土壤重金属危害及修复措施探讨

2015-03-31王环蔡鹏飞杨晓菲

地球 2015年11期

关键词：金属元素危害重金属

■王环蔡鹏飞杨晓菲

（北京通州区环境保护监测站北京 101100）

土壤重金属危害及修复措施探讨

■王环蔡鹏飞杨晓菲

（北京通州区环境保护监测站北京 101100）

随着现代社会经济的快速发展，社会经济活动对自然生态环境的影响愈发深刻，工农业生产活动导致的土壤重金属污染问题，逐渐成为现代农林部门和环保部门关注的重要问题。本文将立足于土壤重金属危害的实际情况，就土壤重金属污染对植物、土壤动物、土壤酶以及人类的危害问题进行简要分析，并针对当前普遍存在的土壤重金属污染问题，提出了包括物理修复、化学修复、植物修复以及微生物修复在内的修复措施。

土壤重金属危害修复措施

0 前言

工业化思想指导下的现代工业和农业生产规模和生产技术进步，很大程度上是以破坏环境为代价的，多年的工业污染和化学肥料污染导致我国土壤重金属含量不断提升，土壤的重金属污染已经成为影响广泛的社会环境问题，受到人们越来越多的关注。

据统计，我国不同程度遭受重金属污染的耕地面积接近3.4亿亩，约占耕地总面积的1/5，每年因为土壤重金属污染导致的粮食减产超过107t，被重金属污染的粮食作物多达1.2*107t，造成直接经济损失200亿人民币以上。

土壤重金属污染当前对社会经济的消极影响还只是表面，其危害的长期性和滞后性，在相当长一段时间内都会对区域植物、动物和人类身心健康造成深远影响，因此对土壤重金属危害及修复措施的探讨具有鲜明的现实意义。

1 土壤重金属污染概述

土壤重金属污染是指土壤中重金属元素含量明显高于自然背景值，并且造成严重的自然和生态环境破坏的现象。从环境保护角度来看土壤重金属污染中的重金属是指相对密度在5.0以上的金属元素，主要包括有Fe、Mn、Cu、Zn、Cd等45种元素，从化学性质来看As元素是一种非金属元素，但是其在土壤中存在的物质形态以及对环境的影响与重金属元素相同，所以这一元素也归于土壤重金属污染的重金属元素类属。从重金属污染现象整体角度来看当前导致土壤重金属污染的重金属元素主要有Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8中元素。

土壤重金属污染的危害不仅仅体现在土壤中重金属含量上，还受土壤中重金属元素的存在状态影响。

通常情况下土壤中重金属元素的水溶和交换状态是重金属活性较强的状态，对接触物的置换反应导致的毒性也最大；重金属元素处于残存状态时，其本身的化合状态已经比较稳定，在土壤中的活性补强，同时与接触物反应导致的毒性也不大。

土壤中重金属元素超标导致的重金属污染问题是一种同时具备隐蔽性、滞后性、不可逆性和区域性的污染现象，重金属元素在土壤圈的富集会使其加入正常生态系统的循环，造成重金属污染在大气圈、陆地圈、生物圈和水圈的循环污染，严重危害并破坏自然生态环境[1]。

2 土壤重金属污染危害分析

2.1 对植物的危害

土壤中富集的重金属元素会对植物的生长和植物作物的质量产生较大的影响，其作用机制是重金属参与到植物的代谢和生长活动，影响并破坏植物新陈代谢的正常机制，并与植物本身包含的元素反应产生对职务生长有毒害的物质，或者是遏制植物正常生产所需要营养物质的产生和传递。

同时因为重金属自身的排他性，其在植物内部的富集会排斥其他有益金属的在植物内部的产生和汇聚，以重金属Cd对小麦生长的影响为例，在小麦的生长过程中Cd的富集会限制小麦幼苗叶和根的生长，土壤中的Cd会通过小麦幼苗的代谢过程进入到小麦的茎和叶中，遏制小麦内部Fe、Mg、Ca和K等影响元素的产生，同时会排斥这些营养元素在小麦幼苗内部的富集，影响小麦幼苗的正常生长[2]。

2.2 对动物的危害

土壤中重金属元素的富集会对土壤生物造成直接伤害，这种伤害不仅体现在对土壤生物的直接伤害上，还会对土壤生物的繁衍能力造成消极影响。以常见的土壤生物蚯蚓和线虫为例，通过对正常土壤和重金属污染土壤中土壤生物数量和种类多样性分析，发现，在重金属污染土壤中重金属元素的存在会对土壤生物的生存产生直接影响，重金属元素含量较高的土壤中蚯蚓的数量与正常金属含量中的蚯蚓数量相差一倍不止，同时重金属污染对土壤生物的影响还体现在土壤生物的多样性上，在重金属污染农田检测活动中发现蚯蚓种群的多样性指数仅为1.5835，而正常情况下标准农田中的蚯蚓种群多样性指数应该在2所有。由此可见土壤的重金属污染对土壤生物自身的存在较大的伤害，同时这种伤害还会延续到蚯蚓的繁衍能力[3]。

2.3 对土壤酶的危害

土壤酶是一种生物催化剂，其在土壤中的存量和分布状况会对土壤肥力产生直接影响，因此自从被发现以来土壤酶一直是土壤肥力的一个重要指标。同时对土壤酶的的测定能够有效的监控土壤生物化学状态的变化方向和变化量。

由于土壤酶本身的生物化学性质并不稳定，所以土壤中重金属元素的富集会对土壤酶产生较大的影响，以Hg为例，重金属元素Hg对土壤酶中脲酶的感应极为敏感，Hg元素的大量富集会形成对土壤酶中脲酶的置换能力，能够与脲酶反应生成其他物质从而破坏土壤酶的整体结构，导致土壤酶数量的下降和分布的不均匀，进而导致区域土壤的费力下降[4]。

2.4 对人体健康的危害

土壤中的重金属元素尤其是土壤表层富集的重金属元素极易进入人体，不同种类的重金属元素在人体内部的蓄积会对身体健康造成严重威胁。

Cd元素在身体中的蓄积会诱发人体脏器的病变，同时Cd元素会严重对人体骨骼质量产生直接影响，使骨质密度出现不同程度的下降，同时因为骨质密度下降日常生活正常动作导致骨折的几率也大大增加；重金属元素Pb在人体内的富集会导致生殖功能和免疫力的下降，同时大量铅在人体血液中的富集会导致头晕、头疼、记忆力衰退等症状；Cr元素在人体内部的富集会对皮肤和呼吸系统产生严重影响，这种影响具体表现为皮肤和呼吸道粘膜的溃疡和炎症[5]。

3 土壤金属污染的修复措施

3.1 物理修复

物理修复措施是土壤重金属污染处理的主要措施，主要包括有电动修复、电热修复和土壤淋洗修复三种具体技术，其中电动修复技术的工作原理类似于固体电池，借助重金属离子的导电特性实现对重金属离子的去除，在实际应用中借助充电技术连接待处理区域土壤，通电以后区域土壤中的重金属离子会在电流的推动下由正极向负极移动，并最终移动到负极周围的重金属离子采集装置中，实现对区域土壤中重金属离子的去除；电热修复技术是针对一些高温状态不稳定重金属设置的修复技术，主要利用了一些重金属在高温状态下的快速挥发特性。在待处理土壤区域施加高频电压来加热土壤，在高温作用下一些容易挥发的重金属会快速挥发，进而实现对重金属污染的处理。

但是这种处理技术对重金属污染的针对性不强，加热过程会对土壤本身造成较为严重的破坏；土壤淋洗是当前最为实用的重金属污染处理技术，无论是从处理影响控制角度看，还是从成本控制角度来看，土壤淋洗技术的可操作性都是最强的，在具体应用活动中，首先根据土壤重金属污染的实际情况进行针对性的淋洗液的试配，试配成功以后使用相应淋洗液将土壤固相中的重金属转移倒土壤液相中去，再对融合了重金属污染物的废水进行处理，实现对重金属污染土壤的处理[6]。

3.2 化学固定修复

化学固定修复技术并不是从土壤中将重金属污染物去除的技术，而是一种针对重金属污染物污染机制的处理技术，重金属元素在土壤中的富集事件本身并不会造成消极的影响，只是因为重金属元素同时富有活性和毒性，在土壤中的主动运动和主动反应，会对土壤酶、植物和土壤生物造成消极影响。

如果能够阻断重金属污染物对土壤酶、植物和土壤生物造成消极影响的过程，就能够有效的遏制土壤重金属污染问题。

化学固定修复技术就是针对这一环节的修复技术，在具体的修复实践活动中，首先对待处理土壤中重金属污染物的种类和性质进行分析，针对土壤中重金属污染物的活性实际，向污染土壤中添加有机质、沸石、污泥和磷酸盐等物质活性物质，这些活性较高的物质在加入以后会与同样具有活性的重金属污染物形成物理化学反应，产生一系列的沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化还原反应，使得重金属污染物与添加物质形成各种形态的稳定化合物，从而达到遏制重金属污染物活性，阻断重金属污染物对土壤酶、植物和土壤生物的危害[7]。

3.3 植物修复

植物修复技术主要是借助植物对重金属污染物的吸附能力，实现对重金属污染物的处理的，这种技术是成本最低，修复活动环保效能最好的修复技术，属于真正意义上的“绿色修复技术”，在可持续发展理念逐渐普及的今天这一技术受到了越来越多的关注。

植物修复技术的关键就是修复植物，重金属污染的修复植物是因为植物对重金属含量较高土壤的适应性改变而形成的，这种植物本身生长在重金属含量较高的土壤区域，在长时间的演变过程中形成了对重金属环境的适应能力，能够大量吸收重金属元素并保存在体内。在植物生长的过程中实现对重金属污染物的富集和去除。

但是这种修复技术有较强的局限性，修复植物本身并不能够形成对绝大多数重金属污染物的处理能力，处理活动往往只能针对一种或少量重金属物质。

同时以植物作为处理核心，处理过程也会受到植物自身对环境和土壤要求的限制，应用范围并不广泛[8]。

3.4 微生物修复

微生物修复技术是依靠土壤中微生物生物活性实现对重金属的处理的，在土壤环境下微生物具有极强的活性，会在重金属物质表面富集、与一些重金属元素产生反应。

遮断重金属元素与外界元素的接触甚至能够与重金属元素轻度螯合，将其转化为低毒性的产物，从而达到控制重金属污染的目的，微生物修复技术是一种较为成熟的修复技术形式，在实际应用中具有费用低、环境影响小、效率高的特点。

在实践检测中发现一些微生物能够对重金属进行生物转化，利用微生物改变重金属离子的氧化---还原状态降低土壤环境中重金属的含量，遏制其活性和毒性的发展，从而形成某种微生物对重金属的解毒机制[9]。

3.5 其它修复技术

如前文所述在土壤重金属污染的处理活动中，存在着多种污染修复技术，各种技术在实际应用各有优势同时也存在一定的缺陷，针对这种修复技术现象，现代重金属污染治理活动中开始研究结合多种修复技术特性的综合性修复技术。例如物理修复中的电动修复技术就能够和植物修复技术相结合，在实际应用中电动修复技术的电流会产生对重金属元素的推动力，让重金属元素更加活泼、更加规律的运动，提升修复植物对重金属的吸附和吸收效率。微生物处理技术也可以和植物处理技术相结合，微生物对重金属毒素具有很强的耐受性，能够包裹、阻隔重金属的毒性，进而为修复植物提供一定的保护，保证修复植物不会因为吸收大量重金属而死亡，提升植物修复的质量和效果[10]。