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自20世纪初发现镉(Cadmium,以下简称Cd)以来,Cd被广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域,需求量也越来越大,相当数量的Cd通过废气、废水、废渣排人环境,造成污染。土壤中Cd超标一方面会对植物造成毒害并使经济作物减产,另外也会被植物吸收并富集在籽实内进入食物链。Cd一旦通过各种方式进入人体,就会在人体内蓄积起来,其生物学半衰期长达lO至30年.有关土壤环境中Cd通过食物链对人类造成的危害在上世纪就开始有报道,人体摄入过量的Cd易引起前列腺癌、肾癌和痛痛病等疾病。
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。
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