土壤重金属污染现状及其治理方法

申瑞玲　郝云龙　蒋士飞

摘要：随着社会的快速发展，土壤重金属污染日益严重。本文介绍了土壤重金属污染的现状，治理和修复技术的基本原理和方法，给出了各种重金属污染治理与修复方法的优缺点和适用范围，并对土壤重金属污染修复技术研究进行了展望。

关键词：土壤重金属污染 生物修复 超积累植物

引言

随着社会的快速发展，土壤重金属污染日益严重。土壤重金属污染是指土壤中重金属过量累积引起的污染，污染土壤的重金属包括生物毒性显著的元素如Cd、Pb、Hg、Cr、As，以及有一定毒性的元素如Cu、Zn、Ni，这类污染范围广、持续时间长、污染隐蔽、无法被生物降解，将导致土壤退化，农作物产量和质量下降，并通过径流、淋失作用污染地表水和地下水。过量重金属将对植物生理功能产生不良影响，使其营养失调。汞、砷能抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，阻碍氮素供应。重金属可通过食物链富集并生成毒性更强的甲基化合物，毒害食物链生物，最终在人体内积累，危害人类健康。因此涌现了许多修复技术，其基本原理是将重金属清除或改变其在土壤中的存在形态，降低迁移性和生物可利用性。

一、何为重金属污染

重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。重金属指比重大于5的金属，（一般指密度大于4.5克每立方厘米的金属），约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒，汞，镉，铅，砷，铬称为“五毒”元素，含有汞、镉、铬、铅及砷等生物毒性显著的重金属元素及其化合物对环境的污染较大。

二、重金属污染的特点

（一）重金属污染的特点

重金属产生毒性的浓度范围较低；一般情况下，重金属不能被微生物降解，只能发生形态的转化；毒性与存在的形态和价态有关；重金属污染多为复合污染，来源较为复杂，常以无机和有机混合物的形式进入环境，同时含有多种金属，共同产生一定的协同作用或拮抗作用，对生物和生态系统产生影响；重金属通过食物链进行生物放大，进入人体，对人体产生慢性中毒。

（二）重金属污染在土壤中的特点

在土壤环境中重金属污染特点可以分为两部分：一是土壤环境中重金属自身的特点，二是区别与水体和大气等介质中的特点。

重金属在土壤中形态变换较为复杂，多为过渡元素，有着较多的价态变化，且随环境Eh，pH配位体的不同呈现不同的价态、化合态和结合态，毒性与价态和化合物的种类有关，有机态比无机态的毒性大；重金属在土壤环境不易被察觉，不会降解和消除，迁移转化形式多样化，分布呈区域性；在生物体内积累和富集，在人体内呈慢性毒性过程。

三、重金属污染的来源

重金属污染来源于自然界的地质活动和人类的生产活动。自然污染源为火山爆发、地震、重金属矿物的风化和矿化、泥石流和水土流失等；人为污染源包括工业三废、矿山的开采和冶炼、金属腐蚀、化肥和农药的施用、城市生活垃圾、污灌、污泥的农田使用、森林与木材工业、运动与休闲活动、汽车尾气和大气沉降等。

四、重金属污染的危害

（一）对植物的危害

（1）对植物的光合作用和蒸腾作用强度的影响，一般随着重金属污染程度的加重，光合作用和蒸腾作用的强度逐渐降低。铅对植物的危害表现为叶绿素下降，阻碍植物的呼吸及光合作用。谷类作物吸铅量较大，但多数集中在根部，茎秆次之，籽实中较少，因此铅污染的土壤所生产的禾谷类茎秆不宜作饲料。

（2）对植物细胞超微结构的影响，会导致核膜内陷或核变形肿胀、核仁破碎。对种子生活力的影响，导致胚发育受阻，有丝分裂减慢。砷对植物危害的最初症状是叶片卷曲枯萎，进一步是根系发育受阻，最后是植物根、茎、叶全部枯死。

（3）对植物生长的影响，导致植株矮小，生长缓慢，叶面积下降，叶片失绿，作物产量下降，品质下降。汞对植物的危害因作物的种类和生育而异。汞在一定浓度下使作物减产，在较高浓度下甚至使作物死亡。不同植物对汞吸收能力是：针叶植物>落叶植物，水稻>玉米>高粱>小麦，叶菜类>根菜类>果菜类。

（4）对植物生理生化的影响，导致植物呼吸作用下降。

（二）常见重金属对人体的危害

（1）汞汞及其化合物对人体的损害与进入人体的量有关，汞对人体的危害主要累及中枢神经系统、消化系统及肾脏，此外对呼吸系统、皮肤、血液及眼睛也有一定影响。

（2）镉镉进入人体后，会得骨痛病，损伤肾小管，出现糖尿病，引起血压升高，出现心血管病，甚至还有致癌、致畸的报道。

（3）铅铅对动物的危害则是累积中毒，人体中铅能与多种酶结合从而干扰有机体多方面的生理活动，导致对全身器官产生危害。

（4）铬铬对人体与动物也是有利有弊，人体中含铬过低会产生食欲减退症状，但饮水中超标400倍时，会发生口角糜烂、腹泻、消化紊乱等症状。

（5）砷砷对人体危害很大，它能使红血球溶解，破坏正常生理功能，甚至致癌等。

五、土壤重金属污染修复技术

（一）工程措施

主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。轻度污染的土壤用深耕翻土，重污染区常用客土和换土法。工程措施治理土壤重金属污染彻底、稳定，但工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理。

（二）物理修复

（1）电动修复

通过电流使土壤中的重金属离子（如Pb、Cd、Cr、zn等）和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，再集中收集处理。该方法适用于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验，土壤中Pb²⁺、Cr³⁺等重金属离子的除去率也可达90%以上。电动修复不搅动土层，修复时间短，是一种经济可行的原位修复技术。

（2）电热修复

利用高频电压产生的电磁波对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。

（3）土壤淋洗

利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理。该技术要求寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。

（三）化学修复

化学修复就是向土壤投入改良剂，将重金属吸附、氧化还原、拮抗或沉淀，降低重金属的生物有效性。常用改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。化学修复简单易行，但它只改变了重金属在土壤中的存在形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。

（四）生物修复

生物修复是利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。该方法效果好，易于操作，受到人们的重视，日益成为修复污染土壤研究的热点。

（1）植物修复技术

植物修复技术是一种利用自然界存在或人工培养的植物修复重金属污染土壤的技术，分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种。植物提取是依靠重金属超积累植物从土壤中吸取重金属离子，接着收割地上部分并进行处理，连续种植该植物，可有效降低或去除土壤重金属，目前已发现700多种超积累重金属植物。超积累一般要求金属离子在植物中的含量大于0.1%～1%（干重）；当达到这个标准时，回收植物组织中的金属才具有经济性，超积累植物一般要求其重金属含量大于一个临界值，不同重金属有超积累作用的植物种的分布也是分布不均匀的。植物挥发是依靠植物根系吸收重金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，目前研究最多的是Hg和Se。植物稳定是依靠耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，防止重金属被淋洗到地下水或扩散至空气中，其机理是让金属在根部积累、沉淀或被根表吸收，以达到固化的目的。

（2）微生物修复技术

微生物可降低土壤中重金属的毒性.吸附积累重金属，改变根际微环境，达到提高植物对重金属的吸收，挥发或固定效率的目的。菌根植物的根系通过根面上菌丝与根际圈内的重金属接触从而对重金属产生吸收、屏障和螯合㈣等直接作用。如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类，能够产生胞外聚合物与重金属离子结合成络合物；Macaskie等分离的柠檬酸菌可分解有机质生成HPO_2-4与Cd形成CdHPO₄沉淀；国内研究人员发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg。

（五）农业生态修复

农业生态修复包括农艺修复和生态修复。前者改变耕作制度，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，或增施能够固定重金属的有机肥等来降低土壤重金属污染；后者调节土壤水分、养分、pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因素，调控污染物所处环境介质。但该技术修复周期长，效果不明显。

六、土壤重金属污染修复技术研究展望

工程措施、物理修复和化学修复重金属污染土壤，缺点多，大规模处理污染土壤不现实，并且会破坏土壤结构，降低生物活性，使土壤肥力退化，而农业生态措施又周期长，效果不明显。生物修复以其高效性，良好的社会、生态综合效益而被大众接受，应用前景广阔。以下几点将成为未来研究的热点：

（一）超累积植物筛选与培育

超累积植物一般生长缓慢，生物量低，环境适应能力差，且只能吸收一种重金属。因此，筛选与培育吸收能力强，吸收重金属种类多，且生物量大的植物是生物修复的一个重点。

（二）基因工程技术的应用

将筛选与培育出的超累积植物和微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性好的植物中去已经实现，所以利用基因工程技术提高植物修复能力将取得突破性进展。

（三）生物修复综合技术的研究

重金属污染土壤的修复是一个整体性的工程，需要多种修复技术。植物修复加上化学、微生物及农业生态措施，增加重金属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，能更好地提高土壤重金属修复的效率。因此生物修复综合技术前景广阔。