土壤重金属污染及其修复

土壤重金属污染及其修复研究进展绵阳师范学院生命科学与技术学院窦丽花WhatisHeavyMetals?•在化学中，重金属一般是指相对密度等于或大于5.0的金属（或原子量大于55的金属），包括铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）、铅（Pd）、汞（Hg）、铬（Cr）、镍（Ni）、钴（Co）等45种元素。砷（As）是一种类金属，但由于其化学性质和环境行为都与重金属元素类似，所以也将它归入重金属元素。•由于土壤中Fe和Mn含量较高，因而一般认为他们不是土壤污染元素，而有些微量元素则兼有营养元素和污染物双重属性，如Cu、Zn等。在环境污染研究中特别关注的重金属主要是生物毒性显著的Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As，还包括具有毒性的Cu、Zn等。•土壤重金属污染是指由于人类活动，使之进入土壤，致使土壤中含量明显偏高，并造成生态环境质量的恶化现象。土壤重金属污染可以影响农作物产量和质量，并可通过食物链危害人类的健康，也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。一、土壤重金属污染的来源•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，成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大。•在各种人为因素中，主要包括工业、农业和交通等来源。1.随着大气沉降进入土壤的重金属•大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘。除汞以外，重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土壤。•煤和石油等化石燃料中都含有相当数量的重金属，这类燃料燃烧时，部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘进入大气，其中10-30%沉降在距离排放源十几公里的范围内。•运输，特别是汽车运输对大气和土壤造成严重污染，主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu等的污染为主。它们来自含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘。2.随污水进入土壤的重金属主要是污水灌溉的方式污染土壤。污水来源可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。随着污水灌溉进入土壤的重金属，以不同的方式被土壤截留固定。3.随固体废弃物进入土壤的重金属矿业和工业固体废弃物污染最为严重，这类废弃物在堆放和处理过程中由于日晒、雨淋、水洗，重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围水土、土壤扩散。有一些固体废弃物被直接或通过加工作为肥料施入土壤，造成土壤重金属污染。处理污水后的污泥也是造成土壤重金属污染的重要来源。4.随农用物资进入土壤的重金属农药、化肥和地膜是重要的农用物资，长期不合理使用，也可以导致土壤重金属污染。西力生、波尔多液等农药磷肥和复合肥等肥料地膜二、土壤重金属污染的特点•大多数重金属是过渡性元素，而过渡性元素的原子有其特有的电子层结构，使其在土壤环境中的化学行为具有以下特点：1.重金属具有可变价态2.重金属在土壤中易形成稳定的化合物3.形成络合物、螯合物等，溶解度增大三、重金属在土壤环境中的化学行为1.土壤中重金属的存在形态重金属在土壤溶液中，主要以简单离子、有机或无机络离子的形态存在。在存在有机组分的条件下，土壤溶液中重金属的形态特征如下：主要呈游离阳离子：Co、Mn、Cd中间状态：Zn、Ni主要呈络合态：Cu、Pb、FeTessier连续提取法将土壤环境中重金属的赋存形态分为：水溶态可交换态或吸附交换态碳酸盐结合态铁锰氧化物结合态有机结合态残渣态2.土壤中重金属的主要迁移转化方式•机械吸收作用：土壤是一个多孔体系，能够机械截留进入土壤比其孔隙大的颗粒物。•物理作用：土壤颗粒，特别是胶粒具有巨大的表面能，能够把分子态的重金属吸附在土壤与溶液的界面上。•物理化学作用：土壤胶体微粒带有电荷，当它与溶液接触时，便能吸附带异性电荷的离子，同时把土壤胶体上等当量的相同电荷的其他离子代换出来而达到动态平衡。•化学作用：主要包括吸附-解析、溶解-沉淀、配合（螯合）作用、中和作用、氧化-还原作用等。•生物作用：主要是指植物通过根系从土壤中吸收某些化学形态的重金属，并在植物体内积累起来。这种迁移既可认为是植物对土壤的净化，亦可认为是污染土壤对植物的危害，特别是植物富集的重金属有可能通过食物链进入人体，危害更严重。四、土壤重金属污染修复技术1.工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等措施，主要是降低土壤重金属的含量；深耕翻土用于轻度污染的土壤，客土和换土用于重污染区；优点：彻底、稳定；缺点：工程量大、费用高、破坏土体结构，还要对换出的污土进行处理。2.物理化学修复①电动修复：是通过电流作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离子和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。适用于粘土、淤泥土和沙土，不搅动土层，缩短修复时间，经济可行。②电热修复：是利用高频电压产生电磁波，转化为热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发重金属从土壤中分离，Hg和Se常用。③土壤淋洗：利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理。关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。3.化学修复化学修复就是向土壤中投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。该技术的关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质。4.生物修复利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属的毒性。由于该方法效果好，易于操作，日益受到人们的重视，成为污染土壤修复的热点。主要有植物修复技术和微生物修复技术。①植物修复技术I.植物提取：利用重金属超积累植物从土壤中吸取重金属污染物，随后收割地上部分并进行集中处理，连续种植该植物，达到降低或去除土壤重金属污染物的目的。II.植物挥发：利用植物根系吸收重金属，将其转化为气态物质挥发到大气中去。Hg和Se常用。III.植物稳定：降低重金属的活性或移动性。②微生物修复技术：利用微生物降低土壤中重金属的毒性；吸附积累重金属；改变根际微环境，提高植物对重金属的吸收、挥发和固定效率。5.农业生态修复①农艺修复措施，包括改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能固定重金属的有机肥等。②生态修复，包括调节土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对重金属所处环境介质的调控。6.土壤重金属污染修复技术研究展望•超累积植物筛选与培育超累积植物是在重金属胁迫条件下的一种适应性突变体，往往生长缓慢，生物量低，气候环境适应性差，具有很强的富集专一。因此，筛选、培育吸收能力强，同时能吸收多种重金属元素，且生物量大的植物是生物修复的一项重要任务。针对某一具体重金属的超积累植物一般要求其地上部分重金属含量大于一个临界值（表1）。表1超积累植物重金属含量临界值mg/kg-1元素CdNiPbCuZnMn临界值1001000100010001000010000分子生物学和基因工程技术的应用•目前已发现的超积累植物大多存在根系浅、生物量小、生长缓慢等缺点，使得其修复周期较长。这使植物修复的工程应用受到限制，而经基因改造的植物则可提高其应用性。THEENDTHANKYOU!