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农田重金属污染生物防治研究

发布日期:2011-05-06  浏览次数:1263

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文章摘要:重金属的污染物通过各种途径进入土壤,造成土壤严重污染。就一般情况而言,造成土壤污染的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、

重金属的污染物通过各种途径进入土壤,造成土壤严重污染。就一般情况而言,造成土壤污染的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷,还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。

  目前,全世界平均每年排放Hg约1.5万吨、Cu为340万吨、Pb为500万吨、Mn为1500万吨、Ni为100万吨,造成了各国程度不同的土壤重金属污染。土壤重金属污染直接影响到土壤质别、水质状况、作物生长、农业产量、农产品品质等,并通过食物链对人体健康造成危害。因此,充分认识土壤重金属污染的长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特点,进行重金属污染的治理,已经成为世界各国广泛重视的问题。就山西省目前的情况来讲,工业污染以及农业生产中大量而盲目使用化学肥料和农药所造成的面源污染,使农田中重金属污染问题日趋严重,这些污染物对耕地的生产能力具有潜在毁灭性的破坏作用。因此,开展对土壤重金属污染物的研究,开发治理耕地重金属污染的技术,已经成为一个十分迫切的课题。

  一、土壤重金属污染形成的原因及治理措施

  在20世纪60~70年代,澳大利亚、美国、德国等国家就开始了对土壤重金属污染的研究。我国对重金属污染的研究起步于20世纪80年代,研究的主要方向集中在土壤重金属的生态效应、临界含量地带性分异规律和分区等问题上。根据目前研究的结果,造成土壤重金属污染的原因主要有以下几个方面:其一,大气中重金属的沉降。工业生产、汽车尾气排放会产生大量含有重金属的有害气体和粉尘;其二,农业生产中农药、化肥的使用。含有铅、汞、镉、砷等的农药和化肥的施用,会导致土壤中重金属的污染;其三,工业废水的灌溉以及金属矿山酸性废水污染。工业废水含有的许多重金属离子,会随着灌溉而进入土壤;其四,用未处理的污泥施肥。未处理的污泥中含有大量的重金属,污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加。

  山西省作为国家的能源重化工基地,土壤污染问题较其他省区更为突出,主要是汞、镉、铅、砷及六价铬等重金属类的污染。据有关资料显示,太原市郊和晋东南污灌区土壤中砷、汞、铬、镉的含量比清水灌区高出几倍到二十多倍,粮食中镉的残留量检出率达84.2%,浓度范围为0-2.0mg/l,铅的检出率为75%;汾河灌区粮食中汞的检出率为41%,蔬菜中为45%,粮食中苯并(a)蓖(强致癌物质)的平均含量为2.44μg/kg,比非污灌区0.53μg/kg约高4倍。太原市耕地出现铅污染迹象的地区已达56%,靠近公路主干道的土地污染情况更为突出。同时,铜、锌等重金属对土地的污染也很严重。其中有两个区、县观测点的铜含量超一级水平,显现污染迹象;另有两地的锌含量超国家一级水平,而铅污染超国家一级以上水平涉及到太原市的多数地区。

  目前,世界各国均广泛开展了重金属污染治理方法的研究工作。总的来说,目前大致有以下几种治理措施:其一,物理治理方法。这种方法主要有两种措施:或者对土壤进行局部或彻底更新,一般采用客土、换土、翻土、去表土等办法;或者对土壤进行处理,一般采用热处理、电解等办法。这些措施具有效果彻底、稳定等优点,但实施过程复杂、治理费用较高;其二,生物治理方法。生物治理主要有动物治理、微生物治理、植物治理等方法。这些方法实施简便、投资较少,但治理过程较长;其三,化学治理方法。化学治理主要有沉淀法、有机质法、吸附法等。这些措施治理效果比较理想而且费用不大,但其稳定性不强,存在重金属再度活化的问题。

  综合上述治理措施以及山西省土壤重金属污染的现状,笔者认为,采用以微生物治理为主、植物治理为辅的生物治理方法是理想的选择:其一,生物治理方法不仅不会破坏原有的生态系统,同时还可以对原有的生态系统进行修复。通过科学手段筛选对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用的微生物菌群,可以对重金属进行富集和降解,降低土壤中重金属的毒性,同时,微生物菌群可以分泌大量的活性酶,能够有效地克服土壤的板结,恢复土壤的团粒结构;其二,微生物菌群一般以风化煤(富含腐殖酸)为载体,腐殖酸能络合重金属离子生成难溶的络合物,而减轻土壤重金属的污染。我省风化煤的资源十分丰富,可以大大降低治理成本;其三,生物治理方法可以实现资源替代,降低农产品成本,提升农产品品质,促进农业生产的发展。微生物菌群中的固氮菌、磷细菌和钾细菌具有固氮、溶磷和解钾的功能,可以对土壤中的营养成分进行分解以及提高无机肥料的利用效率,从而大幅度减少化肥的用量,同时,微生物菌群还可以抵抗病源菌,对土传病的发生具有遏制作用,可以减少化学农药的使用量,有利于保护生态环境;其四,生物治理方法成本低,社会效益以及经济效益显著,完全可以利用市场机制进行运作,实现滚动式发展。从以上分析可以看出,与其他重金属污染治理的措施相比,生物方法治理具有明显的优越性。

  二、土壤重金属污染的生物治理

  在重金属污染的土壤修复中,微生物菌群虽然不能将重金属完全去除,但可能将它转化,降低其毒性;还可将它积累在菌体内使之得到固定。汞是对环境影响最大的一类重金属。经过研究发现,一些微生物菌群可以使甲基汞降解、还原,降低其毒性。例如铜—绿色假单胞菌,变形杆菌可使汞离子转化成元素汞,经10小时后挥发的汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。细菌对甲基汞的降解及还原作用在于其含有的两种诱导酶:有机汞裂解和汞还原酶。真菌中黑曲霉、青霉、粗糙脉菌和燕麦核腔菌对无机汞或有机汞化合物具有一定的抗性。在微生物累积重金属方面,细胞内金属硫蛋白同Hg、Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲合性,结果使重金属富集并抑制其毒性。从裂殖酵母菌,某些藻类和植物中分离到一些多肽,称之为植物麦合素,能结合Cd、Cu、Zn、Hg、Pb等重金属。

  植物对重金属污染位点的修复有三种方式:植物固定、植物挥发和植物吸收,植物一般是通过这三种方式去除环境中金属离子。植物固定主要是利用植物及一些添加物质使环境中的金属流动性降低,生物可利用性下降,使金属对生物的毒性降低。植物挥发是利用植物去除环境中的一些挥发性污染物,即植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质,释放到大气中。目前的研究成果表明,利用植物可将环境中的Se转化为气态式(二甲基硒和二甲基二硒)。植物吸收是利用能耐受并能积累金属的植物吸收环境中的金属离子,将它们输送并贮存在植物体的地上部分。目前有关铅污染的植物修复研究较多,并且已开始商业化操作。Blaylock等通过研究发现,在土壤中加入麦合剂可增加芥子草对铅的吸收。藓类和地衣以及藻类对汞有较高的累积量。大多数木本植物吸收的汞贮藏于根部,对净化土壤起着重要作用。因此,利用植物对金属污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的选择。

  从技术和经济两个角度考虑,对土壤的重金属污染的生物治理具有可行性,但是,就目前科技发展水平来讲,生物修复技术尚存在一定的局限性:首先,微生物菌群不能降解所有进入环境的污染物;其次,在一些低渗透性的土壤中可能不宜使用生物修复技术;第三,特定的微生物菌群只降解特定类型的化学物质,结构稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶破坏。这些问题的存在为我们进一步研究生物治理技术提出了新的课题。

  根据山西省社会经济发展的总体目标和环境保护方面的要求,考虑到在农田重金属污染治理方面的经济承受能力,笔者认为,在农业部门对重金属污染普查的基础上,选择一些农田重金属污染较为严重的地区,进行土壤生物修复的试点是十分必要的,同时,相对于我省目前的科技水平而言,也是完全可行的。土壤质量问题是关系到经济可持续发展和社会全面进步的战略问题,应该引起全社会的广泛关注和政府有关部门的高度重视。

 
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