2022年土壤重金属的污染与生物修复 .pdf

土壤重金属的污染与生物修复陈则宏 ESE08076（厦门大学嘉庚学院环境科学与工程系，福建龙海363105）摘要：本文通过微生物修复技术中的原位修复技术与异位修复技术和植物修复技术中的植物挥发植物稳定与植物来修复土壤中的重金属污染。由近年的实验情况看来用生物修复土壤重金属污染已成为一种十分有效的方法，具有良好的发展前景。关键词： 土壤重金属；微生物修复；植物修复土壤重金属污染是由于废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调， 镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大， 应特别注意防止重金属对土壤污染。目前，全世界平均每年排放Hg约 1.5 万吨， Cu 340 万吨， Pb 500 万吨， Mn 1500 万吨，Ni 100 万吨1。据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约140 万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染的占46.7%，中度污染的占9.7%，严重污染的占8.4%2。1 土壤重金属来源1.1 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人土壤。据Lisk报道，煤含Ce 、Cr、Pb、Hg 、Ti等金属，石油中含有相当量的Hg(O.0230mg/kg)3，这类燃料在燃烧时，部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘进入大气，其中1O% 30% 沉降在距排放源十几公里的范围内，据估计全世界每年约有1600 吨的汞是通过煤和其它石化燃料燃烧而排放到大气中去的。例如比利时每年从大气进入每公顷土壤的重金属量就有Pb 250g、Cd19g、As 15g、Zn 3750g。其中运输，特别是汽车运输对大气和土壤造成严重污染。根据研究发现汽车排放的尾气中含Pb 量多达 2050 g/L ，它们成条带状分布，沿公路延长方向分布，自公路两侧污染强度减弱4。故土壤重金属污染与重工业发达程度、城市的人口密度、土地利用率、交通发达程度有直接关系，距城市越近污染的程度就越重，污染强弱顺序为：城市- 郊区- 农村。1.2 随污水进入土壤的重金属利用污水灌溉是灌区农业的一项古老的技术，主要是把污水作为灌溉水源来利用。污水按来源和数量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。生活污水中重金属含量很少，但是，由于我国工业迅速发展，工矿企业污水未经分流处理而排人名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 下水道与生活污水混合排放，从而造成污灌区土壤重金属Hg 、Cd 、Cr、Pb、Cd 等含量逐年增加。 随着污水灌溉而进入土壤的重金属，以不同的方式被土壤截留固定。95% 的 Hg被土壤矿质胶体和有机质迅速吸附，一般累积在土壤表层，自上而下递减。1.3 随固体废弃物进入土壤的重金属固体废弃物种类繁多，成分复杂， 不同种类其危害方式和污染程度不同。其中矿业和工业固体废弃物污染最为严重。这类废弃物在堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。生活中固体废物以各种渠道排放到土壤中， 有一些固体废弃物被直接或通过加工作为肥料施入土壤，有些则作为污水处理产生的污泥排放点存在，一般来说，污泥中Cr、Pb、Cu 、Zn、As 极易超过控制标准5。2 土壤重金属污染的微生物修复技术2.1 微生物修复技术2.1.1原位修复技术：原位修复技术是在不破坏土壤基本结构的情况下的微生物修复技术。有投菌法、 生物培养法和生物通气法等 , 主要用于被有机污染物污染的土壤修复。投菌法是直接向受到污染的土壤中接入外源污染物降解菌, 同时投加微生物生长所需的营养物质, 通过微生物对污染物的降解和代谢达到去除污染物的目的。生物培养法是定期向土壤中投加过氧化氢和营养物,过氧化氢则在代谢过程中作为电子 受体, 以满足土壤微生物代谢 , 将污染物彻底分解为CO2和 H2O6。生物通气法是一种加压氧化的生物降解方法, 它是在污染的土壤上打上几眼深井,安装鼓风机和抽真空机 , 将空气强行排入土壤中 , 然后抽出 , 土壤中的挥发性有机物也随之去除。在通入空气时 , 加入一定量的氨气 , 可为土壤中的降解菌提供所需要的氮源, 提高微生物的活性 , 增加去除效率7。2.1.2异位修复技术：异位修复处理污染土壤时, 需要对污染的土壤进行大范围的扰动, 主要技术包括预制床技术、生物反应器技术、 厌氧处理和常规的堆肥法。预制床技术是在平台上铺上砂子和石子,再铺上 15-30cm 厚的污染土壤8, 加入营养液和水 , 必要时加入表面活性剂 , 定期翻动充氧 , 以满足土壤微生物对氧的需要, 处理过程中流出的渗滤液, 即时回灌于土层 , 以彻底清除污染物。生物反应器技术是把污染的土壤移到生物反应器, 加水混合成泥浆 , 调节适宣的pH值,同时加入一定量的营养物质和表面活性剂, 底部鼓入空气充氧 , 满足微生物所需氧气的同时,使微生物与污染物充分接触, 加速污染物的降解 , 降解完成后 , 过滤脱水这种方法处理效果好、速度快 , 但仅仅适宜于小范围的污染治理。厌氧处理技术适于高浓度有机污染的土壤处理, 但处理条件难于控制。常规堆肥法是传统堆肥和生物治理技术的结合, 向土壤中掺入枯枝落叶或粪肥 , 加入石灰调节pH值, 人工充氧 , 依靠其自然存在的微生物使有机物向稳定的腐殖质转化 , 是一种有机物高温降解的固相过程9。上述方法要想获得高的污染去除效率, 关键是菌种的驯化和筛选。由于几乎每一种有机污染物或重金属都能找到多种有益的降解微生物。因此 , 寻找高效污染物降解菌是生物修复技术研究的热点。2.2 植物修复技术2.2.1植物提取利用重金属超积累植物从土壤中吸取金属污染物，随后收割地上部并进行集中处理，连续种植该植物，达到降低或去除土壤重金属污染的目的。2.2.2植物挥发名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。2.2.3植物稳定利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主要是通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。3. 影响污染土壤生物修复的主要因子3.1 污染物的性质重金属污染物在土壤中常以多种形态贮存, 不同的化学形态对植物的有效性不同。某种生物可能对某种单一重金属具有较强的修复作用。此外, 重金属污染的方式 ( 单一污染或复合污染) ，污染物浓度的高低也是影响修复效果的重要因素。有机污染物的结构不同 , 其在土壤中的降解差异也较大。3.2 生物体本身微生物的种类和活性直接影响修复的效果。由于微生物的生物体很小, 吸收的金属量较少, 难以后续处理 , 限制了利用微生物进行大面积现场修复的应用，植物体由于生物量大且易于后续处理, 利用植物对金属污染位点进行修复成为解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的选择。但由于超积累重金属植物一般生长缓慢, 且对重金属存在选择作用 , 不适于多种重金属复合污染土壤的修复。因此, 在选择修复技术时 , 应根据污染物性质、土壤条件、污染程度、预期修复目标、时间限制、成本及修复技术的适用范围等因素加以综合考虑10。4 微生物修复土壤重金属污染的应用前景采用工程、 物理化学和化学方法修复重金属污染土壤，具有一定的局限性，难以大规模处理污染土壤， 并且会导致土壤结构破坏、生物活性下降和土壤肥力退化。农业生态措施又存在周期长、 效果不显著的特点。而生物修复是一项新兴的高效修复技术，具有良好的社会、生态综合效益，并且易被大众接受，具有广阔的应用前景。植物修复技术研究还应重点关注以下几方面：一是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性。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。二是分子生物学和基因工程技术的应用。随着分子生物技术的迅猛发展，将筛选、培育出的超累积植物和微生物基因，导入生物量大、生长速度快、 适应性强的植物中已成为现实。因此， 利用分子生物技术提高植物修复的实用性方面将取得突破性进展。 三是生物修复综合技术的研究。重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一的修复技术很难达到预期效果，必须以植物修复为主，辅以化学、 微生物及农业生态措施，从而提高植物修复的综合效率。因此， 生物修复综合技术将是今后重金属污染土壤修复技术的主要研究方向。参考文献：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 1钱暑强 , 刘铮. 污染土壤修复技术介绍 J. 化工进展 ,2000(4):10-12,20.2陈玉成 . 土壤污染的生物修复 J. 环境科学动态,1999，(2):7-11.3李凯峰 , 温青, 石汕. 污染土壤的生物修复 J. 化学工程师 ,2002,93(6):52-53.4杨国栋 . 污染土壤微生物修复技术主要研究内容和方法5张春桂 , 许华夏 , 姜晴楠 . 污染土壤生物恢复技术 J. 生态学杂志 ,1997,18(4):52-58.6李法云 , 臧树良 , 罗义. 污染土壤生物修复枝木研究J. 生态学杂志 ,2003,22(1):35-39.7滕应, 黄昌勇 . 重金属污染土壤的微生物生态效应及修复研究进展J. 土壤与环境,2002,11(1):85-89.8沈德中 . 污染环境的生物修复 ( 第一版 )M. 北京: 化学工业出版社 ,2001:14,311.9张从, 夏立江 . 污染土壤生物修复技术 M. 北京: 中国环境科学出版社 ,2000:50-65.10徐 亚 同 , 史 家 梁 , 张 明. 生 物 修 复 技 术 的 作 用 机 理 和 应 用 ( 中 )J.上 海 化工,2001(19):4-7名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -