土壤重金属污染治理方法概述

1、土壤重金属污染治理方法概述张秋芳(福建省农业科学院土壤肥料研究所,福建福州350013摘要:土壤的重金属污染与治理一直是国内外的研究热点与难点问题。简述了当前治理土壤重金属污染的化学方法、尤其是生物修复法的研究进展,探讨了新世纪土壤重金属污染降解研究的重点和趋势。认为植物修复法具有较大可行性,当前研究的关键是超量积累植物的筛选与选育。关键词:土壤;重金属;污染;治理;超量积累植物中图分类号:X53文献标识码:ASu mmary of the m ethods for cur i n g heavy m eta l con tam i n a ti on i n so ilZHAN G Q iu

2、2fang(S oil and F ertilizer Institu te,F u j ian A cad e m y of A g ricu ltu ral S ciences,F uzhou,F u j ian350013,Ch ina Abstract:To p reven t and cure the heavy m etal con tam inati on in s o il is a heated and difficult p roble m in the wo rld. T he che m ical m ethods to cure the con tam inati o

3、n w ere summ arized in th is paper,es pecialy the bi o l ogical m ethods at p resen t.T he trend in the ne w cen tury w as als o discussed.T he phyto2re m ediati on is con siderable feasibility.T he key to the con tam inati on degradati on is screen ing and breeding the hyperaccum ulato r p lan ts.K

4、ey words:So il;H eavy m etal;Con tam inati on;Cure;H yperaccum ulato r p lan t自古以来,土壤一直就是我国广大农民的衣食之源和生存之本,即使是在现代经济生活中,土壤依然是最基本的生产要素和各种经济关系的载体。但随着现代经济的高速发展,环境污染物的排放量与日剧增,环境污染和生态破坏越来越严重,给人类赖以生存的土壤带来了严重的污染。由于重金属进入土壤后不易分解、转化或富集,以及土壤系统本身结构的复杂性,使得土壤重金属污染的治理变得十分困难。据统计,我国约有3万多公顷土地受汞的污染,有1万多公顷土地受镉的污染,每年仅生产镉米

5、就达5万吨以上,而每年因污染而损失的粮食约1200万吨,严重影响了我国的粮食生产和食物安全1。因此,土壤的重金属污染与治理一直是国际上研究的热点与难点问题,也是我国农业可持续发展和环境质量改善中许多学科共同感兴趣的问题。目前,国内外用来降解或消除土壤重金属污染的方法基本上可分为物理法、化学法和生物修复法等3大类。采用物理法不仅成本昂贵,且需要特殊的仪器和经过培训的专业人员,更主要的是无法从根本上解决问题。因此,本文将着重就治理土壤重金属污染的化学方法,特别是生物修复法的最新研究进展作一简要论述,以明确新世纪土壤重金属污染防治研究的重点和趋势,促进农业可持续发展。1化学法主要是指通过添加外来物质

6、,以改变土壤的化学性质,如通过调节土壤酸碱度、氧化还原电位和阳离子交换量及其它化学性质(如土壤氧化铁、氧化锰和氧化硅等的活性,或者直接与重金属相结合,从而改变重金属的形态及其生物有效性等,最终抑制或降低作物对重金属的吸收。常见的添加物主要有有机物料、化学改良剂、沉淀剂和粘合剂等。111施用有机物料施用有机物料来降解土壤中的重金属已得到普遍认同。常见的用于治理土壤重金属污染的有机物料主要有稻草、紫云英、泥炭、家畜(主要是猪、牛粪肥以及腐殖酸24等。有机物料分解生成的有机酸,如胡敏酸、富里酸、氨基酸,或者糖类及含氮、硫杂环化合物等所具有的活性基团(如:COO、N H、=N H、=PO4、S、O等,

7、很容易作为配位体与重金属元素Zn、M n、Cu、Fe等络合或螯合,从而影响其有效性5。有机物料可对土壤产生多种多样积极的影响,如通过改变土壤的酸碱度而使重金属(如铜等的活性相应下降,这在南方酸性土壤中的表现尤为突出。但有机物料对土壤中重金属的影响极其复杂,随其类福建农业学报15(增刊:200203,2000 F u j ian J ou rnal of A g ricu ltu ral S ciences型、土壤的性质以及重金属种类的不同而异。112施用化学改良剂常用的有石灰性物质、钢渣、高炉渣、粉煤灰及膨润土等1。施用石灰能显著抑制水稻对镉的吸收,但这种效果具有地带性,仅适用于氢离子和非活性

8、A l、Fe、M n浓度高的土壤,而且该效果在很大程度上取决于石灰的质量及其施用方法6。臧惠林等利用碳酸钙、钢渣和高炉渣进行镉污染土壤改良试验,均取得了良好的结果。霍文瑞等在潮土中的试验则以每667平方米施用250公斤钢渣钙镁磷肥的处理,其改土增产及抑制效果最佳。陈怀满等的研究认为,这是由于高炉渣能提高土壤pH值并增加可溶性有效硅含量,且水稻施用高炉渣的控制效果在90%以上。对于硅性植物,施用有效Si含量高的物料均可使其含镉量降低,因此活性Si可能是抑制镉吸收的一个重要因素1。但降低镉等重金属污染土壤中作物对镉的吸收是一个与土壤化学性质和作物种类有关的复杂过程。113施用化学沉淀剂、吸附剂或粘

9、合剂添加化学沉淀剂是依据其形成的化合物的溶度积的大小不同而进行的。在已知的沉淀剂中,对Pb、Cd、H g、Zn 等造成的污染,施用碳酸盐可达到较好的防治效果,但对Fe、M n、C r等造成的污染,施用熔磷的效果较佳,这是由于其中的Ca、M g起着共沉淀剂的作用。而砷则可通过施用ZnSO4或M gC l2使其形成难溶性的化合物;但若在施加M gC l2的同时施入适量Fe,除了会产生M g(N H4A s O4沉淀外,还可抑制土壤还原,且砷被Fe(OH3吸附或与之发生共沉淀7。在西欧,有人用pH为2的H4Fe(SO4312H2O和pH为212的Fe2(SO43CaSO4来改良粘重土壤的结构,其实这

10、两种制剂同时也是土壤中重金属的良好置换剂。另外,受重金属污染土壤中,若施入石灰硫磺合剂、硫化钠或硫磺等能促进还原的含硫物质,则可在生成硫化氢及其它硫化物的同时,与重金属发生沉淀,从而降低污染物的毒性。美国环保局还将固化作用和稳定化作用(So lidificati on Stabilizati on,S S确定为一有效治理技术,并且选择S S作为25%的超级基金治理项目的治理技术8。而所谓S S技术,就是将污染土壤从现场挖出后置于一定的处理设施中,将污染土壤、沉积物与某种粘合剂混合,通过粘合剂使土壤、沉积物中的重金属发生固定,使其不再向周围环境迁移。在众多的粘合剂中,水泥被认为是一种价廉、易得和

11、有效的产品。114拮抗作用化学性质相近的Ca和Sr、Cd和Zn、K和C s等之间都可能产生拮抗竞争现象。周启星等的研究表明,在玉米籽实中Cd和Zn呈相互抑制作用;李元等则发现,烟草中铁会抑制其对镉的吸收,即镉污染区可通过施加铁来减轻镉对烟草的毒害。因此,生产中最好能利用轻金属和重金属之间的拮抗作用来减轻重金属对植物的毒性。如日本在治理根横田町小马木矿山附近M o的毒害时就是以拮抗原理为依据的,结果施用过石膏的土壤作物生长发育良好,产量明显提高。2生物修复法生物修复法一般是利用生物对环境中的污染物进行降解,具有花费较少、对技术及设备要求不高等优点。它主要包括微生物法和植物修复法两种。211微生物

12、法21111微生物吸附与富集重金属在低等生物如藻类中的毒害临界值较高,有人认为蚯蚓和蕨类植物可以用来富集和指示重金属,也有人认为苔藓和地衣也可以考虑用于对重金属的监测和富集。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,或者进入真菌细胞壁之内,且是一种非常有效的重金属蓄积器。因此,正在致力于改进植物根部摄取金属的速度的微生物学家们正想方设法从植物根部去掉真菌根中的真菌,因为真菌能够阻止植物摄入更多的金属。21112微生物氧化还原目前,该法以铬和砷等多价重金属的研究较多。一些微生物Geosp irillum rseno

13、p h ilus和Ch ry sig enes arsenatis等,在厌气条件下以A s5+作为电子受体,可把其还原成A s3+,从而促进砷的淋溶,因为A s3+的溶解度大于A s5+;在好气或厌气条件下,异养微生物可催化C r6+还原成C r3+,从而降低其毒性9。212植物修复法21211植物挥发是指利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态,挥发出土壤和植物表面的过程。一些金属,如硒、砷和汞等生物甲基化后可以形成可挥发性的分子。R ugh等已成功地把细菌的H g2+还原酶基因导入拟南芥植株,最终的转基因植株能忍耐并挥发汞;另一些植物则可将环境中的硒转化为可挥发的气态形式,从而降低硒对土

14、壤生态系统的毒性10。另有研究表明,根际细菌不仅能够102增刊张秋芳:土壤重金属污染治理方法概述增强植物对硒的吸收,而且还能提高硒的挥发率。这主要是由于根际细菌能刺激产生一种热稳定化合物,并使其通过质膜进入植物根系内;而这种热稳定化合物进入植物根际后,硒盐就会在植物体内大量积累,并转化为可挥发的气态形式。21212植物稳定或钝化即利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属,以降低其生物有效性和防止其进入地下水和食物链。具体地说,主要是保护污染土壤不受侵蚀,减少土壤渗漏,防止金属污染物的淋移;或者是通过在根部累积和沉淀,或通过根表吸收金属来改变污染物的化学形态。此外,植物还可以通过改变根际环境

15、(pH、Eh值等来改变污染物的化学形态。这种植物稳定与钝化技术相结合将会显示出更大的应用潜力11。21213植物提取又称植物吸取或吸收,是利用一些植物对重金属的吸收和在地上部的积累,并通过收获地上部来达到减少土壤重金属含量的目的。包括超量积累植物和一些本不具有超量积累特性但通过一些过程和诱导物可以诱导出超量积累能力的可诱导的超量积累植物12。超量积累植物之所以能被用于提取土壤中的重金属,是由于其对重金属具有很强的耐性,且其对重金属的超量吸收是由多基因(包括吸收和忍耐两个方面控制的过程13。当重金属进入植物体细胞后,即可通过区域化(如A l和Cd 累积在细胞的液泡或细胞壁中,或者形成沉淀(如磷酸

16、镉,或者通过螯合或络合作用而降低重金属的毒性。一些真菌、动物或植物在受Cd、Zn、Cu等重金属胁迫后能诱导金属硫蛋白(M etall o th i onein, M T等的合成14,而M T可以与重金属结合成无毒或低毒的络合物,从而降低了重金属的毒性。且已有人成功地将克隆了的人体金属硫蛋白基因转移到非金属抗性的烟草细胞中,首次证明了在植物系统中金属硫蛋白基因的遗传性表达15。另有研究表明,植物体内一种被称作植络素的物质,可在高等植物中聚集重金属,从而降低重金属的毒性16。目前,世界上已发现能够超量积累各种重金属的植物有400多种。在不同的超量积累植物体中,已见报道的可积累的各种重金属最高含量(

17、干重分别为:镉,T h lasp i caeru lescens,1800毫克 公斤;钴, H aum aniastrum robertii,10200毫克 公斤;铜, Ip o m ea alp ina,12300毫克 公斤;锰,M acad a m ia neu rop hy lla,51800毫克 公斤;镍,P sy ch tria ,47500毫克 公斤;铅,.,8200毫克 公斤;锌,T.Caeru lenscens,51600毫克 公斤17。而美国杜邦生物技术实验室则选用豚草作为有效清除铅的植物。试验还发现,高山植物水芹是摄取钙、锌、铅的最好的植物。这种重金属超量积累植物可以把重金

18、属贮存在叶片的表皮中,避免重金属对叶肉细胞的直接伤害,如芥菜(B. juncea富集镉后,其叶片表皮毛中的Cd含量比叶片组织高43倍。对于可诱导的超量积累植物,已发现的具有较高生物量的主要有印度芥菜、玉米和向日葵等。一些人工合成的螯合剂,如ED TA、D T PA、CD TA、EGTA及柠檬酸等,在一定条件下可明显促进可诱导超量植物对镉和铅等的吸收。3讨论与展望311随着可持续发展思想和现代生态农业的进一步发展和深入人心,净化、治理土壤重金属污染已引起许多科学工作者的极大兴趣,一些国家和机构纷纷投入巨大资金加大研究、推广力度。而且如前所述,当前国际上土壤重金属污染治理研究主要集中于化学法和生物

19、学修复法,尤其是植物修复法。这主要是由于与物理的或化学的治理技术相比,植物修复法有其独特的优点:(1成本低;(2绿色净化,不破坏土壤生态环境,无需进行二次处理;(3通过对植物的集中处理,造成二次污染的机会较少;(4植物修复是一个自然过程,易为公众所接受。因此,成为研究的热点和方向。312与植物挥发或植物钝化相比,植物提取法具有更大的可行性,更不易造成二次污染。用植物提取法来修复重金属污染土壤,成功与否取决于植物体内有毒重金属含量和植物生物量大小两个方面。也就是说,理想的可用于植物修复的植物,其地上部必须有一个或一个以上的有毒重金属含量比在普通植物的含量高百倍甚至千倍以上,即使在污染物浓度较低时

20、也有较高的积累速率,而且植株生长快,抗病虫能力强,干物质积累量大18。目前,铅、镍、锌和镉等重金属污染土壤的超积累植物吸取修复已显示出显著的生态、经济和社会效益,具有广阔的应用前景。但对诱导产生超积累植物的这一技术潜在的环境风险也必须给予充分的考虑。这种风险主要表现在:(1用于诱导的螯合剂在增加土壤中重金属生物有效性的同时,也增加了重金属离子的移动性,从而有可能在造成某些土壤元素淋失的同时,加剧了地下水的重金属污染;(2螯合物的残留与挥202福建农业学报第15卷发,以及被诱导后重金属的溶解效应可能对植物构成金属胁迫;(3外来植物品种的蔓延等方面19。313已有的研究表明,利用植物修复和消除土壤

21、重金属污染,污染物必须处在植物活跃生长的根区之内。这就意味着植物修复技术将受到土壤重金属含量、土壤酸碱度、土壤水分条件、土壤元素的拮抗作用以及大气等因素的限制,而且地点必须足够大以使耕作技术能得以实施13。它不仅涉及到农学、土壤学、化学、生态学和环境保护学,而且涉及到植物学、植物生理学、分子生物学和遗传学等多个学科,正是这些学科间的合作与发展为该项技术的提出与发展和应用提供了可能。目前国际上发展和完善该项修复技术,基本上可分为常规综合技术和基因工程技术两大类。前者一般是采用与植物修复技术相结合的综合技术和传统的工程技术,如D upon t实验室的实验表明,在用螯合剂原位洗涤土壤时,若与电动力学

22、(土壤离子在直流电下运动相结合,则植物摄取技术会比任何一种技术单独使用更为有效;后者主要是通过育种和基因工程改良植物性状使之更适用于植物修复,如植物根结构的几个特性(如根深入到有氧区的能力和根密度等可以被改进,或增加植物(无论是根组织内还是分泌到土壤中降解酶的数量20。又如美国的一些农业科研院校正在进行的基因筛选工作的主要目的,就是希望能研究出能够超量积聚金属的植物的一种或多种基因,并将其导入高产植物,以培育出植物新品种。若将采集到的植物种子跟各种能够储存金属的植物进行杂交,或者应用化学方法处理种子,诱发植物产生变异,并隔离或筛选出对金属灵敏或掩护的金属植物,或者能够排斥金属的植物,就可被利用

23、来保证可供食用植物不含有害金属。314当前,我国对治理土壤重金属污染的生物学修复法、尤其是对超量积累植物的研究尚处于起步阶段,但我国有着丰富的植物资源。因此,当务之急是尽快从中筛选出理想的能超量积累重金属的植物,同时从已知的超量积累植物中筛选出其突变体,建立起超量积累植物数据库,并对它们进行生理生化方面的研究。此外,我们还应在原有研究的基础上,(1尽量将地理信息系统(G IS、遥感(R S、全球定位系统(GPS等先进信息技术应用到该研究领域中,加强区域土壤重金属含量的空间变异与分布规律研究;(2加强土壤重金属污染的毒害机理、影响因素,以及复合污染中元素间的交互作用和拮抗关系研究;(3十分重视并

24、尽快建立起土壤重金属污染状况预测与作物吸收、解吸模型等。参考文献:1陈怀满.土壤-植物系统中的重金属污染M.北京:科技出版社,1996.2王果,陈建斌,高山,等.稻草和紫云英对土壤外源铜的形态及生态效应的影响J.生态学报,1999,19(4:551-556.3张秋芳.泥炭、猪粪对红壤和潮土中铜、镉形态及其生物有效性的影响研究D.福建农业大学硕士学位论文,2000.4W ang D Y,et al.Effects of hum ic acid on trans port andtransfor m ati on of m ercury in s oil-p lant syste mJ.W ate

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