
土壤复合型污染及其控制技术.docx
7页一、土壤复合污染的概念和内涵土壤复合污染通常定义为2 种或2 种以上的污染物在土壤中同时存在,并 且每种污染物的浓度均超过国家土壤环境质量标准或已经达到影响土壤环境质 量水平的土壤污染复合污染应该同时具有以下3 个基本条件:1) 一种以上的化学污染物同时或先后进入同一环境介质或生态系统同一分室;2) 化学污染物之间、化学污染物与生物体之间发生交互作用;3) 经历化学的和物理化学的过程、生理生化过程、生物体发生中毒过程或解毒 适应过程等3 个阶段.(重点是重金属的复合污染)土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属引入到土壤中,致使土壤中重 金属含量明显高于原有含量,并造成生态环境恶化的现象,其污染源主要是由 采矿、冶炼、电镀、化工、电子和制革染料等工业生产的“三废”以及污灌、 农药、化肥的农业上不合理施用等引起的土壤中的重金属污染往往是以某一 重金属元素为主,并伴随有其他元素的存在,即多重金属并存的复合污染例 如在废蓄电池加工回收处理场地,土壤Pb的浓度高达12 000 mg /kg,而Cu和 Zn也严重超标(1 800〜2 200 mg /kg);在一些工矿区或污灌区的土壤也 常受Cd、Pb、Cu的复合污染。
二、复合污染发生的主要类型1、 重金属元素之间构成的复合污染重金属复合污染现有的研究以下两点是明确的:1) 重金属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移转化,要比 单一元素的污染复杂得多;2) 重金属元素之间的交互作用各类型的表现,与各种重金属在环境中的浓 度及其组合关系、作物的种类、作物的部位和暴露方式等因素密切相关,但有关 的生态过程及其微观机理并不清楚.2、 有机污染物之间构成的复合污染有机污染物在土壤环境中的毒性效应往往是非单一性的行为,如各种杀虫剂 除草剂、石油烃、多环芳烃、多氯联苯、有机染料等之间的相互作用,由于能够 形成毒性更大的降解产物或中间体,因此要比无机污染物之间的相互作用更为复 杂,其结果也更难以预测. 在我国,土壤植物系统的有机污染物所构成的复合污染,主要以有机农药之间构成的复合污染为主 3、重金属与有机污染物所构成的复合污染 例如污水处理厂的污泥、城市生活垃圾、各种农药(杀虫剂、除草剂和杀真菌剂 等) 的施用以及工业废水等造成的污染 ,同一环境介质中往往同时存在一些难 降解的有机污染物和重金属.4、有机污染物与病原微生物构成的复合污染 有机污染物与病原微生物的复合污染是一个重要的复合污染类型. 随着污 水处理事业的发展,大量的污泥产生并应用于农业土壤或在林地、休闲地进行堆 置,都会产生有机污染物-病原微生物的复合污染. 而对那些没有进行处理的生 活或工业污水,随着灌溉农田进入土壤,容易产生这种类型的复合污染. 同时土 壤历来是作为废物的堆放、处置和处理的场所,使大量的有机污染物和病原微生 物随之进入土壤-植物系统而发生这种类型的复合污染. 农业化学物质和有机肥 的施用,也会带入某些病原微生物,与农药本身及其分解残留物或者其他有机污 染物也能构成这种类型的复合污染。
三、土壤重金属复合污染3. 1 重金属的复合作用 重金属之间相互作用影响生物对某种金属的累积过程或不同层次上的生物 毒性,一般表现为加和效应、拮抗效应和协同效应3 种( 表1) 拮抗作用是指一种金属元素阻碍或抑制另一种金属元素的吸收、生理效应 的现象从某种程度上可以将位点竞争视作重金属之间产生拮抗作用的直接原 因,这些位点包括细胞及代谢系统的活性部位和存在介质中的吸附点,如金属 硫蛋白、特定组织器官上的结合位点,植物螯合素、细胞壁的结合点,植物根 系的吸附位点、土壤吸附点等协同作用是指一种金属元素促进另一种或多种金属元素的吸收,且2 种或 多种金属元素的联合效应超过各自效应之和的现象协同作用的产生和强度与 重金属加入的顺序和比例有关,重金属混合物的组成及各组分( 元素) 的比例 也是决定混合物毒性的重要因素当然有些重金属并不存在两者之间相互作用,即通常所说的加合作用另 外在土壤重金属复合污染中既存在协同作用又存在拮抗作用在土壤介质中,多重金属之间不仅发生相互作用,而且它们与土壤颗粒也发 生复杂的界面反应Appel等利用吸附-解吸与连续萃取相结合的方法测定重金 属Pb、Cd以不同顺序加入土壤沿着土壤的特殊吸附点上的相互作用,结果表明: Pb与Cd之间存在着竞争吸附作用;Pb对Cd的吸附有较强的抑制作用,反之,相对较小;Cd在Pb之后加入土壤相对于Cd在Pb之刖加入具有更强的活性, 因此在一定的条件之下,Pb的存在会增加Cd在土壤中的活性。
通过观察类似 Cd和Pb这种竞争作用得出结论:如果有2种或更多的金属竞争相同的结合位 点,强吸附能力的金属会促使吸附能力相对较弱的金属留在弱的位点表』 重金属复合污染沏Table 1 Combined pollution of multiple heavy metals相互作用类型~重金属组合 生物对象 作用介质~拮抗作用 Zn/AsZn/Cd/AsZn/CdAs/CuAg/HgPb/Cd豆嗨米蚓蓿瓜 大齟玉蚯苜冬土水壤壤壤土土土协同作用Pb/Zn洋白菜土壤Cu/Pb/Zn水稻土壤Zn/Cd小麦土壤Cd/Zn大豆水溶液Zn/Cd斑马鱼水溶液Cu/Zn—土壤加和作用V/As/Mo/Se/Zn土壤原生动物土壤Cu/Cd土壤菌根土壤Cd/As苜蓿土壤3. 2土壤重金属复合污染的生态效应 重金属复合污染所导致的生态效应,主要是通过土壤生物表现出来的首 先表现为植物反应植物根部具有非常大的表面积和高亲和性,在吸收营养元 素的过程中,根表面结合许多化学污染物质,因此,植物的根部是吸收污染物 最初受体宋玉芳等研究表明,土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd复合污染对西红柿 种子发芽和根伸长在较低浓度下表现为拮抗作用,高浓度表现为协同作用。
复 合污染物可以通过影响生物的细胞结构特别是膜结构而发生相互作用,有些金 属离子还可以改变细胞膜的渗透性,对植物根系造成伤害另外,重金属还能 通过影响植物体内酶的活性而产生毒性效应相关研究表明在复合条件下,重 金属胁迫使植物体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化 物酶( POD) 等主要保护酶活性比例失调,导致清除植物体内活性氧的能力降低 造成植物代谢紊乱,加速植物衰老,在重金属达到一定含量时,将会使抗氧化 酶系统功能失去,导致植物死亡重金属复合污染对生物大分子的结构和功能 方面的影响也有少量报道例如,通过盆栽实验研究表明:Cd和Pb复合污染对 小麦植物的生长表现出协同效应,显著增加了小麦根系植物络合素( PCs) 的合 成水平,而谷胱甘肽(GSH)的合成受到抑制;小麦根部PCs的含量与小麦地上 部分的生物量抑制存在明显的线性关系,进一步研究表明,PCs的诱导水平可 作为生物标记物用于土壤环境Cd和Pb复合污染的生态毒性评价另外,土壤 动物对重金属的暴露也表现一定的复合效应如蚯蚓对重金属Cu、Zn、Pb和Cd 复合污染的毒性响应远比单一污染条件下敏感,复合污染具有极强的协同效应。
重金属复合污染对土壤微生物的生态效应主要表现在影响微生物的群落结 构和微生物活性赵祥伟等研究了长期受重金属Cd、Cu、Pb和Zn复合污染的 农田土壤的微生物群落遗传多样性变化,指出:( 1) 土壤微生物对重金属复合污染所做出的反应是基于种群的群体性反 应,重金属复合污染对群落遗传多样性的胁迫作用主要通过影响了群落中的一 部分敏感种群来实现 2) 重金属复合污染不仅导致微生物生物量碳降低,而且能明显改变土壤 微生物群落的遗传多样性滕应等研究了Ag、Pb和Zn重金属复合污染对土壤微 生物群落功能多样性动力学特征,结果表明,重金属复合污染降低了供试土壤 的微生物群落代谢剖面土壤重金属污染能引起微生物生物量的下降从而引起 土壤呼吸量的变化另外土壤微生物直接参与土壤氨化、硝化、固氮及纤维素 分解作用的强度等生化过程,因此重金属的复合污染还能会引起土壤生化作用 强度降低Gogolev等发现分别单独加入Cd、Cu、Pb和Zn不引起土壤呼吸改 变,而这些元素联合投加将显著产生抑制效应重金属复合污染对土壤酶的影响也存在显著差异国内外关于单一污染物 对土壤酶活性影响的研究已有报道,但对复合污染与土壤酶活性关系及影响的 研究则较少。
杨志新等研究了Cd、Zn和Pb复合污染对4种土壤酶活性(过氧化 氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和转化酶) 的影响,结果表明,在复合效应影响中, 重金属对土壤酶活性的抑制效应依次为Cd> Zn > Pb;同时,Cd、Zn、Pb复 合污染对4 种土壤酶活性的影响效应存在着明显差异其复合污染对脲酶表现 出协同抑制负效应的特征,对过氧化氢酶表现出一定的屏蔽作用; 对转化酶和 碱性磷酸酶活性影响则主要随着Cd浓度的增加而显著降低3. 3 复合污染生态效应的定量表征 土壤复合污染表征主要是通过一些参数来表达其化学和生物效应等,包括锌当 量、毒性污染指数、元素比、离子冲量、多元回归分析法以及其他表征方法 目前使用较多的是离子冲量、内梅罗污染指数及污染综合指数法Azpiazu 等首先采用离子冲量来评价重金属的复合污染效应其中Ci为重金属在土壤中浓度(mmol /g) ; ni为相应元素的氧化数) 以此为基础评价土壤的污染指数为:式中:I为土壤金属离子的冲量;Ic为使植物中毒(表现为产量降低)土壤金属离子临界离子冲量;10为无毒栽培时,对照土壤的离子冲量该方法由于综合了各种离子的综合影响,能比较客观地反映土壤中重金属 复合污染的综合效应,因此具有较大的发展前途。
/( maxP. )2 + (meanPJ2PN =内梅罗污染指数法可以用于重金属复合污染的评价,可表示为:2其中max Pi为最大单项污染指数,而mean Pi为所有单项污染指数的平均值综 合污染指数小于或者等于1 表示未受污染,大于1 则表示已受污染,计算出的 综合污染指数的值越大表示所受的污染越严重内梅罗污染指数反映了各污染物对土壤的作用,同时突出了高浓度污染物对环境质量的影响近年来, Chen 等进一步完善了重金属复合污染的综合指数的表征方法:污染综合指数:/二\ ] Un-:■:其中, RPE 为相对污染当量; DDMB 为土壤重金属浓度偏离背景值的程度; DDSB 为土壤重金属浓度标准偏离背景值的程度; X 为超过标准值元素个数; Y 为超 过背景值元素个数;Z是用于评价的元素个数当Y = 0,I = 0为背景条件; 当Y > 0; X =0; I = 0〜1为未污染;当X > 1, I > 1时为污染四、土壤重金属污染的修复方法从根本上说,污染土壤修复的技术原理可概括为:( 1) 以降低污染风险为目的,即通过改变污染物在土壤中的存在形态或同 土壤的结合方式,降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性;( 2) 以削减污染总量为目的,即通过处理将有害物质从土壤中去除,以降 低土壤中有害物质的总浓度。
基于这2种基本原理,人们提出物理、化学和生物3 种修复类型 其中物理方法主要包括物理分离法、新土置换法、固化稳定法、蒸气抽提 空气喷射、热解吸以及电动力法等 ; 化学方法主要包括溶剂萃取法、化学淋洗、 氧化法、还原法以及钝化技术等; 生物修复方法可分为微生物修复、植物修复 与动物修复3 种,其中植物修复主要有根部过滤技术、植物提取技术、植物挥 发技术和植物稳定化技术; 微生物修复主要包括原位修复的投菌法、生物培养 法以及生物通气法和异位修复的预制床技术、生物反应器。
