重金属污染研究进展

重金属土壤污染研究进展摘要：重金属污染以成为举世瞩目的问题，全世界各国的土壤都存在着不同程度的重金属污染，其危害之大，之广是当今社会所不能忽视的。

本文章重在对重金属土壤污染地区，污染程度以及土壤重金属污染的相关和最新治理方法进行综合概括，希望能提高对重金属污染的认识并引起相关人员的足够重视。

1 土壤重金属污染随着工农业生产的迅速发展，进入土壤环境中的有毒有害物质日益增多，重金属和有机物是2种主要的污染源【1】。

重金属作为一类危害很大的土壤污染物，具有移动性小，周期长，易积累，毒性大等特点。

目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放Hg约1．5万t、Cu为340万t、Pb为500万t、Mn为1500万t、Ni为100万t【2】，其中，镉以移动性大、毒性高、污染面积最大被称为“五毒之首”【3，4】。

据报道，我国土壤镉污染面积约为13300 hm2，土壤镉含量达1～10 mg·kg，致使生产的农产品镉超标率约10．2％，对动物和人类的健康造成了严重威胁【5,6】。

我国农田土壤中的重金属主要是随农药、化肥和地膜等重要的农用物资和用未经处理或处理不达标的工业废水或城市生活污水等进行农业灌溉所引起的。

农药、化肥和地膜是重要的农用物资，对农业生产的发展起着重大的推动作用，但长期不合理施用，也可以导致土壤重金属污染。

绝大多数的农药为有机化合物，个别农药在其组成中含有Hg、As、Cu、Zn等重金属。

近年来，农业中广泛使用地膜，但由于地膜生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，增加了土壤重金属污染【7】。

在我国，局部、小规模利用城市工业和生活污水进行农田灌溉已经有近百年的历史，大规模的污灌始于20世纪50年代，近年来污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分，污灌面积迅速扩大，以北方旱作地区污灌最为普遍，约占全国污灌面积的90％以上，南方地区的污灌面积仅占6％，其余在西北和青藏【8】。

据农业部进行的全国污灌区调查，在约140万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64．8％，其中轻度污染的占46．7％，中度污染的占9．7％，严重污染的占8．4％。

自20世纪70年代以来，北京市东南郊长期的污水灌溉已经引起了土壤以及稻米、小麦等粮食作物中镉等重金属元素的积累，局部地区蔬菜重金属的含量已经超标【10】。

2001年朱桂珍对北京市东南郊污灌区土壤重金属污染情况进行了调查【11】，与70年代末期的情况进行了比较，结果显示通惠河污灌区土壤的铅有升高，凉水河污灌区的铅、锌、镉、汞都有明显升高。

2 土壤重金属污染的危害据报道，我国受重金属污染的农业土地约2500万hm2，每年被直接污染的粮食达1200万t【12，13】，通过食物链富集到人和动物体中，引发癌症和其他疾病等。

如日本的“水俣病”和“骨痛病”事件，都是因为消费者长期食用受Hg和Cd重金属污染食品所引起的。

因此，土壤重金属污染已经引起各国的高度重视，修复重金属污染土壤是从根本上保证了食物的安全性。

怎样低投入、高成效地修复被重金属污染的土壤，成为各国研究的焦点。

3 土壤重金属污染治理方法目前，国内外研究土壤重金属污染的治理途径主要从3个方面着手，一是改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定和稳定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性【14】；二是从土壤中去除重金属，利用特殊植物吸收后把该植物除去，或用工程技术把土壤中的重金属变为可溶态、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；三是使污染地区与未污染地区隔离。

根据具体的处理手段，又分为以下几种技术：3.1 物理修复物理修复主要是指换土、翻土等传统的土壤修复方法，即去表层土或将土全部换掉，换成干净的土壤，使污染物浓度下降到临界危害浓度以下或减少污染物与根系的接触，从而达到减轻危害的目的。

这种物理措施被认为是改良土壤的根本措施【15】，其优点是改良彻底，适于小面积土壤改良，对于大面积的土壤改良，工程量大，难以推行。

3.2 化学修复化学修复【16】是指根据土壤和重金属的性质，向土壤中施改良剂、沉淀剂、增溶剂、抑制剂等，对重金属进行沉淀、吸附、氧化、还原等作用，降低重金属的生物有效性。

常用的改良剂有石灰、骨炭、沸石、磷酸钙、碳酸钙、硅酸盐和促进还原作用的有机物质等。

王永强【17】等将向铜铅镉复合污染土壤添加骨炭和沸石后，土壤pH值提高了2.21和2.29个单位，土壤有效态重金属含量显著降低。

3.3 生物修复生物修复是指利用生物的某些习性来适应、抑制和改良重金属污染。

与其他传统方法相比，生物修复具有治理效果好、无二次污染、运行成本低等特点，是目前世界范围内的研究热点，也是土壤污染治理的环境友好技术。

生物修复技术主要包括微生物修复、动物修复和植物修复3种类型。

3.4 微生物修复土壤重金属污染的微生物修复主要包括生物吸附和生物氧化-还原两方面。

生物吸附是重金属被生物体吸附，如蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类能够产生具有大量阳离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，并与重金属形成络合物；生物氧化-还原是微生物对重金属离子进行氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用，降低土壤环境中重金属含量。

Fred等【19】研究表明，根菌Glomus in-traradices可以提高向日葵对Cr的耐性，促进向日葵对Cr的吸收。

一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量阴离子的基团，与重金属离子形成络合物【20】。

微生物修复技术运行成本低，对土壤肥力和代谢活性没有影响，可以避免污染物转移而产生对人类健康和环境的影响。

但是在自然环境中，微生物通常不能讲解和破坏重金属，并且微生物个体太小，吸附的重金属很难从土壤中去除，因此仍然需要分子工程技术等方面的改进，使其能在各种环境下更好、更广泛地应用。

动物修复动物修复技术是利用土壤中的某些低等动物如蚯蚓、鼠类等吸收土壤中的重金属，达到减少或消除重金属污染的目的。

其机理是由于它们的生物体普遍存在一种金属硫蛋白（能与重金属结合形成毒或无毒的络合物），同时生物体还能代谢产生一些含—SH的多肽（如PC），能与重金属螯合，从而改变了体内金属转运蛋白的基因（如最早克隆的Zn转运蛋白基因、Fe转运蛋白基因）【21】，此种途径虽能在一定程度上减少土壤中的重金属，但低等动物吸收这两点使得这些动物对金属的抗性有了极大的提高。

重金属后可能再次释放到土壤中造成二次污染。

陈志伟等【22】用威廉环毛蚯蚓进行试验，发现向土壤投加Hg10 mg/kg，蚯蚓能存活；投加As100～300mg/kg 及同时投加Cd、Cu、Pb各10mg/kg、300mg/kg 和300mg/kg，蚯蚓已不能成活，蚯蚓对重金属的富集系数以砷为最大，其次为Cd、Hg、Cu。

由此可见，在重金属污染的土壤中放养蚯蚓，待其富集重金属后，采用电激、清水等方法驱出蚯蚓，集中处理，对重金属污染土壤也有一定的治理效果。

wang等【23】研究表明，在较低Cu浓度污染土壤的条件下，蚯蚓的活动、分泌物及其相互间的作用可以提高黑麦草对重金属Cu的吸收效果。

3.5 植物修复植物修复实际上是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理（如灰化回收）后可将该种重金属移出土壤，达到污染治理与生态恢复的目的【24】。

有些植物具有非凡的积累金属元素的能力，被称为“超量累积植物”或“超富集植物”。

“超积累植物”是指能将土壤中某些重金属元素富集到植物地上部分并达到干重0.1%或地下部分重金属元素浓度与其在植物根中的浓度之比超过1的植物【25，26】。

利用植物修复的方法来治理重金属污染具有成本低、不破坏土壤生态环境、造成二次污染的机会较少等优点。

根据修复植物在某一方面的功能和特点可将植物修复分为以下几种类型。

（1）植物提取。

植物提取是指利用重金属超积累植物从土壤中吸收重金属污染物，并将其转移到地上部分，通过收割地上部分集中处理，使土壤重金属含量降低到可接受水平的一种方法。

植物提取修复是目前研究最多且最有发展前途的一种植物修复技术。

植物提取技术的关键是选择具有能耐受重金属污染、生物量大、生长快、抗病虫害能力强和具备对多种重金属较强的植物。

目前国内外已发现重金属的超积累植物500多种，其中锰超积累植物商陆，As超富集植物蜈蚣草，以及Cu超富集植物海州香薷等【27】。

（2）植物挥发。

植物挥发是指利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，并将之挥发出土壤和植物表面。

一些植物在植物体内能将硒和汞等甲基化而形成可挥发性的分子，释放到大气中去。

硒以硒酸盐、亚硒酸盐和有机态硒为植物所吸收。

某些湿地植物可清除土壤中的硒，其挥发态占20%～25%，可还原成低毒性的CH3SeCH3和CH3SeSeCH3，高毒性的硒可被杨麻根系分泌物转变成低毒性的气态甲基硒挥发【28】。

汞在土壤中以多种形态存在，如无机汞、有机汞。

Adle等研究表明，单质汞的毒性较小，有机汞的毒性较强，高毒汞可经植物气化后变成低毒汞。

但这种将挥发性重金属转移到大气中的做法，有可能带来新的环境风险，因此，植物挥发修复应用范围较小。

（3）植物固化。

植物固化是指利用一些植物来促进重金属转变低毒性形态的过程。

在这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。

它保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移，还通过金属根部的积累和沉淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。

一般来说，土壤中铅的生物有效性较高，而铅的磷酸盐矿物则比较难溶，难于为生物所利用。

目前研究较多的植物固定化主要有腐殖化、木质化和老化3种方式。

4 结束语土壤重金属污染来源广、毒性大，因此在未来很长时间内重金属污染仍将是我国乃至世界所面临的重要环境问题之一，迫切需要解决。

但对于不同种类、不同性质的重金属污染事件应有针对性地选择合适的修复方法，另外将物理、化学、生物等修复手段综合应用于处理污染问题将是重金属污染修复技术的发展方向之一。

因此，继续推进生物修复技术的发展，同时，将物理、生物、化学修复手段结合起来，更好地治理土壤重金属的污染。

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