土壤重金屬污染現狀及其治理方法

申瑞玲　郝云龍　蔣士飛

摘要：隨著社會的快速發展，土壤重金屬污染日益嚴重。本文介紹了土壤重金屬污染的現狀，治理和修復技術的基本原理和方法，給出了各種重金屬污染治理與修復方法的優缺點和適用范圍，并對土壤重金屬污染修復技術研究進行了展望。

關鍵詞：土壤重金屬污染 生物修復 超積累植物

引言

隨著社會的快速發展，土壤重金屬污染日益嚴重。土壤重金屬污染是指土壤中重金屬過量累積引起的污染，污染土壤的重金屬包括生物毒性顯著的元素如Cd、Pb、Hg、Cr、As，以及有一定毒性的元素如Cu、Zn、Ni，這類污染范圍廣、持續時間長、污染隱蔽、無法被生物降解，將導致土壤退化，農作物產量和質量下降，并通過徑流、淋失作用污染地表水和地下水。過量重金屬將對植物生理功能產生不良影響，使其營養失調。汞、砷能抑制土壤中硝化、氨化細菌活動，阻礙氮素供應。重金屬可通過食物鏈富集并生成毒性更強的甲基化合物，毒害食物鏈生物，最終在人體內積累，危害人類健康。因此涌現了許多修復技術，其基本原理是將重金屬清除或改變其在土壤中的存在形態，降低遷移性和生物可利用性。

一、何為重金屬污染

重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環境污染。重金屬指比重大于5的金屬，（一般指密度大于4.5克每立方厘米的金屬），約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、釩、鈮、鉭、鈦、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。盡管錳、銅、鋅等重金屬是生命活動所需要的微量元素，但是大部分重金屬如汞、鉛、鎘等并非生命活動所必須，而且所有重金屬超過一定濃度都對人體有毒，汞，鎘，鉛，砷，鉻稱為“五毒”元素，含有汞、鎘、鉻、鉛及砷等生物毒性顯著的重金屬元素及其化合物對環境的污染較大。

二、重金屬污染的特點

（一）重金屬污染的特點

重金屬產生毒性的濃度范圍較低；一般情況下，重金屬不能被微生物降解，只能發生形態的轉化；毒性與存在的形態和價態有關；重金屬污染多為復合污染，來源較為復雜，常以無機和有機混合物的形式進入環境，同時含有多種金屬，共同產生一定的協同作用或拮抗作用，對生物和生態系統產生影響；重金屬通過食物鏈進行生物放大，進入人體，對人體產生慢性中毒。

（二）重金屬污染在土壤中的特點

在土壤環境中重金屬污染特點可以分為兩部分：一是土壤環境中重金屬自身的特點，二是區別與水體和大氣等介質中的特點。

重金屬在土壤中形態變換較為復雜，多為過渡元素，有著較多的價態變化，且隨環境Eh，pH配位體的不同呈現不同的價態、化合態和結合態，毒性與價態和化合物的種類有關，有機態比無機態的毒性大；重金屬在土壤環境不易被察覺，不會降解和消除，遷移轉化形式多樣化，分布呈區域性；在生物體內積累和富集，在人體內呈慢性毒性過程。

三、重金屬污染的來源

重金屬污染來源于自然界的地質活動和人類的生產活動。自然污染源為火山爆發、地震、重金屬礦物的風化和礦化、泥石流和水土流失等；人為污染源包括工業三廢、礦山的開采和冶煉、金屬腐蝕、化肥和農藥的施用、城市生活垃圾、污灌、污泥的農田使用、森林與木材工業、運動與休閑活動、汽車尾氣和大氣沉降等。

四、重金屬污染的危害

（一）對植物的危害

（1）對植物的光合作用和蒸騰作用強度的影響，一般隨著重金屬污染程度的加重，光合作用和蒸騰作用的強度逐漸降低。鉛對植物的危害表現為葉綠素下降，阻礙植物的呼吸及光合作用。谷類作物吸鉛量較大，但多數集中在根部，莖稈次之，籽實中較少，因此鉛污染的土壤所生產的禾谷類莖稈不宜作飼料。

（2）對植物細胞超微結構的影響，會導致核膜內陷或核變形腫脹、核仁破碎。對種子生活力的影響，導致胚發育受阻，有絲分裂減慢。砷對植物危害的最初癥狀是葉片卷曲枯萎，進一步是根系發育受阻，最后是植物根、莖、葉全部枯死。

（3）對植物生長的影響，導致植株矮小，生長緩慢，葉面積下降，葉片失綠，作物產量下降，品質下降。汞對植物的危害因作物的種類和生育而異。汞在一定濃度下使作物減產，在較高濃度下甚至使作物死亡。不同植物對汞吸收能力是：針葉植物>落葉植物，水稻>玉米>高粱>小麥，葉菜類>根菜類>果菜類。

（4）對植物生理生化的影響，導致植物呼吸作用下降。

（二）常見重金屬對人體的危害

（1）汞汞及其化合物對人體的損害與進入人體的量有關，汞對人體的危害主要累及中樞神經系統、消化系統及腎臟，此外對呼吸系統、皮膚、血液及眼睛也有一定影響。

（2）鎘鎘進入人體后，會得骨痛病，損傷腎小管，出現糖尿病，引起血壓升高，出現心血管病，甚至還有致癌、致畸的報道。

（3）鉛鉛對動物的危害則是累積中毒，人體中鉛能與多種酶結合從而干擾有機體多方面的生理活動，導致對全身器官產生危害。

（4）鉻鉻對人體與動物也是有利有弊，人體中含鉻過低會產生食欲減退癥狀，但飲水中超標400倍時，會發生口角糜爛、腹瀉、消化紊亂等癥狀。

（5）砷砷對人體危害很大，它能使紅血球溶解，破壞正常生理功能，甚至致癌等。

五、土壤重金屬污染修復技術

（一）工程措施

主要包括客土、換土和深耕翻土等措施。輕度污染的土壤用深耕翻土，重污染區常用客土和換土法。工程措施治理土壤重金屬污染徹底、穩定，但工程量大、投資費用高，破壞土體結構，引起土壤肥力下降，并且還要對換出的污土進行堆放或處理。

（二）物理修復

（1）電動修復

通過電流使土壤中的重金屬離子（如Pb、Cd、Cr、zn等）和無機離子以電透滲和電遷移的方式向電極運輸，再集中收集處理。該方法適用于低滲透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流動方向。在沙土上的實驗，土壤中Pb²⁺、Cr³⁺等重金屬離子的除去率也可達90%以上。電動修復不攪動土層，修復時間短，是一種經濟可行的原位修復技術。

（2）電熱修復

利用高頻電壓產生的電磁波對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內解吸出來，加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離，從而達到修復的目的。該技術可以修復被Hg和Se等重金屬污染的土壤。

（3）土壤淋洗

利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去，再把富含重金屬的廢水進一步回收處理。該技術要求尋找一種既能提取各種形態的重金屬，又不破壞土壤結構的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液，包括有機或無機酸、堿、鹽和螯合劑。

（三）化學修復

化學修復就是向土壤投入改良劑，將重金屬吸附、氧化還原、拮抗或沉淀，降低重金屬的生物有效性。常用改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質，不同改良劑對重金屬的作用機理不同。化學修復簡單易行，但它只改變了重金屬在土壤中的存在形態，金屬元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。

（四）生物修復

生物修復是利用生物削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。該方法效果好，易于操作，受到人們的重視，日益成為修復污染土壤研究的熱點。

（1）植物修復技術

植物修復技術是一種利用自然界存在或人工培養的植物修復重金屬污染土壤的技術，分為植物提取、植物揮發和植物穩定三種。植物提取是依靠重金屬超積累植物從土壤中吸取重金屬離子，接著收割地上部分并進行處理，連續種植該植物，可有效降低或去除土壤重金屬，目前已發現700多種超積累重金屬植物。超積累一般要求金屬離子在植物中的含量大于0.1%～1%（干重）；當達到這個標準時，回收植物組織中的金屬才具有經濟性，超積累植物一般要求其重金屬含量大于一個臨界值，不同重金屬有超積累作用的植物種的分布也是分布不均勻的。植物揮發是依靠植物根系吸收重金屬，將其轉化為氣態物質揮發到大氣中，目前研究最多的是Hg和Se。植物穩定是依靠耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性，防止重金屬被淋洗到地下水或擴散至空氣中，其機理是讓金屬在根部積累、沉淀或被根表吸收，以達到固化的目的。

（2）微生物修復技術

微生物可降低土壤中重金屬的毒性.吸附積累重金屬，改變根際微環境，達到提高植物對重金屬的吸收，揮發或固定效率的目的。菌根植物的根系通過根面上菌絲與根際圈內的重金屬接觸從而對重金屬產生吸收、屏障和螯合㈣等直接作用。如動膠菌、藍細菌、硫酸還原菌及某些藻類，能夠產生胞外聚合物與重金屬離子結合成絡合物；Macaskie等分離的檸檬酸菌可分解有機質生成HPO_2-4與Cd形成CdHPO₄沉淀；國內研究人員發現有些微生物能把劇毒的甲基汞降解為毒性小、可揮發的單質Hg。

（五）農業生態修復

農業生態修復包括農藝修復和生態修復。前者改變耕作制度，調整作物品種，種植不進入食物鏈的植物，選擇能降低土壤重金屬污染的化肥，或增施能夠固定重金屬的有機肥等來降低土壤重金屬污染；后者調節土壤水分、養分、pH值和土壤氧化還原狀況及氣溫、濕度等生態因素，調控污染物所處環境介質。但該技術修復周期長，效果不明顯。

六、土壤重金屬污染修復技術研究展望

工程措施、物理修復和化學修復重金屬污染土壤，缺點多，大規模處理污染土壤不現實，并且會破壞土壤結構，降低生物活性，使土壤肥力退化，而農業生態措施又周期長，效果不明顯。生物修復以其高效性，良好的社會、生態綜合效益而被大眾接受，應用前景廣闊。以下幾點將成為未來研究的熱點：

（一）超累積植物篩選與培育

超累積植物一般生長緩慢，生物量低，環境適應能力差，且只能吸收一種重金屬。因此，篩選與培育吸收能力強，吸收重金屬種類多，且生物量大的植物是生物修復的一個重點。

（二）基因工程技術的應用

將篩選與培育出的超累積植物和微生物基因導入生物量大、生長速度快、適應性好的植物中去已經實現，所以利用基因工程技術提高植物修復能力將取得突破性進展。

（三）生物修復綜合技術的研究

重金屬污染土壤的修復是一個整體性的工程，需要多種修復技術。植物修復加上化學、微生物及農業生態措施，增加重金屬的生物有效性，促進植物的生長和吸收，能更好地提高土壤重金屬修復的效率。因此生物修復綜合技術前景廣闊。