并进行妥善 处理( 如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。植 物修复是一种新型的重金属污染土壤治理方法，使环境污染通过“绿色”治理技术得以 修复，解决由于土壤中的重金属具有长期性、非移动性特点而造成不能被微生物所降解 的问题。与化学修复、物理和工程修复等土壤治理技术相比具有其独特性：保护表土， 减少侵蚀和水土流失。土壤的物理结构不被破坏，生物功能保存完好。成本低，操 作简便。据s c h n o o r 对一个5 年期的植物修复项目与同期常规治理的费用比较，植物修 复总费用为$ 2 5 00 0 0 ，而常规的治理需要$ 6 6 00 0 0 ，比植物修复高1 1 6 倍。植物修 复可同时处理受污染的土壤和地下水。具有明显的经济效益、社会效益和生态效益。 通过对植物的集中处理，造成二次污染的机会少，并可回收重金属元素，加以循环利 7 新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理 用，同时可恢复土地使用功能( 主要为耕地) ，生产绿色食品，具有双重经济效益。可 以长期、大面积的田间应用：另外，植物修复还是一个自然过程，适用于中、低强度的 大范围污染治理，特别是对临近居民区的污染治理，对治理现场扰动小，绿色环保，社 会生态综合效益良好，易为公众所接受。并且对重金属污染土壤的治理成效具有永久性， 因此，植物修复具有商业价值。 ( 3 ) 超富集植物 1 5 8 3 年意大利植物学家c e s a l p i n o 在意大利托斯卡纳首次发现的“黑色的岩石”， 这是超富集植物( h y p e r a e c u m u l a t o r ) 的最早报道。在1 8 1 4 年d e s v a u x 又将其命名为 a l y s s u mb e r t o l o n i i ( 庭荠属) 。后来m i n g u z z i 、v e r g n a n o 于1 8 4 8 年又首次在该植物叶片 中测得其叶片含n i 量高达79 0 0 m g k g 1 ( o 7 9 ) t 3 6 1 。这些能大量富集重金属的植物被命 名为指示植物，指示植物在矿藏勘探中起了一定的作用【3 7 1 ，被誉为寻找地下矿藏的“侦 察兵 。在非洲赞比亚西部，英国地质学家伍德沃德就发现了一种开着紫红色花朵的“铜 草”一“和氏罗勒 的唇形科草本植物。后来人们根据这种植物在赞比亚的卡伦瓜地 区发现了一个储铜量达9 亿吨的大铜矿! 自然界中，能指示矿藏的植物还有一些，比 如喜锌堇菜和喜锌海石竹被人称为“锌草”，是人们最早用来探矿的“绿色指示器 。 在我国，早在几百年前的古籍中就记载了一种名叫“海州香薷”( e l s h o l t z i ah a l c h w e n s i s s u m 的植物，是铜矿的指示植物3 引。由于这些植物能大量富集土壤中的重金属元素， 1 9 7 7 年，b r o o k srr 提出了超富集植物的概念p 引。c h a n e yrl 在1 9 8 3 年进一步提出 利用超富集植物清除土壤重金属污染的想法【矧。后来有关超富集植物及其耐性机理的 研究逐渐增多【4 1 删，植物修复作为一种治理污染土壤的技术被提出，工程性的试验研 究以及实地应用效果显示了植物修复技术商业化的巨大前景。 1 4 植物修复土壤重金属污染 1 4 1 植物对重金属防卫机理 重金属对植物造成的伤害是多方面的，而植物对重金属胁迫有多方面的防卫机制。 重金属超量富集植物可把重金属贮存在叶片表皮的表皮毛( t d c h o m e s ) 中，可避免 重金属对叶肉细胞的直接伤害【4 孓4 6 1 。如重金属c d 超量富集于芥菜( b r a s s i c a j u n c e al ) 中， 其叶片表皮毛中的c d 含量比叶片组织高4 3 倍，其主要的解毒机制之一就是把c d 贮存 在叶片的表皮毛中【删。超量富集植物叶片中重金属储量的多少有两个过程所决定：重金 8 第一章绪论 属元素向木质部的运移和通过木质部的通量，而木质部的通量要受根系压力和蒸腾作用 控制。多数情况下，重金属元素也可通过韧皮部由叶向根循环。通常，这种植物在适宜 的环境中生长速度快，而且能大量富集重金属，在净化重金属污染的土壤和水质方面具 有很大的潜力。 植物通过限制对重金属的吸收来降低体内的重金属浓度4 7 4 8 1 。蝇子草属的s v u l g - a d s 和s c u c u b a l u 耐性细胞体主要是通过降低重金属c u 和c d 向细胞质中运输的速率而 解毒【4 4 , 4 9 - 5 0 。 超富集植物能在地上部分积累高浓度的重金属的原因可能是超富集植物的根际 微环境中能将土壤中本来稳定的重金属溶解，进而被植物吸收 5 1 - 5 3 l 。超富集植物不仅可 以在地上部分富集高浓度的重金属，而且呈现出很强的选择吸收能力。如t h l a s p i c ae r u l e s c e n s 只选择吸收z n 与c d 5 4 1 ，i n d i a nm u s t a r d 选择吸收c d 4 6 1 。超富集植物的这种选择 性吸收与金属在根细胞膜中的传输过程密切相关，而且这种选择性可能是在木质部产生 的。 植物对进入细胞内的重金属可通过区域化( 如趾和c d 累积在液泡或细胞壁中) 、 形成沉淀( 如酸镉沉淀) 及螯合方式解毒【5 l - 5 5 1 。螯合是植物对细胞内重金属解毒的主要方 式之一，谷胱甘肽( g s h ) 、草酸( o x a l i ca c i d ) 、组氨酸( h i s ) 、和柠檬酸盐( c i t r a t e ) 等小分子 物质及金属螯合蛋白都能螯合重金属。 重金属胁迫能诱导u b i q u i t i n 、热休克蛋白( h s p ) 、d n a j 1 i k e 蛋白、几丁质酶、1 3 - 1 ， 3 葡聚糖酶、富含脯氨酸细胞壁蛋白( p i 冲) 、富含甘氨酸细胞壁蛋t t ( g r p ) 和病原相关蛋 白( p r ) 等基因的表达i 妊5 9 1 。u b i q u i t i n 能介导细胞内变性的或短命的蛋白质降解；h s p 、 d n a j 1 i k e 蛋白都属于分子伴侣，参与体内新生蛋白质的折叠、装配、释放和定向运输， 并能在逆境胁迫下防止蛋白质变性；几丁质酶、葡聚糖酶和p r 蛋白共同作用能阻止病 菌的侵染，诱导植物的系统防卫反应；p r p 和g r p 参与受损细胞壁的修复和加固。这 些胁迫蛋白基因不仅能响应多种重金属( c d 2 + 、z n 2 + 、c u 2 + 、h 9 2 + 和a s 0 4 3 ) 胁迫，而且可 在多种其他形式的胁迫下( 如机械损伤、病毒、u v 辐射热、脱水及盐胁迫等) 表达，表 明植物对不同形式的环境胁迫有共同的防卫机理。重金属胁迫下这些胁迫蛋白质协同 作用可能在清除重金属变性、蛋白质维持细胞的正常代谢和提高细胞的重金属抗性方面 有重要作用。 重金属( c r 、c d 、h g 和n i 等) 胁迫，能导致大量的活性氧自由基产生，自由基能损 9 新乡市室外娱乐地、居住地土壤重金属污染评价及治理 伤主要的生物大分子( 如蛋白质和d n a ) ，还能引起膜脂过氧化，而植物中的多种抗氧化 防卫系统能够清除自由基，保护细胞免受氧化胁迫的伤害6 0 石2 1 ，这也是植物忍耐重金属 胁迫的主要机理之一。例如h a l l i w e l l a s a d a 途径是植物中一个主要的抗氧化系统，它主 要由s o d ( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ) 、a p x ( a s c o r b a t ep e r o x i d a s e ) 和g r ( g l u t a t h i o n er e d u c t a s e ) 等组成，g s h 参与细胞膜结构的保护作用，是一种非常重要的抗氧化物质，污染胁迫能 提高这些保护酶活性和g s h 水平，表明它们在清除污染胁迫产生的自由基和提高植物 的抗逆能力有重要作用。另外，重金属( c d 、c u 、z n 、n i 和p b ) 胁迫诱导植物组织中 p o d ( p e r o x i d a s e ) 总活性升高【6 3 】，这是植物对所有污染胁迫的共同响应，尽管p o d 在适 应胁迫中的作用还不清楚，但人们还是认为植物组织中p o d 活细胞清除重金属的毒性 涉及多种代谢过程，如金属有机物的合成、金属离子的还原、金属离子的螯合和运输过 程( 环境一细胞间一细胞内一细胞器) 等，只有全面考虑重金属离子在细胞内的活动( 如重 金属的累积、代谢、对细胞功能的破坏及被螯合和区域化) ，才能弄清楚植物的耐性机 制。另外，不同的重金属对植物的伤害机理不同，植物对不同的重金属也有不同的防卫 机制，同一植物中可能涉及多种过程的防卫机制，所以不能用单一的耐性机理来解释植 物对重金属的耐性。 1 4 2 植物修复分类 目前有关植物修复技术主要集中于无机污染( 重金属和类金属) 的植物修复上，根据 重金属污染土壤的植物修复技术的作用过程和机理，该技术可分为以下几种类型。 ( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 植物提取这一概念由c h a n e y 和b a k e r 等最早提出来，是指利用重金属超积累植物 从土壤中吸取一种或几种重金属，并将其转移、贮存到地上部分，随后收割地上部分并 集中处理，连续种植这种植物，即可使土壤中重金属含量降低到可接受水平。这些植物 主要包括超量富集植物和诱导的超量富集植物。前者指一些具有很强的吸收重金属并运 输到地上部分富集起来的植物，后者是指一些本不具有超量富集特性但通过一些手段诱 导出超量富集能力的植物。s a l t 等人