申瑞玲　郝云龍　蔣士飛

摘要：隨著社會的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。本文介紹了土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，治理和修復(fù)技術(shù)的基本原理和方法，給出了各種重金屬污染治理與修復(fù)方法的優(yōu)缺點和適用范圍，并對土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬污染 生物修復(fù) 超積累植物

引言

隨著社會的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。土壤重金屬污染是指土壤中重金屬過量累積引起的污染，污染土壤的重金屬包括生物毒性顯著的元素如Cd、Pb、Hg、Cr、As，以及有一定毒性的元素如Cu、Zn、Ni，這類污染范圍廣、持續(xù)時間長、污染隱蔽、無法被生物降解，將導(dǎo)致土壤退化，農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，并通過徑流、淋失作用污染地表水和地下水。過量重金屬將對植物生理功能產(chǎn)生不良影響，使其營養(yǎng)失調(diào)。汞、砷能抑制土壤中硝化、氨化細(xì)菌活動，阻礙氮素供應(yīng)。重金屬可通過食物鏈富集并生成毒性更強(qiáng)的甲基化合物，毒害食物鏈生物，最終在人體內(nèi)積累，危害人類健康。因此涌現(xiàn)了許多修復(fù)技術(shù)，其基本原理是將重金屬清除或改變其在土壤中的存在形態(tài)，降低遷移性和生物可利用性。

一、何為重金屬污染

重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染。重金屬指比重大于5的金屬，（一般指密度大于4.5克每立方厘米的金屬），約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、釩、鈮、鉭、鈦、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。盡管錳、銅、鋅等重金屬是生命活動所需要的微量元素，但是大部分重金屬如汞、鉛、鎘等并非生命活動所必須，而且所有重金屬超過一定濃度都對人體有毒，汞，鎘，鉛，砷，鉻稱為“五毒”元素，含有汞、鎘、鉻、鉛及砷等生物毒性顯著的重金屬元素及其化合物對環(huán)境的污染較大。

二、重金屬污染的特點

（一）重金屬污染的特點

重金屬產(chǎn)生毒性的濃度范圍較低；一般情況下，重金屬不能被微生物降解，只能發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)化；毒性與存在的形態(tài)和價態(tài)有關(guān)；重金屬污染多為復(fù)合污染，來源較為復(fù)雜，常以無機(jī)和有機(jī)混合物的形式進(jìn)入環(huán)境，同時含有多種金屬，共同產(chǎn)生一定的協(xié)同作用或拮抗作用，對生物和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；重金屬通過食物鏈進(jìn)行生物放大，進(jìn)入人體，對人體產(chǎn)生慢性中毒。

（二）重金屬污染在土壤中的特點

在土壤環(huán)境中重金屬污染特點可以分為兩部分：一是土壤環(huán)境中重金屬自身的特點，二是區(qū)別與水體和大氣等介質(zhì)中的特點。

重金屬在土壤中形態(tài)變換較為復(fù)雜，多為過渡元素，有著較多的價態(tài)變化，且隨環(huán)境Eh，pH配位體的不同呈現(xiàn)不同的價態(tài)、化合態(tài)和結(jié)合態(tài)，毒性與價態(tài)和化合物的種類有關(guān)，有機(jī)態(tài)比無機(jī)態(tài)的毒性大；重金屬在土壤環(huán)境不易被察覺，不會降解和消除，遷移轉(zhuǎn)化形式多樣化，分布呈區(qū)域性；在生物體內(nèi)積累和富集，在人體內(nèi)呈慢性毒性過程。

三、重金屬污染的來源

重金屬污染來源于自然界的地質(zhì)活動和人類的生產(chǎn)活動。自然污染源為火山爆發(fā)、地震、重金屬礦物的風(fēng)化和礦化、泥石流和水土流失等；人為污染源包括工業(yè)三廢、礦山的開采和冶煉、金屬腐蝕、化肥和農(nóng)藥的施用、城市生活垃圾、污灌、污泥的農(nóng)田使用、森林與木材工業(yè)、運(yùn)動與休閑活動、汽車尾氣和大氣沉降等。

四、重金屬污染的危害

（一）對植物的危害

（1）對植物的光合作用和蒸騰作用強(qiáng)度的影響，一般隨著重金屬污染程度的加重，光合作用和蒸騰作用的強(qiáng)度逐漸降低。鉛對植物的危害表現(xiàn)為葉綠素下降，阻礙植物的呼吸及光合作用。谷類作物吸鉛量較大，但多數(shù)集中在根部，莖稈次之，籽實中較少，因此鉛污染的土壤所生產(chǎn)的禾谷類莖稈不宜作飼料。

（2）對植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響，會導(dǎo)致核膜內(nèi)陷或核變形腫脹、核仁破碎。對種子生活力的影響，導(dǎo)致胚發(fā)育受阻，有絲分裂減慢。砷對植物危害的最初癥狀是葉片卷曲枯萎，進(jìn)一步是根系發(fā)育受阻，最后是植物根、莖、葉全部枯死。

（3）對植物生長的影響，導(dǎo)致植株矮小，生長緩慢，葉面積下降，葉片失綠，作物產(chǎn)量下降，品質(zhì)下降。汞對植物的危害因作物的種類和生育而異。汞在一定濃度下使作物減產(chǎn)，在較高濃度下甚至使作物死亡。不同植物對汞吸收能力是：針葉植物>落葉植物，水稻>玉米>高粱>小麥，葉菜類>根菜類>果菜類。

（4）對植物生理生化的影響，導(dǎo)致植物呼吸作用下降。

（二）常見重金屬對人體的危害

（1）汞汞及其化合物對人體的損害與進(jìn)入人體的量有關(guān)，汞對人體的危害主要累及中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及腎臟，此外對呼吸系統(tǒng)、皮膚、血液及眼睛也有一定影響。

（2）鎘鎘進(jìn)入人體后，會得骨痛病，損傷腎小管，出現(xiàn)糖尿病，引起血壓升高，出現(xiàn)心血管病，甚至還有致癌、致畸的報道。

（3）鉛鉛對動物的危害則是累積中毒，人體中鉛能與多種酶結(jié)合從而干擾有機(jī)體多方面的生理活動，導(dǎo)致對全身器官產(chǎn)生危害。

（4）鉻鉻對人體與動物也是有利有弊，人體中含鉻過低會產(chǎn)生食欲減退癥狀，但飲水中超標(biāo)400倍時，會發(fā)生口角糜爛、腹瀉、消化紊亂等癥狀。

（5）砷砷對人體危害很大，它能使紅血球溶解，破壞正常生理功能，甚至致癌等。

五、土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)

（一）工程措施

主要包括客土、換土和深耕翻土等措施。輕度污染的土壤用深耕翻土，重污染區(qū)常用客土和換土法。工程措施治理土壤重金屬污染徹底、穩(wěn)定，但工程量大、投資費(fèi)用高，破壞土體結(jié)構(gòu)，引起土壤肥力下降，并且還要對換出的污土進(jìn)行堆放或處理。

（二）物理修復(fù)

（1）電動修復(fù)

通過電流使土壤中的重金屬離子（如Pb、Cd、Cr、zn等）和無機(jī)離子以電透滲和電遷移的方式向電極運(yùn)輸，再集中收集處理。該方法適用于低滲透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流動方向。在沙土上的實驗，土壤中Pb²⁺、Cr³⁺等重金屬離子的除去率也可達(dá)90%以上。電動修復(fù)不攪動土層，修復(fù)時間短，是一種經(jīng)濟(jì)可行的原位修復(fù)技術(shù)。

（2）電熱修復(fù)

利用高頻電壓產(chǎn)生的電磁波對土壤進(jìn)行加熱，使污染物從土壤顆粒內(nèi)解吸出來，加快一些易揮發(fā)性重金屬從土壤中分離，從而達(dá)到修復(fù)的目的。該技術(shù)可以修復(fù)被Hg和Se等重金屬污染的土壤。

（3）土壤淋洗

利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相中去，再把富含重金屬的廢水進(jìn)一步回收處理。該技術(shù)要求尋找一種既能提取各種形態(tài)的重金屬，又不破壞土壤結(jié)構(gòu)的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液，包括有機(jī)或無機(jī)酸、堿、鹽和螯合劑。

（三）化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)就是向土壤投入改良劑，將重金屬吸附、氧化還原、拮抗或沉淀，降低重金屬的生物有效性。常用改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進(jìn)還原作用的有機(jī)物質(zhì)，不同改良劑對重金屬的作用機(jī)理不同?；瘜W(xué)修復(fù)簡單易行，但它只改變了重金屬在土壤中的存在形態(tài)，金屬元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。

（四）生物修復(fù)

生物修復(fù)是利用生物削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。該方法效果好，易于操作，受到人們的重視，日益成為修復(fù)污染土壤研究的熱點。

（1）植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是一種利用自然界存在或人工培養(yǎng)的植物修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)，分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定三種。植物提取是依靠重金屬超積累植物從土壤中吸取重金屬離子，接著收割地上部分并進(jìn)行處理，連續(xù)種植該植物，可有效降低或去除土壤重金屬，目前已發(fā)現(xiàn)700多種超積累重金屬植物。超積累一般要求金屬離子在植物中的含量大于0.1%～1%（干重）；當(dāng)達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)時，回收植物組織中的金屬才具有經(jīng)濟(jì)性，超積累植物一般要求其重金屬含量大于一個臨界值，不同重金屬有超積累作用的植物種的分布也是分布不均勻的。植物揮發(fā)是依靠植物根系吸收重金屬，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)到大氣中，目前研究最多的是Hg和Se。植物穩(wěn)定是依靠耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性，防止重金屬被淋洗到地下水或擴(kuò)散至空氣中，其機(jī)理是讓金屬在根部積累、沉淀或被根表吸收，以達(dá)到固化的目的。

（2）微生物修復(fù)技術(shù)

微生物可降低土壤中重金屬的毒性.吸附積累重金屬，改變根際微環(huán)境，達(dá)到提高植物對重金屬的吸收，揮發(fā)或固定效率的目的。菌根植物的根系通過根面上菌絲與根際圈內(nèi)的重金屬接觸從而對重金屬產(chǎn)生吸收、屏障和螯合㈣等直接作用。如動膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸還原菌及某些藻類，能夠產(chǎn)生胞外聚合物與重金屬離子結(jié)合成絡(luò)合物；Macaskie等分離的檸檬酸菌可分解有機(jī)質(zhì)生成HPO_2-4與Cd形成CdHPO₄沉淀；國內(nèi)研究人員發(fā)現(xiàn)有些微生物能把劇毒的甲基汞降解為毒性小、可揮發(fā)的單質(zhì)Hg。

（五）農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)包括農(nóng)藝修復(fù)和生態(tài)修復(fù)。前者改變耕作制度，調(diào)整作物品種，種植不進(jìn)入食物鏈的植物，選擇能降低土壤重金屬污染的化肥，或增施能夠固定重金屬的有機(jī)肥等來降低土壤重金屬污染；后者調(diào)節(jié)土壤水分、養(yǎng)分、pH值和土壤氧化還原狀況及氣溫、濕度等生態(tài)因素，調(diào)控污染物所處環(huán)境介質(zhì)。但該技術(shù)修復(fù)周期長，效果不明顯。

六、土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究展望

工程措施、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)重金屬污染土壤，缺點多，大規(guī)模處理污染土壤不現(xiàn)實，并且會破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低生物活性，使土壤肥力退化，而農(nóng)業(yè)生態(tài)措施又周期長，效果不明顯。生物修復(fù)以其高效性，良好的社會、生態(tài)綜合效益而被大眾接受，應(yīng)用前景廣闊。以下幾點將成為未來研究的熱點：

（一）超累積植物篩選與培育

超累積植物一般生長緩慢，生物量低，環(huán)境適應(yīng)能力差，且只能吸收一種重金屬。因此，篩選與培育吸收能力強(qiáng)，吸收重金屬種類多，且生物量大的植物是生物修復(fù)的一個重點。

（二）基因工程技術(shù)的應(yīng)用

將篩選與培育出的超累積植物和微生物基因?qū)肷锪看?、生長速度快、適應(yīng)性好的植物中去已經(jīng)實現(xiàn)，所以利用基因工程技術(shù)提高植物修復(fù)能力將取得突破性進(jìn)展。

（三）生物修復(fù)綜合技術(shù)的研究

重金屬污染土壤的修復(fù)是一個整體性的工程，需要多種修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)加上化學(xué)、微生物及農(nóng)業(yè)生態(tài)措施，增加重金屬的生物有效性，促進(jìn)植物的生長和吸收，能更好地提高土壤重金屬修復(fù)的效率。因此生物修復(fù)綜合技術(shù)前景廣闊。