土壤中重金属的化学活化、植物修复和基于风险的土壤调研值研究

来源 :中国科学院南京土壤研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baobei_jing
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土壤污染的风险评估与污染土壤的控制和修复紧密相关,都是国内外土壤环境科学研究和土壤环境保护中急需解决的关键问题。本研究在进行广泛的国际调研,结合国内污染土壤风险管理需求的基础上,将强化植物吸取修复中关键性科学问题的研究,与基于风险评估的土壤调研值体系的建立紧密结合在一起。在强化修复研究方面,进行了土壤盆钵培养试验,结合土壤溶液采样技术,研究了不同化学添加剂对土壤中重金属的活化作用,比较了单质硫粉、生物可降解性螯合剂[S,S]-乙二胺二琥珀酸盐(EDDS)和持久性螯合剂乙二胺四乙酸盐(EDTA)对土壤重金属的释放动态,及对不同土壤重金属的溶出效率。并进一步开展了土壤温度和含水量对EDDS生物降解速率影响的研究。EDDS对土壤中的Cu具有高效螯合活化能力,且其与土壤重金属形成的螯合物可快速生物降解。EDDS可望作为一种更为安全的土壤重金属活化剂,用于Cu污染土壤的强化植物吸取修复。本研究为EDDS强化植物修复的设计和应用提供了重要信息。水培试验研究了红麻对Cu和Cu-EDDS的吸收和富集,初步探索了能源经济作物红麻对重金属污染土壤的修复潜力。我国能源纤维植物红麻具有较高的生物量,可望用于污染土壤的诱导植物吸取与稳定修复之中。考虑到重金属污染土壤的植物修复研究在我国不断深入,本研究建立了重金属污染土壤植物修复技术的决策系统与规范,填补了我国植物修复技术实地应用和操作方面的空白。识别污染土壤的健康风险,进行及时和必要的土壤修复控制,是污染土壤风险管理中首先需要解决的问题。基于风险的土壤调研值系统是判识土壤污染风险和确定土壤修复目标值的模型系统。本研究在综述现状的基础上,率先创建了制定我国土壤调研值的方法论和模型系统。该系统划分了我国典型的土地利用方式,以保护人体健康和生态受体作为制定土壤调研值的根本出发点,尝试性地制定了保护人体健康的各类污染物的土壤调研值,以及保护生态系统健康的As的土壤调研值(作为案例)。现将本研究的主要研究结果归纳如下:   (1)模拟田间条件的土壤培养试验表明,施用单质硫粉处理后,土壤溶液中重金属浓度与pH值呈较好的相关关系,表明单质硫氧化释放出的质子对重金属的竞争解吸过程,控制着土壤重金属的活化和释放。土壤中酸性缓冲物质(如碳酸盐)的含量,影响着硫粉的适宜施用剂量。单质硫粉对土壤中Zn和Cd的活化效率强于Cu和Pb,因此硫粉更适合于Zn和Cd污染土壤的强化植物修复。种植耐酸性植物是硫粉诱导吸取修复的重要前提。   (2)对EDDS和EDTA进行的比较性研究表明,EDDS可优先活化土壤Cu,且对Cu的活化效应强于EDTA。EDDS对土壤Cu的螯合活化效应持续时间相对较短,活化进入土壤溶液中的Cu可因EDDS的快速生物降解而被土壤固相再次固定。土壤施用较高剂量EDDS处理时,EDDS对土壤Cu的活化效率可因可螯合态Cu的耗竭而降低,此时,剩余的EDDS可用于螯合活化土壤中的Zn。EDDS对土壤Pb和Cd的活化效率明显低于EDTA。EDDS可望替代EDTA用于Cu污染土壤的强化植物吸取修复。   (3)土壤温度和含水量影响着土壤中EDDS的生物降解速率。升高温度加快了土壤中EDDS的降解速率,且升高温度(从4℃到20℃)对土壤中EDDS降解速率促进作用强于提高土壤含水量(从40%到60%)。土壤温度和含水量对EDDS降解速率的影响,决定着EDDS对土壤重金属的有效活化周期,试验结果对合理设计EDDS的土壤施用时间,提高植物对活化金属的吸收量具有指导意义。   4)水培试验表明,单独EDDS及300μM的Cu-EDDS处理,对红麻生长无显著植物毒性。红麻各组织富集的Cu浓度依次为:根>叶>茎(皮),地上部分组织(叶、茎和皮)内Cu浓度均低于100 mg kg-1。纤维皮层内Cu含量低于其他组织内的Cu含量,也低于纺织产品Cu含量标准。在Cu污染土壤上种植红麻,可望实现红麻纤维安全生产,同时进行Cu污染土壤植物吸取与稳定修复。   5)鉴于国内已开展了大量植物修复的室内和田间试验研究,建立重金属污染土壤植物修复修复决策系统与规范显得较为迫切。本研究综合考虑了植物修复的各阶段内容和特点,建立了评估、设计和构建田间植物修复系统的决策系统和规范,对将我国植物修复技术从试验研究推进到实地应用具有重要的现实指导意义。   6)基于风险的土壤调研值,亦是基于用地方式的土壤调研值。本研究划分和定义我国的典型土地利用地方式,旨在明确各用地方式下人和生态受体对土壤污染的暴露敏感性差异。根据各用地方式下土壤污染物的主要暴露途径和暴露参数,可制定保护人体健康的土壤调研值;根据各用地方式对应的土壤生态系统保护水平,可制定保护生态系统的土壤调研值。   7)基于对各用地方式暴露场景的定义,结合各类污染物的人体健康毒理临界值,构建了制定保护人体健康土壤调研值的模型系统。该系统填补了我国污染土壤健康风险评估的空白,对开展具体污染土壤(场地)的人体健康风险评估,辅助污染土壤修复和管理决策,具有较高的实际应用价值。   8)根据构建的人体健康土壤调研值模型系统,借鉴和定义了各用地方式下的暴露参数,初步制定了土壤重(类)金属、芳香烃类、多环芳烃类和农用化学品的土壤调研值。与国际上同类土壤临界值进行的比较发现,农业及居住用地土壤中多数污染物的调研值低于或介于国际临界浓度之间,但亦有部分污染物如DDT等相对较高。商业和工业用地土壤中污染物调研值虽介于国际临界值之间,但普遍偏高。   9)阐述了筛选有效陆地生态物种、土壤微生物和酶活性毒理学数据的原则和方法,建立了根据生态物种敏感性分布理论,构建保护土壤生态系统健康的土壤调研值的制定方法。根据各土地利用方式下,对土壤生态系统的不同保护目标,定义了可接受的生态物种危害比例。   10)以土壤As为例,筛选确定了用于调研值制定的有效毒理数据,根据各土地利用方式下可接受的生态物种危害比例,尝试性地制定了自然保护区、农业用地、居住用地、商业用地和工业用地方式下,保护生态系统健康的土壤As的调研值。
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