土壤重金属污染的危害与治理

日期：2014-05-12   文章来源：中华合作时报网

近几年来，“舌尖上的安全”可以说是公众最为关注的话题。“镉大米”、重金属蔬菜等诸多食品安全事件让我们开始意识到，我们赖以生存的土壤已经受到污染，有害物质已经随着粮食、饮水被“端上”我们的餐桌。可是土壤污染问题究竟有多严重？对农产品安全造成多大影响？不少人迫切希望得到一个准确的答案。

据国土资源部网站4月17日消息，环境保护部和国土资源部发布了全国土壤污染状况调查公报。调查结果显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧。工矿业、农业生产等人类活动是造成土壤污染或超标的主要原因。所以，经济比较发达的中东部地区、长三角、珠三角、东北老工业基地、湖南等一些重金属富集的地区土壤污染特别严重。

 

最近一年来，湖南不少以种水稻、种菜为生的农民因为一种他们并不了解的元素“镉”，承受着巨大的经济损失。“因为说我们这里的土壤重金属超标，所以我们种出来的菜都卖出不去。”

 

土壤重金属污染对作物及人类的危害如下：

 

第一，重金属在土壤-作物系统中迁移直接影响到作物的生理生化和生长发育，从而影响作物的产量和品质。比如镉是危害植物生长的有毒元素，土壤中如果镉过高，会破坏植物叶片的叶绿素结构，减少根系对水分和养分的吸收，抑制根系生长，造成植物生理障碍而降低产量。铅在作物组织中可导致氧化、光合作用以及脂肪代谢强度的减弱，对水的吸收量减少、耗氧量增大，从而阻碍作物生长，甚至引起作物死亡等。

 

第二， 重金属可通过食物链最终危害人类健康。比如：镉的生物毒性显著，会给人体带来高血压、心脑血管疾病、肾功能失调等一系列问题。汞食入人体后直接沉入肝脏，对大脑视力神经破坏极大。砷会使皮肤色素沉着，导致异常角质化。铬会造成四肢麻木，精神异常。铅是重金属污染中毒性较大的一种，一但进入人体很难排除，并直接伤害脑细胞，造成智力低下等。

 

重金属污染物在土壤中移动性差，滞留时间长、不能被微生物降解；并可经水、植物等介质最终影响人类的健康。土壤重金属污染以及治理已经成为科学界乃至全世界关注的焦点问题。在植物修复方法中，植物的筛选、目标植物的生物量和修复的时间都将成为限制其发展的关键问题；同时，由于污染的伴生性，对复合污染的修复效率及农用土壤的修复都将受到一定的束缚。而农业工程的深耕则会破坏土壤的自然性状。目前全世界普遍采用物理化学处理方法；即主要是向被污染土壤添加一些钝化修复剂（例如，撒施“田师傅”土壤调理剂等），来降低重金属在土壤中的有效浓度或改变其氧化还原状态，从而有效较低其迁移性、毒性及生物有效性。  （杨逸莎）

 

 

土壤中重金属污染有哪些危害？

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对于土壤中重金属对人体的危害就不必多说了，常见的5种重金属污染元素所造成的危害如下：。

 

重金属汞污染

土壤的汞污染主要来自于污染灌溉、 燃煤、 汞冶炼厂和汞制剂厂(仪表、 电气、 氯碱工业)的排放。如一个700 兆瓦的热电站, 每天可排放汞215 公斤, 估计全世界仅由燃煤而排放到大气中的汞, 一年就有3000 吨左右。含汞颜料的应用、 用汞做原料的工厂、 含汞农药的施用等也是重要的汞污染源。汞进入土壤后95%以上能迅速被土壤吸持或固定, 这主要是土壤的粘土矿物和有机质有强烈的吸附作用, 因此汞容易在表层积累, 并沿土壤的纵深垂直分布递减。

 

土壤中汞的存在形态有金属汞、 无机态与有机态, 并在一定条件下相互转化。在正常Eh和pH 范围内, 汞能以零价状态存在是土壤中汞的重要特点。植物能直接通过根系吸收汞, 在很多情况下, 汞化合物可能是在土壤中先转化为金属汞或甲基汞后才能被植物吸收。无机汞有HgSO4、 Hg(OH)2、 HgCl2、 HgO , 它们因溶解度低, 在土壤中迁移转化能力很弱, 但在土壤微生物作用下, 转化为具有剧烈毒性的甲基汞, 也称汞的甲基化。 微生物合成甲基汞在好氧或厌氧条件下都可以进行。在好氧条件下主要形成脂溶性的甲基汞,可被微生物吸收、 积累而转入食物链, 造成对人体的危害; 在厌氧有酶催化下, 主要形成二甲基汞, 它不溶于水, 在微酸性环境中, 二甲基汞也可转化为甲基汞。 汞对植物的危害因作物的种类不同而异, 汞在一定浓度下使作物减产, 较高浓度下甚至可使作物死亡。

 

植物吸收和累积与汞的形态有关, 其顺序是: 氯化甲基汞 > 氯化乙基汞 > 醋酸苯汞 > 氯化汞 > 氧化汞 > 硫化汞。不同植物对汞吸收能力是: 针叶植物 > 落叶植物; 水稻 >玉米 > 高果 > 小麦; 叶菜类 > 根菜类 > 果菜类。土壤中汞含量过高, 汞不但能在植物体内累积, 还会对植物产生毒害, 引起植物汞中毒, 严重情况下引起叶子和幼蕾掉落。汞化合物侵入人体, 被血液吸收后可迅速弥散到全身各器官, 当重复接触汞后, 就会引起肾脏损害。

 

重金属镉污染

镉主要来源于镉矿、冶炼厂。因镉与锌同族,常与锌共生, 所以冶炼锌的排放物中必有ZnO、CdO,它们挥发性强,以污染源为中心可波及数千米远。镉工业废水灌溉农田也是镉污染的重要来源。镉被土壤吸附,一般在0-15cm的土壤层累积,15cm以下含量显著减少。土壤中的镉以CdCO3、Cd(PO4)2、及Cd(OH)2的形态存在,其中以CdCO3为主,尤其是在pH>7的石灰性土壤中,土壤中的镉的形态可划分为可给态和代换态,它们易于迁移转化,而且能被植物吸收,不溶态镉在土壤中累积, 不易被植物吸收, 但随环境条件的改变二者可互相转化。

 

如土壤偏酸时, 镉的溶解度增高, 而且在土壤中易于迁移;土壤处于氧化条件下(稻田排水期及旱田)镉也易变成可溶性, 被植物吸收也多。 土壤对镉有很强的吸着力, 因而镉易在土壤中造成蓄积。 镉在土壤中吸附迁移还受伴随离子如Zn2+、 Pb2+、 Cu2+、 Fe2+、 Ca2+等的影响,如锌的存在就可抑制植物对镉的吸收。镉是植物体不需要的元素, 但许多植物均能从水中和土壤中摄取镉, 并在体内累积。累积量取决于环境中的镉的含量和形态。镉在植物各部分分布基本上是: 根 > 叶 > 枝的干皮 >花、 果、 籽粒。水稻研究表明同样规律, 即主要在根部累积, 为总量的82.15% , 地上部分仅占17.15% , 其顺序: 为根 > 茎叶 > 稻米 > 糙米。

 

土壤中过量的镉, 不仅能在植物体内残留, 而且也会对植物的生长发育产生明显的危害。 镉能使植物叶片受到严重伤害, 致使生长缓慢, 植株矮小, 根系受到抑制, 造成生物障碍, 降低产量, 在高浓度镉的毒害下发生死亡。镉对农业最大的威胁是产生 “镉米” 、 “镉菜” , 人食用这种被镉污染的农作物, 则会得骨痛病。 另外, 镉会损伤肾小管, 出现糖尿病, 镉还会造成肺部损害, 心血管损害, 甚至还有致癌、 致畸、致突变的报道。

 

重金属铅污染

铅是土壤污染较普遍的元素。污染源主要来自汽油里添加抗爆剂烷基铅, 汽油燃烧后的尾气中含大量铅, 飘落在公路两侧数百米范围内的土壤中。另外矿山开采、 金属冶炼、 煤的燃烧等也是重要的污染源。在矿山、 冶炼厂附近土壤含铅量高达1500cm/kg以上。随着我国乡镇企业的快速发展,“三废” 中的铅也大量进入农田, 一般进入土壤中的铅在土壤中易与有机物结合, 不易溶解, 土壤铅大多发现在表土层, 表土铅在土壤中几乎不向下移动。植物对铅的吸收与积累, 决定于环境中铅的浓度、 土壤条件、 植物的叶片大小和形状等。植物吸收的铅主要累积在根部,只有少数才转移到地上部分。积累在根、 茎和叶内的铅, 可影响植物的生长发育, 使植物受害。铅对植物的危害表现为叶绿素下降。阻碍植物的呼吸及光合作用。谷类作物吸铅量较大, 但多数集中在根部, 茎秆次之, 籽实较少。 因此, 铅污染的土壤所生产的禾谷类茎秆不易作饲料。

 

铅对动物的危害则是积累中毒。铅是作用于人体各个系统和器官的毒物, 能与体内的一系列蛋白质、 酶和氨基酸内的官能团络合, 干扰机体多方面的生化和生理活动, 导致对全身器官产生危害。

 

重金属铬污染

铬的污染源主要是铬电镀、 制革废水、铬渣等。铬在土壤中主要有两种价态: Cr6+和Cr3+。土壤中主要以三价铬化合物存在, 当它们进入土壤后, 90%以上迅速被土壤吸附固定, 在土壤中难以再迁移。Cr6+很稳定, 毒性大, 其毒害程度比Cr3+大100倍。而Cr3+则恰恰相反, Cr3+主要存在于土壤与沉积物中。土壤胶体对三价铬具有强烈的吸附作用, 并随pH 的升高而增强。土壤对六价铬的吸附固定能力较低,仅有81.5%—36.12%。不过普通土壤中可溶性六价铬的含量很小, 这是因为进入土壤中的六价铬很容易还原成三价铬, 这其中, 有机质起着重要作用, 并且这种还原作用随着pH 的升高而降低。值得注意的是, 实验已证明, 在pH 6.15—8.15 的条件下, 土壤的三价铬能被氧化为六价铬,同时, 土壤中存在氧化锰也能使三价铬氧化成六价铬, 因此,三价铬转化成六价铬的潜在危害不容忽视。

 

植物对铬的吸收95%蓄积于根部。据研究, 低浓度Cr6+能提高植物体内酶活性与葡萄糖含量, 高浓度时, 则阻碍水分和营养向上部输送, 并破坏代谢作用。铬对人体与动物也是有利有弊。人体含铬过低会产生食欲减退等症状。而Cr6+具有强氧化作用, 对人体主要是慢性危害,长期作用可引起肺硬化、 肺气肿、 支气管扩张, 甚至引发癌症。

 

重金属砷污染

土壤砷污染主要来自大气降尘、 尾矿与含砷农药, 燃煤是大气中砷的主要来源。通常砷集中在表土层10cm 左右, 只有在某些情况下可淋洗至较深土层, 如施磷肥可稍增加砷的移动性。 土壤中砷的形态按植物吸收的难易划分, 一般可分为水溶性砷、 吸附性砷和难溶性砷, 通常把水溶性砷、 吸附性砷总称为可给性砷, 是可被植物吸收利用的部分。 土壤中砷大部分为胶体吸收或和有机物络合——螯合或和磷一样与土壤中铁、 铝、 钙离子相结合, 形成难溶化合物, 或与铁、 铝等氢氧化物发生共沉。

 

pH和Eh值影响土壤对砷的吸附, pH 值高, 土壤砷吸附量减少而水溶性砷增加; 土壤在氧化条件下, 大部分是砷酸, 砷酸易被胶体吸附, 而增加土壤固砷量。随Eh降低, 砷酸转化为亚砷酸, 可促进砷的可溶性, 增加砷害。植物在生长过程中, 吸收有机态砷后可在体内逐渐降解为无机态砷。砷可通过植物根系及叶片的吸收并转移至体内各部分, 砷主要集中在生长旺盛器官。 作物根茎叶、 籽粒含砷量差异很大, 如水稻含砷量分布顺序是稻根>茎叶> 谷壳> 糙米, 呈自下而上递降变化规律。砷中毒可影响作物生长发育, 砷对植物危害的最初症状是叶片卷曲枯萎, 进一步是根系发育受阻, 最后是植物根、 茎、 叶全部枯死。砷对人体危害很大, 在体内有明显的蓄积性, 它能使红血球溶解, 破坏正常的生理功能, 并具有遗传性、 致癌性和致畸性等。

土壤重金属污染的危害及土壤物理、化学、生物修复技术

 

来源：http://www.huiguo.net.cn/    发表日期：2015-05-29    浏览：2772

 

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随着社会人口的不断增加、化工经济的迅猛发展，化肥、 农药、矿产资源等被大量消耗。这些资源在消耗过程中产生的含有重金属的废水、废气都被排人到土壤中，使得土壤遭受越来越严重的重金属污染。由于离子迁移性和动植物的吸附性，这些重金属会进入到生物链系统进行循环。当这些重金属进人到人体时就会对人类的健康造成伤害。如何防治土壤的重金属污染已成为全球性问题之一。

 

1 重金属污染的主要来源

 

土壤中重金属的来源主要有2个部分组成，一部分是自然输人，另一部分是人为活动输人。自然输人主要指成土母 岩的风化分解和凋落的生物质腐化分解，在自然情况下流入土壤，造成土壤重金属富集。人类活动输人主要指人类在矿藏资源开发、工业发展及农业生产等过程中造成的重金属在土壤中的积累，是土壤重金属污染的主要原因。目前，人为活动造成的土壤重金属输人主要受废气沉降、农业活动、矿业生产、固体垃圾排放等方面的影响。

 

1.1 废气沉降 人类在生产、生活中产生的含有重金属的粉尘、废气以及烟气被排放到空气中后，会通过重力或者雨 雪沉降过程流回至土壤中。有研究发现，煤、石油等矿物燃料燃烧后产生的挥发性金属排放到大气中后，约有近1/3重金属沉降在周边10km的范围内。在对北京市一次强沙尘暴降尘的重金属微量元素监测中发现，测量中的重金属元素含量均超出北京市土壤含量的本底值。

 

1.2 农业活动 随着化工技术的不断发展,农业生产活动中的化学肥料、有机农药的使用力度不断加大，使得土壤中重金属含量富集加重。高太忠等在研究磷肥对土壤重金属的污染状况时，发现憐肥中的重金属镉在土壤中的富集十分明显。由于当前动物饲料配方中添加了部分重金属元素,有机肥料中重金属元素也出现了超标现象。农药中含有铜、汞、砷等重金属元素。农药的大量使用使得土壤中的重金属元素进一步增加。

 

另外，由于缺乏监管力度，用污水对农田进行灌溉的现象时有发生。污水中的汞、镉、砷、铜等重金属元素导致土壤中重金属元素大大增加。污水、污泥的随意排放使土壤中的氮、磷、钾等营养元素在富集的同时，也会使其重金属元素不断增加。

 

1.3 矿业生产 在矿业生产过程产生的尾矿等废弃物露天堆放，经风化、降雨等作用后废弃物中含有的重金属会渗人土壤中,导致土壤重金属污染。再者，金属矿山在开采过程中被酸性废水溶解了的重金属元素会以离子形式随废液 的排放进人土壤，造成土壤重金属超标。2001年中国环境监测部门在对金属矿山采选工艺废水调查时发现，金属矿废水排放中含有的重金属量达210多t，占工业重金属总排放量的 18.93%。

 

1.4 固体垃圾 经日晒、雨淋后，长期堆积的固体垃圾内部的重金属以辐射状向周围土壤、水体扩散，其中以矿业和工业固体废弃物污染最为严重。王亚平等通过对某矿山固体垃圾堆放地的研究，发现土壤中镉、汞、铬、铜、锌、铅、砷等重金属含量均高于当地背景值。

 

2 土壤重金属污染的危害

 

2.1 对植物的危害 重金属进入土壤后会以离子形式进人植物体内，进而对植物产生毒害作用，造成植物体变异。这主要是因为吸收到植物体内的重金属会抑制植物的光合作用、酶活性，改变细胞膜的通透性，进而诱导其产生对植物不利的某些酶或有毒物质。重金属元素污染的危害还表现在使植物的营养缺乏，降低某些活性酶的有效性以及对植物运输和转运钙、镁等矿质元素的能力。Dahiya等研究发现，土壤中较高的镍含量会显著影响小麦对氮的吸收。 Narwal等发现，当土壤中镉浓度较高时，玉米植株磷浓度和吸收量降低。

 

2.2 对动物的危害重 金属污染还可导致土壤中原生动物种类减少，数量降低，群落多样性下降。通过对受到重金 属污染的土壤进行研究，发现污染后的土壤中原生动物群落呈现出简单化、不稳定化的特点，群落演替呈次生演替趋势。有研究指出，重金属污染不但会对土壤动物构成危害，而且会使土壤动物的群落和数量减少，在受重金属污染的土壤中优势类群和常见类群的动物数量明显减少；重金属污染会导致土壤动物群落的多样性指数、均匀性指数、密度类群指数下降。唐浩等调查了鲁中地区受污染农田蚯蚓群体构成，发现重金属污染农田蚯蚓种群的多样性指数为1.5835，相对于未被污染农田中的2.236 2，已明显降低。

 

2.3 对微生物的危害 当土壤中的重金属元素富集到一定浓度时，还会对微生物的代谢、生长、生存产生不利影响，主要表现有微生物生物量和活性细菌菌落数量减少，微生物活性受到抑制，微生物的生物量碳与有机碳比值降低，呼吸强度减弱，进而使土壤中微生物的区系、群落结构和功能发生改变。段学军等在研究镉对稻田土壤生物、酶的活性的影响时，发现镉对土壤中脲酶活性有显著的影响。

 

3 重金属污染土壤的修复

 

目前，对重金属污染土壤的修复技术主要包括物理修复、化学修复和生物修复3种，其中生物修复是当今社会研究的重点。

 

3.1 物理修复 物理修复主要包括电动修复、电热修复、土壤淋洗3种。第1种修复主要是通过通电，使得重金属离子定向移动到一端，从而将其去除。电热修复主要是针对土壤中熔点低、易挥发的重金属。当用髙频电压对土壤加热时，土壤重金属就会受热挥发，达到去除土壤中重金属的目的。土壤淋洗是利用淋洗液将土壤中的重金属溶解到土壤洗淋液中，再将洗淋液中的重金属离子置换出来的一种土壤修复方法。该方法是现有条件下最成熟的物理修复方法。

 

此外，物理修复方法还包括固化土壤修复法、稀释法、排土填埋法。目前，物理修复法存在的最大问题是处理成本高,而且存在再次污染的风险。

 

3.2 化学修复 化学修复主要是指向被重金属污染过的土壤中加人能够改变土壤中重金属化学性质的污泥、有机质等外源物质。这种外源物质会与土壤中金属离子结合，使得金属离子的迁移性和被植物吸收的可能性降低，进而防止这些重金属元素进人生态循环系统。由于各种金属离子的迁移性各不相同，对不同金属离子只能使用不同的固定物质。 例如，使用CaC03或Ca(OH)2调节土壤的酸碱性，促使土壤中的镉、铜、汞、锌等元素形成碳酸盐或氢氧化物沉淀。 在土壤中加人含硫物质，可以使土壤中的镉、汞生成硫化镉、硫化萊沉淀，进而减少重金属对土壤的污染。

 

化学修复的缺点是它只能使重金属元素在土壤中固定下来，阻止其进人生物循环系统，但并没有从根本上将其从 土壤中完全去除。在一定条件下，当金属离子的形态发生改变时易造成“二次污染”。

 

3.3 生物修复 生物修复技术是上世纪开始研究的新型修复技术，主要是利用动植物的新陈代谢活动对土壤中的重金属进行固化、分离、降解、富集、修复。该技术主要有动物修复技术和植物修复技术两种形式。生物修复技术主要有2种途径对受污染土壤进行修复。一种是在土壤中改变重金属形态，使其沉淀在土壤中，不再被生物吸收利用；另一种就是通过生物吸附，使其沉淀在生物体中，通过生物体代谢达到对重金属的削减、固化作用。作为一种新兴的绿色环保技术，由于生物修复经济、适用范围广、环境友好、符合可持续性发展的目标等，已成为当今社会研究的热点。

 

3.3.1 动物修复技术。研究表明，土壤中的部分低等生物可以吸收土壤中富集的金属元素。在受污染的土壤中, 蚯蚓可以通过被动扩散作用和摄食作用使重金属进入其体内，待金属在姐蚓体内富集后可以采用一定的方法将蚯蚓从土壤中驱出，集中处理，从而达到修复的目的。蚯蚓在污染土壤中还能有效地改变土壤中重金属活性，促进和强化植物对重金属的修复作用。

 

动物修复技术的缺点是只能在一定程度上减少重金属含量，而且对动物的伤害也较严重；当动物体内重金属含量 达到一定程度时会导致其死亡，动物死亡后其体内的重金属还会进人土壤中再次污染土壤；另外，低等生物对生存环境的要求苛刻，限制了动物修复技术的发展。

 

3.3.2 植物修复技术。植物修复是指通过利用植物、植物根系微生物对土壤中重金属进行修复的技术。目前，植 物修复主要是利用植物降解、植物萃取、植物挥发和植物过滤等作用来降低重金属污染物的生物有效性或清除土壤中的重金属污染物，降低重金属的环境风险。随着对重金属植物修复技术研究的不断深人，尤其是耐重金属、超富集植物及其根际微生物共存体系的研究、根际分泌物在微生物群落的进化选择过程中的作用以根际物理化学特性研究的深人，植物修复技术的含义和应用将得到延伸。

 

3.3.3 生物协同修复。基于植物修复原理，利用土壤动物、 微生物和植物的协同作用，改善土壤条件，促进植物生长，提髙重金属的生物有效性，提髙生物的吸收效率和修复效率，加速重建健康的土壤生态系统。一方面，微生物能够通过产生铁载体、ACC脱氧酶、合成植物生长激素等方式促进植物的生长，增加植物的生物量，有助于植物对重金属的积累；另 一方面，微生物代谢活动中产生的有机酸、铁载体、氨基酸等小分子代谢产物能够活化土壤重金属，进一步提高植物对重金属的富集量。

 

由于生物协同修复具有成本低、绿色环保、不存在再次污染等特点，它已成为矿山恢复、重金属污染土壤改良等生态修复领域新兴的、髙效的生物修复技术。

 

4 展望

 

随着工业技术的不断发展，土壤重金属污染问题变得更加严重。土壤作为人类赖以生存的根本基础，如何使土壤免受重金属污染已成为亟待解决的重大课题之一。目前，虽然建立了土壤重金属污染标准，但基本上局限于农业用地的土壤。对于其他形式利用的土地，如污水排放地、工矿废弃物排放地等，还没有建立土壤重金属污染标准。在今后一段时间，应结合土壤利用方式和人体健康评估标准建立相应的土壤污染标准，并且在此基础上制定相应的防治办法。研究表明，生物修复技术应是今后研究的重点，尤其生物协同修复技术，由于其具有费用低、环境友好等特点，已成为当今社会研究的重点。