环境化学课程论文—重金属在大气中、水体中和生物圈中的迁移与转化

重金属在大气中、水体中和生物圈中的迁移与转化

土壤重金属污染问题是环境和土壤科学研究者关注的热点问题。重金属是指相对密度等于或大于5.0的金属元素。重金属一般不易随水淋滤，不能被土壤微生物分解，但能吸附于土壤胶体而被土壤微生物和植物所吸收，通过食物链或其他方式转化为毒性更强的物质，严重危害人体健康。土壤中重金属主要来自于大气沉降物和随固体废弃物、污水、农用物资进入土壤的重金属。土壤中重金属积累的初期，不易被人们觉察和关注，属于潜在危害，但土壤一旦被重金属污染，就会造成土壤生态系统退化、植物难以生长等问题，很难彻底消除，所以土壤中重金属的污染问题比较突出。土壤重金属污染物的迁移转化过程分为物理迁移、化学迁移、物理化学迁移和生物迁移。其迁移转化是多种形式的错综结合。[19-20]

重金属进入土壤后，在土壤中发生累积，在一定条件下可向下迁移，污染地下水，对饮用水安全构成威胁；也可通过食物链将污染物从土壤转移到生物体中，并最终威胁人体健康[6]。

1重金属在大气中的迁移

1.1汞在大气中的迁移

无机汞盐通常有一价和二价2种存在形式，同时还可以形成有机汞化合物。有些汞化合物基本上是无毒的，可以用作药物；而另一些化合物特别是有机汞，如甲基汞和二甲基汞等，毒性极强。

汞是煤中最易挥发的重金属元素之一，由于汞的剧毒性、积累性、在大气中停留时间长，Hg污染对人类健康和环境有明显危害，Hg及其化合物可通过呼吸道、皮肤和消化道等不同途径侵入人体，造成神经性中毒和深部组织病变[15]，所以，燃煤电厂烟气中的汞如果不能得到及时去除，将会对人类及环境造成极大的危害[12-13]。

郑楚光[11]在对燃煤痕量元素迁移转化机理及细微颗粒物中富集规律的研究中，应用量子化学从头计算QCISD的方法，对于Hg，选用Stevens基组;对于非金属元素Cl，H，O，N，选用6-311++G(3df，3pd)基组，优化得到反应途径上各稳定点(反应物、产物、过渡态和中间体)的几何构型。对由35个组分、107个反应组成的反应体系的汞的均相反应动力学进行模拟，得到了与实验结果相一致的结果，并进行了敏感性分析，发现了汞氧化的一个新的反应通道:Hg0→HgO→HgCl→HgCl2。笔者以简单基元反应HgCl+HCl HgCl2+H为例，进行详细反应机理介绍。

图1给出了HgCl+HCl HgCl2+H的反应过程分析。其反应过程为:

HgCl+ HCl→TS(ClHgClH)→HgCl2+H 。

即HgCl的Hg原子和HCl的Cl原子结合生成过渡态TS，然后生成产物HgCl2和H，反应无中间体生成，只存在过渡态，是一步反应过程。在反应过程中:Hg-Cl键的距离逐渐减少(∞→0.237 76 nm→0.230 03 nm，∞表示距离超过了成键范围);相邻的Cl-H键距离逐渐增长(0.127 39 nm→1.7803nm→∞)，反映Hg-Cl键的形成;而与之相邻的Cl-H键断裂的情况。反应过程中分子结构的变化反映出反应的微观过程。

1.2锌在大气中的迁移

绝大多数元素都和矿物质具有较好的相关性。Zn的R2达到0.96，相关性最好[11]。这说明Zn通过燃煤的形式进入大气的过程，与矿物质本身的性质有很大的关系。矿物质中Zn含量越高，排放到大气中的Zn含量越高。

烟气中的痕量元素快速释放，浓度迅速达到峰值，蒸发动力学符合有机物质的燃烧速率。Zn释放比Pb和Cd要慢，这可能是因为煤颗粒在燃烧时内部形成的还原条件。实际上，根据热力学分析[17，18]，蒸发形态以元素态Zn(g)形式存在，而不是ZnCl2(g)。痕量元素与飞灰颗粒在高温下反应生成ZnO·Al2O3、CdO·Al2O3等稳定化合物，从而抑制了痕量元素Zn的释放[11]。

2重金属在水体中的迁移

重金属进入水生生态系统后，分布于水生生态系统的各个组分中，对生态系统各组分产生影响(即生态效应)。当生物体内重金属积累到一定数量后，就会出现受害症状，生理受阻、发育停滞，甚至死亡，整个水生生态系统结构、功能受损，崩溃[5]。

水体中重金属对人体的危害，一方面通过直接饮用造成重金属中毒而损害人体健康;另一方面，间接污染农产品和水产品，通过食物链对

人体健康构成威胁，并造成土壤的二次污染。

重金属元素通过阻碍生物大分子的重要生理功能，取代生物大分子中的必需元素，影响并改变了生物大分子所具有的活性部位的构象，这三条途径致使生物体的生长发育和生理代谢受到影响[18]。

分析沉积物重金属污染问题时，对水体中的重金属进行分级提取，可以将其分为六级，分别是水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、Fe-Mn 氧化物态、有机态、残渣态。分析各形态中的各组分含量和分布规律，进而讨论沉积物中重金属污染物的污染性质、转化机理以及对水体的潜在污染等问题[2，3]。

重金属污染物为非降解性有毒污染物，进入水体后不仅不能被微生物降解，而且某些重金属在微生物的作用下可转化为金属有机化合物，产生更大的毒性，细菌在甲基汞形成中的作用就是比较典型的例子[7]。

2.1汞在水体中的迁移

生物膜对于水环境中痕量重金属的迁移、最终归宿、生物可利用性和生物毒性的过程，起着非常重要的作用。刘彩域，丁振华等[10]采集了黄浦江中的生物膜样品，分析了其中不同生长时间、不同深度、不同季节的总汞含量；提取了生物膜中不同形态的汞。并和底泥中不同形态汞的分布做了对比。

水下不同深度的生物膜中的汞含量：水深lm处生物膜中的汞含量大于水体表层生物膜中的汞含量。生物膜中聚集着大量的微生物，这些微生物中存在着一些抗汞微生物，可以将大量的无机汞还原为元素态汞，或甲基化为甲基汞而释放到大气中，并随之迁移，造成大气环境的汞污染。光照是影响生物膜中的汞向气态汞转化的重要因素。温度越高，光照越强，生物膜所转化的气态汞就越多。因此，在水体表层，由于水温及光强都要比水深lm处的要高，释放到大气中的汞也就比水深lm处多，这就造成了水体表层生物膜的总汞含量要小于水深lm处的总汞含量。

不同生长天数生物膜中汞含量对比：生物膜对汞存在着时间累积效应，有明显的富集趋势。生长时间越长，生物膜中的汞含量也就越高。

不同季节生物膜中汞含量对比：生物膜中的汞含量在夏季最高，冬季最低。温度主要通过影响活性生物的生理代谢活动、基团吸附热动力和吸附热容等因素而影响生物的吸附量。气温越高，所能提供的能量也就越多，生物膜中的汞元素含量也就越高；冬季由于气温很低，所能提供的能量有限，生物膜中的汞元素含量也就最低。

在汞的各种形态中，残渣汞为生物不可利用态，除残渣态外其它形态的汞则为生物可利用态汞[9]，它们都可以转化为小分子的汞被水生生