土壤和水中重金属污染的研究概况及对策

朱 静

（保山市食品药品检验检测中心，云南 保山 678000）

重金属是指比重等于或大于5.0的金属，如铁Fe、锰Mn、锌Zn、镉Cd、铬Cr、汞Hg、铅Pb、钴Co等；砷As是一种准金属，但由于它的化学性质和环境行为与重金属多有许多相似之处，故在讨论重金属时往往包括砷As。

重金属污染是由重金属或其化合物造成的环境污染。主要通过采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等人为因素污染所致。由于人类活动导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，导致环境质量恶化，并直接危害人体健康，其危害程度取决于重金属在环境中、食品中和生物体中存在的浓度及其化学形态，如日本的水俣病由汞污染所引起。重金属在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布，而底泥往往是重金属的储存库和最后的归宿。当环境发生改变时，底泥中重金属形态将发生一系列的转化及释放造成环境污染。而重金属本身不能被生物降解，但其具有生物累积性，可以直接威胁到高等生物，包括我们人类；有专家指出，重金属对土壤的污染具有不可逆转性，就是已经受污染土壤没有治理的价值，只能调整种植的品种来回避。因此，底泥重金属污染问题日益受到人们的重视。

土壤重金属污染是指由于人类的活动使土壤中原本微量的金属元素含量超过背景值，过量沉积累积而引起的含量过高，统称为土壤重金属污染。污染土壤的重金属主要有汞Hg、镉Cd、铅Pb、铬Cr和类金属砷As等生物毒性显著的元素，及一些有一定毒性的锌Zn、铜Cu、镍Ni等金属元素。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大，应特别注意防止重金属对土壤污染。由于土壤中铁和锰含量较高，因而一般认为它们不是土壤污染元素，但在强还原条件下，铁和锰所引起的毒害应引起足够重视。土壤中重金属的污染是累积性的，由于其持续存在的污染，被发现时往往已为时已晚，因此，必须在被发现之前进行评估和测试，并且必须立即处理和改善重金属污染的影响。为了探测土壤中的重金属含量，常用的方法是原子荧光光谱法，原子吸收光谱法[1−2]。

水环境重金属污染是水污染的重要组成部分，主要指开发利用自然资源所产生的水环境（包括海洋、河流、湖泊、水库等），工业生产、农业灌溉等因素的影响，使重金属排放到水体中，超过了水体的净化能力并导致污染，主要包括铜Cu、镍Ni、铅Pb、铬Cr、镉Cd、汞Hg、锌Zn等。重金属污染水体后，一些重金属可通过食物链富集于生物体内而致病。由于水环境中的重金属污染主要是由混合污染引起的，水体中的金属元素较多，而重金属在动植物体内很难分解并不断积累，这就要求工作人员在水源的保护、管理和处理过程中，能够科学地选择重金属分析技术，及时了解水环境中重金属的实际情况，为水环境中重金属的监测提供有益的指导[3]。水环境重金属分析技术呈现多样化、自动化的趋势，分析的准确性、及时性、和灵敏度都显著提高。电化学分析和生化分析通常被用于监测，电感耦合等离子体质谱（ICP−MS）和石墨炉原子吸收光谱（GF−AAS）是测定水中重金属的两种有效、准确灵敏的方法[4]。

由此可知，重金属污染不仅破坏水体的自洁能力，而且严重威胁水中鱼、虾的正常繁殖和生存。如果将重金属污染的水用于农业灌溉，灌区土壤中重金属含量将超标，影响农作物的质量和产量，将直接影响人类的身体健康。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒。因此，有必要从重金属污染源控制污染的发生，查明污染原因，通过有效的处理技术解决重金属污染问题[5,6]。本研究介绍了土壤、水中重金属的污染危害，分析了相应的处理技术，描述了土壤、水中重金属污染的现状，以期为土壤、水中重金属污染提供相关的解决方案。

1 土壤重金属污染

1.1 土壤重金属污染主要来源

一是工业重金属污染物的排放。我国部分地区土壤重金属污染比较严重，这些地区的工业主要以矿产开发为主，而在矿产开发过程中会经过提炼和冶炼阶段，由于部分地区利用的冶炼技术不完善[7,8]，在矿产开发过程中产生大量无法处理的废弃物，开发商往往将这些废弃物直接排放在自然环境中，导致土壤重金属污染。还有一些工厂，直接将工业废水排放到自然界，导致水土污染。

其次是农业化肥、农药使用过多。为了提高作物的产量及防治病虫害，农民在种植作物时会使用化肥及农药。随着时间的推移，土壤中的化学物质不断积累，逐渐超过了土壤的自我调节能力，导致土壤污染严重。磷肥中重金属的含量最高。而砷被大量用于杀虫剂、杀菌剂和除草剂等农药中。这些肥料、农药的使用将直接导致土壤平衡的破坏，对土壤生态环境的威胁，对土壤养分的流失和植物生产的直接影响。因此，有必要减少化肥、农药的使用，尽可能降低对土壤的压力[9]。

再次是养殖业动物粪便的累积。养殖场喂养动物的饲料中往往会有很多添加剂，动物饲料添加剂大部分含有铜、锌等重金属，这些含有重金属的饲料进入动物体内，一部分随粪便排出。如果人们用动物粪便做肥料或者随意堆积在自然环境里，重金属会随粪便进入地表，造成重金属污染。

最后是汽车尾气的排放。在我国机动车车流量很大，机动车尾气中一般含有重金属铅。铅是有毒的重金属元素，汽车用油大多数掺有防爆剂四乙基铅或甲基铅，燃烧后生成的铅及其化合物均为有毒物质。城市大气中的铅60%以上来自汽车含铅汽油的燃烧。由于铅尘比重大，通常积聚在1米左右高度的空气中，进而通过沉降或雨水等进入到土壤，造成土壤重金属污染。

1.2 土壤重金属污染造成的危害

土壤重金属污染的危害十分严重，由于土壤中的重金属不能被分解，通过富集累积破坏土壤的生态平衡，破坏土壤原有的结构，导致土壤功能下降。部分重金属元素可以被农作物吸收，在长期生长过程中，农作物中的重金属元素会逐渐富集起来，然后经过食物链进入人体，对人体的健康造成极大威胁。另外，我国土壤资源有限，土壤污染使我国可利用的土壤资源变得越来越少，极大地影响了我国的农业生产。土壤污染的治理难度大、时间长，其产生的危害是不可逆，严重影响我国经济的可持续发展。

1.2.1 土壤重金属污染对植物的危害

重金属污染能够直接导致土壤生态系统改变，农作物减产，严重威胁动植物健康。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，易在土壤中积累，稳定性强，范围广，在自然条件下难以降解[10]。土壤中的重金属通过改变土壤的理化性质，影响土壤中的养分，引起植物生理功能紊乱、营养失调，直接降低农作物的品质，一些重金属甚至可能导致农作物减产或歉收[11,12]。镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。

1.2.2 土壤重金属污染对人的危害

土壤里面的重金属会随着植物的生长累积在植物体内，而人类吃的植物源性食物基本上都是通过土壤种植出来的，由于人体中的重金属很难被代谢出去，在一定程度上会导致中毒，积累到一定的数量就会破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等。一些严重的重金属污染甚至可以通过放射性衰变产生α、β、γ射线[13]，对肝、肾、肺等器官造成损害甚至癌变。其中镉大米最为典型，一般指镉含量超标的大米。而中国人很难不吃米饭。镉通常通过废水排入环境中，再通过灌溉进入食物，水稻是典型的“受害作物”。

1.2.3 土壤重金属污染对水和微生物的危害

重金属元素会随着地表蒸发和植物的吸收逸散到大气中，有的会随着降水返回地表，进入地表水和地下水；河流途经被重金属物污染的土壤，会带走一部分被污染的泥土造成其他未被污染的地方重金属污染。重金属污染有较高的伪装性，一般肉眼不易发现。但问题一旦发生，就会对土壤、大气和生态功能造成严重的不可逆转的巨大破坏。不仅如此，重金属污染在一定程度上改变土壤中微生物菌群的生存环境，降低土壤微生物菌群的数量，改变土壤生物的多样性。

1.3 土壤重金属污染修复

重金属污染土壤修复是指利用物理、化学和生物等方法，改变重金属存在的状态，降低其活性，使其钝化，降低其迁移率和生物利用度，脱离食物链，减小其毒性，以降低重金属对环境和健康的危害。

1.3.1 物理修复

物理修复是指根据土壤的理化性质和重金属的特性，分离或固定土壤中的重金属，降低环境中重金属的含量或改变存在的状态[14]。物理修复的方法主要有物理分离法、水蒸气稳定法、换土法、玻璃化法、热力学法、电动力学和低温冷冻法等。

1.3.2 化学修复

化学修复包括在土壤中加入一些化学试剂，改变土壤的理化性质，通过重金属的吸附、氧化还原和沉淀作用，使土壤中的重金属钝化，以减少重金属对生态环境的破坏[15]，在重金属污染土壤的修复中，化学修复是比较常用的修复技术之一。化学修复方法主要有：土壤淋滤技术、土壤改良与电化学技术等。

1.3.3 生物修复

1.3.3.1 植物修复

植物修复是以吸收、积累、降解为基础的重金属土壤修复技术。超富集植物的发现和研究为植物检疫技术的应用和推广提供了条件。主要是利用一些对重金属富集能量较高的植物，通过吸收和转移过程，将重金属富集在可收割的部位；或者利用植物的一些生理活动来促进重金属转变为可挥发的状态；或者是利用植物的根系过滤、固定和钝化使土壤中重金属吸附于土壤表面，从而降低重金属在土壤中的活性，减轻重金属污染。植物修复的主要类型有植物提取、根际过滤、植物降解、植物挥发、植物授粉、植物固定和植物刺激[16]。

1.3.3.2 微生物修复

微生物修复是指重金属离子通过微生物的吸附、吸收、沉淀、氧化还原等功能，使污染物的移动性降低或极性改变，或者转化为低毒或无毒物质，对环境的损害减少，提高修复效率及减少成本，这是一项既经济又实效的技术。环境中重金属的长期存在导致一些微生物的形成，这些微生物可以改变重金属的理化性质，从而影响重金属的迁移转化[17,18]。如果将上述方法与待修复土的实际情况相结合，将取得良好的修复效果，常用的修复方法有：植物生物联合修复、化学诱导增强修复，农业措施增强修复[8,10]。

1.3.3.3 动物修复

动物修复是指利用土壤中的某些低等动物（如蚯蚓、鼠类等）能吸收重金属的特性，在一定程度上降低污染土壤中重金属的含量，达到修复污染土壤的目的。

2 水中重金属污染

2.1 水中重金属污染来源

水中重金属污染来源广泛，不同行业产生的废水、废气、废渣中的重金属种类和含量也不同，重金属水污染的主要来源是工业污染、农业污染及生活污染等。工业废水、废气、废渣的过量、无序排放及处理不当是造成水污染的主要原因，随着当前工业的发展，废水的种类和成分复杂多样，由于重金属污染物的组分难以分解，现有的处理技术主要是改变其化学形态和存在位置[19−20]，如对人体剧毒的 Cr6+转化，低毒性的 Cr3+。

2.2 水中重金属污染造成的危害

日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。水污染被称作“世界头号杀手”。通过饮水或食物链，重金属污染物进入人体，使人急性或慢性中毒。重金属对水环境污染的危害主要分为对海洋动物和海鸟的危害、对水生生物的危害、对灌溉农田的土壤及植物的危害、直接影响人类生活饮用水的质量及对人体的直接或间接的威胁等。

2.2.1 水中重金属污染对水生动物的直接危害

含重金属污染物的废水、废气、废渣排入水域后，将直接影响水生动物的正常代谢以及器官发育，从而影响水生动物的正常生存、繁殖和迁徙等，而高浓度的重金属会使鱼类进入一种特殊状态，逐步挣扎，最终死亡，还会降低虾壳存活率[21]；如果水中铜、铅、锌含量过高，会导致哺乳动物和爬行动物的胚胎畸形等。重金属会影响正常的水环境，在一定程度上提高水生动物的基因突变率，导致水生动物的数量急剧下降或发生变异，给生态平衡带来潜在风险。

2.2.2 水中重金属污染对水生植物的直接危害

重金属污染物进入水体，水生植物发达的根部细胞吸收营养物质时会将重金属污染物吸收到水生植物中，并通过茎传递到植物的各个部位。重金属离子抑制水生植物叶片中的酶系统的正常分泌，并能抑制叶片叶绿体的正常代谢，导致水生植物出现黄叶、生长缓慢、发芽等现象，严重的重金属污染会使植株致死。而水生植物是维系水体生态平衡的重要组成部分，水生植物的减少或者植物性能的改变，都会直接导致水体污染加剧，破坏生态系统平衡。

2.2.3 水中重金属污染对人体的威胁

水中重金属污染对人体的危害可以分为直接威胁和间接威胁。直接威胁是指长期饮用重金属污染的水源对人体造成的损害，一般主要发生在沿江城市和地区[22]。间接威胁是指在农业灌溉重金属污染的水体后土壤重金属严重超标，农田灌溉区种植的农作物将重金属污染物储存在植物体内，通过食物链进入到人体，这些重金属通过长期积累，而自身又无法分解，危害人体健康。这些储存的重金属污染物对人体的危害在短时间内，不易被发现。但长期食用受污染的食物会损害人体免疫系统、神经系统和骨骼系统，导致内源性维生素和营养素缺乏等。经研究，慢性镉中毒的症状被命名为“痛痛病”，当人体内镉的积累达到一定水平时，会导致肝肾功能损害、贫血和骨质疏松，严重会导致肾衰竭等；如果人体内汞的积累达到一定量，就会对脑组织造成损害。

2.3 水中重金属污染的治理技术

一般来说，控制水体中重金属污染有两种途径：源头控制和过程控制。源头控制就是禁止或减少从源头上产生的含重金属污染物的废水、废气、废渣等，这就要求各级政府对不同行业、不同生产条件下产生的含重金属污染物废水、废气、废渣等的排放量、重金属的种类及浓度进行合理的调控，从源头上限制重金属污染物的排放量，降低污染控制的成本和技术[23]。过程控制是指含重金属污染的废水、废气、废渣等已经产生并排入水体，造成了水体的污染，需要对其进行污染治理。合理的治理技术和可控的成本投入可以降低水体污染带来的一系列环境压力，降低对水环境的破坏程度。下面将介绍几种重金属污染水体治理技术：

2.3.1 絮凝沉淀法

絮凝沉淀法是指在被重金属污染的水体中添加絮凝剂，使水体中的大颗粒物质与絮凝剂形成絮凝团，经过静态沉降过滤后，使重金属污染物从水体中分离出来。这种方法是物理方法，通常用于废水的预处理[24]。由于絮凝剂材料的不同，絮凝效果也不相同。传统的絮凝剂主要采用铝盐和铁盐，通常用于废水的预处理，然后再用碳酸基和磺酸基强化絮凝效果。

2.3.2 离子交换法

离子交换法是一种化学处理方法，是通过离子交换树脂和螯合树脂来交换水中的重金属离子，来降低水中的重金属离子浓度，从而使废水得以净化。常用的方法有电解法、电渗析法、膜分离法等，由于其成本高，操作较难和易造成二次污染的风险，不能大范围使用。离子交换树脂和螯合树脂的主要原料是木质素、纤维素等廉价纤维材料，螯合树脂对有机试剂具有良好的选择性，能高效、快速地吸附重金属，是一种高效的新型吸附材料，结果表明，离子交换树脂对Pb2+的吸附量为115.32 mg/L，是普通吸附材料的5倍。

2.3.3 吸附法

吸附法是利用多孔吸附材料来吸附重金属离子的一种吸附方法，在传统的吸附方法中，主要采用活性炭、人工改性矿物吸附剂和天然吸附剂，利用它们疏松多孔的特点来吸附重金属离子。随着科学技术的不断发展，科学研究人员不断对重金属离子的吸附进行研究，发现使用生物炭对重金属也有较好的吸附效果[25]。生物炭主要是指高比表面积、高孔隙率的富碳固体，它是由生物质材料经高温氧限制热解而成的，生物炭不仅具有活性炭等丰富的孔结构，并且还有大量的官能团结构（主要是“−OH、−O−”）可以与重金属离子发生络合反应，使重金属牢固地附着在生物炭的表面。生物炭对重金属的吸附是一个物理化学的过程，与传统的吸附方法相比，它能够在较短的时间内吸附较多的重金属离子，且生物质材料容易获得，吸附过程简单。研究表明，生物炭中官能团的种类和含量与制备生物炭的温度和生物质材料种类也有关。因此，在生物炭吸附重金属时，必须采用合适的生物质材料制备生物炭，需要考察制备温度与吸附效果的关系，以达到最佳的吸附效果。吸附法现在被认为是一种既有效又经济的处理重金属废水的方法。吸附法过程操作简单、灵活，并且在大多数情况下出水水质好。此外，由于吸附有时是可逆的，吸附剂可以通过合适的解吸过程再生利用。

2.3.4 生物修复法

水中重金属污染的生物修复主要是指利用水中生物（包括动物、植物和微生物）的特性来吸收、降解和转化重金属离子，使受重金属污染的水体得到改善的技术。一般包括水生植物修复、水生动物修复和微生物修复。

在植物修复方面，一般采用浓度耐性高、重金属超富集的水生植物来吸收、转化、过滤和固定水体中的重金属离子，以降低水体中重金属污染物的生物有效性。植物修复的优点是修复过程中不会对周围环境造成破坏，在一定程度上还能够美化修复区的景观。但该方法修复周期长，对于深层污染的修复有点困难，同时存在污染物通过“植物−动物”的食物链进入自然界的可能。此法适用于修复面积小、水流平缓的储水，且需长期监测修复水体中重金属的浓度。

微生物修复法是指利用水体中本身的微生物菌群、外来驯化的细菌或真菌、基因工程菌以及其他生物等，对水体中重金属离子进行修复，通过还原反应或微生物的生理代谢吸收重金属离子并形成簇状沉积物来还原重金属离子，将吸收的重金属离子形成沉淀除去。微生物法具有清洁环保、操作简便、对周围环境干扰少、经济实惠及减少对环境的二次污染等优点，随着转基因技术的发展，基因工程菌在微生物法处理水中重金属污染的前景将更加广阔[26]。

3 结论

就土壤重金属污染修复来说，几种修复技术的联合修复仍是今后土壤重金属污染修复的关键，目前对重金属修复机理、修复方法的安全性以及处理的安全性等方面的研究仍然较少。土壤重金属污染的研究趋势主要体现在源解析和治理修复技术上。而对水环境重金属的分析可作为水监测、水管理和治理的一个先决条件和基础，为水环境监测提供参考依据，同时也作为重金属水污染防范和治理的重要参数。随着人类对环境保护认识的提高,在推动建立生态文明的过程中，水体中重金属理论分析研究已取得较大成绩，分析水平也大幅度提高。由于科学技术与创新的推动，水环境重金属分析法最终会朝着更高效、多样、环保和智能的趋势发展。

水、土壤重金属污染日益明显，已成为制约生态文明建设、危害国家生命财产安全的关键因素。为了提高农业生产以及工业的发展，有好多问题不可避免，面对严峻的考验，必须要狠抓水、土壤重金属污染的源头，不断开发出更优秀、更全面合理的治理方法，实现我国水、土壤重金属污染的有效防治。