土壤中有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染的交互作用

1、文章編號(hào):1008-181X(200002-0143-03土壤中有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染的交互作用周東美,王慎強(qiáng),陳懷滿(mǎn)(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,南京210008摘要:有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染是一種普遍存在的環(huán)境污染形式,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。本文主要討論了有機(jī)污染物和重金屬在土壤中的吸附過(guò)程、化學(xué)作用過(guò)程以及生物學(xué)過(guò)程等的交互作用方式及其機(jī)理。關(guān)鍵詞:復(fù)合污染;交互作用;土壤;有機(jī)污染物;重金屬中圖分類(lèi)號(hào):X53;S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AInteraction of Organic Pollutants and Heavy Metal in SoilZHOU Don

2、g-mei, WANG Shen-oiang, CHEN Huai-man( Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 10008, China Abstract: Combined pollution caused by organic pollutant and heavy metal is one of the important environmental pollution forms. Study on this topic is of interest both in theory and pr

3、actice. This paper discusses the interaction of organic pollutants and heavy metals in soils, which includes adsorption, chemical reaction and microbial processes.Key words: combined pollution; interaction; soil; organic pollution; heavy metal土壤是環(huán)境的重要組成部分,它位于自然環(huán)境的中心位置,承擔(dān)著環(huán)境中大約90%的來(lái)自各方面的污染物質(zhì)。目前人們已經(jīng)初步

4、認(rèn)識(shí)到,要做好大氣和水環(huán)境的保護(hù)工作,必須同時(shí)做好土壤環(huán)境的防治與研究,因?yàn)檎麄€(gè)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量依賴(lài)于土壤環(huán)境的改善和提高。近些年來(lái),隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重。污染物質(zhì)在環(huán)境中的累積、遷移和轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化,嚴(yán)重危害土壤圈的良性物質(zhì)循環(huán)和人類(lèi)的生存環(huán)境。所以,研究污染物在土壤-水-植物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化、累積以及經(jīng)農(nóng)作物和食物鏈危害人體健康的途徑和過(guò)程,具有非常重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值1。1有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染研究的重要性目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤中污染物的研究大多僅考慮單一污染物水平的環(huán)境行為,而對(duì)土壤中復(fù)合污染的研究還非常少。在自然界中,單個(gè)污染物質(zhì)構(gòu)成的環(huán)境污染

5、雖時(shí)有發(fā)生,但事實(shí)上絕對(duì)意義上的單一污染是不存在的,污染多具伴生性和綜合性,即多種污染物形成的復(fù)合污染。單個(gè)污染物在土壤-水-植物系統(tǒng)中的行為必然在某種程度上受制于其它共存的污染物,所以在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境容量的制定中,單個(gè)污染物的研究雖具有參考意義,但作為制定標(biāo)準(zhǔn)和容量的依據(jù),就顯得證據(jù)不足。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外已相繼開(kāi)展了重金屬-重金屬24以及有機(jī)物-有機(jī)物5復(fù)合污染方面的研究工作,并取得了富有成效的理論和實(shí)踐成果?？墒?對(duì)于有機(jī)污染物與重金屬?gòu)?fù)合污染的研究,由于其工作難度較大,所以開(kāi)展得相對(duì)較少。事實(shí)上,土壤中有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染是非常普遍的,例如,污水處理廠的污泥、城市生活垃圾以及工業(yè)廢水

6、等造成的污染大都為有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合污染。有機(jī)污染物和重金屬?gòu)?fù)合污染的研究,對(duì)正確評(píng)價(jià)復(fù)合污染條件下污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的行為,幫助人們采取合理的診治措施等都具有非常重要意義。2有機(jī)污染物-重金屬在土壤中交互作用的形式及其特點(diǎn)有機(jī)污染物-重金屬在土壤中的交互作用主要包括三種形式。第一,有機(jī)污染物-重金屬在土壤中吸附行為的交互作用;第二,有機(jī)污染物-重金屬在土壤中化學(xué)作用過(guò)程的交互作用;第三,有機(jī)污染物-重金屬在土壤中微生物過(guò)程的交互作用。2.1吸附行為的交互作用有機(jī)污染物在土壤中的吸附點(diǎn)位主要是土壤中的腐殖質(zhì)部分6。土壤中有機(jī)質(zhì)的碳鏈結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的憎水微環(huán)境,對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)的吸附起著非常重要的作用。有機(jī)

7、化合物通過(guò)在這些憎水微環(huán)境與水界面上的分配而被吸附在土壤表面。疏水性的有機(jī)污染物在土壤中的吸附系數(shù)往往與土壤中有機(jī)碳的含量相關(guān)?？墒菍?duì)于疏水性較差的極性有機(jī)污染物,例如,許多極性農(nóng)藥,它們?cè)谕寥乐械奈较禂?shù)較之疏水性強(qiáng)的有機(jī)污染物要小得多7,這些物質(zhì)往往通過(guò)在土壤或粘土礦物表面發(fā)生靜電作用以及形成氫鍵等方式產(chǎn)生一定量的吸附。隨著平衡溶液酸度的改變,極性化合物在溶液中以分子和離子兩種形態(tài)共存,但不同形態(tài)的化合物在土壤-水界面上具有不一樣的吸附能力。通常,由于有機(jī)污染物的離子形態(tài)較之分子形態(tài)在土壤表面具有相對(duì)小得多的吸附系數(shù)而被忽略8。重金屬在土壤中吸附行為的影響因素非常多,概括起來(lái)主要有土壤的陽(yáng)

8、離子交換容量、粘土礦物組成、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、重金屬離子本身的電荷性質(zhì)、價(jià)態(tài)、水合半徑以及平衡介質(zhì)的酸度等9。重金屬的存在通常不會(huì)影響有機(jī)污染物(特別是分子形態(tài)存在的有機(jī)物在土壤上的吸附,它本身在土壤有機(jī)質(zhì)上的吸附則主要是通過(guò)與有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)之間的絡(luò)合作用而產(chǎn)生的,其中Hg、Cu、Ni和Cd等具有比較強(qiáng)的絡(luò)合能力,其絡(luò)合點(diǎn)位主要為羧基、羥基以及胺基等;而極性有機(jī)污染物可以通過(guò)靜電作用以及在土壤中的粘土礦物上形成氫健等方式被吸附在土壤表面,從而與重金屬發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附10。帶負(fù)電荷的重金屬,例如,鉻酸根和砷酸根,在礦物、土壤以及次生表面礦物上的吸附經(jīng)常會(huì)受到共存陰離子(例如,根際分泌物的干擾,而陽(yáng)離子的

9、存在對(duì)其影響很小。小分子有機(jī)酸陰離子直接地競(jìng)爭(zhēng)吸附點(diǎn)位,間接地改變土壤表面的凈電荷,從而影響其它陰離子在表面上的吸附。無(wú)論是對(duì)吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)還是對(duì)土壤表面凈電荷的影響,都與介質(zhì)的酸度和吸附物質(zhì)在吸附劑表面上的親和力有關(guān)11。土壤對(duì)檸檬酸、草酸、蘋(píng)果酸、醋酸以及磷酸的吸附能力依次為磷酸>草酸>檸檬酸>蘋(píng)果酸>醋酸。金屬離子的存在對(duì)有機(jī)酸在礦物表面上的吸附行為有影響,隨離子電荷數(shù)的增加,其影響效果愈加明顯12。綜上所述,有機(jī)污染物-重金屬在土壤中可能存在對(duì)吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng),它們?cè)诃h(huán)境中的同時(shí)出現(xiàn)勢(shì)必導(dǎo)致其吸附過(guò)程的相互制約。2.2化學(xué)過(guò)程的交互作用從化學(xué)角度來(lái)考慮,重金屬-有

10、機(jī)污染物在土壤中的交互作用過(guò)程主要包括絡(luò)合、氧化還原以及沉淀等,這些過(guò)程的發(fā)生對(duì)其在土壤中的交互作用有非常重要的影響。有機(jī)污染物通常與重金屬共存,其直接的結(jié)果就是可能形成重金屬-有機(jī)絡(luò)合物,這些絡(luò)合物將顯著改變重金屬以及有機(jī)污染物在土壤中的物理化學(xué)行為,從而使得土壤表面對(duì)重金屬的保持能力、水溶性、生物有效性等發(fā)生一系列的影響;另外,一些重金屬還能與有機(jī)污染物作用而導(dǎo)致有機(jī)化,例如,汞、錫等可與有機(jī)污染物發(fā)生作用而生成毒性更大的金屬有機(jī)化合物(甲基汞、三甲基錫等13。當(dāng)然,也可以利用部分外源有機(jī)酸對(duì)重金屬的增溶作用而實(shí)現(xiàn)土壤中重金屬污染的修復(fù)。絡(luò)合劑(EDTA、2,2-聯(lián)吡啶、有機(jī)酸等均能夠與具

11、有配位能力的重金屬產(chǎn)生絡(luò)合作用,從而影響重金屬離子在土壤-水界面的分配14。這種作用可表現(xiàn)為土壤對(duì)重金屬吸附的增加、阻礙或沒(méi)有影響,主要視體系所處的化學(xué)環(huán)境,包括土壤的種類(lèi)、化學(xué)物質(zhì)的理化性質(zhì),水土比例以及介質(zhì)酸度等而定。如果配體與重金屬形成一個(gè)不在土壤表面吸附的配合物,那么這種配體將與土壤表面對(duì)重金屬產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),從而阻止土壤對(duì)重金屬的吸附。但是,如果配體能夠在土壤表面發(fā)生強(qiáng)吸附,那么重金屬將通過(guò)配體形成一個(gè)三元的配合物;當(dāng)然,這種三元配合物也可以通過(guò)重金屬,或者重金屬和配體一起來(lái)形成15。重金屬六價(jià)鉻、五價(jià)砷、五價(jià)錳等和有機(jī)污染物(例如,苯酚類(lèi)、苯胺類(lèi)在土壤中共存時(shí),在一定條件下它們之間將

12、會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng);同時(shí)土壤中含有非常豐富的金屬氧化物(例如,氧化鐵、氧化錳及氧化鋁,這些金屬氧化物還能對(duì)這些氧化還原反應(yīng)起催化作用。最近,我們研究了六價(jià)鉻與苯酚類(lèi)、苯胺類(lèi)化合物在幾種土壤膠體上的交互作用,發(fā)現(xiàn)土壤膠體能夠作為六價(jià)鉻和有機(jī)污染物之間的催化作用中心,其反應(yīng)速度較之在水相溶液中的反應(yīng)要顯著得多16。另外,針鐵礦、氧化鋁及氧化鈦等也可以作為催化介質(zhì)表面對(duì)有機(jī)化合物與重金屬之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行催化17。因此在考慮這類(lèi)反應(yīng)時(shí),必須同時(shí)考慮到土壤中金屬氧化物的存在對(duì)其可能產(chǎn)生的影響。Fe(是六價(jià)鉻非常有效的還原劑,它能將有毒的六價(jià)鉻變?yōu)榈投拘缘娜齼r(jià)鉻以及催化六價(jià)鉻與鹵代苯酚的光解18?？墒窃?/p>

13、實(shí)際情況下,許多有機(jī)配體存在于六價(jià)鉻污染的體系中,這些有機(jī)配體將與Fe(發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),從而改變其對(duì)六價(jià)鉻的還原能力。這一研究結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)富含有機(jī)質(zhì)的真實(shí)土壤體系以及自然水中六價(jià)鉻的還原過(guò)程具有非常重要的指導(dǎo)意義19。2.3 土壤微生物學(xué)過(guò)程的交互作用污染物質(zhì)在土壤中的作用不僅包含物理的和化學(xué)的過(guò)程,同時(shí)也包含生物過(guò)程。由于土壤中微生物的普遍存在,因此考慮重金屬-有機(jī)污染物的交互作用必須要同時(shí)考慮微生物在其中扮演的角色。從目前所掌握的材料來(lái)看,這一部分的研究工作還相當(dāng)缺乏,因此以后應(yīng)逐步加強(qiáng)。有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)土壤生物學(xué)過(guò)程的作用,主要是通過(guò)影響酶的活性從而間接影響有機(jī)污染物的降解。另一

14、方面,它們也通過(guò)改變土壤的氧化還原能力從而影響對(duì)有機(jī)污染物-重金屬的交互作用。通常,重金屬污染容易導(dǎo)致土壤中酶活性的降低,呼吸作用減小,氮的礦化速率變慢,有機(jī)污染物降解半衰期延長(zhǎng)等20。當(dāng)然,重金屬對(duì)土壤中微生物活性的影響,也與重金屬種類(lèi)以及土壤類(lèi)型、有機(jī)污染物的結(jié)構(gòu)等有關(guān)。例如,鎘的存在對(duì)污泥的分解有非常明顯的減緩作用,可是它對(duì)葡萄糖、纖維素的作用就非常小,原因是鎘的加入導(dǎo)致它在有機(jī)質(zhì)上的吸附,從而使有機(jī)質(zhì)的分解速度變慢21 。3 結(jié)語(yǔ)土壤中有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合污染既是普遍存在又是非常復(fù)雜的,實(shí)際體系中所有這些過(guò)程都不是孤立的,而是同時(shí)存在于交互作用的總過(guò)程之中。對(duì)于有機(jī)污染物-重金屬?gòu)?fù)合

15、污染的進(jìn)一步研究,無(wú)疑擴(kuò)展了土壤污染化學(xué)、土壤復(fù)合污染的研究課題,有助于人們有效地對(duì)復(fù)合污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)、治理和修復(fù),有助于人們更好地理解復(fù)合污染條件下污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化和累積規(guī)律,有助于人們更加全面、系統(tǒng)和準(zhǔn)確地闡明生態(tài)破壞、環(huán)境問(wèn)題與人類(lèi)健康的實(shí)質(zhì);同時(shí),也將土壤中污染物的交互作用研究提高到一個(gè)新階段。參考文獻(xiàn):1陳懷滿(mǎn). 土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染M. 科學(xué)出版社,1996.1152謝正苗, 黃昌勇. 鉛鋅砷復(fù)合污染對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響J. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1994, 14(2: 2152173涂叢, 鄭春榮, 陳懷滿(mǎn). 土壤-植物系統(tǒng)中重金屬與養(yǎng)分元素交互作用J. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 1997,

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