土壤重金属污染及修复研究现状

土壤重金属污染及修复研究现状
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。

然而，环境污染和生态破坏13益严峻，严重影响到人类的健康和生存，其中重金属元素对环境的污染和破坏作用尤为严重。

土壤重金属污染及其修复已成为当前环境科学研究的重点”。

重金属是一类毒性大，具有潜在危害的无机污染物，可在土壤和生物体内富集。

与大气和水体中重金属污染相比，土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性以及难治理和修复周期长且毒性较强、易被生物吸收的特点。

重金属污染不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且可能通过直接接触、食物链危及人类的生命和健康。

因此，对重金属污染土壤的治理和修复，是十分紧迫的任务。

1 土壤重金属污染来源
1．1 自然来源主要分为土壤来源和大气来源。

土壤来源主要有成土母质和成土过程。

大气来源主要有火山爆发、森林火灾、海浪飞溅、植被排出、风力扬尘等。

空气中的重金属元素部分被植物吸收，部分通过尘降进入水体、土壤。

1．2 人为来源人为来源是指工农业的生产活动对土壤的污染，主要包括工业污染源、农业污染源及交通运输等造成的土壤污染。

研究表明，人为因素造成的土壤重金属污染主要富集在土壤表层。

这使得生态系统和人身健康存在一定的隐患。

1．2．1 交通运输污染。

汽车轮胎及排放的废气是重金属主要交通污染源。

含Pb汽油的燃烧是城市Pb污染的重要源。

Ph、zn、cd、Cr、cu等为道路两侧土壤中的主要污染物。

Dilek 等对公路旁土壤重金属污染作了研究，结果表明cu、Pb、zn污染与机动车尾气排放有关。

Fakayode研究了尼日利亚Osogbo公路旁土壤中Pb、cd、cu、Ni和zn的分布规律，得出重金属含量与距公路距离呈负相关关系的结
论。

我国公路旁土壤重金属污染也符合这个结论。

1．2．2 工业污染。

有色重金属矿床的开发冶炼是向环境中排放重金属最主要的工业污染源。

工业生产造成土壤重金属污染的环境问题日益严重。

包头市重金属cu、zn含量分别为全国土壤几何均值的1．85和2．26倍。

云南省某选冶矿厂周边由于长期的工业生产使该区域受到Pb、cd、cr和zn等重金属污染严重。

大型综合城市成都城郊土壤重金属含量中以cu、Pb、Zn最为突出，在东郊热电厂附近为№、cd、As的高值区。

这与Nriagu等研究结果相吻合。

1．2．3 农业污染。

农业污染主要是农药、化肥的施用和农业废弃物不科学处置造成的污染。

长期对果园喷洒各类防病虫害的农药，使各类重金属含量的累积量均有不同程度的增加。

化肥与农药中的重金属都是可能的污染源，且化肥中的重金属具有较高的可溶性，易被作物吸收，危害更大。

农作物秸秆和畜禽废弃物等农业废弃物年排放量庞大。

据统计，我国每年产生各类农作物秸秆约6．5亿t，畜禽粪便约20．0亿t，是我国工业废弃物产生量的3 2倍。

在集约化养殖的发展趋势下，人们普遍采用含重金属元素的饲料添加剂。

辜玉红等研究发现，随着13粮中cu、zn、As添加量的增加，猪鲜粪中cu、zn、As含量及每日排泄
粪中相应微量元素的含量也增加，高剂量组甚至是成几倍或几十倍的增加，给环境造成了极大的污染。

2 土壤中重金属污染物的存在形式
土壤重金属元素在介质中的存在形态是衡量其环境效应的关键参数，可以揭示土壤重金属中的存在状态、迁移转化规律、生物有效性、毒性及可能产生的环境效应，预测重金属的长期变化和环境风险。

研究重金属在土壤中的形态分布对了解重金属的变化形式、迁移规律和对生物的毒害作用等具有重要意义。

由于提取方法不同，重金属形态的分级不同。

目前常用的重金属形态提取分析方法是Tessier法心。

该法将重金属赋存形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和硫化物结合态、残渣态。

其中，残渣态是存在于
原生矿物晶格中的重金属，又称为原生相重金属。

而弱酸溶解态、铁锰结合态和有机态重金属是原生矿物经风化破坏，重金属被释放后，在地表环境中通过各种物理化学作用与土壤各相重新结合而成的，因此这3种形态的重金属被称为次生相重金属。

一般，残渣态重金属不能被生物利用，弱酸溶解态易为生物利用，铁锰结合态次之，而有机结合态活性较差。

在表生环境下，土壤中原生相(残渣态)重金属一般不参与水一土壤系统的再平衡分配：人为污染则主要叠加在土壤次生相(可给态或生物有效态)中。

因此，次生相重金属的含量及其所占百分比不仅可以表征沉积物中重金属的形态转化趋势，而且可以标定水一土壤交换反应过程中重金属活化迁出的难易程度及二次污染的可能性。

现行土壤重金属污染修复技术
经过近年来全球范围的研究与应用，重金属土壤的修复技术主要有物理修复法、化学修复法和生物修复法。

研究的热点集中于污染土壤的原位生物修复技术和基于监测的自然修复技术等。

3．1 物理修复物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术，主要包括热处理法和淋洗络合法。

3．1．1 热处理法。

热处理技术应用于工业企业场地土壤苯系物、多环芳烃、多氯联苯和二嗯英等有机污染土壤的修复。

热修复的原理是利用污染物的热挥发性，利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，从而达到修复的目的。

目前，该法较多地应用于Hg污染土壤的修复。

研究表明，采用该法可使砂性土、黏土、壤土中Hg含量分别从15 000、900、225 mg／kg降至107、112和115 g／kg，回收的Hg蒸气纯度达99％[3o 3。

3．1．2 淋洗络合法。

淋洗法是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中，再用络合或沉淀的方法，使重金属富集并进一步回收处理的土壤修复方法。

提取剂的选择是关键。

用来提取土壤重金属的提取剂很多，包括有机酸或无机酸、碱、盐和螯合剂，其中主要有硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、氢氧化钠、草酸、柠檬酸、EDTA和DTPA等。

但是，既能提取重金属又不破坏土壤的结构的提取剂很难被找到。

Wa—say等比了弱有机酸盐(柠檬酸和酒石酸盐)和强螯合剂对重金属Cr、Mn、Hg和Pb污染土壤修复的有效性，发现EDTA和DTPA能有效地去除Hg以外的重金属元素，同时提取出大量的土壤营养元素。

3．2 化学修复化学修复是根据土壤中重金属易与一些配位化合物反应形成稳定的络合物，易与一些酸根离子反应形成沉淀的特点，向土壤中投加改良剂来降低土壤中重金属的迁移性和生物可利用率，减少直至清除土壤中的重金属，从而达到治理和修复污染土壤的目的。

石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐等是目前常用的改良剂。

Naidu等通过在cd污染的土壤上施用碱性物质如石灰，使土壤中重金属cd有效态含量降低15％左右，对减少cd被作物吸收具有一定的作用。

尤其在重金属污染严重的土壤中，可以通过施入含
硫物料，使土壤中的cd、№形成CdS、HgS沉淀。

利用某些重金属的拮抗作用，可有效降低土壤重金属污染。

周启星等研究表明，土壤中适宜的Cd／Zn比可以抑制植物对cd的吸收。

3．3 生物修复生物修复法主要是利用某些特殊的植物和微生物等通过新陈I代谢作用吸收去除土壤中的重金属或使重金属形态转化，降低毒性，净化土壤。

3．3．1 微生物修复。

土壤微生物种类繁多，数量庞大。

有些微生物具有嗜重金属性，如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类，能够产生胞外聚合物，与重金属离子形成络合物。

国内外对此都有过相关的报道。

耿春女等利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu，取得了良好的效果]。

日本学者发现一种嗜重金属菌，能有效地吸收土壤中的重金属，但存在着土壤与细菌分离的难题。

如果这一问题能得到妥善解决，那么微生物修复将是很有发展前景的处理方法。

3．3．2 植物修复。

植物修复技术指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表和地下水中有毒有害污染物技术的总称。

据Reeves等统计，迄今已发现超积累植物700种，广泛分布于约5O个科中，但绝大多数属于镍超积累植物；对Cu、Co、Zn、Se、
Pb等重金属的超积累植物的数量依次递减。

邢前国等研究发现，最重要的超积累植物主要集中在十字花科，世界上研究最多的植物主要在芸苔属(Brassica)、庭芥(Alyssum)及遏蓝菜属(Thlas pi) j。

4 现行土壤重金属污染修复方法的局限性热处理法治理Hg污染土壤的效率很高，但在处理过程中不仅需要消耗大量能量，而且土壤有机质和土壤水分都会遭到不同程度的破坏。

而淋洗络合法较适用于砂土和砂壤土等透水性好、污染面积较小的土壤。

虽然淋洗法对重金属污染土壤的治理效果较好，但易造成地下水污染，同时会使土壤中的营养元素淋失和沉淀，造成土壤肥力下降。

这些都使得物理修复法的应用有一定的局限性。

相对于物理修复来说，化学修复不仅可以进行原地修复，而且可以异地修复。

但采用原地修复法治理污染土壤时，化学试剂的选择要注意避免二次污染。

化学修复往往存在过渡产物，致使某些中间过渡产物毒性可能较大，对环境产生一定的危害。

化学修复法只改变重金属在土壤中的在形态，金属元素仍保留在土壤中，易再度活化危害植物。

生物修复中的微生物不能降解所有进入环境的污染物，常使生物修复不能进行。

特定的微生物只降解特定类型的化学物质，结构稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶破坏；当污染物浓度太低，不足以维持降解细菌一定数量时，残余的污染物就会留在土壤中。

而植物修复虽然具有原位实施、易于推广和成本低等优点，但其缺陷也很显著。

超富集植物植株矮小，生长缓慢，修复重金属污染土地耗时太长；同时，植物修复土壤只能局限在植物根系所能延伸的范围内，一般不超过20 cm土层厚度；超富集植物一般只对一种重金属具有富集能力，而土壤重金属污染多为几种重金属复合污染，且常常伴生有机污染。

因此，用一种超富集植物，难以全面清除土壤中的所有污染物。