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《治理酸性土壤和重金属污染新思路》

  • 来源专题：农业立体污染防治
  • 编译者： 金慧敏
  • 发布时间：2017-02-22

  • 中国科学院合肥物质科学研究院吴正岩研究员课题组在酸性土壤重金属污染修复方面取得重要进展。研究团队研制成功一种新型纳米复合材料，能够高效抓取和转化酸性土壤中的有害重金属离子，且亩均成本不超过30元。这项研究成果近期发表在美国化学会的绿色化学领域核心期刊《美国化学会可持续化学与工程》(ACSSustainableChemistry&Engineering)上（DOI: 10.1021/acssuschemeng.6b02569）。

    文章指出世界上约30%的不冻土都是酸性土壤，不仅造成农业减产，而且还会激活重金属离子，加剧重金属对人体的危害和对环境的污染，已经成为我国乃至世界农业和环境领域亟待解决的关键问题。据了解，目前土壤修复常规处理方法有植物修复和化学修复两种，但存在成本高、周期长、效率低等缺陷，且治标不治本，这也是制约酸性土壤和重金属污染治理的关键技术瓶颈。研究团队成功研制出一种复合纳米材料，将黏土、生物炭等天然材料复配，使其由聚集态变为松散态的网状结构，既能将土壤ph值提升至接近中性，又能够高效地富集和抓取土壤中的有害重金属元素，同时还能将“六价铬”等有害元素转化为安全元素“三价铬”。

    这种新型的土壤修复材料亩均成本只有10元至30元，修复过程直接融入耕种流程之中，不仅使用便捷，相比传统修复方法效率也大幅提高，并且可以制作成粉剂、液体、颗粒等各种形式。专家表示，该材料应用前景广阔，明年有望实现量产。

  • 原文来源：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.6b02569
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  • 《有机改良剂融入到重金属污染土壤修复治理中》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2019-09-09
    • 摘要：在众多的废物利用及处理方法中，土地利用是一种比较常见的方法，土壤中的重金属得到了人们的重点关注，重金属可能会随着动植物进入到食物链中，伴随着人们生活质量的不断提升，人们对自身健康提出了更高的要求，土壤污染也受到了人们的重视，污染修复技术被广泛运用到土壤修复治理中。生物修复技术主要借助土壤微生物及植物的力量来改善重金属的利用率，充分发挥有机改良剂的作用能够有效提升重金属污染土壤修复治理工作水平，有机改良剂分为很多种，其中的堆肥、污泥以及一些固体废物是比较常见的，能够提升土壤的自身肥力，还能降低土壤中重金属的利用率。下面本文主要针对有机改良剂在重金属污染土壤修复治理中的运用进行了探讨。 关键词：重金属；有机改良剂；生物利用率 在废物管理工作中，土地处理方式的重要性逐渐凸显出来，食物中的重金属主要来自于土壤中。土壤污染在人类健康及生态系统发展中起到了不可替代的作用，土壤修复治理工作也得到了人们的重点关注。土壤修复的方法通常是通过改善土壤条件以降低重金属的生物利用率。减少或消除有毒物质经人类活动进入土壤的传统方法主要包括土壤蒸汽提取、焚烧等，但这些传统方法均存在一定的风险。本文主要介绍了有机改良剂对重金属污染场地修复的潜在价值，简要概述土壤重金属、有机改良剂的来源以及重金属在土壤中的一系列反应。描述通过有机改良剂强化重金属生物修复的机制，针对重金属在土壤中的生物有效性进行了讨论。 1探讨土壤中重金属的主要来源 一般情况下，土壤系统中金属浓度直接受到自然环境的一ing想爱你过，由于重金属本身的溶解度较低，也不容易被植物吸收，因此土壤中生物受到的影响较小。人类活动给土壤带来的重金属具有很高的生物活性，如施加在农业土壤中的污泥、粪便等机改良剂是植物生长的必需品，也是土壤中金属物质的主要来源。污泥中受关注的重金属有Pb、Ni、Cd、Cr、Cu和Zn，它们主要来自于工业废水中的污染物。L.Gove等人报道，土壤中的污泥对Ni和Cr的总浓度影响不大，但对增大Cd、Cu、Pb和Zn的浓度有明显效果，污泥中这些元素有很高的活性。这些元素通常被固化在土壤中，但它们对土壤微生物群落是有毒的，且可以在动植物中积累。粪便亦被认为是重金属输入土壤的主要来源，粪便在土壤中的大量使用，导致重金属浓度升高。由于重金属主要通过粪便和尿液排出，粪便中的重金属的浓度主要取决于饮食中的的浓度。Li等指出，猪饲料铜浓度和粪便铜浓度呈显著相关性（R2=0.89，P＜0.05），铜在猪粪和饲料中的浓度分别为6.86 mg/kg和395.19 mg/kg，猪粪中的Cu含量大于5倍猪饲料。同样，在猪和家禽中过度使用生长促进剂，可导致污水和粪便中Cu含量增加。 2探究有机改良剂的自身功效 2.1有机改良剂的钝化作用 有机改良剂具有较为明显的钝化作用，在重金属污染土壤修复治理过程中，使用有机改良剂能够提升重金属的钝化水平。例如，褚艳春等发现施加污泥堆肥能够增加土壤的表面电荷。然而，碱性稳定化污泥堆肥施如土壤后，由于在碱性条件下土壤有机质的溶解性增加，其电荷改变与施入量的增加不成比例。陈健等研究表明，黏土经污泥处理后，其p H和有机质的含量增加，且其重金属的有效性随时间的推移而降低。有机改良剂通过形成有机铜配合物增强对铜的钝化效果，将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ），形成氢氧化镉沉淀，从而将其钝化。土壤经堆肥处理后，其质地、孔性等物理性质得到了改善。土壤结构特性改善后通过形成水稳团聚体阻止污染颗粒的转移。堆肥能够促进黑麦草和高羊茅的生长，并能降低Cd、Pb在其体内的含量。 同时，王忠强等人研究表明泥炭堆肥能降低土壤中Pb的生物利用率从而降低油菜地上部的Pb含量。 2.2有机改良剂的还原功效 在重金属物探土壤的修复治理工作中，有机改良剂的还原功效非常关键，能够给微生物提供所需的碳源，并促进重金属的还原。大量研究表明，施加畜禽粪便、作物秸秆等有机改良剂能够促进Cr、Se的还原。畜禽粪便和污泥等生物废料作为溶解性有机碳（DOC）的来源能提高土壤中有机碳DOC的含量，同时也能增加土壤有机质的溶解性从而提高DOC含量，溶解性有机质和天然有机质能改变水陆环境中Hg的存在形态和生物利用率。微生物在土壤还原反应中起主导作用。在有机物的代谢过程，通过酶促反应还原土壤中重金属。Cr（Ⅵ）在厌氧条件下被还原为Cr（Ⅲ），市政固废能增强微生物的活性，从而促进重金属的厌氧还原。 2.3有机改良剂的挥发功效 大部分的重金属都无法挥发掉，但是有部分重金属能够通过一些方式挥发出来，比如，微生物能够把Hg（Ⅱ）还原为气态Hg（0）挥发进入大气。As经微生物的甲基化作用形成挥发性化合物烷基砷，与五价砷相比，有更大的迁移性、生物利用率和毒性，但其毒性不如As（Ⅲ），在空气中能迅速被氧化和去甲基化。因此，生物挥发能对As污染土壤和水体提供有效的修复技术。同样，Se经过生物甲基化作用后，形成气态甲基化合物释放进入大气。微生物在还原和甲基化过程中起着至关重要的作用，有机化合物的加入能够提高重金属的挥发损失。例如Dhlillon等人发现施加有机改良剂能增强土壤中硒的挥发，如畜禽粪便、植物叶和农家肥能增加硒的挥发，从而明显减少玉米和豇豆的吸收。 3把有机改良剂运用到重金属污染土壤修复中的效果 针对有机改良剂在重金属污染土壤修复中的效果，不同的研究人员持有不同的看法，有一些研究人员认为，有机改良剂能够有效提升土壤的生产力。污泥和城市生活垃圾等有机改良剂能提供微量营养元素，并常有一定的p H缓冲能力。作物生长在有机废物（如污泥、城市生活垃圾和一些工业废料）的处理下，得到了改善。有机改良剂能促进植物生长，提高微生物活性，特别适用于处理酸性和低肥力土壤，同时也能提高对盐碱性和石灰性土壤的生产力。虽然大量研究表明有机副产物可作为重金属钝化的材料，但其在土壤中的使用仍受到质疑。一方面，有机改良剂（如污泥、粪便等）通常含有氮、磷、有机污染物和重金属等环境污染物；另一方面，随着时间的推移有机质降解，钝化的无机物会被再次活化，有机副产物固定重金属污染物的能力降低。研究表明，腐殖化程度影响有机废弃物的长期稳定性和对重金属的吸附能力。也有研究表明，污泥的施加能提高溶解性有机碳（DOC）的浓度，增强其与重金属的络合螯合作用，从而增强重金属的淋溶损失。因此，施加有机改良剂后生物的吸收量减少，但污染物质的淋溶仍是一个严重的问题。因此，有机改良剂对改善土壤理化性质，提高土壤生产力具有明显效果，但也存在潜在风险，使用时需要谨慎考虑。 结束语：伴随着我国污水处理技术水平的提升，动物饲料的利用率也得到了进一步提升，饲料中的重金属含量经过处理之后明显下降了很多，有机改良剂的出现及运用能够有效提升土壤修复治理效率。有机改良剂通过吸附、络合作用降低了重金属的生物利用率，从而减少其由通过植物吸收和淋溶带来的迁移。有机改良剂也能促进硒和汞还原，从而形成挥发性化合物从土壤中去除。世界各地重金属污染土壤不断增加，出现了一些高成本工程修复措施（如土壤淋洗、电动修复等），同时植物修复技术在田间试验中也得到了一定的成效。鉴于有机改良剂在当前重金属污染土壤修复上的广泛应用，以下领域应得到进一步的研究：第一，在有机改良剂化学动力学影响下，微生物群落的类型及微生物对土壤矿物有机质的作用机理；第二，深入研究有机改良剂与土壤组分之间的相互作用机理，提高有机改良剂的长期有效性；第三，从动力学角度研究有机改良剂在植物根际与重金属的生物化学效应。
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  • 《生物修复技术在重金属污染土壤中的应用及发展》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2019-11-20
    • 摘要：近些年，因为各方面原因导致我国很多地区的土地重金属含量严重超标，其不仅给人民群众的生命安全造成了严重的影响，还会干扰到农村发展的进程，这些情况都在说明解决重金属污染问题已经迫在眉睫。据此，本文将从生物修复技术在重金属污染土壤治理的实际应用入手研究，并对其未来的发展方向进行展望，以期能够为如今的相关研究部门的生物修复技术的开发和研究提供一些理论基础，进而促进我国重金属污染土壤的治理工作。 关键词：生物修复技术；重金属污染；应用；发展 前言：随着社会经济的不断发展，如今的社会对于各方面地需求也在日趋上升，但同人们地需求一同上升的却是如今的环境污染问题也在日趋严重，大量的工业“三废”的排放、农药化肥的不合理使用等等问题，都导致了如今土地环境中各方面重金属的含量严重超标。其不仅会对人们的身体健康造成严重的影响，还会导致可耕种的土地范围也在日渐缩小，所以对土地重金属含量超标这一问题进行治理已经是如今迫在眉睫的一个严峻问题。 一、重金属污染土壤的现状： 现如今，很多地区土壤的重金属污染都是由于人类的日常生产活动做造成的。过去人类所造成的重金属污染没有超过自然界的自我净化能力，所以没有显现出太多的问题，但随着社会的不断发展，人们对于各方面的需求也在不断的上升，而有需求就会有生产，需求量越大，生产量也就越多，但人类的生产与生活常常都是伴随着污染产生的，随着需求量越来越多，造成的污染也就越来越多，最终超过了自然界的自我净化能力，致使出现土壤污染问题，最终对人们的生命健康和农业生产造成了极大的负面影响。而且相对于其他污染来说，重金属污染更加普遍和隐蔽，其在污染初期并不容易被人们所发现，只有在污染问题积累到一定程度以后，才能够被人们所发现，但这个时候已经有些为时已晚，自然界已经无法对其进行自我净化作用，只能通过人类自身的各种方法来对其进行治理工作。据有关部门研究发现，当前我国被污染的土壤面积已经超过了5000万亩，这些被污染的土壤中超标的重金属元素主要有汞、镉、铅、铬、锌、铜等，并且随着时间的推移，土壤重金属污染的情况还在不断的加剧，如不及时对这些已经被重金属污染的土壤进行治理工作，那么就会对我国的生态环境造成严重的危害，进而危害到人们的生命健康[1]。 二、生物修复技术在重金属污染土壤中的应用： 所谓的生物修复技术，就是指那些利用生物的生命代谢活动来将土壤中所蕴含的各种有毒有害物质进行消除或者是进行无害化处理的技术。而现如今，生物修复技术主要分为植物修复技术、微生物修复技术、动物修复技术三大类。相对于其他的重金属污染治理技术来说，生物修复技术有着修复时间短、对周围环境不会造成太大的干扰，修复效果比较明显等优点，所以在如今被广泛的应用于各种重金属污染污染的治理之中。 （一）植物修复技术： 所谓的植物修复技术，就是直接利用其各种绿色植物及其共生的微生物系统来对已经被重金属污染的土壤进行吸收、富集作用，进而有效改变土壤重金属污染的一种新兴环境治理技术。在实际应用过程中，用超富集作用植物修复技术主要分为植物吸收、植物挥发以及植物稳定三大类：其中植物吸收就是植物利用自身的根部来发挥出超富集作用，进而对各种重金属元素通过根部进行吸收，再从根部进行转移，转移到植物的地上部分，最终达到消除、降低土壤内部重金属元素含量的目的；而植物会发则是指植物在生长生存过程中，通过自身的转化作用，将土壤中所积累的各种重金属元素转化成为可挥发的形态，最后从植物的地上部分将其进行挥发，以此来起到降低和消除土壤中的重金属元素含量的目的；至于植物稳定则是指利用植物来降低土壤中的各种重金属元素的活性，进而实现降低重金属的危害性的目的[2]。如今植物修复技术已经被广泛的应用于如今的重金属污染土壤治理过程中，并取得了很多喜人的效果。例如水生植物凤眼莲可以对土壤中的汞、铅、镉、铜、砷都有着良好的富集效果。 在例如印度芥菜也同样可以应用于重金属污染土壤的治理当中，其对于各种重金属的富集效果也非常良好，由此可见在如今的重金属污染土壤中应用植物修复技术进行重金属治理是一种非常好的方法。 （二）微生物修复技术： 微生物修复技术，就是选择那些自然界已有的或者人工培育后的有着各方面特性的微生物，然后利用其生命代谢活动，对土壤中所蕴含的各种重金属元素进行转化、降解，进而起到降低重金属元素活性或者进行消除的作用。据科学研究发现，微生物对于重金属污染土壤治理主要是通过两种机理来进行的。其一是微生物通过生物代谢活动来对重金属元素的形态进行改变，以此来降低重金属元素的毒性的作用；其二则是微生物通过自身的生物代谢活动来对土壤中所蕴含的各种重金属元素的价态进行改变，将重金属元素转变成为一种易溶物，进而可以轻易的将其从土壤中进行滤除工作，以此来实现降低土壤中重金属元素含量，改善土壤生态环境的目的[3]。如今，世界上对于微生物修复技术的研究也同样取得了很大的成效。例如在国外，有很多学生都曾经利用微生物修复技术的第二种机理来将重金属元素从土壤中进行分离工作，由此可见微生物修复技术在却是可以在实际重金属污染土壤治理过程中进行应用。而在我国，也同样有很多专家学者在进行相关的微生物修复技术的研究工作。例如牛旭等人曾经研究过微生物能耗改变矿区的的特性，进而将矿区改变成为种植区进行过相关的研究工作。而对于矿区的土壤来说，其中蕴含着很多难以通过自然界的净化作用来进行降解的腐殖质，这些腐殖质的存在不仅会影响到土壤的整体结构，还会对土壤的疏松度造成一定的干扰，这些都矿区转化成为种植区的阻碍坐在。但通过对微生物修复技术的研究发现，微生物修复技术不仅可以对这些腐殖质进行降解作用，还能够积累土壤中所蕴含的有机质，进而起到改善土壤整体结构的同时，实现积累土壤肥力的作用。 （三）动物修复技术： 所谓的动物修复技术，就是利用土壤中本身便存在的各种动物及其肠道中现有的微生物，在自然条件下或者人工条件下、促使其这些动物及其体内的微生物的生长与繁殖，然后令其在生命代谢过程中，对土壤中所蕴含的各类重金属进行去除、分解、富集等作用。一般在使用动物修复技术的时候，通常都会选择诸如蚯蚓、蜘蛛等常见的动物，其不仅有着很强的重金属富集能力，还能够改善土壤的结构，提升土壤的肥力，所以在如今的重金属生物修复技术当中，动物修复技术应用之处也很多。 三、生物修复技术在重金属污染土壤中的发展展望： 目前，我国对于生物修复技术的研究还是处于起步阶段，所以主要研究方向还是几种与植物修复技术与微生物修复技术两类生物修复技术之上，对于动物修复技术的研究却不是很多。也正是因为我国对于生物修复技术的研究还处于起步阶段，所以还存在着诸如用于修复的生物和被修复地区的本土生物之间存在的竞争、生物修复效果容易受到外界因素影响等问题。根据这些问题，本文将对未来生物修复技术的发展方向进行展望：（1）做好用于修复的生物与被修复地区本土生物之间的竞争协同关系；（2）建立完善的生物修复体系，很多土壤中所蕴含的重金属还有着极大的回收再利用的价值，未来如果在完善生物修复技术的同时，还应该方便重金属元素在分离受的回收作用，进而缓解我矿产资源缺乏的现状。 总结：综上所述，鉴于我国如今土壤重金属污染现象越来越严重的问题，使得越来越多的人们关注起重金属污染土壤的治理问题。虽然生物修复技术有着各种各样的优点，但因为我国相关的生物修复技术起步时间比较晚，还有很多不足之处，所以在进行具体应用过程中肯定会有着很多的局限之处，但作者相信，随着生物修复技术而不断研究发展，未来肯定会全面的应用于各种污染修复之中，进而为我国人民群众创造出一个更加优美的生态环境。
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