土壤重金属污染的危害及修复

土壤重金属污染的危害及修复摘要:土壤重金属污染问题越来越引起人们关注,阐明了土壤中重金属污染的来源、污染情况及造成的危害,主要综述了目前国内专家、学者对土壤污染及生物修复的研究进展,结合我国具体情况,提出一些自己的看法.关键词:土壤;重金属污染;生物修复土壤重金属污染是指人类活动将重金属加入到土壤中,致使土壤中重金属含量明显高于原有含量,并造成生态环境恶化的现象[1].环境污染方面所指的重金属主要指对农作物和人畜生物毒性显著的Hg、Cd、Pb、Cr、以及类金属As,还包括具有毒性的Zn、Cu、Co,Ni、Sn、V等污染物,后者在常量下对作物和人体是营养元素,过量时则出现危害.加强土壤污染的化学及生态研究对推动绿色食品和生态农业的发展具有重要意义.1土壤中重金属元素的来源和污染状况除了来自于土母质本身的重金属,土壤重金属污染主要来自于人类活动.研究表明:Pb、Cd、Hg、As与大气污染有直接关系[2].来源于象汽车含铅汽油燃烧排放的尾气、工农业生产、汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的气体,它们经过自然沉降和雨淋进入土壤.公路、铁路两侧土壤中的重金属污染主要是Pb、Cr、Zn,Cu、Co、Cd等,大气汞的干湿沉降也可引起土壤中汞含量的增高.城市大量的工业废水流入河道,其中含有的许多重金属离子,随着污水灌溉、污泥施肥而进入土壤.太原、淮阳污灌区土壤中重金属的含量自污灌以来逐年增高.广州市郊污灌区农田中Pb、Cd、Hg、Cr、As等重金属污染超过临界值,残留超标率分别达16%、100%、68%、16%和52%[3、4].研究还表明:用城市污水污泥改良土壤,重金属Hg、Pb、Cr的含量明显增加,青菜中的Pb、Zn、Cu、Cd、Ni也增加[5].胡永定[6]通过对徐州荆马河区域土壤重金属污染成因的分析和研究,发现Cd是由垃圾施用和农灌引起的,Pb、Zn、Cu、Cr是由垃圾施用引起的,As是农田灌溉引起的,Hg是各种途径都有.另外城市生活垃圾、车辆废弃物、垃圾堆放场附近土壤中重金属的含量都高于当地土壤背景值,如北京郊区某垃圾场周边土壤中Cd含量是对照组的8倍.金属矿山的开采、有色金属的冶炼排放的废水、重金属冶炼矿渣的堆放,工厂烟囱的排放物等,随着降雨淋溶被带入水环境或直接进入土壤,都会成为土壤重金属的来源.许多研究表明:随着磷肥、复合肥的大量施用,土壤有效镉的含量在不断增加,作物吸收镉量也相应增加.据马耀华等对上海地区菜园土研究发现:施肥后,Cd的含量从0.1mgkg-1上升到0.32mgkg-1.魏秀国等人通过对广州市蔬菜地土壤重金属污染状况调查及评价发现:铅污染最为普遍,其次是砷污染;就污染的程度而言,镉污染最为严重,其次为砷[7].2土壤重金属污染的危害2.1对土壤生态结构和功能稳定性的影响大多数重金属在土壤中相对稳定,一旦进入土壤,很难在生物物质循环和能量交换过程中分解,难以从土壤中迁出.从而对土壤的理化性质、土壤生物特性和微生物群落结构产生明显不良影响,影响土壤生态结构和功能的稳定.大量研究证明:重金属污染的土壤,其微生物生物量比正常使用粪肥的土壤低得多,并且减少了土壤微生物群落的多样性.藤应[8]等在国内首次通过核酸快速提取系统提取了重金属复合污染农田的DNA并进行分析,结果表明:重金属复合污染导致了农田土壤微生物在基因上的损伤,影响了农田土壤生态系统的细菌丰富度,改变了土壤环境的优势菌群,从而使农田土壤微生物群落结构多样化发生变化,重金属复合污染严重的农田土壤DNA含量较低.2.2对植物的影响吸收到植物体内的重金属能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的质,间接引起植物伤害.如某些重金属胁迫下植物体内产生过氧化氢、乙烯等类物质对体内代谢和酶活性的负效应,同时也能够对其带来直接伤害.如镉与巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的失活,甚至导致植物的死亡[9].重金属的胁迫有时会引起大量营养元素(N、P、K)的缺乏和有效性的降低,较高浓度的重金属含量有抑制植物体对钙、镁等矿物质元素的吸收和转运的能力.重金属处理引起植物铁含量的下降或缺乏,导致铁参与生理过程的异常,呈现铁缺乏症状.如较高浓度的锌处理使大豆出现叶片失绿的毒害症状,在铁供应条件下叶片也不能复绿.经过镉处理的小麦幼苗叶和根的生长明显受到抑制,其茎和叶中富集的镉量增加,铁、镁、钙和钾等营养元素的含量下降,重金属也影响钙离子在植物体内的分配.研究证明:当镉超过一定浓度后对叶绿素有破坏作用,并促进抗坏血酸分解,使游离脯氨酸积累,抑制硝酸还原酶活性[10].土壤较高的镍水平显著抑制了小麦对氮的吸收,外界较高的镉浓度也引起玉米植株磷浓度和吸收量的下降.刘秀梅等人在研究农作物的分布规律时发现,高浓度的铅严重阻碍作物的生理活动.研究发现:Cr、Hg使小麦、玉米受到污染:Cr、Zn、Cu能引起水稻、蔬菜的污染.茂名市茂南污灌区由于Cd、Pb污染严重,每年有4万吨稻谷不能食用.土壤农作物受Cd污染导致“镉米”的地区还有上海的沙川灌区、广东的广州和韶关地区,广西的阳朔、湖南的衡阳等[11].在我国,由于重金属污染而引起的粮食减产达1000万t/a,直接经济损失达100多亿元[12].2.3对人体健康的危害重金属污染的土壤,农产品质量下降,对人体健康造成很大伤害,尤其是区域性疾病的发生.据沈阳市卫生防疫站的调查结果表明:有30年污灌历史的张士污灌区,由于使用“镉米”,人尿中Cd含量增高,风湿性关节炎、肾炎、溃疡病平均死亡率均高于对照组,癌症平均死亡率增加.Cd还影响酶的正常活动,并可造成贫血、高血压、骨痛病等疾病,其危害可达几十年.陕西省华县龙岭村,面粉中镉的含量超出国家标准1.6倍,铅超标2.98倍;芹菜中Hg、Cd、Pb、Cr、As全部超标,其中汞超标16倍,铅83.5倍,属于严重污染和特级污染,现已成为一个“癌症村”,经查明:铅、砷污染是致癌的主要原因.曾昭华、曾雪萍研究了癌症与土壤环境中Sn元素的关系[13]发现:癌的产生和发展与土壤环境中锡元素质量分数有关,居住在锡元素质量分数高的地区的人群,食管癌、宫颈癌死亡率一般较低,而肝癌、鼻咽癌死亡率较高,反之亦然.通过对河南、山西等地的食道癌发病区研究表明:病区土壤中Cu、Zn、V、Zr等元素含量高.砷化物被广泛用作杀虫剂和除草剂,通过对内蒙古、山西等地砷中毒与环境关系的研究[14],证明自然和人为作用能将环境中砷释放出来提高水的毒性,加剧砷中毒的发生并导致癌症发生.As可引起皮肤癌、膀胱、肝脏、肾、肺和前列腺以及冠状动脉疾病和所谓黑足病等慢性肾中毒.3土壤重金属污染的修复土壤污染的修复途径包括物理、化学和生物学措施,其中物理和化学措施主要是通过改变重金属在土壤中的存在状态,使其由活化态转变为稳定态,从而减小其毒害作用.或是将重金属从土壤中去除,使其保留浓度接近或达到背景值[21].当前世界各国很重视对重金属污染治理方法的研究,国内外专家曾采用深耕法、排土法、客土法、热解吸法、电化学法、化学冲洗法、热处理法、非毒性化改良剂法等来解决土壤重金属污染问题,但由于各方法都有一定的局限性,所以都没有成为理想的修复措施[15-16].近年来,土壤修复中生物学措施最受关注.3.1生物修复技术3.1.1植物修复技术植物修复技术就是利用植物吸收、富集、降解或固定土壤中重金属离子或其他污染物,以实现消除或降低污染程度,修复环境的综合环境生物技术[17].主要包括植物提取、植物挥发、植物稳定[18]和植物促进等修复技术.有关植物提取的报道最多,通过植物提取修复重金属污染土壤的基础是超累积植物,目前已发现400多种,积累Pb、Cu、Ni、Hg、Cr、Co的含量一般在0.1%以上,Mn、Zn含量一般在1%以上[19].国内大量的研究表明:不同蔬菜对不同重金属污染土壤有很大差异[20-22].已有报道紫花苜蓿对镍和铜离子具有较高的富集作用;叶春和的研究表明:紫花苜蓿对铅也具有较高的富集能力.纸皮桦、加拿大杨[23]、红树对土壤中汞的吸收、储存能力强,苎麻是较强的吸镉耐镉植物.林匡飞在苎麻吸镉特征及镉土的改良试验中得出,在含镉100mg/kg的土壤上改种苎麻,5年后,土壤镉平均降低26.7%.龙育堂对非食用经济作物苎麻净化土壤中的汞的效果进行了研究,发现在汞质量分数为130.0mg/kg的土壤中苎麻仍能正常生活,属耐汞植物.据测算,其种植会使土壤的净化限缩短8.5倍,该技术不仅可去除汞,还可美化环境,带来经济效益[24].植物促进是根据重金属的螯合原理,向土壤中施加螯合剂如EDTA、DTPA、EGTA、柠檬酸等活化土壤中的重金属,增加重金属的生物有效性,提高富集植物对重金属的积累,促进植物的吸收,是植物修复发展的一个新方向[25].因为植物修复主要是通过收割地上部分进行的,施加螯合剂提高了某些植物对重金属的吸收,促进了重金属向地上部分的转移,因而对植物修复的成功非常有利.研究发现向铅污染土壤中加入EDTA(1.0g/kg)后24h,Pb从根向枝干部分的净转移提高了120倍.中国科技工作者陆续发现了砷超富集植物蜈蚣草、大叶井口边草以及锌、镉等超富集植物[26].很多研究发现印度芥菜可吸收Pb、Zn、Cu、Cd等,在Cu为250mg/kg、Pb为500mg/kg、Zn为500mg/kg条件下能生长,在Cd为200mg/kg出现黄化现象[27].利用超积累植物修复重金属污染的土壤是一项绿色廉洁的污染治理方法,具有很大的开发利用前景.3.2微生物修复利用微生物的生物活性对重金属的亲和吸附或转化为低毒产物从而降低重金属污染程度.由于微生物对重金属具有较强的亲和吸附能力,有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上,或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚体上,一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类,能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等,它们具有大量的阴离子基团,与重金属离子形成络合物.李志超发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性较低的无机汞.近年来微生物生物技术己逐步应用于净化污染土壤,通常采用新的原位处理、反应器或土壤填埋对污染土壤进行生物修复,在重金属污染土壤中加入真养产碱菌株使得土壤水悬浮液得到净化.一些微生物可对重金属进行生物转化,其主要作用机理是微生物能够通过氧化还原、甲基化和去甲基化作用转化重金属,改变其毒性,从而形成了某些微生物对重金属的解毒机制.有人以硒的生物甲基化作为基础进行原位生物修复,通过耕作、优化管理、施加添加剂来加速硒生物甲基化,使其挥发来降低毒性[28].4展望解决重金属元素污染首先从源头控制污染,同时加强重金属元素生态化学行为和修复技术研究,特别是应用前景远大的植物和微生物技术,寻求多种修复技术的综合运用.筛选以体外抗性为主导机制的重金属排异植物,特别是农作物,减少其向可食用部位的转移和积累,减低在食物链中的数量.寻找那些既对污染物有较多的抗性又能保证生物产品具有较高的安全性的崭新途径.如培养富锌小麦、富锌蔬菜等,既合理利用锌资源又可改善人体锌营养,研究证明补锌效果优于无机制剂硫酸锌.生物修复技术具有费用低、对环境影响小、效率高等特点,是一项绿色廉价的治理方法,是值得探讨的有效途径之一.