土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其治理方法

摘要 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。針對(duì)此，涌現(xiàn)了許多修復(fù)技術(shù)，而生物修復(fù)前景廣闊，正日益受到重視。

關(guān)鍵詞 土壤重金屬污染 生物修復(fù) 超積累植物

Abstract: With the rapid development of the society, the heavy metal pollution of the soil is growing worse and worse. Facing this situation, there have been many repairing technologies. The Bioremediation has a broad prospect and is at a premium.

Keywords: heavy metal pollution of the soil；Bioremediation； hyper accumulator

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)等快速發(fā)展的同時(shí)，土壤重金屬污染的形勢(shì)也越來(lái)越嚴(yán)峻。其治理方法很多，而生物修復(fù)以其*的優(yōu)勢(shì)正受到關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。但生物修復(fù)仍存在許多問(wèn)題待解決，如超積累植物吸收重金屬的機(jī)理還未研究清楚。所有這些，都阻礙了生物修復(fù)的大規(guī)模應(yīng)用。

土壤重金屬污染是指土壤中重金屬過(guò)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(shí)間長(zhǎng)、污染隱蔽、無(wú)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(guò)徑流、淋失作用污染地表水和地下水。過(guò)量重金屬將對(duì)植物生理功能產(chǎn)生不良影響，使其營(yíng)養(yǎng)失調(diào)。汞、砷能抑制土壤中硝化、氨化細(xì)菌活動(dòng)，阻礙氮素供應(yīng)。重金屬可通過(guò)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，zui終在人體內(nèi)積累，危害人類健康。

1現(xiàn)狀

1.1國(guó)內(nèi)

國(guó)家*抽樣監(jiān)測(cè)30萬(wàn)公頃基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)土壤，發(fā)現(xiàn)有3.6萬(wàn)公頃土壤重金屬超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)12.1%。

據(jù)*消息，目前全國(guó)耕地面積的10%以上已受重金屬污染，約有1.5億畝，污水灌溉污染耕地3250萬(wàn)畝，固體廢棄物堆積占地和毀田200萬(wàn)畝，其中多數(shù)集中在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)。

據(jù)我國(guó)*調(diào)查數(shù)據(jù)，在全國(guó)約140萬(wàn)公頃的污灌區(qū)中，受重金屬污染的土地面積占污灌區(qū)面積的64.8%，其中輕度污染46.7%，中度污染9.7%，嚴(yán)重污染8.4%。

華南部分城市50%的耕地遭受鎘、砷、汞等有毒重金屬污染；長(zhǎng)三角地區(qū)有些城市大片農(nóng)田受多種重金屬污染， 10%的土壤基本喪失生產(chǎn)力。

　  2005年，長(zhǎng)三角等地土壤重金屬污染嚴(yán)重的情況，曾見(jiàn)諸報(bào)端，并引發(fā)輿論普遍關(guān)注和爭(zhēng)議。土壤污染立法迫在眉睫。  

對(duì)浙北、浙東和浙中的236.5萬(wàn)公頃農(nóng)用地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不適合種農(nóng)作物的農(nóng)用地面積為47.2萬(wàn)公頃，占20%；浙北、浙中、浙東沿海三個(gè)區(qū)域中，屬輕度、中度與重度重金屬污染的面積分別占38.12%、9.04%、1.61%，城郊傳統(tǒng)的蔬菜基地、部分基本農(nóng)田都受到了較嚴(yán)重的影響。

第九屆亞太煙草和健康大會(huì)中一項(xiàng)名為《中國(guó)銷售的香煙：設(shè)計(jì)、煙度排放與重金屬》的研究報(bào)告稱：13個(gè)中國(guó)品牌國(guó)產(chǎn)香煙中鉛、砷、鎘等重金屬成分含量嚴(yán)重超標(biāo)，其含量zui高超過(guò)拿大產(chǎn)香煙3倍以上！　

2009年8月，陜西鳳翔縣發(fā)現(xiàn)大量?jī)和U含量嚴(yán)重超標(biāo)，后確認(rèn)是附近的陜西東嶺冶煉公司的鉛排放所導(dǎo)致。

1.2國(guó)外

英國(guó)早期開(kāi)采煤炭、鐵礦、銅礦下的土壤重金屬污染經(jīng)過(guò)300年依然存在。1996到1999年間，英格蘭和威爾士嘗試挖出污染土壤并移至別處，但并未根本解決問(wèn)題。從20世紀(jì)中葉開(kāi)始，英國(guó)陸續(xù)制定相關(guān)的污染控制和管理的法律法規(guī)，并進(jìn)行土壤改良劑和場(chǎng)地污染修復(fù)研究。

日本的土地重金屬污染在上世紀(jì)六七十年代非常嚴(yán)重。其經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了全國(guó)各地出現(xiàn)許多嚴(yán)重環(huán)境污染事件，被稱為四大公害的痛痛病、水俁病、第二水俁病、四日市病，就有三起和重金屬污染有關(guān)。

荷蘭在工業(yè)化初期土地污染問(wèn)題嚴(yán)重。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，加強(qiáng)土壤的環(huán)境管理，完善了土壤環(huán)境管理的法律及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)土面積4.15萬(wàn)平方公里的荷蘭每年要花費(fèi)4億歐元修復(fù)1500—2000個(gè)場(chǎng)地，預(yù)計(jì)到2015年基本能修復(fù)全部污染土壤。

1.3

工業(yè)、城市污染的加劇，農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類、數(shù)量的增加，使得土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查，*平均每年排放約1.5萬(wàn)噸Hg， 340萬(wàn)噸Cu， 500萬(wàn)噸Pb，1500萬(wàn)噸Mn和100萬(wàn)噸Ni。

2來(lái)源與分布

2.1大氣沉降

能源、運(yùn)輸、冶金和建筑材料生產(chǎn)等產(chǎn)生的含有重金屬的氣體和粉塵進(jìn)入大氣，通過(guò)自然沉降和降水進(jìn)人土壤。據(jù)估計(jì)*每年約有1600噸的汞通過(guò)化石燃料燃燒排放到大氣中。含鉛汽油的燃燒和汽車輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵對(duì)大氣和土壤造成Pb、Zn、Cd、Cr、Cu等污染。例如比利時(shí)每年從大氣進(jìn)入土壤的重金屬每公頃就有Pb 250g、Cd 19g、As 15g、Zn 3750g。

2.2污水

未經(jīng)處理的工礦企業(yè)污水排人下水道與生活污水混合，造成污灌區(qū)土壤重金屬Hg、Cd、Cr、Pb、Cd等的含量逐年增加。如淮陽(yáng)污灌區(qū)土壤Hg、Ca、Cr、Pb、As等重金屬1995年已超過(guò)警戒線，其它灌區(qū)部分重金屬含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)乇尘爸怠?SPAN>

2.3固體廢棄物

工礦業(yè)固體廢棄物堆放或處理過(guò)程中，由于日曬、雨淋、水洗重金屬極易移動(dòng)，以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤、水體擴(kuò)散。沈陽(yáng)冶煉廠冶煉鋅產(chǎn)生的礦渣主要含Zn、Cd，1971年開(kāi)始堆放在一個(gè)洼地場(chǎng)所，目前已擴(kuò)散到離堆放場(chǎng)700米以外的范圍。武漢市垃圾堆放場(chǎng)，杭州鉻渣堆放區(qū)附近土壤中重金屬Cd、Hg、Cr、 Cu、Zn、Pb、As等的含量均高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸怠?SPAN>

有一些固體廢棄物被作為肥料施入土壤，造成土壤重金屬污染。磷石膏是化肥工業(yè)廢物，含有一定量的正磷酸以及不同形態(tài)的含磷化合物，并可改良酸性土壤，因而被大量施入土壤，造成了土壤中Cr、 Pb、Mn、As含量增加。磷鋼渣作為磷源施入土壤，造成土壤中Cr累積。

2.4農(nóng)用物資

農(nóng)藥、化肥和地膜長(zhǎng)期不合理施用，導(dǎo)致土壤重金屬污染。殺真菌農(nóng)藥含有Cu和Zn，被大量地施用于果樹(shù)和溫室作物，造成土壤Cu、Zn累積達(dá)到有毒的濃度。如在莫爾達(dá)維亞，葡萄生長(zhǎng)季節(jié)要噴5～12次波爾多液或類似的制劑，導(dǎo)致每年約有6000～8000噸的銅被施入土壤。

近年來(lái)，地膜的大面積推廣使用，不僅造成了土壤的白色污染，而且地膜生產(chǎn)過(guò)程中加入了含Cd、Pb的熱穩(wěn)定劑，增加了土壤重金屬污染。

3土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)

3.1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*、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(duì)換出的污土進(jìn)行堆放或處理。

3.2物理修復(fù)

3.2.1電動(dòng)修復(fù)

通過(guò)電流使土壤中的重金屬離子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和無(wú)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(dòng)方向。在沙土上的實(shí)驗(yàn)，土壤中Pb2+、Cr3+等重金屬離子的除去率也可達(dá)90%以上。電動(dòng)修復(fù)不攪動(dòng)土層，修復(fù)時(shí)間短，是一種經(jīng)濟(jì)可行的原位修復(fù)技術(shù)。

3.2.2電熱修復(fù)

利用高頻電壓產(chǎn)生的電磁波對(duì)土壤進(jìn)行加熱，使污染物從土壤顆粒內(nèi)解吸出來(lái)，加快一些易揮發(fā)性重金屬?gòu)耐寥乐蟹蛛x，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。

3.2.3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(wú)機(jī)酸、堿、鹽和螯合劑。

3.3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(duì)重金屬的作用機(jī)理不同。化學(xué)修復(fù)簡(jiǎn)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。

3.4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(diǎn)。

3.4.1 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。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zui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。

3.4.2 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(duì)重金屬的吸收，揮發(fā)或固定效率的目的。如動(dòng)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HPO2-4與Cd形成 CdHPO4沉淀；國(guó)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。

3.5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(lái)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(zhǎng)，效果不明顯。

4重金屬污染土壤生物修復(fù)的主要機(jī)理　　　

4.1植物修復(fù)機(jī)理

植物根通過(guò)吸收和吸附作用在根部富集大量污染物質(zhì),從而固定污染物。土壤受重金屬污染后,植物會(huì)不同程度地從根際圈內(nèi)吸收重金屬,吸收數(shù)量受植物根系生理功能及根際圈內(nèi)微生物群落組成、pH、氧化－還原電位、重金屬種類和濃度以及土壤的理化性質(zhì)等因素影響,其吸收機(jī)理是主動(dòng)吸收還是被動(dòng)吸收尚不清楚。根還可以合成多種氨基酸、植物堿、有機(jī)氮和有機(jī)磷等，并向周圍土壤中分泌有機(jī)酸、糖類物質(zhì)、氨基酸和維生素等有機(jī)物，不同程度地限制根際圈內(nèi)污染物質(zhì)的移動(dòng)和生物有效性,減輕重金屬對(duì)植物的毒害。例如,各種有機(jī)物(包括有機(jī)酸)與重金屬絡(luò)合后可減弱重金屬的活度，降低其毒性。

4.2微生物修復(fù)機(jī)理

菌根植物的根系通過(guò)根面上菌絲與根際圈內(nèi)的重金屬接觸從而對(duì)重金屬產(chǎn)生吸收、屏障和螯合等直接作用。

4.3超積累植物（Hyperaccumulator）及其篩選　　　

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(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(gè)臨界值（表1）。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。表2和表3列舉了幾種金屬的超積累植物和數(shù)。

表1重金屬在土壤普通植物中的平均濃度及其在超累積植物中的臨界標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)　　

表2某些已知超累積植物地上部分的金屬含量（mg/kg）

表3已報(bào)道的金屬超積累植物 (Baker,2003)

5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(diǎn)多，大規(guī)模處理污染土壤不現(xiàn)實(shí)，并且會(huì)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(zhǎng)，效果不明顯。生物修復(fù)以其性，良好的社會(huì)、生態(tài)綜合效益而被大眾接受，應(yīng)用前景廣闊。以下幾點(diǎn)將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

5.1超累積植物篩選與培育

超累積植物一般生長(zhǎng)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(gè)重點(diǎn)。

5.2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锪看蟆⑸L(zhǎng)速度快、適應(yīng)性好的植物中去已經(jīng)實(shí)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。

5.3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(gè)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(zhǎng)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。