土壤重金属污染修复

1、土壤重金属污染修复1概述土壤是植物生长的基质, 主要指陆地地表具有肥力并能生长植物的疏松表层。它介于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间, 是环境中特有的组成部分, 是动物和人类赖以生存的物质基础, 因此, 土壤质量的优劣直接影响人来的生产、生活和发展。我国人多地少、土地资源短缺、人地矛盾突出, 而工农业生产和矿产品的开发, 土壤中重金属含量逐年增加, 其造成的污染也日益严重。防治土壤污染, 保护有限的土壤资源, 已成为突出的全球性问题。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性, 污染物在土壤中的滞留时间长, 植物或微生物不能降解, 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

2、能通过直接接触、食物链危及人类的生命和健康。因此, 修复重金属污染土壤, 恢复土壤原有功能, 一直是国际上的难点和热点研究课题。2修复途径目前, 重金属污染的修复主要有两种途径: 改变重金属的存在状态, 降低其活性, 使其钝化, 脱离食物链, 减小其毒性。利用特殊植物吸收土壤中的重金属, 然后将该植物除去, 或用工程技术将重金属变为可溶态、游离态, 再经过淋洗, 然后收集淋洗液中的重金属, 从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的国内外采用的方法一般可分为工程措施、农业措施、改良措施和生物措施。文章就近年来重金属污染土壤修复技术的原理、优缺点、实用性及其发展趋势作一简述, 以便于今后的研

3、究。2.1改良措施改良措施就是施用改良剂、抑制剂等能有效地降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性, 从而降低它们进入植物体、微生物体和水体的能力, 减轻它们对生态环境的危害。当前采用的改良措施有固化法、拮抗作用、添加还原性有机物质等。所谓固化就是加入土壤添加剂( 固化剂) 改变土壤的理化性质, 通过重金属的吸附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态, 从而降低其生物有效性和迁移性。重金属在土壤中的可移动性是决定其生物有效性的一个重要因素, 而移动性取决于其在土壤中的存在形态, 土壤的理化性质如有机质含量、矿物组成、pH值和Eh 值均可影响重金属的形态及各种形态之问的转化, 通过改变这些参数来调节

4、重金属在土壤中的移动性固化方法就是加人土壤添加剂( 固化剂) 改变土壤的理化性质, 通过重金属的吸附或( 共) 沉淀作用来降低其生物有救性污染土壤中的毒害重金属被固定后,不仅可减少向土壤深层和地下水迁移, 而且有可能重建植被。然而固化方法并不是一个永久性的措施。2.2生物修复( bioremediation) 是指利用微生物或植物的生命代谢活动, 将土壤环境中的危害性污染物降解成二氧化碳和水或其他无公害物质的工程技术。目前对于这一措施的修复技术主要有植物修复和微生物修复两种。植物修复是利用植物及其根系微生物对污染壤、沉积物、地下水和地表水中的污染物进行的清除技术, 是一种有效的生物技术。对重金

5、属污染土壤的植物修复, 具有廉价、就地、土壤免遭扰动的优点。重金属超积累植物, 虽然早有发现但是作为一种技术对污染土壤进行修复, 是近20年来新兴的研究领域。美国农业部的、英国大学的、新西兰大学的和他们的同事及其他一些科学家开拓和积极倡导的重金属污染土壤的植物修复, 是备受推崇的技术, 并且可望逐步实现商化。例如, 在巴西还有利用镍的超富集植物进行小规模植物冶金, 其效益比种植大豆要好很多。有些微生物具有嗜重金属性, 这种高积累的特性是由于自身的基因类型, 也可能与根际的微植物群落有关。它们利用微生物对重金属污染介质进行净化。在水体污染中被证明是一种很好的方法。如果用于土壤环境的处理, 可能是

6、一种行之有效的方法, 目前已进行了积极研究。据报道, 日本发现一种嗜重金属菌, 能有效的吸收土壤中的重金属, 但存在着土壤与细菌分离的难题。如果得到妥善的解决, 将是一种很有发展前景的处理方法。3应用现状及发展前景微生物降解有机污染物的技术在废水处理中的应用已有几十年的历史，而将微生物降解技术有意识地大规模地应用于受污染的土壤治理仅仅是十几年的事。美国、日本、欧洲等发达国家对微生物修复技术进行研究，并完成了一些实际的处理工程，结果表明这种技术是有效的、可行的。国外在利用微生物修复技术清除土壤中石油等有机污染物的应用实例较多。美国犹他洲某空军基地对航空发动机油污染的土壤采用原位生物降解的方法，通

7、过喷湿土壤，使土壤湿度保持在8 一12范围内，同时添加N、P等营养物质，并在污染区打竖井抽风，以促进空气流动，增加氧气的供应。经过l3个月后，土壤中平均油含量下降了90 。海湾战争期间，科威特被破坏的油田流出的原油造成非常多油污染土壤，使20的国土受到了污染。日本大林组公司1994年开始赴科威特，与该国科研人员一起进行生物净化修复的应用实验。向含油2 一40 的土壤中添加氮、磷等微生物营养要素及木屑等添加物，通过采取土地耕耘、大面积翻地、大面积强制通风等方法，并同时适当管理土壤的水分和氧气，经过15个月的处理，取得了良好效果，采用耕耘法，可使土壤中所含油分分解85 ，其它两种方法也可分解75%

8、。重金属污染土壤修复技术的研究和应用虽然有了一定的发展, 但仍处于试验开发阶段, 还有一些理论和技术问题需要突破。在各种修复技术中, 物理化学修复技术虽然效果很好, 但是费用昂贵、工程量大。在中国, 重金属污染土壤的修复, 在过去20 年中, 得到了很大的重视, 政府也在积极着手制定策略以修复污染土壤, 可是由于修复的费用比较昂贵, 难以应用于大规模污染土壤的改良。而且常常导致土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化, 以及在实施时存在着这样或那样的缺点及条件限制。从而, 当前迫切需要开展土壤学、遗传学、农业、化学、植物学、微生物学、环境和生态学等多学科的紧密合作, 研究和开发修复的应用技术, 从

9、而加快重金属污染土壤修复的步伐。目前利用微生物处理污染土壤的研究方向主要集中在如下几个方面：高效降解菌株的筛选和基因T程菌的开发；营养物质添加；拟降解对象的物理化学性质等研究。3.1 高效降解菌株的筛选和基因工程菌的开发 土著微生物虽然在土壤中广泛地存在，但其生长速度较慢，代谢活性不高，或者由于污染物的存在造成土著微生物的数量下降，致使降解污染物的能力降低，因此有时需要在污染土壤中接种一些降解污染物的高效菌，以缩短修复时间。如在实验室条件下，30时每g土壤接种106个五氯酚(PCP)降解菌，可以使PCP的半衰期从2周降低到1d。近年来，采用生物遗传工程的手段研究和构建高效的基因丁程菌引起了人们

10、的普遍关注。具体技术包括：组建带有多个质粒的新菌株、降解性质粒DNA的体外重组、质粒分子育种和原生质体融合技术等。采用这些技术可将多种降解基因转入同一微生物中，使其获得广谱的降解能力。例如将甲苯降解基因Peseudomonas putida转移给其他微生物，从而使受体菌在0 时也能降解甲苯，这比简单地接种特定的微生物、使之艰难而又不一定成功地适应外界环境要有效得多。尽管利用遗传工程提高微生物降解能力的工作已取得了良好的效果，但是目前在美国、日本和其他大多数国家对工程菌的实际应用有严格的立法限制。从科学的观点来看，决定是否将一种微生物施于环境主要应基于该微生物的生物特性(如致病性等)，而不是看它

11、究竟是如何得来的，过分严格的立法和不切实际的宣传会阻碍现代环境微生物技术在污染治理中的推广应用，因而不应放弃微生物遗传工程这一20世纪辉煌的科学成就，而应谨慎地、实事求是地进行研究，并将这一成就应用于环境污染的治理中，以改善生态环境和造福人类。3.2 营养物质的添加在土壤中，氮、磷都是微生物活动的重要条件，为了达到对污染物的完全降解，适当添加营养物是非常必要的。为了达到良好的降解效果，必须在添加营养盐之前确定营养盐的形式、合适的浓度及比例。目前已经使用的营养盐类型很多，如铵盐、正磷酸盐或聚磷酸盐、尿素和酿造酵母废液等。虽然可以在理论上估算N、P的需要量，但一些污染物的降解速度太慢，且不同地点N、P的可得性变动很大，计算值与实际值会有较大的偏差。目前一些外国商业公司对特定的应用环境开发出相应的强化生物修复的肥料，如用石蜡包埋的尿素或正磷酸盐，这种配方的营养物可以溶于油相，缓慢释放，对于处理石油类污染物效果显著。33 拟降解对象的物理化学性质 了解污染物的类型(酸性、碱性或中性，极性或非极性，氧化性或还原性)、污染物的物理性质(分子量、熔点、结构和水溶性、脂溶性等)、化学反应性(氧