城市土壤的重金属污染及生物治理
随着城市化在全球范围内的飞速发展,以及城市人口的不断增长,客观上需要增加对城市生态环境的了解,以及研究城市生态环境与人类健康之间的相互关系。城市土壤是城市生态环境的重要组成部分,对城市的可持续发展有着重要意义。在城市环境中,各种各样的人类活动,将大量的重金属带入城市土壤中, 造成这些元素在土壤中的积累,并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康甚至生命。因此,研究城市土壤的重金属污染的来源、含量分布、化学形态、积累的生物效应及其污染的修复具有重要的意义。
1 现状与来源
1. 1 现状
20 世纪90 年代初期对上海市蔬菜及菜区土壤的研究结果表明,上海市蔬菜受到重金属污染,尤以Cd 和Pb 污染为甚,超标率分别为13. 29 %和12. 0 %。上海市宝山区菜区土壤受到不同程度的重金属污染, Cd 和Hg 为主要污染元素。戴军等1995 年报道,广州市约有9. 5 %的菜区土壤受重金属污染,其中Cd、Pb 和As 的含量分别为广东省土壤背景值的2. 77 、2. 97 和1. 40 倍。80 年代末期,周艺敏等的调查结果表明, 天津市菜地土壤的8 种重金属元素(Cu 、Zn 、Pb 、Cr 、 Ni 、Cd 、Hg、As) 含量均高于本市农业土壤背景值的1 倍以上,尤以Cd 和Hg 最为严重,分别为背景值的5 倍和60 倍。90 年代中期的调查结果表明,沈阳市蔬菜也受到程度不同的重金属污染,超标率较大的元素是Pb 和Hg ,其次是Zn 和Cd ; 蔬菜综合超标率为 36. 1 % ,污染面积为3 600 hm2 。而沈阳市菜地土壤重金属含量与其土壤背景值相比,Cd、Pb 、Zn 的平均值分别为背景值的7. 06 、3. 96 和3. 187 倍,表明了沈阳市菜地土壤已受到多种重金属的复合污染。最近,马往校等对西安市郊区蔬菜的可食部分中重金属元素监测的结果表明, Pb 是西安市郊区蔬菜的主要污染元素, 超标率为48. 0 % ,最高超标6. 91 倍;Cr 和Cd 的污染仅表现在个别蔬菜中,超标率分别为4. 0 %和210 % , 最高超标分别为5. 20 倍和1. 32 倍。
1. 2 城市土壤重金属污染的来源
土壤中重金属污染物来源途径有很多,也很广,也很复杂。首先是母质本身含有重金属,不同的母质在成土的过程中所形成的土壤含有的重金属差异也很大。在城市土壤重金属来源研究方面,认识到城市土壤中的重金属一部分来源于成土母质,另一部分则为外源人为输入。成土母质是城市土壤中重金属含量的重要来源,是决定城市土壤中重金属元素含量与分布特征的重要因素之一。例如,在北京市,目前土壤中 Cr 、Ni 的含量就主要受成土母质的影响,只是个别地区存在明显的Cr 、Ni 含量严重偏高的现象。城市交通运输则是城市土壤重金属污染的另一个重要来源,汽车尾气排放、轮胎添加剂中的重金属元素均可影响到土壤中Pb 、Zn 、Cu 的含量,且这些元素的积累量都与交通流量有关。另外城市生活垃圾与工业废弃物的堆放及填埋对其附近城市土壤中重金属的含量与形态特征有着明显的影响,其附近土壤中重金属元素的含量与形态分布特征与垃圾中的重金属含量及其有效态含量呈明显的正相关。在不同工矿企业周围,土壤重金属含量还表现出明显的特异性,如Zn 矿冶炼厂废弃物的排放即可导致其周边城市土壤Zn 含量特异。同时公园与花园绿化过程中污水、污泥堆肥的广泛使用也明显影响到城市土壤中的重金属组成与含量。
人类工农业的生产活动造成对土壤的污染。归纳起来其来源有: ①工业污染源。主要是基础工业特别是采矿和冶炼业是向环境中释放重金属的主要污染源。②生活污染源。生活垃圾中含有的重金属能渗到土壤中;生活废水中的有机物可以吸收重金属,用这些水灌溉也可污染土壤。③农业污染源。主要是农药、化肥等农资和不恰当的灌溉会造成土壤污染。④交通污染源。机车的燃料中所含的重金属如对土壤的污染。⑤自然污染源。土壤母质土中的重金属本身含量高,还有火山喷发造成的土壤污染。
1. 3 土壤重金属污染的特征
重金属在土壤中不易随水淋溶,不易被生物降解, 具有明显的生物富集作用,其主要是影响农作物的产量和质量来体现其危害的,因此土壤污染有较长的潜伏期。其具体特点为: ①隐蔽性; ②不可逆性; ③普遍性; ④表聚性。
2 重金属污染治理的途径
2. 1 物理工程措施
物理工程措施是利用物理(机械) 、物理化学原理治理重污染土壤且工程量比较大的一类方法。该类技术是利用重金属主要污染土壤表层的特性。将表层被污染土壤去掉后,耕作活化下层土壤或覆盖末被污染活性土壤的方法。该类方法是目前较彻底地清除污染土壤的重金属的切实可靠的方法。将被污染表土去除后、原地土壤污染源的控制和土壤活化是非常重要的。并且被证明在土壤科学及环境科学上己有切实可行的办法。
主要的方法有: ①客土、翻土、换土及去表土法; ② 电化学法; ③淋洗法; ④热处理法; ⑤固化法; ⑥玻璃化法。
物理土程措施治理效果最为显著、稳定,是一种治本措施,而且适应性广,但投资大,存在二次污染及肥力降低问题,适于小面积的重度污染,积极引进、吸收、转化新技术,新材料,在保证治理效果的基础上,降低治理成本,提高工程实用性,有着重要的实际意义。
2. 2 农业措施
2. 2. 1 生物修复措施。生物修复是指利用生物的生命代谢活动减少土壤中有毒有害物的浓度或使其完全无害化,从而使污染了的土壤环境能够部分地或完全恢复到原始状态的过程。相同的表达有生物再生、生物恢复、生物清除或生物净化。治理措施主要包括植物修复措施和微生物修复措施,因其具有效果好、投资省、费用低、易管理与操作、不产生二次污染等优点,日益受到人们的重视,成为污染土壤修复研究的热点。
2. 2. 1. 1 利用某些特殊植物修复措施。植物修复措施是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素理论为基础,利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境治理技术,它是一门新兴起的环境应用技术。该措施主要包括三方面: (1) 植物萃取:利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属萃取出来,富集并按时运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位。(2) 根际过滤:利用超积累植物或耐重金属植物从污水中吸收、沉淀和富集有毒金属。(3) 植物固化:利用耐重金属植物或超积累植物降低重金属的活性,从而减少重金属被浸淋到地下水或通过空气载体扩散进一步污染环境的可能性。
由此可见,植物治理措施的关键是找合适的超积累或耐重金属植物。但植物修复措施也有局限性。如超积累植物通常生物量低,生长缓慢,对金属有选择性,不适合多种金属复合污染的土壤。
2. 2. 1. 2 利用微生物修复措施。微生物治理是利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,从而降低土壤中重金属的毒性,有些微生物具有嗜重金属性,利用微生物对重金属污染区进行净化,在水体污染处理中证明是一种很好方法。如果用于土壤环境的处理,可能会是一种行之有效的方法, 目前这方面己进行了积极研究。据报道,日本发现一种嗜重金属菌,能有效地吸收土壤中的重金属,但存在土壤与细菌分离这个比较棘手的问题。如果得到妥善的解决,将是一种有很大发展前景的处理方法。
2. 2. 2 利用某些低等动物修复措施。土壤中的某些低等动物(如蚯蚓和鼠类) 能吸收土壤中的重金属,因而能一定程度地降低污染土壤中重金属的含量。K. Czamowaka 等人对华沙交通要道附近3 个草坪采集土壤和蚯蚓进行测定,土壤中Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的含量分别为26～53 、170～180 、170～250 和0. 62～1. 1 mg/ kg , 而相应的富集系数为0. 56 、0. 36 、7. 3 和17. 1 ,可见,蚯蚓对锌和镉有良好的富集作用,杨居荣等用威廉环毛蚯蚓进行试验,发现向土壤投加Hg10mg/ kg 虫融引能存活;投加As100～300mg/ kg 及同时投Cd 、Cu 、Pb 各10 、300 和300mg/ kg 沙氏蚯蚓己不能成活。蚯蚓对重金属的富集系数以砷为最大,其次为Cd 、Hg、Cu 。由此可见,在重金属污染的土壤中放养蚯蚓,待其富集重金属后,采用电激、清水等方法驱出并集中处理,对重金属污染土壤也有一定的治理效果。
生物措施的优点是实施较简便、投资较少和对环境扰动少,缺点是治理效率低(如超积累植物通常都矮小、生物量低、生长缓慢且周期长) ,不能治理重污染土壤(因高耐重金属植物不易寻找) 和被植物摄取的重金属因大多集中在根部而易重返土壤等,生物措施对重金属进行治理是当前环境科学研究的重要领域之上, 生物修复作为一种治理效率高,治理费用低和现场可操作性强的方法,可广泛应用于矿山复垦,改良重金属污染的土壤、净化土矿废水,适合在发展中国家采用。但该措施仍有不少问题。在“谁污染谁付费”的环保政策监督下将具有很大的市场潜力。大范围推广使用该项技术还有相当多的问题有待解决。还需要从植物学、微生物学、生态学、环境化学、遗传学、土壤学、找矿学、基因工程技术等多学科入手,作好以下基础工作: 对重金属具有较强解毒、吸附能力的生物的分离与培育技术;超量积累和耐性植物资源的筛选;植物吸收、富集和稳定化重金属的机制研究等问题的研究。
综上所述,重金属污染土壤治理技术的研究和应用虽有一定的发展,仍尚处在试验开发阶段。方法也很多,生物修复措施应该说随着研究的不断深入具有很好的发展前景,并且己成为当今世界各国有关学者一研究的热点之一。但重点应放在选育对重金属吸附能力强日_易生长的动植物品种上;农业措施治理效果比较差些,与生物、工程措施配合使用效果会更好;工程措施效果显著、稳定,但应积极引进、吸收和转化新技术、新材料,以提高该技术的工程实用性。同时由于各种方法的作用和适用范围各不相同,但又互相联系, 互相补充,应因地制宜,综合应用,怎样研制一种投资小、周期短、见效快、稳定性强、副作用小、治理彻底和适用性广的土壤污染治理方法,是当前环境土作者的迫切任务,在选择修复技术时,应根据污染物的性质 (如种类、形态、浓度等) 、土壤条件(如p H ,渗透性、地下水位等) 、污染的程度、预期的修复目标、时间限制、成本、修复技术的适用范围等因素加以综合考虑,选择合适的修复技术或其组合,在实际应用中两个甚至两个以上修复技术的组合可以取长补短,达到高效、低耗的双重效果。
参考文献
[1 ] 张志良,瞿菁. 植物生理学实验指导[M] . 3 版. 北京: 高等教育出版社,2003 :73275.
[2 ] 杨敏文. 快速测定植物叶片叶绿素含量方法的探讨 [J ] . 光谱实验室,2002 ,19 (4) :4782481.
[3 ] 袁晓华,杨中汉主编. 植物生理生化实验[M] . 北京: 高等教育出版社,1983 :26231.
[4 ] 周广业,王宏凯. 光呼吸抑制剂亚硫酸氢钠的增产效果研究[J ] . 土壤肥料, 2000 ,6 (1) .
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
