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农田重金属污染现状
农田重金属污染现状
农田重金属污染现状及修复技术综述
[摘要]
重金属污染因具有毒性、易通过食物链在植物,动物和人体内累积,对生态环境和人体健康构成严重威胁。
随着工业快速发展、农药及化肥的广泛使用,农田土壤重金属污染越来越严重,研究农田土壤重金属污染现状及修复技术对农产品安全具有重要意义。
综合国内外农田土壤重金属污染状况,农田土壤重金属污染主要来源于固体废弃物堆放及处置、工业废物大气沉降、污水农灌和农用物质的不合理施用。
该文综述了国内外有关农田重金属污染土壤修复技术(物理修复、化学修复、生物修复、农业生态和联合修复)的研究进展,并针对各种修复方法,阐述了其原理、修复条件、应用实例及其优缺点
【关键词】农田土壤;重金属;污染;修复技术
1、重金属污染概述
随着矿产资源的大量开发利用,工业生产的迅猛发展和各种化学产品、农药及化肥的广泛使用,含重金属的污染物通过各种途径进入环境,造成土壤,尤其是农田土壤重金属污染日益严重。
目前,世界各国土壤存在不同程度的污染,全世界平均每年排放Hg约1.5×104t、Cu约340万t、Pb约500万t、Mn约1500万t、Ni约100万t[1]。
在欧洲,受重金属污染的农田有数百万公顷[2];在日本受Cd、Cu、As等污染的农田面积为7224hm2[3]。
当前我国受Cd、Hg、As、Cr、Pb污染的耕地面积约2000×104hm2,每年因重金属污染而损失的粮食约1000×104t,受污染粮食多达1200×104t,经济损失至少达200×108元[4]。
重金属污染物不能被化学或生物降解、易通过食物链途径在植物,动物和人体内积累、毒性大,对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁[5]。
因此,农田土壤重金属污染己成为当前日益严重的环境问题,其污染来源和修复技术也一直是国内外研究的热点和难点。
了解农田重金属污染来源对重金属污染修复有着重要的指导意义。
目前,重金属污染土壤的修复技术研究取得了长足发展,主要包括物理、化学、生物、农业生态和联合修复技术。
本文综合了国内外农田重金属污染状况及来源,系统地介绍农田重金属污染土壤修复的不同技术,以及近年来国内外修复重金属污染农田土壤的一些重要案例,对农产品安全生产具有重要意义,同时为农田土壤重金属污染综合治理与修复提供。
2、我国农田重金属污染现状
对我国8个城市农田土壤中Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Hg和As的浓度进行统计分析,大部分城市高于其土壤背景值[6]。
农业部农产品污染防治重点实验室对全国24个省市土地调查显示,320个严重污染区,约548×104hm2,重金属超标的农产品占污染物超标农产品总面积的80%以上。
2006年前,环境保护部对30×104hm2基本农田保护区土壤的重金属抽测了3.6×104hm2,重金属超标率达12.1%[7]。
我国大多数城市近郊农田都受到了不同程度的重金属污染,如南京市土壤已受到Pb、Hg、Cd污染,其中Hg污染比较严重[8];黄浦江中上游地区2010年农用土中Cd、Hg、As、Cr、Pb质量分数分别超过土壤背景值的60%、68%、19%、67%、45%[9];北京市连续5年(2005~2009年)的土壤样品中,近郊农田土壤中Hg、Cd和Pb平均质量分数均高于远郊[10];深圳市2010年土壤Hg质量分数有37%的采样点超过土壤背景值,6%的样品点处于中度以上污染水平[11]。
此外,在贵州、福建、河北、广西、江西、海南、重庆、香港等许多省市地区都发现了不同程度Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn和Ni污染[12]。
3、农田土壤重金属污染的来源
农田土壤中重金属污染主要来源于污染物的大气沉降、污水农灌、农用物质施用和固体废弃物堆放等。
3.1大气沉降
污染物的大气沉降是土壤重金属污染的重要途径。
对抚顺市不同类型大气PM10颗粒中11种重金属含量进行分析,发现Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn和Pb分别是其土壤本底值的777、5.7、291、312、56、135和39倍,相关性和主成分分析表明大气中重金属污染主要来自机动车排放、工业活动和煤的燃烧[13]。
应用的土壤淋洗技术及成套设备研制相对滞后,亟待进一步提高和完善。
4.2.3稳定/固化修复技术
稳定/固化(solidification/stabilization,S/S)土壤修复技术指运用物理或化学的方法将土壤中有害污染物固定起来,或将污染物转化成化学性质不活泼的形态,阻止其在环境中迁移、扩散等活动,从而降低污染物质的毒害程度的修复技术。
玻璃化(vitrification)也属于固化技术,是把重金属污染土壤置于高温高压下(1400~2000℃),形成玻璃态物质一种热固化方法。
常用固化剂分为4类[34]:
无机粘结物质(如水泥、石灰等),有机粘结剂(如沥青等热塑性材料),热硬化有机聚合物(如尿素、酚醛塑料和环氧化物等),玻璃质物质。
化学固定主要通过加入化学药剂或材料,并利用其与重金属之间形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在土壤中的生物有效性和迁移性。
已有大量的改良材料,如多种金属氧化物、黏土矿物、有机质、高分子聚合材料、生物材料被应用[35]。
该技术的关键是寻找价格低廉且环境友好的改良剂。
4.3生物修复技术
生物修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物,实现环境净化、生态效应恢复的生物措施,主要包括植物修复、微生物修复和动物修复。
该方法因具有成本低、操作简单、无二次污染、处理效果好且能大面积推广应用等优点[36],其机理研究及应用前景备受关注。
4.3.1植物修复
植物修复是20世纪80年代初发展起来的,是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术总称[37]。
根据其作用机理,该技术主要包括植物稳定、植物挥发和植物提取[38]。
(1)植物稳定
植物稳定是利用具有重金属耐性的植物降低土壤中有毒金属的移动性,从而降低重金属进入食物链的可能性。
(2)植物挥发
植物挥发是利用植物根系吸收金属,将其转化为气态物质挥发到大气中,以降低土壤污染,但易造成二次污染。
目前对Hg和Se研究较多。
(3)植物提取
植物提取是利用植物从土壤中吸取一种或几种重金属污染物,并将其转移、贮存到地上部分,随后收割地上部并进行集中处理,达到降低或去除土壤重金属污染的目的[39]。
植物提应用的关键在于筛选具有高产和高去污能力的植物。
4.3.2微生物修复
微生物修复是利用活性微生物对重金属吸附或转化为低毒产物,从而降低重金属污染程度[40]。
用于修复的菌种主要有细菌、真菌和放线菌。
从目前来看,微生物修复是最具发展潜力和应用前景的技术,但微生物个体微小,难以从土壤中分离,还存在与修复现场土著菌株竞争等。
因此,驯化和筛选高效菌株,构建菌种库,优化组合修复技术(如动物-微生物、植物-微生物等),将是未来研究重点。
4.3.3动物修复
动物修复是利用土壤中某些低等动物(如蚯蚓和鼠类等)吸收土壤中重金属这一特性,通过习居土壤动物或投放高富集动物对土壤重金属的吸收和转移,后采用电激、灌水等方法从土壤中驱赶出这些动物集中处理,从而降低污染土壤中重金属质量分数的方法。
动物修复技术不能处理高浓度重金属污染土壤,除蚯蚓外,对于其他也具有很强修复能力的土壤动物有待于进行深入研究。
4.4农业生态修复技术
农业生态修复主要包括两个方面:
一是农艺修复措施。
包括改变耕作制度,调整作物品种,种植不进入食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或增施能固定重金属的有机肥等措施,来降低土壤重金属污染;另外在污染严重情况下施肥、使用农药、搭配种植等农艺措施,可显著增加植物对农田中重金属的吸收,从而提高植物修复效率[41]。
二是生态修复。
通过调节诸如土壤水分、养分、pH值和氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,该技术成熟、成本较低、对土壤环境扰动较小等优点,但修复周
期长,效果不显著。
4.5联合修复技术
目前研究较多的联合技术包括生物联合技术、物理化学联合技术和物理化学—生物联合技术。
植物与微生物的联合修复,特别是植物根系与根际微生物的联合作用,已经在实验室和小规模的修复中取得了良好效果。
5、研究展望
随着对农田土壤重金属污染认识的深入以及对环境保护和人类健康要求的提高,对农田土壤修复也就提出了更高的要求。
单一修复技术很难对复合污染进行理想的修复,因此如何将各种修复技术进行合理的结合,真正在土壤污染修复方面取得突破性进展,成为未来的发展趋势,但联合修复技术还存在着以下几方面的问题:
(1)土壤重金属污染呈现多样性和地域性,同时修复技术也有选择性,需要在现有研究基础上,结合经济成本,研究适合不同污染类型的联合技术。
(2)生物资源丰富,修复重金属污染土壤具有不可替代的优势。
今后需要在超富集植物、高抗性能的富集微生物和土壤动物资源的优异种质发掘进行研究,同时充分运用基因工程等先进技术培育,利用分子生物技术提高生物修复的实用性。
(3)各种修复技术实施后,对土壤土著生物的影响以及修复生物对生物多样性带来的威胁、农产品安全问题的研究,修复带来的生态风险及风险控制措施是重金属修复技术中必须要深入研究的问题。
(4)目前研究主要集中在实验室或小规模的试验上,应加强系统化的大田试验研究。
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