土壤重金屬危害及修復(fù)措施探討

■王環(huán) 蔡鵬飛 楊曉菲

（北京通州區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站 北京 101100）

土壤重金屬危害及修復(fù)措施探討

■王環(huán) 蔡鵬飛 楊曉菲

（北京通州區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站 北京 101100）

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)活動對自然生態(tài)環(huán)境的影響愈發(fā)深刻，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動導(dǎo)致的土壤重金屬污染問題，逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)林部門和環(huán)保部門關(guān)注的重要問題。本文將立足于土壤重金屬危害的實(shí)際情況，就土壤重金屬污染對植物、土壤動物、土壤酶以及人類的危害問題進(jìn)行簡要分析，并針對當(dāng)前普遍存在的土壤重金屬污染問題，提出了包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、植物修復(fù)以及微生物修復(fù)在內(nèi)的修復(fù)措施。

土壤重金屬危害修復(fù)措施

0 前言

工業(yè)化思想指導(dǎo)下的現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，很大程度上是以破壞環(huán)境為代價的，多年的工業(yè)污染和化學(xué)肥料污染導(dǎo)致我國土壤重金屬含量不斷提升，土壤的重金屬污染已經(jīng)成為影響廣泛的社會環(huán)境問題，受到人們越來越多的關(guān)注。

據(jù)統(tǒng)計，我國不同程度遭受重金屬污染的耕地面積接近3.4億畝，約占耕地總面積的1/5，每年因?yàn)橥寥乐亟饘傥廴緦?dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過107t，被重金屬污染的糧食作物多達(dá)1.2*107t，造成直接經(jīng)濟(jì)損失200億人民幣以上。

土壤重金屬污染當(dāng)前對社會經(jīng)濟(jì)的消極影響還只是表面，其危害的長期性和滯后性，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)都會對區(qū)域植物、動物和人類身心健康造成深遠(yuǎn)影響，因此對土壤重金屬危害及修復(fù)措施的探討具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 土壤重金屬污染概述

土壤重金屬污染是指土壤中重金屬元素含量明顯高于自然背景值，并且造成嚴(yán)重的自然和生態(tài)環(huán)境破壞的現(xiàn)象。從環(huán)境保護(hù)角度來看土壤重金屬污染中的重金屬是指相對密度在5.0以上的金屬元素，主要包括有Fe、Mn、Cu、Zn、Cd等45種元素，從化學(xué)性質(zhì)來看As元素是一種非金屬元素，但是其在土壤中存在的物質(zhì)形態(tài)以及對環(huán)境的影響與重金屬元素相同，所以這一元素也歸于土壤重金屬污染的重金屬元素類屬。從重金屬污染現(xiàn)象整體角度來看當(dāng)前導(dǎo)致土壤重金屬污染的重金屬元素主要有Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8中元素。

土壤重金屬污染的危害不僅僅體現(xiàn)在土壤中重金屬含量上，還受土壤中重金屬元素的存在狀態(tài)影響。

通常情況下土壤中重金屬元素的水溶和交換狀態(tài)是重金屬活性較強(qiáng)的狀態(tài)，對接觸物的置換反應(yīng)導(dǎo)致的毒性也最大；重金屬元素處于殘存狀態(tài)時，其本身的化合狀態(tài)已經(jīng)比較穩(wěn)定，在土壤中的活性補(bǔ)強(qiáng)，同時與接觸物反應(yīng)導(dǎo)致的毒性也不大。

土壤中重金屬元素超標(biāo)導(dǎo)致的重金屬污染問題是一種同時具備隱蔽性、滯后性、不可逆性和區(qū)域性的污染現(xiàn)象，重金屬元素在土壤圈的富集會使其加入正常生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，造成重金屬污染在大氣圈、陸地圈、生物圈和水圈的循環(huán)污染，嚴(yán)重危害并破壞自然生態(tài)環(huán)境[1]。

2 土壤重金屬污染危害分析

2.1 對植物的危害

土壤中富集的重金屬元素會對植物的生長和植物作物的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，其作用機(jī)制是重金屬參與到植物的代謝和生長活動，影響并破壞植物新陳代謝的正常機(jī)制，并與植物本身包含的元素反應(yīng)產(chǎn)生對職務(wù)生長有毒害的物質(zhì)，或者是遏制植物正常生產(chǎn)所需要營養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)生和傳遞。

同時因?yàn)橹亟饘僮陨淼呐潘?，其在植物?nèi)部的富集會排斥其他有益金屬的在植物內(nèi)部的產(chǎn)生和匯聚，以重金屬Cd對小麥生長的影響為例，在小麥的生長過程中Cd的富集會限制小麥幼苗葉和根的生長，土壤中的Cd會通過小麥幼苗的代謝過程進(jìn)入到小麥的莖和葉中，遏制小麥內(nèi)部Fe、Mg、Ca和K等影響元素的產(chǎn)生，同時會排斥這些營養(yǎng)元素在小麥幼苗內(nèi)部的富集，影響小麥幼苗的正常生長[2]。

2.2 對動物的危害

土壤中重金屬元素的富集會對土壤生物造成直接傷害，這種傷害不僅體現(xiàn)在對土壤生物的直接傷害上，還會對土壤生物的繁衍能力造成消極影響。以常見的土壤生物蚯蚓和線蟲為例，通過對正常土壤和重金屬污染土壤中土壤生物數(shù)量和種類多樣性分析，發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染土壤中重金屬元素的存在會對土壤生物的生存產(chǎn)生直接影響，重金屬元素含量較高的土壤中蚯蚓的數(shù)量與正常金屬含量中的蚯蚓數(shù)量相差一倍不止，同時重金屬污染對土壤生物的影響還體現(xiàn)在土壤生物的多樣性上，在重金屬污染農(nóng)田檢測活動中發(fā)現(xiàn)蚯蚓種群的多樣性指數(shù)僅為1.5835，而正常情況下標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田中的蚯蚓種群多樣性指數(shù)應(yīng)該在2所有。由此可見土壤的重金屬污染對土壤生物自身的存在較大的傷害，同時這種傷害還會延續(xù)到蚯蚓的繁衍能力[3]。

2.3 對土壤酶的危害

土壤酶是一種生物催化劑，其在土壤中的存量和分布狀況會對土壤肥力產(chǎn)生直接影響，因此自從被發(fā)現(xiàn)以來土壤酶一直是土壤肥力的一個重要指標(biāo)。同時對土壤酶的的測定能夠有效的監(jiān)控土壤生物化學(xué)狀態(tài)的變化方向和變化量。

由于土壤酶本身的生物化學(xué)性質(zhì)并不穩(wěn)定，所以土壤中重金屬元素的富集會對土壤酶產(chǎn)生較大的影響，以Hg為例，重金屬元素Hg對土壤酶中脲酶的感應(yīng)極為敏感，Hg元素的大量富集會形成對土壤酶中脲酶的置換能力，能夠與脲酶反應(yīng)生成其他物質(zhì)從而破壞土壤酶的整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤酶數(shù)量的下降和分布的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域土壤的費(fèi)力下降[4]。

2.4 對人體健康的危害

土壤中的重金屬元素尤其是土壤表層富集的重金屬元素極易進(jìn)入人體，不同種類的重金屬元素在人體內(nèi)部的蓄積會對身體健康造成嚴(yán)重威脅。

Cd元素在身體中的蓄積會誘發(fā)人體臟器的病變，同時Cd元素會嚴(yán)重對人體骨骼質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，使骨質(zhì)密度出現(xiàn)不同程度的下降，同時因?yàn)楣琴|(zhì)密度下降日常生活正常動作導(dǎo)致骨折的幾率也大大增加；重金屬元素Pb在人體內(nèi)的富集會導(dǎo)致生殖功能和免疫力的下降，同時大量鉛在人體血液中的富集會導(dǎo)致頭暈、頭疼、記憶力衰退等癥狀；Cr元素在人體內(nèi)部的富集會對皮膚和呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這種影響具體表現(xiàn)為皮膚和呼吸道粘膜的潰瘍和炎癥[5]。

3 土壤金屬污染的修復(fù)措施

3.1 物理修復(fù)

物理修復(fù)措施是土壤重金屬污染處理的主要措施，主要包括有電動修復(fù)、電熱修復(fù)和土壤淋洗修復(fù)三種具體技術(shù)，其中電動修復(fù)技術(shù)的工作原理類似于固體電池，借助重金屬離子的導(dǎo)電特性實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的去除，在實(shí)際應(yīng)用中借助充電技術(shù)連接待處理區(qū)域土壤，通電以后區(qū)域土壤中的重金屬離子會在電流的推動下由正極向負(fù)極移動，并最終移動到負(fù)極周圍的重金屬離子采集裝置中，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域土壤中重金屬離子的去除；電熱修復(fù)技術(shù)是針對一些高溫狀態(tài)不穩(wěn)定重金屬設(shè)置的修復(fù)技術(shù)，主要利用了一些重金屬在高溫狀態(tài)下的快速揮發(fā)特性。在待處理土壤區(qū)域施加高頻電壓來加熱土壤，在高溫作用下一些容易揮發(fā)的重金屬會快速揮發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對重金屬污染的處理。

但是這種處理技術(shù)對重金屬污染的針對性不強(qiáng)，加熱過程會對土壤本身造成較為嚴(yán)重的破壞；土壤淋洗是當(dāng)前最為實(shí)用的重金屬污染處理技術(shù)，無論是從處理影響控制角度看，還是從成本控制角度來看，土壤淋洗技術(shù)的可操作性都是最強(qiáng)的，在具體應(yīng)用活動中，首先根據(jù)土壤重金屬污染的實(shí)際情況進(jìn)行針對性的淋洗液的試配，試配成功以后使用相應(yīng)淋洗液將土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移倒土壤液相中去，再對融合了重金屬污染物的廢水進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對重金屬污染土壤的處理[6]。

3.2 化學(xué)固定修復(fù)

化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)并不是從土壤中將重金屬污染物去除的技術(shù)，而是一種針對重金屬污染物污染機(jī)制的處理技術(shù)，重金屬元素在土壤中的富集事件本身并不會造成消極的影響，只是因?yàn)橹亟饘僭赝瑫r富有活性和毒性，在土壤中的主動運(yùn)動和主動反應(yīng)，會對土壤酶、植物和土壤生物造成消極影響。

如果能夠阻斷重金屬污染物對土壤酶、植物和土壤生物造成消極影響的過程，就能夠有效的遏制土壤重金屬污染問題。

化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)就是針對這一環(huán)節(jié)的修復(fù)技術(shù)，在具體的修復(fù)實(shí)踐活動中，首先對待處理土壤中重金屬污染物的種類和性質(zhì)進(jìn)行分析，針對土壤中重金屬污染物的活性實(shí)際，向污染土壤中添加有機(jī)質(zhì)、沸石、污泥和磷酸鹽等物質(zhì)活性物質(zhì)，這些活性較高的物質(zhì)在加入以后會與同樣具有活性的重金屬污染物形成物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一系列的沉淀、吸附、離子交換、腐殖化和氧化還原反應(yīng)，使得重金屬污染物與添加物質(zhì)形成各種形態(tài)的穩(wěn)定化合物，從而達(dá)到遏制重金屬污染物活性，阻斷重金屬污染物對土壤酶、植物和土壤生物的危害[7]。

3.3 植物修復(fù)

植物修復(fù)技術(shù)主要是借助植物對重金屬污染物的吸附能力，實(shí)現(xiàn)對重金屬污染物的處理的，這種技術(shù)是成本最低，修復(fù)活動環(huán)保效能最好的修復(fù)技術(shù)，屬于真正意義上的“綠色修復(fù)技術(shù)”，在可持續(xù)發(fā)展理念逐漸普及的今天這一技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。

植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵就是修復(fù)植物，重金屬污染的修復(fù)植物是因?yàn)橹参飳χ亟饘俸枯^高土壤的適應(yīng)性改變而形成的，這種植物本身生長在重金屬含量較高的土壤區(qū)域，在長時間的演變過程中形成了對重金屬環(huán)境的適應(yīng)能力，能夠大量吸收重金屬元素并保存在體內(nèi)。在植物生長的過程中實(shí)現(xiàn)對重金屬污染物的富集和去除。

但是這種修復(fù)技術(shù)有較強(qiáng)的局限性，修復(fù)植物本身并不能夠形成對絕大多數(shù)重金屬污染物的處理能力，處理活動往往只能針對一種或少量重金屬物質(zhì)。

同時以植物作為處理核心，處理過程也會受到植物自身對環(huán)境和土壤要求的限制，應(yīng)用范圍并不廣泛[8]。

3.4 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)技術(shù)是依靠土壤中微生物生物活性實(shí)現(xiàn)對重金屬的處理的，在土壤環(huán)境下微生物具有極強(qiáng)的活性，會在重金屬物質(zhì)表面富集、與一些重金屬元素產(chǎn)生反應(yīng)。

遮斷重金屬元素與外界元素的接觸甚至能夠與重金屬元素輕度螯合，將其轉(zhuǎn)化為低毒性的產(chǎn)物，從而達(dá)到控制重金屬污染的目的，微生物修復(fù)技術(shù)是一種較為成熟的修復(fù)技術(shù)形式，在實(shí)際應(yīng)用中具有費(fèi)用低、環(huán)境影響小、效率高的特點(diǎn)。

在實(shí)踐檢測中發(fā)現(xiàn)一些微生物能夠?qū)χ亟饘龠M(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，利用微生物改變重金屬離子的氧化---還原狀態(tài)降低土壤環(huán)境中重金屬的含量，遏制其活性和毒性的發(fā)展，從而形成某種微生物對重金屬的解毒機(jī)制[9]。

3.5 其它修復(fù)技術(shù)

如前文所述在土壤重金屬污染的處理活動中，存在著多種污染修復(fù)技術(shù)，各種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用各有優(yōu)勢同時也存在一定的缺陷，針對這種修復(fù)技術(shù)現(xiàn)象，現(xiàn)代重金屬污染治理活動中開始研究結(jié)合多種修復(fù)技術(shù)特性的綜合性修復(fù)技術(shù)。例如物理修復(fù)中的電動修復(fù)技術(shù)就能夠和植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中電動修復(fù)技術(shù)的電流會產(chǎn)生對重金屬元素的推動力，讓重金屬元素更加活潑、更加規(guī)律的運(yùn)動，提升修復(fù)植物對重金屬的吸附和吸收效率。微生物處理技術(shù)也可以和植物處理技術(shù)相結(jié)合，微生物對重金屬毒素具有很強(qiáng)的耐受性，能夠包裹、阻隔重金屬的毒性，進(jìn)而為修復(fù)植物提供一定的保護(hù)，保證修復(fù)植物不會因?yàn)槲沾罅恐亟饘俣劳?，提升植物修?fù)的質(zhì)量和效果[10]。

4 結(jié)論

土壤重金屬污染已經(jīng)成為我國土壤污染的一種重要形式，對我國的土壤資源利用產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。因此在現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展理念的指導(dǎo)下，對土壤重金屬危害及修復(fù)措施的探討具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

本文從土壤重金屬污染概述、土壤重金屬污染危害分析、土壤金屬污染的修復(fù)措施三個方面對土壤重金屬污染的危害進(jìn)行了簡要分析，并針對土壤重金屬對植物、動物、土壤酶和人體的危害現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的處理修復(fù)措施，以期為土壤重金屬污染問題處理水平的提升提供支持和借鑒。

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Q938.1+3[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-332-2

王環(huán)（1981～），男，本科，助理工程師。