土壤重金属污染的生物修复方法1PPT格式课件下载.ppt
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,隐蔽性:
土壤中的重金属不易察觉,一般要通过植物进入食物链,易于传递给人或动物,积累到一定程度时才能表现出其严重的危害。
长期性:
污染物在土壤中的滞留时间长,易积累。
不可逆性:
重金属不能被植物或微生物降解而从环境中彻底消除,这是它和其他类型污染物相比的一个重要特殊性。
表聚性:
重金属污染物主要累积在土壤耕作层,很少向土壤的下层移动。
由于有机胶体、无机胶体和有机无机复合胶体对阳离子有较强的吸附、代换、络合等作用,重金属在土壤中的迁移能力受到限制。
1.2土壤中重金属污染的特点,1.3土壤中重金属污染的危害,土壤中累积的重金属浓度过高能够直接影响土壤质量、水质状况、抑制土壤中生物的活性,严重阻碍植物的生长发育,并且可以通过食物链直接进入人体,从而威胁到人体健康。
而当重金属通过食物链进入人体后,对人体也将产生严重的毒害作用。
对人类危害较大的重金属,主要有汞(Hg)、镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)和铬(Cr)几种,有人称之为“五毒”。
它们能引发多种疾病,还有致畸、致突变和致癌作用。
泰国发生过由砷引起的“黑脚病”;
日本发生过分别由镉、汞污染而引起的“骨痛病”、“水俣病”。
粤北“癌症村”,2土壤重金属污染的修复技术,土壤中重金属污染修复方法的研究在国内外已经有了大量的报道,治理途径主要分两种思路:
一是固化作用(immobilization),使重金属在土壤中由活化态转变为稳定态,从而减少重金属的迁移性和生物可利用性.二是活化作用(mobilization),将重金属从土壤中去除,使其存留浓度接近或达到背景值。
具体有物理控制、化学、生物修复等方法。
其中生物修复,尤其是植物和微生物的方法近年来得到了特别的的重视,并取得了显著的进展。
2.1物理修复技术,物理控制法是一种基于机械物理或物理化学原理的工程技术,它包括改土法、热处理法、玻璃化技术、电动修复法等。
2.1.1改土法,主要包括排土、换土、去表土、客土和深耕翻土等。
治理土壤重金属污染切实有效。
深耕翻土即采用深耕,翻动上下土层,使得表土壤中的重金属降低,这种方法动土虽然比较少,但在严重污染区不宜采用,因为严重污染区受到污染的土层较深。
而排土、换土、去表土、客土被认为是治本的4种好方法。
它们是通过向污染土壤中加入大量的干净土壤,覆盖在表层或混匀,甚至将污染土壤全部换掉,使污染物浓度降低或减少与根系的接触,减小其对环境的危害。
改土法工程量大,费用高,并有污土的处理问题,在换土过程中可能由于渗漏等因素而造成环境的二次污染,因此目前只用于小面积污染严重的地区。
2.1.2热处理法,热处理是通过加热的方式,将一些具有挥发性的重金属如汞、砷等从土壤颗粒内解吸出来,或者进行热固定等的一种方法。
处理后可以将其再回收利用。
美国一家汞回收服务公司对汞的回收利用进行了实验室和中型模拟实验研究,成功地将此方法应用于现场治理。
该方法工艺简单,但能耗大,操作费用高,且只适用于挥发性较强的污染物,并且回收不良时易造成大气污染。
2.1.3玻璃化技术,把重金属重污染区土壤置于高温高压条件下熔化,冷却后形成比较稳定的玻璃态物质。
使重金属固定于其中,达到消除重金属污染的目的。
这种技术能从根本上消除土壤的重金属污染,见效快,但是技术比较复杂、工程量大、费用高昂,实地应用中还会出现难以达到统一地熔化以及地下水的渗透等问题,限制了它的应用,仅仅用于重金属重污染区的抢救性修复。
2.1.4电动修复,通过在水分饱和的污染土壤中插入一些电极,然后通一低强度直流电,在电解、电迁移、扩散、电渗、电泳的作用下,土壤中的重金属离子在电场中作相对运动,流向土壤中的一个电极,然后通过工程化的收集系统将电极收集起来进行处理,从而达到去除重金属的目的。
由于土壤系统中组分的复杂性,经常出现实际应用与实验结果相反的现象,从而使这一方法的商业化受到了限制。
总体来说,物理方法比较复杂、工程量大、费用高昂,难以大面积推广。
2.2化学修复技术,现有土壤重金属污染修复方法主要集中在采用化学方法来改变重金属在土壤中的活性方面。
主要有化学固化法和土壤淋洗法,另外也有施加重金属拮抗剂、利用天然矿物吸附固定重金属污染物等报道。
2.2.1化学固化,向土壤中添加改良剂,改变土壤的理化性质,通过重金属的吸附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态,从而降低其生物有效性和迁移性。
该技术关键在于选择经济有效的改良剂,常用的改良剂有石灰性物质、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐、钢渣、高炉渣、粉煤灰及膨润土等。
在重金属污染的酸性土壤,施用石灰、矿渣、粉煤灰等碱性物质,能提高土壤的pH值,降低重金属的溶解性,从而有效的降低了植物体的重金属浓度。
如通过向土壤中加入不同形式的磷改良剂,能有效地将土壤中的铅从非残渣态转化成为残渣态的形式存在,从而降低土壤中铅的移动性与生物有效性。
但这种方法并不是一个永久性的措施,只是改变了重金属在土壤中的存在形态,仍持留在土壤中。
2.2.2土壤淋洗,土壤淋洗是把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去,再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。
用于淋洗土壤的淋洗液较多,包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂等。
该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属,又不破坏土壤结构的淋洗液,但事实上很难找到。
而且,如果处理不当的话,引入的提取剂很有可能造成二次污染。
由于经济和技术上的原因,例如成本高、实地应用经验不足及处理效果不稳定等,此技术尚没有进入商业化阶段。
化学方法治标不治本,容易造成二次污染。
2.3生物修复技术,与其他较为成熟、应用较早的土壤重金属修复技术及改良措施相比,生物修复(remediation)是近年来发展起来的用于治理土壤重金属污染的一门新技术。
其生物学机制是通过生物对土壤重金属污染物转化和蓄积,从而达到将污染物清除的目的。
这项技术充分利用了生态系统的自净作用,减少了对土壤环境的扰动,同时,对土壤与周围生态环境也有积极的促进作用。
其高效、安全、经济、持久等特点符合可持续性发展的目标。
从20世纪80年代以来,生物修复己经成为国际学术界研究的热点问题。
它主要包括微生物法和植物修复法。
2.3.1微生物修复技术,有些微生物具有嗜重金属性,利用微生物对重金属污染区进行净化。
微生物金属修复的机理包括胞外络合、沉淀、氧化还原反应和胞内积累等。
日本发现一种嗜重金属菌,能有效地吸收土壤中的重金属。
李志超发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg。
耿春女等利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu取得了良好的效果。
研究表明,许多细菌、真菌都有从周围环境富集重金属的能力,但是至今仍没有一种经济有效的方法从土壤中回收富集了重金属的微生物,限制了其应用。
因此尽管微生物修复引起极大重视,但大多数技术仍局限在科研和实验室水平,少有微生物重金属修复的实例报道。
2.3.2植物修复技术,目前,在土壤重金属污染的生物修复中应用较早、较广泛的是植物修复(Phytoremediation)技术。
植物修复法有其独特的优点:
(l)成本低;
(2)绿色净化,不破坏土壤生态环境;
(3)通过对植物的集中处理,造成二次污染的机会较少;
(4)植物修复是一个自然过程,易为公众所接受。
3土壤重金属污染的植物修复,重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种类型。
3.1植物挥发,植物挥发(Phytovolatilization)是指利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态,并将之挥发出土壤和植物表面的过程。
其机理是利用植物根系吸收金属,在植物体内将Se、As和Hg等甲基化而形成可挥发性的分子,释放到大气中去,以降低土壤污染,目前研究较多的是Hg和Se。
烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞,洋麻可使土壤中47%的三价硒转化为甲基硒挥发去除。
植物挥发易形成二次污染,将污染物转移到大气中,对人类和生物具有一定的风险。
如汞、铅等挥发可能会对环境产生更大的影响。
3.2植物稳定,植物稳定(phytostabilization)又称植物钝化、植物固定。
即利用植物根系固定和钝化等活动来固定土壤中的重金属,以降低其生物有效性,防止其进入地下水和食物链进一步污染环境。
主要是通过保护土壤不受侵蚀,减少土壤渗漏来防止污染物的淋失,并通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。
植物根系分泌物能改变土壤根际环境,可使多价态的Cr、Hg、As的价态和形态发生改变,影响其毒性效应。
根毛可直接从土壤交换吸附重金属增加根表固定。
但这只是一种临时的措施,不能彻底清除土壤重金属。
3.3植物提取,植物提取(Phytoextraction)又称植物吸收,是利用一些植物对重金属的吸收作用和在地上部的积累,通过收获其地上部分进行集中处理,以达到降低土壤中重金属含量的目的。
与植物挥发或植物钝化相比,植物提取法具有更大的可行性,更不易造成二次污染。
它成为了如今污染整治的重要手段之一,亦是目前仅见的一种土壤污染治理的环境友好技术。
3.3.1植物提取技术的影响因素,植物吸收土壤中的重金属大致可分为四个主要阶段:
(l)重金属离子进入土壤溶液;
(2)重金属离子或者可溶性金属络合物向根表迁移;
(3)金属或者可溶性金属络合物被根系吸收;
(4)金属离子或者金属络合物从根系向地上部转运。
其中,前两个过程受土壤理化性质及生物因素的影响,而后两个阶段主要与植物种类和金属特性相关。
植物的选择与植物根际土壤中的重金属形态是影响该技术修复土壤重金属污染效率的两个重要因素。
3.3.1.1根际土壤中的重金属形态,土壤中重金属的总量分析可以给出关于土壤中重金属可能富集的信息,但不能表明该元素在土壤中的赋存状态、迁移能力以及植物吸收的有效性。
这是因为重金属在土壤中以不同的方式与各组分相联系,因而形成了不同形态的重金属,从而影响重金属的移动性和生物利用率,有可能表现出不同的活性和生物毒性。
植物提取修复效率的高低在很大程度上依赖于重金属在土壤中的生物有效性。
而“有效态重金属”主要指土壤中能为植物所迅速吸收与同化的那部分重金属含量。
土壤中金属形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态。
根据生物对重金属不同形态的吸收难易程度,可将其分为三类:
重金属的植物可利用态包括水溶态和离子交换态,水溶态重金属能被植物直接吸收利用,离子交换态重金属是最易被植物吸收的部分;
潜在可利用态包括碳酸盐态、铁锰氧化物结合态和有机硫化物态,它们是可利用态重金属的直接提供者;
不可利用态一般是指残渣态,对生物无效。
3.3.1.2植物的选择,植物对重金属的抗性即植物在有重金属压力的环境中仍能存活、繁殖后代,并将这种能力遗传给下一代。
植物对重金属的抗性可通过
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