土壤环境因子对有机污染物迁移转化的影响

1 / 13土壤环境因子对有机污染物迁移转化的影响摘要从传统污染物和新型污染物等方面介绍了我国土壤污染的现状,进而分析了土壤环境因子包括土壤微生物、土壤温度、pH 值、土壤水分、土壤机械组成、气候及二氧化碳含量等对有机污染物降解和转化的影响。 关键词土壤环境因子;有机污染物;迁移转化;影响 土壤农药污染是一全球性问题。随着环境问题在全球范围的不断变化,土壤环境污染化学已成为环境化学不可缺少的重要组成部分1。在北美、西欧和澳洲等国家,随着各种点源污染得到有效控制,人们关注的焦点逐渐转移到多介质非点源污染,另外土壤环境污染的研究也受到人们日益关注。在我国,受农药使用历史、施药技术以及产品结构等因素影响,土壤农药污染较为严重,制约食品安全与农业可持续发展。随着土壤有机污染物的类型不断增多,大量难降解的有机污染物进入土壤,造成环境的严重污染,影响了农业的可持续发展。土壤中的各种环境因子对有机污染物2 / 13降解转化有一定的影响,因此,研究这些因子的相互作用,可促进有机污染物在土壤中的消除。 1 土壤污染的现状 相对于大气环境和水环境而言,土壤环境的污染源更为复杂,作为有机农药、化肥的直接作用对象,并随着社会发展需求,使得土壤污染物的种类极为繁多。目前,全球生产和使用的农药已达 1 300 多种,其中被广泛使用的达 250多种。我国也已经迈入了世界农药生产和使用大国,现在,我国每年施用逾 80 万100 万 t 的化学农药,其中有机磷杀虫剂占 40%,高毒农药达到%,且有的化学性质稳定、在土壤中存留时间长2-4。大量的农药流失到土壤中,造成土壤环境受到严重污染,影响了农业的可持续发展。造成我国土壤农药污染的农药主要是有机氯与有机磷 2 类。尽管 1985年起,我国就已禁用有机氯农药,但因早期大量使用及其难降解性,土壤中仍有残留,造成作物污染。目前,土壤污染物可以分为传统污染物及新型污染物。 传统污染物 一是传统化学污染物。其又可分为无机污染物和有3 / 13机污染物两大类,其中传统无机污染物包括汞、镉、 铅、砷、铬等,过量的氮和磷等植物营养元素以及氧化物和硫化物等,传统有机污染物包括 DDT、六六六、狄氏剂、艾氏剂和氯丹等含氯化学农药以及 DDT 的代谢产物 DDE 和 DDD,石油烃及其裂解产物,以及其他各类有机合成产物等。二是物理性污染物。指来自工厂、矿山的各种固体废弃物。三是生物性污染物。指带有各种病菌的城市垃圾和由卫生设施(包括医院、疗养院)排出的废水和废物以及农业废弃物、厩肥等。四是放射性污染物。主要存在于核原料开采、大气层核爆炸地区和核电站的运转,以锶和铯等在土壤环境中半衰期长的放射性元素为主。在这些众多的污染物种类中,以土壤的化学污染物最为普遍、严重和复杂5。 新型污染物 近年来,土壤新型污染物受到关注,这类污染物的特点是在土壤环境中的浓度一般较低,但对生态系统的危害和对人体健康的影响较大。这些新型土壤污染物目前主要有四大类6-7:一是各种兽药和抗生素对土壤环境的污染。随着动物饲养业和畜牧业的发展,畜禽养殖污染中一个重要的问题就是这些兽药通过动物的排泄以及其他方式导致土壤环境的污染。与兽药污染相对应的是各种抗生素的土壤4 / 13污染。随着医学事业的发展,各种抗生素将得到日益广泛的应用,由此导致的土壤污染可能会更加复杂。二是大部分溴化阻燃剂在土壤环境中有很高的持久性,能够通过食物链和其他途径累积在人体内,长期接触会妨碍人体大脑和骨骼的发育,并且可能致癌,因此引起人们关注。随着电子工业的不断发展以及各种电子产品的逐渐报废,各种阻燃剂将以各种方式进入土壤环境中,从而造成对土壤的污染。三是“特富龙”不粘锅中使用的化学物质“全氟辛酸铵”以及芳香族磺酸类污染物对土壤的污染。其中,全氟辛烷磺酸(PFOS)是纺织品和皮革制品等防污处理剂的主要活性成分,在民用和工业化产品生产领域用途非常广泛。尽管目前尚没有土壤环境中存在含量的数据,但由于 PFOS 本身的难分解性、生物高蓄积性和污染的广泛性,有关其土壤环境的污染问题势必将被暴露出来,并成为土壤环境污染化学面临的新课题。四是含有过敏源的植物及花粉对土壤的污染。在法国,近年来发现 1 种或许起源于北美的豚草属植物(Ambrosiaartem isiifolia)及其花粉,特别是这种花粉由于含有多种潜在的过敏源,能在夏天导致严重的干草热以及哮喘疾病,成为引起人们关注的一种新型土壤污染物。 2 土壤环境因子对有机污染的影响 5 / 13土壤中的微生物、温度、水分、气候、土壤机械组成、含水率、植物根际环境、pH 值、二氧化碳浓度等因素对土壤中有机物的分解与转化有很大的影响。除了有机污染物本身的难降解性以及生物迁移性会对有机物降解速率和效果产生影响外,土壤环境因子也会对有机污染物的迁移转化造成一定的影响。 土壤微生物 有机污染物在土壤中的降解分为非生物降解与生物降解两大类,在生物酶作用下,农药在动植物体内或是微生物体内外的降解即生物降解。微生物降解是指利用微生物降解有机污染物的生物降解过程,降解微生物有细菌、真菌和藻类。虽然在厌氧和需氧条件下多氯化合物都可以降解,但是在厌氧条件下降解速率更快。尽管在好气条件下土壤也有很多分解菌存在,但是在好气的旱田条件下,由于有机氯污染物被土壤吸附,生物活性降低,可以长期残留8。微生物降解是消除有机氯农药的最佳途径,通常药剂在土壤中的分解要比在蒸馏水中的分解快得多,将土壤灭菌处理后,药剂在大部分土壤中对有机污染物的分解速率明显受到抑制。 6 / 13迄今为止,已从土壤、污泥、污水、天然水体、垃圾场和厩肥中分离得到可降解不同农药的活性微生物。活性微生物主要以转化和矿化 2 种方式,通过胞内或胞外酶直接作用于周围环境中的农药。尽管矿化作用是消除环境中农药污染的最佳方式,但是自然界中此类微生物的种类和数目十分缺乏,而转化作用却相当普遍,某一特定属种的微生物以共代谢方式实现对农药的转化作用,并同环境中的其他微生物以共代谢的方式最终将农药完全降解。 研究显示 DDT 的分解菌至少涉及 30 个属,其中包括细菌、酵母、放线菌、真菌以及藻类等微生物。六六六的分解菌除了很早知道的生芽孢梭芽孢杆菌和大肠杆菌外,Matsu mura 等人从各种环境中分离出 71 株有分解六六六能力的细菌、真菌菌株。这些分解菌包括好气性、基本嫌气性、嫌气性等各种细菌以及真菌9。 常规环境条件下能降解目标污染物的微生物数量少,且活性比较低,当添加某些营养物包括碳源与能源性物质或提供目标污染物降解过程所需因子,将促进与降解菌生长相关联的有机物的降解代谢,即微生物只能使有机污染物发生转化,而不能利用它们作为碳源和能源维持生长,必须补充7 / 13其他可以利用的基质,微生物才能生长。在共代谢过程中,微生物通过酶来降解某些能维持自身生长的物质,同时也降解了某些非微生物生长必需的物质。 土壤温度 气候变暖是当今全球性的环境问题,大气中 CO2 浓度的不断增加对全球气候变化起着极其重要的作用。土壤中CO2 的排放主要来自土壤原有有机质和外源有机物(如植物的凋落物、根茬及人为的有机污染物投入)的分解过程10。全球气候不断增暖将改变各地的温度场、蒸发量和降水量,而这些变化又影响着土壤有机污染物的分解。土壤温度影响土壤微生物和酶活性及土壤中溶质的运移,还影响土壤反应的速度和土壤呼吸速率,最终影响土壤中有机污染物的降解转化。在一定温度范围内,温度升高会促进土壤有机污染物的分解,但随着温度的进一步升高,土壤有机污染物对温度的响应程度降低。Miko 发现,在平均温度为 5 时,温度每升高 1 将会引起全球范围内 10%土壤有机污染物的丧失;而在平均温度为 30 时,温度每升高1 将会使得有机污染物丧失 3%11。 但是,在冷冻条件下关于土壤有机污染物的分解和微8 / 13生物的活性还存在分歧。Neilson 研究了冷冻对碳和氮循环的影响,发现冷冻加快了土壤碳和氮的循环速率,但不同植被品种、土壤层次和冷冻程度所增加的幅度不同,而且在冷冻程度非常大时,会促进土壤呼吸和二氧化氮的流量和矿化。 土壤 pH 值 土壤的 pH 值对有机污染物的吸附有很大的影响,一般来说,pH 值越低,土壤对有机污染物的吸附能力越强。土壤酸碱性通过影响组分和污染物的电荷特性、沉淀溶解、吸附解吸和络合平衡来改变污染物的毒性,土壤酸碱性还通过土壤微生物的活性来改变污染物的毒性。pH 值对有机污染物如有机农药在土壤中的积累、转化、降解的影响主要表现为:一是土壤的 pH 值不同,土壤微生物群落不同,影响土壤微生物对有机污染物的降解作用,这种生物降解途径主要包括生物氧化和还原反应中的脱氯、脱氯化氢、脱烷基化、芳香烃或杂环破裂反应等。二是通过改变污染物和土壤组分的电荷特性,改变两者的吸附、络合、沉淀等特性,导致污染物浓度的改变。 9 / 13土壤水分 土壤水分是土壤中水溶性成分的运输载体,也是土壤反应得以正常进行的介质。王彦辉认为森林土壤有机污染物的分解速率在很大程度上受控于环境条件,其中含水量起着决定性作用,最佳含水量为被分解物饱和含水量的70%90%,极度干旱或水分过多都会限制土壤微生物的活动,明显降低土壤中有机污染物的分解速率12。但是,Olivier认为在淹水条件下有机污染物料的分解速率加快,在长期的淹水条件下厌氧微生物反复利用腐解发酵的有机物料,会导致较低的净残留碳的矿化13。这与淹水、嫌气条件下有机物料的分解速率慢于旱地、分解量低于旱地的传统概念不同。 在非淹水条件下,温度对有机碳分解的影响随着分解时间的延长而逐步减小。淹水条件下培养 7 d 以后,温度对供试物料有机碳分解的影响不随培养时间的变化而变化。当土壤含水量为 300、500 g/kg 时,供试物料的有机碳分解最快,而土壤含水量为 200 g/kg 和淹水条件下的有机碳分解较慢,空白对照培养结果显示土壤有机碳的分解速率随着水分含量的提高而加快14。在相同的水热条件下,有机碳的分解量与土壤黏粒含量呈负相关。 10 / 13不同的土壤含水量对土壤中植物残体的分解速率和土壤腐殖质组分(胡敏酸和富里酸) 数量的影响仍存在争议。由于常规研究土壤有机污染物动态变化的方法存在不足,所以可以通过同位素示踪方法(14C 示踪法或 13C 自然丰度法)进一步定量研究。利用同位素示踪技术可以区分原有土壤有机质与外源有机物分解转化形成的土壤新有机质,从而了解土壤中植物残体分解转化的动态变化规律。 土壤机械组成 土壤质地的差异形成不同的土壤结构和通透性状,因而对环境污染物的截留、迁移、转化产生不同的效应。由于黏土类富含黏粒,土壤物理性吸附、化学吸附及离子交换作用强,具有较强的保肥、保水性能,同时也把进入土壤中的污染物质的有机、无机分子、离子吸附到土粒表面保存起来,增加了污染物转移的难度。 在黏土中加入砂粒,可相对减少黏粒含量,增加土壤通气孔隙,可以减少对污染物的分子吸附,提高淋溶的强度,促进污染物的转移,但要注意到因此可能引起的地下水污染等问题。砂质土类的优点是有机污染物容易从土壤表层淋11 / 13溶至下层,减轻表土污染物的数量和危害;但是有可能进一步污染地下水,造成二次污染。壤土的性质介于黏土和砂土之间,其性状差异取决于壤土中砂、壤粒含量比例,黏粒含量多,性质偏于黏土类,砂粒含量多则偏于砂土类。 一般而言,黏性土壤中的空气较砂性土壤少,好气性微生物活性受到抑制,土壤黏粒具有保持碳的能力,其含量影响外源有机物(有机化合物、植物残体)及其转化产物的分解速率。随着土壤黏粒含量的增加,土壤有机碳和土壤微生物量碳也增加,土壤有机碳与黏粒含量呈正相关,随着土壤黏粒含量的增加,碳、氮矿化量减少,但矿化部分的碳氮比并不受土壤质地的影响。 气候及二氧化碳含量 气候变化通过影响土壤水分、溶质运移和温度的变化来影响微生物的活动,从而引起土壤中有机污染物含量的变化。凉爽季节向温暖季节转化会导致土壤有机碳的损失,热、湿润的气候有利于有机污染物的分解。在秋季和冬季,土壤中微生物数量增加;在春季积雪融化后,土壤中微生物数量迅速下降,这种微生物群落的动态变化与植物碳、氮的有效性相关联。 12 / 13大气 CO2 浓度升高提高了植物的光合作用,使20%50%光合产物通过根系分泌或死亡输入土壤,从而间接影响土壤生态系统。有些学者认为 CO2 浓度升高,会增加输入土壤的碳量,刺激土壤微生物的生长和活性,加强土壤的呼吸作用,增加了土壤中有机物的分解速率15。多数研究是在土壤植物系统中进行的,CO2 浓度升高通过增加植物同化碳来增加根