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土壤環(huán)境因子對(duì)有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響
摘要從傳統(tǒng)污染物和新型污染物等方面介紹了我國(guó)土壤污染的現(xiàn)狀,進(jìn)而分析了土壤環(huán)境因子包括土壤微生物、土壤溫度、pH值、土壤水分、土壤機(jī)械組成、氣候及二氧化碳含量等對(duì)有機(jī)污染物降解和轉(zhuǎn)化的影響。關(guān)鍵詞土壤環(huán)境因子;有機(jī)污染物;遷移轉(zhuǎn)化;影響
土壤農(nóng)藥污染是一全球性問(wèn)題。隨著環(huán)境問(wèn)題在全球范圍的不斷變化,土壤環(huán)境污染化學(xué)已成為環(huán)境化學(xué)不可缺少的重要組成部分[1]。在北美、西歐和澳洲等國(guó)家,隨著各種點(diǎn)源污染得到有效控制,人們關(guān)注的焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到多介質(zhì)非點(diǎn)源污染,另外土壤環(huán)境污染的研究也受到人們?nèi)找骊P(guān)注。在我國(guó),受農(nóng)藥使用、施藥技術(shù)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素影響,土壤農(nóng)藥污染較為嚴(yán)重,制約食品安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)。隨著土壤有機(jī)污染物的類型不斷增多,大量難降解的有機(jī)污染物進(jìn)入土壤,造成環(huán)境的嚴(yán)重污染,影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。土壤中的各種環(huán)境因子對(duì)有機(jī)污染物降解轉(zhuǎn)化有一定的影響,因此,研究這些因子的相互作用,可促進(jìn)有機(jī)污染物在土壤中的消除。
1土壤污染的現(xiàn)狀
相對(duì)于大氣環(huán)境和水環(huán)境而言,土壤環(huán)境的污染源更為復(fù)雜,作為有機(jī)農(nóng)藥、化肥的直接作用對(duì)象,并隨著社會(huì)發(fā)展需求,使得土壤污染物的種類極為繁多。目前,全球生產(chǎn)和使用的農(nóng)藥已達(dá)1 300多種,其中被廣泛使用的達(dá)250多種。我國(guó)也已經(jīng)邁入了世界農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國(guó),現(xiàn)在,我國(guó)每年施用逾80萬(wàn)~100萬(wàn)t的化學(xué)農(nóng)藥,其中有機(jī)磷殺蟲劑占40%,高毒農(nóng)藥達(dá)到37.4%,且有的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、在土壤中存留時(shí)間長(zhǎng)[2-4]。大量的農(nóng)藥流失到土壤中,造成土壤環(huán)境受到嚴(yán)重污染,影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。造成我國(guó)土壤農(nóng)藥污染的農(nóng)藥主要是有機(jī)氯與有機(jī)磷2類。盡管1985年起,我國(guó)就已禁用有機(jī)氯農(nóng)藥,但因早期大量使用及其難降解性,土壤中仍有殘留,造成作物污染。目前,土壤污染物可以分為傳統(tǒng)污染物及新型污染物。
1.1傳統(tǒng)污染物
一是傳統(tǒng)化學(xué)污染物。其又可分為無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物兩大類,其中傳統(tǒng)無(wú)機(jī)污染物包括汞、鎘、 鉛、砷、鉻等,過(guò)量的氮和磷等植物營(yíng)養(yǎng)元素以及氧化物和硫化物等,傳統(tǒng)有機(jī)污染物包括DDT、六六六、狄氏劑、艾氏劑和氯丹等含氯化學(xué)農(nóng)藥以及DDT的代謝產(chǎn)物DDE和DDD,石油烴及其裂解產(chǎn)物,以及其他各類有機(jī)合成產(chǎn)物等。二是物理性污染物。指來(lái)自工廠、礦山的各種固體廢棄物。三是生物性污染物。指帶有各種駁的影響較大。這些新型土壤污染物目前主要有四大類[6-7]:一是各種獸藥和抗生素對(duì)土壤環(huán)境的污染。隨著動(dòng)物飼養(yǎng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展,畜禽養(yǎng)殖污染中一個(gè)重要的問(wèn)題就是這些獸藥通過(guò)動(dòng)物的排泄以及其他方式導(dǎo)致土壤環(huán)境的污染。與獸藥污染相對(duì)應(yīng)的是各種抗生素的土壤污染。隨著醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展,各種抗生素將得到日益廣泛的應(yīng)用,由此導(dǎo)致的土壤污染可能會(huì)更加復(fù)雜。二是大部分溴化阻燃劑在土壤環(huán)境中有很高的持久性,能夠通過(guò)食物鏈和其他途徑累積在人體內(nèi),長(zhǎng)期接觸會(huì)妨礙人體大腦和骨骼的發(fā)育,并且可能致癌,因此引起人們關(guān)注。隨著的不斷發(fā)展以及各種電子產(chǎn)品的逐漸報(bào)廢,各種阻燃劑將以各種方式進(jìn)入土壤環(huán)境中,從而造成對(duì)土壤的污染。三是“特富龍”不粘鍋中使用的化學(xué)物質(zhì)“全氟辛酸銨”以及芳香族磺酸類污染物對(duì)土壤的污染。其中,全氟辛烷磺酸(PFOS)是紡織品和皮革制品等防污處理劑的主要活性成分,在民用和工業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域用途非常廣泛。盡管目前尚沒有土壤環(huán)境中存在含量的數(shù)據(jù),但由于PFOS本身的難分解性、生物高蓄積性和污染的廣泛性,有關(guān)其土壤環(huán)境的污染問(wèn)題勢(shì)必將被暴露出來(lái),并成為土壤環(huán)境污染化學(xué)面臨的新課題。四是含有過(guò)敏源的植物及花粉對(duì)土壤的污染。在法國(guó),近年來(lái)發(fā)現(xiàn)1種或許起源于北美的豚草屬植物(Ambrosiaartem isiifolia)及其花粉,特別是這種花粉由于含有多種潛在的過(guò)敏源,能在夏天導(dǎo)致嚴(yán)重的干草熱以及哮喘疾病,成為引起人們關(guān)注的一種新型土壤污染物。
2土壤環(huán)境因子對(duì)有機(jī)污染的影響
土壤中的微生物、溫度、水分、氣候、土壤機(jī)械組成、含水率、植物根際環(huán)境、pH 值、二氧化碳濃度等因素對(duì)土壤中有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化有很大的影響。除了有機(jī)污染物本身的難降解性以及生物遷移性會(huì)對(duì)有機(jī)物降解速率和效果產(chǎn)生影響外,土壤環(huán)境因子也會(huì)對(duì)有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化造成一定的影響。
2.1土壤微生物
有機(jī)污染物在土壤中的降解分為非生物降解與生物降解兩大類,在生物酶作用下,農(nóng)藥在動(dòng)植物體內(nèi)或是微生物體內(nèi)外的降解即生物降解。微生物降解是指利用微生物降解有機(jī)污染物的生物降解過(guò)程,降解微生物有細(xì)菌、真菌和藻類。雖然在厭氧和需氧條件下多氯化合物都可以降解,但是在厭氧條件下降解速率更快。盡管在好氣條件下土壤也有很多分解菌存在,但是在好氣的旱田條件下,由于有機(jī)氯污染物被土壤吸附,生物活性降低,可以長(zhǎng)期殘留[8]。微生物降解是消除有機(jī)氯農(nóng)藥的最佳途徑,通常藥劑在土壤中的分解要比在蒸餾水中的分解快得多,將土壤滅菌處理后,藥劑在大部分土壤中對(duì)有機(jī)污染物的分解速率明顯受到抑制。
迄今為止,已從土壤、污泥、污水、天然水體、垃圾場(chǎng)和廄肥中分離得到可降解不同農(nóng)藥的活性微生物�；钚晕⑸镏饕赞D(zhuǎn)化和礦化2種方式,通過(guò)胞內(nèi)或胞外酶直接作用于周圍環(huán)境中的農(nóng)藥。盡管礦化作用是消除環(huán)境中農(nóng)藥污染的最佳方式,但是界中此類微生物的種類和數(shù)目十分缺乏,而轉(zhuǎn)化作用卻相當(dāng)普遍,某一特定屬種的微生物以共代謝方式實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化作用,并同環(huán)境中的其他微生物以共代謝的方式最終將農(nóng)藥完全降解。
研究顯示DDT的分解菌至少涉及30個(gè)屬,其中包括細(xì)菌、酵母、放線菌、真菌以及藻類等微生物。六六六的分解菌除了很早知道的生芽孢梭芽孢桿菌和大腸桿菌外,Matsu mura等人從各種環(huán)境中分離出71株有分解六六六能力的細(xì)菌、真菌菌株。這些分解菌包括好氣性、基本嫌氣性、嫌氣性等各種細(xì)菌以及真菌[9]。
常規(guī)環(huán)境條件下能降解目標(biāo)污染物的微生物數(shù)量少,且活性比較低,當(dāng)添加某些營(yíng)養(yǎng)物包括碳源與能源性物質(zhì)或提供目標(biāo)污染物降解過(guò)程所需因子,將促進(jìn)與降解菌生長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)的有機(jī)物的降解代謝,即微生物只能使有機(jī)污染物發(fā)生轉(zhuǎn)化,而不能利用它們作為碳源和能源維持生長(zhǎng),必須補(bǔ)充其他可以利用的基質(zhì),微生物才能生長(zhǎng)。在共代謝過(guò)程中,微生物通過(guò)酶來(lái)降解某些能維持自身生長(zhǎng)的物質(zhì),同時(shí)也降解了某些非微生物生長(zhǎng)必需的物質(zhì)。
2.2土壤溫度
氣候變暖是當(dāng)今全球性的環(huán)境問(wèn)題,大氣中CO2濃度的不斷增加對(duì)全球氣候變化起著極其重要的作用。土壤中CO2的排放主要來(lái)自土壤原有有機(jī)質(zhì)和外源有機(jī)物(如植物的凋落物、根茬及人為的有機(jī)污染物投入)的分解過(guò)程[10]。全球氣候不斷增暖將改變各地的溫度場(chǎng)、蒸發(fā)量和降水量,而這些變化又影響著土壤有機(jī)污染物的分解。 土壤溫度影響土壤微生物和酶活性及土壤中溶質(zhì)的運(yùn)移,還影響土壤反應(yīng)的速度和土壤呼吸速率,最終影響土壤中有機(jī)污染物的降解轉(zhuǎn)化。在一定溫度范圍內(nèi),溫度升高會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)污染物的分解,但隨著溫度的進(jìn)一步升高,土壤有機(jī)污染物對(duì)溫度的響應(yīng)程度降低。Miko發(fā)現(xiàn),在平均溫度為5 ℃時(shí),溫度每升高1 ℃將會(huì)引起全球范圍內(nèi)10%土壤有機(jī)污染物的喪失;而在平均溫度為30 ℃時(shí),溫度每升高1 ℃將會(huì)使得有機(jī)污染物喪失3%[11]。
但是,在冷凍條件下關(guān)于土壤有機(jī)污染物的分解和微生物的活性還存在分歧。Neilson 研究了冷凍對(duì)碳和氮循環(huán)的影響,發(fā)現(xiàn)冷凍加快了土壤碳和氮的循環(huán)速率,但不同植被品種、土壤層次和冷凍程度所增加的幅度不同,而且在冷凍程度非常大時(shí),會(huì)促進(jìn)土壤呼吸和二氧化氮的流量和礦化。
2.3土壤pH值
土壤的pH值對(duì)有機(jī)污染物的吸附有很大的影響,一般來(lái)說(shuō),pH值越低,土壤對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力越強(qiáng)。土壤酸堿性通過(guò)影響組分和污染物的電荷特性、沉淀溶解、吸附解吸和絡(luò)合平衡來(lái)改變污染物的毒性,土壤酸堿性還通過(guò)土壤微生物的活性來(lái)改變污染物的毒性。pH值對(duì)有機(jī)污染物如有機(jī)農(nóng)藥在土壤中的積累、轉(zhuǎn)化、降解的影響主要表現(xiàn)為:一是土壤的pH值不同,土壤微生物群落不同,影響土壤微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解作用,這種生物降解途徑主要包括生物氧化和還原反應(yīng)中的脫氯、脫氯化氫、脫烷基化、芳香烴或雜環(huán)破裂反應(yīng)等。二是通過(guò)改變污染物和土壤組分的電荷特性,改變兩者的吸附、絡(luò)合、沉淀等特性,導(dǎo)致污染物濃度的改變。
2.4土壤水分
土壤水分是土壤中水溶性成分的運(yùn)輸載體,也是土壤反應(yīng)得以正常進(jìn)行的介質(zhì)。王彥輝認(rèn)為森林土壤有機(jī)污染物的分解速率在很大程度上受控于環(huán)境條件,其中含水量起著決定性作用,最佳含水量為被分解物飽和含水量的70%～90%,極度干旱或水分過(guò)多都會(huì)限制土壤微生物的活動(dòng),明顯降低土壤中有機(jī)污染物的分解速率[12]。但是,Olivier認(rèn)為在淹水條件下有機(jī)污染物料的分解速率加快,在長(zhǎng)期的淹水條件下厭氧微生物反復(fù)利用腐解發(fā)酵的有機(jī)物料,會(huì)導(dǎo)致較低的凈殘留碳的礦化[13]。這與淹水、嫌氣條件下有機(jī)物料的分解速率慢于旱地、分解量低于旱地的傳統(tǒng)概念不同。
在非淹水條件下,溫度對(duì)有機(jī)碳分解的影響隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步減小。淹水條件下培養(yǎng)7 d以后,溫度對(duì)供試物料有機(jī)碳分解的影響不隨培養(yǎng)時(shí)間的變化而變化。當(dāng)土壤含水量為300、500 g/kg時(shí),供試物料的有機(jī)碳分解最快,而土壤含水量為200 g/kg和淹水條件下的有機(jī)碳分解較慢,空白對(duì)照培養(yǎng)結(jié)果顯示土壤有機(jī)碳的分解速率隨著水分含量的提高而加快[14]。在相同的水熱條件下,有機(jī)碳的分解量與土壤黏粒含量呈負(fù)相關(guān)。
不同的土壤含水量對(duì)土壤中植物殘?bào)w的分解速率和土壤腐殖質(zhì)組分(胡敏酸和富里酸) 數(shù)量的影響仍存在爭(zhēng)議。由于常規(guī)研究土壤有機(jī)污染物動(dòng)態(tài)變化的方法存在不足,所以可以通過(guò)同位素示蹤方法(14C示蹤法或13C豐度法)進(jìn)一步定量研究。利用同位素示蹤技術(shù)可以區(qū)分原有土壤有機(jī)質(zhì)與外源有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化形成的土壤新有機(jī)質(zhì),從而了解土壤中植物殘?bào)w分解轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)變化。
2.5土壤機(jī)械組成
土壤質(zhì)地的差異形成不同的土壤結(jié)構(gòu)和通透性狀,因而對(duì)環(huán)境污染物的截留、遷移、轉(zhuǎn)化產(chǎn)生不同的效應(yīng)。由于黏土類富含黏粒,土壤物理性吸附、化學(xué)吸附及離子交換作用強(qiáng),具有較強(qiáng)的保肥、保水性能,同時(shí)也把進(jìn)入土壤中的污染物質(zhì)的有機(jī)、無(wú)機(jī)分子、離子吸附到土粒表面保存起來(lái),增加了污染物轉(zhuǎn)移的難度。
在黏土中加入砂粒,可相對(duì)減少黏粒含量,增加土壤通氣孔隙,可以減少對(duì)污染物的分子吸附,提高淋溶的強(qiáng)度,促進(jìn)污染物的轉(zhuǎn)移,但要注意到因此可能引起的地下水污染等問(wèn)題。砂質(zhì)土類的優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)污染物容易從土壤表層淋溶至下層,減輕表土污染物的數(shù)量和危害;但是有可能進(jìn)一步污染地下水,造成二次污染。壤土的性質(zhì)介于黏土和砂土之間,其性狀差異
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