土壤重金属镉污染的生物修复技术研究新进展

 

        随着工农业生产中大量Cd的使用，农业生产过程中污灌、施肥等行为的加剧，受污染环境中的Cd含量也逐年上升，据统计，每年在世界范围内进入土壤的Cd总量为2.2万t。目前，我国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积近2000万hm²，约占总耕地面积的1/5;其中工业“三废”污染耕地面积l000万hm²，污水灌溉的农田面积已达330多万hm²。在土壤重金属污染中，Cd污染非常严重。20世纪90年代初，我国污灌农田为14000000hm²，由于污灌不当对6300000hm²农田造成不同程度的污染，其中Cd污染耕地130000hm²，涉及11个省市的25个地区，每年生产cd米(Cd含量≥1.0mg/kg的糙米)50000000kg。如沈阳市张士灌区因污染可能会生产Cd米的面积约为329hm²，土壤中的作物受Cd污染导致“Cd米”的地区还有：上海的沙川灌区、江西大余县灌区、广东的广州和韶关地区、广西的阳朔和湖南的衡阳等地，近几年，Cd污染的状况有日益严重之势，这严重影响到粮食产量和粮食安全问题。

 

        1 土壤中的Cd及其来源

        1.1 土壤中的Cd及其存在形态

 

        Cd在地壳中的含量较少，世界上多数土壤Cd含量为0.01～2.0mg/L，平均值为0.35mg/L。在我国，据中国环境监测总站(1990年)报告，全国41个土类Cd的背景值差异明显，Cd含量变化范围在0.017～0.332mg/kg之间。由于土壤腐殖质对Cd有富集作用，有的土壤Cd含量可高达4.5mg/kg。随水流迁移到土壤中的Cd可被土壤吸附，吸附的Cd一般在0～15cm的土壤表层累积，15cm以下含量显著减少。

 

        重金属Cd在土壤中以水溶态和难溶态的形式存在.水溶性Cd主要以离子态或络合态存在，如Cd2 、CdC1 、CdSO4等;难溶性Cd以交换态(粘土交换及腐殖质交换)、化学沉淀态及难溶性螯合态存在于土壤颗粒中，如CdS、CdCO3等。

 

       1.2 Cd的来源

 

        土壤中镉污染的来源方式主要是自然过程、采矿、冶炼、污灌、施肥、大气沉降等，自然过程对土壤中Cd的输入主要通过岩石风化和火山活动等地质和环境地球化学过程.鲁如坤等(1992年)根据欧共体国家1975年的统计数字推算，土壤外源Cd有6%来自生产Cd的工业，57%来自使用Cd为原料的工业，37%来自其他工业来源。其中，每年来自农业和动物废物Cd的含量为0.22万t、城市污水和 废水等0.438万t、矿物灰0.72万t、肥料和杀虫剂0.02万t、工厂废弃物0.12万t、大气沉降物0.5万t等。

 

       2 修复技术

 

目前，对于重金属污染土壤的治理主要包括工程措施、化学治理措施、农业生态修复措施和生物修复技术等方面，对于Cd污染土壤的治理也是使用这些方法，在实际应用中，一般会根据土壤中Cd污染浓度、存在形态以及土壤特性等情况选择合适的方法进行修复，以达到较高的修复效率。

 

        2.1 工程措施

 

        工程措施包括客土法、换土法、深耕翻土法、固化、稳定化方法、电动力修复法等，工程措施具有稳定、见效快的优点，但存在工程量大、投资费用高、二次污染隐患等缺点，不适宜大面积污染土壤的治理，因此，其不是一种理想修复土壤Cd污染的方法。

        2.2 化学治理措施

 

        化学治理措施包括淋溶法、施用改良剂等方法，这些方法能够在短期内降低土壤中重金属的毒性和生物有效性，但此方法因人为向土壤中施加化学药剂，易造成二次污染，且该方法是一种原位修复方法，重金属Cd仍存留在土壤中，容易再度活化危害植物，其潜在威胁并未消除。此外，就修复后土壤的长期有效性和生态系统的长期稳定性来说，还缺乏深入细致的研究。

 

        2.3 农业生态修复措施

 

        近年来，一系列农业生态修复措施被逐渐应用于受重金属污染土壤的修复，农业生态修复措施是通过调节诸如土壤水分、土壤pH值、土壤阳离子代换量(CEC)、CaCo3和土壤氧化还原状况及气温、湿度等因素，改变土壤中Cd的活性，降低其生物有效性，以减弱重金属对植物的毒害作用。农业生态修复方面我国研究的较多，取得了一定的成就，该方法实施过程中，要系统考虑土壤物理、化学特性的相互影响和作用，目前仍缺少对此方面的系统研究，另外，该方法也是一种原位修复技术，cd形态发生了改变，但仍存在土壤中，容易再度活化，对生物产生危害。

 

        2.4 生物修复措施

 

        2.4.1 微生物修复

 

        土壤微生物包括与植物根部相关的自由微生物、共生根际细菌、菌根真菌，它们是根际生态区的完整组成部分。微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用，其抗重金属机制包括生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。通过这些作用，微生物一方面可以降低土壤中重金属的毒性，并可以吸附积累重金属;另一方面可以改变根系微环境，从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。

 

        目前，大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室水平，实例研究还不多，无法大面积推广，对于微生物修复技术还需做更深人探索。

 

        2.4.2 动物修复

 

        利用土壤中的某些低等动物如蚯蚓能吸收重金属的特性，在一定程度上降低了污染土壤中重金属比例，达到了动物修复重金属污染土壤的目的。目前利用低等生物进行重金属cd污染修复的研究仍局限在实验室阶段，且因受低等动物生长环境等因素制约，其修复效率一般，并不是一种理想的修复技术。