第九章-土壤环境毒理学

江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战第九章土壤环境毒理学土壤是污染物质的最终受体，释放到环境中的大部分污染物质最终都要进入土壤，包括释放到大气中或吸附在粉尘上的化学物质的沉降，地表水中污染物的沉积等。各种污染物进入土壤以后，势必会对土壤生态系统造成影响。土壤退化土地皲裂寸草不生江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战目的：研究土壤中各种化学污染物的环境行为及其对土壤生态系统影响和危害的科学。第一节土壤环境与土壤污染第二节土壤污染物的环境行为第三节土壤污染对生物的影响第四节土壤典型污染物的危害第五节土壤污染治理江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战一、土壤环境及其在生态系统中的重要作用√是发育于陆地表面能够生长绿色植物的疏松多孔表层。土壤具有生产力、生命力、环境净化力；√覆盖在地壳表面的一层土壤，其主要成分是岩石风化的矿物质；√土壤生态系统是陆地生态系统的最主要组成部分，它存在的位置特点及其变化，必然深刻影响环境系统的结构和状态，从而影响整个地球环境系统。第一节土壤环境与土壤污染江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战√在耕作土壤中，矿物质一般占土壤干重的95％以上，有机质在5％以下。就体积而言，土壤由45％的矿物质、5％的有机质、20％～30％的空气和20％～30％的水组成；√尽管土壤中的有机质不到5％，但对于土壤的肥力却起着十分重大的影响；√土壤能满足生物对水、肥、气、热需求的能力叫土壤肥力。为人类提供了粮食生产的空间。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战√土壤处于大气圈、生物圈、岩石圈和水圈的交结地带，是联结无机环境与有机环境的纽带。它是各种物理的、化学的以及生物的过程、界面反应、物质与能量交换、迁移转化过程最为复杂、最为频繁的地带。√同时也是一个巨大的缓冲空间，调节不同环境因子对生态环境的影响，特别是它可以容纳环境污染物质，防止其淋溶或径流进入地下水体或地表水中而造成直接危害人类健康的后果。土壤环境在生态系统中的重要作用江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战①土壤具有肥力，这是土壤区别于其他自然体的本质特征。土壤具有生产植物产品的独特功能，包括人类在内的生态系统消费者提供必须的食物和其他生活物资，是不可替代的、重要的自然资源。②土壤具有缓冲性，能抵抗、减缓土壤中酸性物质和碱性物质的作用，对大气降水和气温有调节和缓冲的作用，并有调节和平衡向大气环境中释放CO2、CH4、NXO、SO2等温室气体的能力。③土壤具有净化功能。土壤是一个多相的疏松多孔体，存在多种性质的化合物（无机、有机胶体和微生物）与有毒有害物质，通过物理化学的生物学的多种过程和作用，使污染物的浓度、数量或活性、毒性降低。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战④土壤是土地处理系统中的主体部分。土地处理系统主要根据土壤的缓冲性和净化功能，利用土壤特性及其中的微生物和植物根系对污水和污泥以及固体废弃物进行净化处理。土壤中有毒有害物质的输入、积累土壤的自净作用方向相反同时存在动态平衡破坏动态平衡土壤污染江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战对土壤的利用不当可加速土壤的退化和破坏。土壤退化：是指土壤沙化、盐渍化、沼泽化和土壤侵蚀等引起的土壤肥力下降的现象。土壤破坏：指土壤资源的损失。☆土壤退化和土壤破坏现象在自然状况下也可发生，一般进行速度非常缓慢，表现不明显，而且其中一些过程，如土壤侵蚀，常和自然土壤形成过程处于相对稳定的平衡状态，保持了一定的土壤厚度和完整的土壤剖面，土壤侵蚀难以发现。在人类活动作用下，直接、间接改变土壤发育方向和土壤环境条件，或不合理的土壤利用，往往会加速和扩大自然因素对土壤退化和破坏的作用。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战二、土壤污染及其危害√人类在生产和生活活动中所产生的污染物通过大气、水、生物等途径直接或间接地进入土壤，使土壤中增添了某些本来不存在的有害物质（如有机合成农药等），或使土壤中某些固有成份（如土壤中微量元素）大量增加。√当进入土壤中的污染物数量和速度超过了其自净能力时，就将改变土壤的组成，使其理化、生物性质恶化，土壤肥力下降，植物产量降低，品质变劣，甚至有害物质残留于产品中，可通过食物链影响畜、禽及人体健康。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战√可以说，当土壤环境中所含污染物的数量超过土壤自净能力或当污染物在土壤环境中的积累量超过土壤环境基准或土壤环境标准时，即为土壤环境污染。√土壤被污染后，其危害性要远远大于大气和水体的污染。大气污染和污染水体可通过一定的防治措施，得到有效恢复。但土壤一经污染后，除部分有害物质可以通过土壤中的生化过程而消除，或通过挥发逸失外，还有不少有害物质能较长时期存留在土壤中，难以消除，特别是一些重金属化合物，残留时间长，危害作用大，经作物吸收、富集后通过食物链危害人畜健康。再者，进入土壤的污染物，具有较强的隐蔽性，因此常被人们忽视，造成很大危害。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战土壤污染的不良后果集中体现在三个方面：①有机、无机毒物在土壤中的过多滞留和积累，会改变土壤的理化性质，使土壤盐碱化和板结，毒害植物和土壤微生物，破坏土壤生态平衡；②土壤中的毒物被植物吸收、富集、浓缩，随食物链迁移，最终会转移到人体。也可以被雨水冲刷流入河流、湖泊或渗入地下水，进而造成水体污染，当被污染的水体被用作水源水时，污染物就会进入人体，造成毒害。③污水和其他废物中含有的各种病原微生物，例如病毒、病原细菌及寄生虫卵等，有些在土壤中不适应而死亡，但有些可在土壤中长期存活，并可以通过各种途径转移到水体，进而进入人体，引起人类疾病。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战三、土壤的主要污染物土壤污染源的复杂性使土壤环境的污染物种类十分繁多，有化学污染、物理污染、生物污染和放射性污染等，其中以土壤的化学污染最为普遍、严重和复杂。◆根据性质可分为以下几类：1.无机物（重金属，如汞、镉、铬、铅、砷等以及盐碱类等）；2.有机农药（杀虫剂、杀菌剂和除草剂等）；3.化学肥料（植物营养物质）；4.废弃物（污泥、矿渣、和粉煤灰等）；5.放射性物质（铯、锶等）；6.病原微生物（寄生虫、病原菌及病毒等）。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战根据污染物来源，可将土壤污染分为5类：1、水体污染型：利用工业废水进行灌溉引起的。2、大气污染型：◆一些厂矿排放的粉尘经大气传播沉降到地面，引起土壤污染。特点是以大气污染源为中心，呈椭圆状或条带状分布。◆空气中各种颗粒物沉降到地面而进入土壤。◆气态污染物以硫酸、硝酸、氢氟酸等酸类形式随降水进入土壤。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战3、农业污染型：向农田中大量施用化学肥料和农药所至。另外地膜的普遍应用也有可能造成农田土壤的“白色污染”。4、生物污染型：对农田施用垃圾、污泥、粪便和生活污水时，如不进行适当的消毒灭菌处理，则土壤易受生物污染，成为某些病原菌的疫源地。5、固体废弃物污染型：主要是由于垃圾、矿渣和粉煤灰等物质使土壤遭受到污染。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战土壤污染的特点：1．隐蔽性􀂃从开始污染到后果的产生有一个较长的逐步积累的隐蔽过程，往往通过生物的异常变化表现出来。2．蓄积性􀂃某些化学性质稳定的污染物可以在土壤表层不断蓄积，在一定时期内，使污染越来越严重。3．恢复难􀂃土壤对污染物具有净化能力，但土壤的自净能力有限，特别是一些不能被分解的重金属大量进入土壤后，就会使土壤受到严重污染。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战环境行为√是对污染物质在环境中所发生的各种物理和化学现象的统称。例如污染物质在环境中的降解和代谢过程属于污染物质的化学行为，而污染物质在环境中的移动性及其迁移扩散规律则属物理行为。√通过多种途径接触吸收土壤有机污染物，如与污染土壤的直接接触；吸入粉尘或挥发的化学物质；土壤摄入；与土壤水接触；摄入受土壤中污染物污染的食品或饮水，等等。而接触的程度与土壤环境中有机污染物质的环境行为密切相关。第二节土壤污染物的环境行为江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战影响因素：√有机污染物质的环境行为与其自身的理化性质（水溶性、挥发性、半衰期的长短等）密切相关；√还与环境因素，如土壤溶液的pH值、土壤含水量、有机质含量、温度等有关；√有机化合物的水溶性是影响其环境行为和在土壤中运输的关键特性。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战一、有机污染物在环境介质中的分布◆一种污染物在土壤中的行为取决于它在土壤和其它环境因子（空气、水、生物）之间的分布或分配，可用一些等式或分配系数来描述有机污染物从一种环境介质中进入另一种环境介质的趋势。1.有机污染物在土壤-水相的分布：土壤吸附系数（Kd）是吸附达到平衡时吸附在土壤或沉积物上的有机污染物的量与溶于水中的有机污染物的量之比。土壤吸附系数（Kd）是描述一种有机物质在土壤和土壤自由水之间分配的基本概念。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战◆土壤有机质是有机污染物在土壤中的主要吸附剂。为此引入了描述有机污染物在土壤自由水和土壤有机质之间分配特性的参数----土壤吸附常数（Koc）。◆一种有机污染物的Koc值与其水溶性有很好的线性相关性，Hassett等用107种非极性化合物做出logKoc=3.95-0.621logSw（水溶性，mg/L）的回归曲线。◆利用具有较小水溶性的辛醇可以很好地模拟土壤有机质，所以可以用辛醇-水分配系数（Kow）来估计土壤中有机污染物在土壤有机质和土壤自由水间的分配情况。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战◆辛醇被认为可以较好的模拟鱼和动物的脂肪组织以及植物脂肪结构特征，因此，Kow还被用作表征有机污染物在鱼、动物和其它生物中的生物浓缩因子和生物积累潜势。Koc和Kow之间有很好的相关性。BCF=生物体内污染物的浓度/环境中污染物的浓度2.有机污染物在土壤水和空气间的分布可用亨利常数来描述：wpcTSMVH04.16江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战◆亨利常数的倒数称为空气/水分配系数（Kw），常用来描述土壤中有机化合物在土壤自由水和土壤空气中的分配情况。Hc越低的化合物，越易于分配进入土壤空气中或易于从土壤中挥发。3.对于有机污染物在土壤水和植物间的分布，一般情况是：有机化合物在植物中分配的份额与该化合物的Kow值成正比，与土壤有机质含量成反比，与土壤水分含量成反比。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战Kow（辛醇-水分配系数）和Koc（土壤吸附常数）之间有很好的相关性江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战二、土壤表面挥发与地表径流1、表面挥发√某些污染物质可挥发或转化成气态物质在土壤孔隙中迁移、扩散，以致迁移进入大气。√化学物质从土壤中的挥发过程包括解吸附、移动到土表和蒸发进入空气等主要过程。√影响挥发速率的因子包括化合物在土壤中的蒸气压、化合物移动到土表的速率、化合物因吸附而与土壤的相互作用、土壤中化合物的梯度浓度等。如孔隙度、容重、水分含量、有机质和黏土含量等土壤特性，以及诸如气温、气流及紊流等空气条件都会对土壤污染物的挥发产生显著影响。江汉大学化学与环境工程学院面对人类的环境问题迎接知识创新的挑战有机化合物在土壤中可在很大的范围内以气态水平或垂直移动：（1）地表处理设施，如土壤处理厂等；（2）植物吸收的挥发性有机物质；（3）土表化学物质溢出形成的蒸气；（4）垃圾填埋厂、地下储罐或管