關(guān)于影響土壤環(huán)境的新型環(huán)境材料的應(yīng)用研究

李 濤

((河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475000）

1 新型環(huán)境材料的概念

新型環(huán)境材料也稱新型環(huán)保材料，90年代被一位世界知名學(xué)者山本良一教授首次提出［1］，隨后世界各地的學(xué)者不斷的對(duì)其進(jìn)行各種討論研究并逐步取得完善。環(huán)境友好材料是指一些具有較低環(huán)境負(fù)荷和較高再生率的新型材料。新型環(huán)境材料能夠改善環(huán)境，對(duì)資源和能耗消耗少，對(duì)生態(tài)和環(huán)境污染小，有利于人類健康。這些新型材料的運(yùn)用、制取、用后處理以及循環(huán)再利用的整個(gè)過程，都對(duì)環(huán)境發(fā)展起著協(xié)同的作用，有助于實(shí)現(xiàn)材料的可持續(xù)發(fā)展。

新型環(huán)境材料具有3個(gè)主要特征：一是先進(jìn)性，即主要的功能性；二是環(huán)境協(xié)調(diào)性，這是當(dāng)代新材料的一個(gè)基本性能要求；三是舒適性，亦稱經(jīng)濟(jì)性，材料在使用中既要舒適美觀，又要良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性［2］。新型環(huán)境材料目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)保、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2 目前我國(guó)土壤污染態(tài)勢(shì)

眾所周知，我國(guó)土壤污染具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：潛伏性、長(zhǎng)期性、不可逆性以及污染后果的嚴(yán)重性。一旦土壤環(huán)境污染爆發(fā)，人類可能就會(huì)成為這場(chǎng)災(zāi)難性直接受害者。鑒于這種假設(shè)，一些學(xué)者形象地將土壤污染稱之為“化學(xué)定時(shí)炸彈”［3］。我國(guó)的耕地面積只占世界7%，但是卻養(yǎng)活著占世界近25%的人口，因此我們不僅要確保土壤生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，還要保障土壤資源的可持續(xù)利用。我國(guó)自90年代以來，經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，再加上不斷的使用一些新的農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)，最終造成土壤污染物的種類和數(shù)量發(fā)生了明顯的變化。換而言之，最近這20年是我國(guó)土壤污染比較嚴(yán)重的時(shí)期。

2.1 耕地環(huán)境日趨嚴(yán)峻，農(nóng)產(chǎn)品安全無法保障

相關(guān)資料顯示，我國(guó)耕地污染較為嚴(yán)重，不少于1 000萬hm2耕地受到程度各異的污染。我國(guó)整體利用污水灌溉的農(nóng)田總面積僅為361.8萬hm2，僅占國(guó)內(nèi)總灌溉面積的7.3%，在全國(guó)地面水總灌溉面積的比例為9.96%；因大氣污染的農(nóng)田面積約530萬hm2；因固體廢物堆放占用農(nóng)田及垃圾、污泥處置不當(dāng)污染的農(nóng)田面積90萬hm2。這些數(shù)據(jù)都表明，我國(guó)糧食每年因?yàn)檗r(nóng)田污染而造成的損失多達(dá)120億kg。

全國(guó)多數(shù)城市近郊土壤都因此受到了不同程度的污染，尤其是多地糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、鉻、砷、鉛等重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)和趨近臨界值。而且，農(nóng)業(yè)環(huán)境污染也會(huì)造成土壤污染。通過對(duì)23個(gè)省(區(qū)市）的不完全統(tǒng)計(jì)，其中發(fā)生的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染事故多達(dá)891起，農(nóng)田污染多達(dá)4萬hm2，最終造成的直接經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)2.2億元。

2.2 稀有金屬礦區(qū)土壤污染嚴(yán)重，破壞生態(tài)，危及飲用水源安全和人體健康

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的稀土元素(rare earth element，簡(jiǎn)稱RE）深入土壤環(huán)境，且進(jìn)一步參與到生物鏈和食物鏈中。由于土壤中新的放射性污染物含量不斷遞增，將衍變成為新的土壤環(huán)境安全問題［4］。多數(shù)媒體已有報(bào)道，并且環(huán)境毒理學(xué)研究結(jié)果也顯示，這些稀土元素容易蓄積在人體腦部，影響人的智力發(fā)育，特別是對(duì)免疫功能不完善的兒童影響較大。因此由于這些潛在的稀土元素所造成的土壤環(huán)境污染問題必然引起國(guó)家的高度重視。

2.3 土壤污染易引發(fā)其他環(huán)境問題

當(dāng)土壤環(huán)境受到污染后，因風(fēng)力和水力等自然因素的作用，容易使得高濃度的污染表土進(jìn)入到大氣和水體中，引發(fā)大氣污染、地下水及地表水污染，造成生態(tài)系統(tǒng)退化，引發(fā)其他次生生態(tài)環(huán)境問題。不斷發(fā)生的事實(shí)說明，如果沒有清潔的土壤環(huán)境，也就不會(huì)有人們可以放心使用的糧食、空氣和水。

3 新型環(huán)境材料在受重金屬污染的土壤環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

最近幾年，我國(guó)環(huán)境污染和生態(tài)破壞態(tài)勢(shì)日趨嚴(yán)峻，對(duì)人類的健康和生存造成嚴(yán)重影響，尤其是一些重金屬元素對(duì)土壤造成的污染和破壞。造成土壤重金屬污染的主要來源還是因?yàn)橐恍┤祟惢顒?dòng)，譬如農(nóng)業(yè)種植、礦產(chǎn)開采、金屬冶煉等，其中尤以化學(xué)生產(chǎn)和金屬冶煉兩個(gè)過程釋放的重金屬為最?，F(xiàn)在我國(guó)因受Pb、As、Cd、Cu和Cr所造成的土壤環(huán)境污染也比較嚴(yán)重。土壤因 Pb、Cd、As所造成的污染不僅對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響［5］，而且還會(huì)通過食物鏈進(jìn)一步影響到人類的健康。多項(xiàng)研究數(shù)據(jù)表明，因受到了鉛的污染而對(duì)不同環(huán)境功能區(qū)造成影響的實(shí)例在全國(guó)比比皆是，特別是一些功能區(qū)已遭到了嚴(yán)重危害。故此，修復(fù)因重金屬As、Pb、Cd和Cr等所造成的土壤環(huán)境污染已成為目前我國(guó)土壤環(huán)境科學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)問題。

近年來，我國(guó)對(duì)造成土壤環(huán)境污染的一些重金屬的吸附和解吸進(jìn)行過一些研究，可是將新型環(huán)境材料、培養(yǎng)液的pH值和吸附解吸過程聯(lián)系起來的系統(tǒng)分析很少有比較客觀的數(shù)據(jù)說明。通過采用模擬方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，向土壤中加入As、Cd、Pb等重金屬配制受污染的土壤，根據(jù)不同的培養(yǎng)條件下加入新型環(huán)境材料蛇紋石和沸石后進(jìn)行重金屬吸附解吸模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)新型環(huán)境材料進(jìn)行吸附前后的掃描電鏡分析，這些不但有助于選擇土壤重金屬固化的材料，而且還可以為這些新型環(huán)境材料的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

在此主要介紹兩種新型環(huán)境材料SS(蛇紋石）和FS(材料沸石）對(duì)土壤重金屬Cd、Pb、As的吸附解吸［6-7］。由于本篇為綜述性文章，所以具體實(shí)驗(yàn)過程在此沒有詳細(xì)描述。通過實(shí)驗(yàn)可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

①堿性條件下的新型環(huán)境材料FS(沸石）在受Cd污染的土壤環(huán)境中有利于土壤吸附Cd，證明堿性土壤中的FS有助于土壤對(duì)Cd的固化。

②酸性條件下的新型環(huán)境材料SS(蛇紋石）在土壤對(duì)Pb的吸附效果上產(chǎn)生積極的作用，在堿性條件下該效果并不明顯。證明酸性土壤中的SS有助于土壤對(duì)重金屬Pb的固話。

③新型環(huán)境材料SS在受As污染的土壤環(huán)境中可以增加土壤對(duì)As的吸附量，但與土壤的酸堿度無直接關(guān)系。

4 新型環(huán)境材料在植物修復(fù)技術(shù)方面的應(yīng)用

鑒于當(dāng)前土壤環(huán)境污染往往是由有機(jī)—無機(jī)多種環(huán)境污染物所形成的復(fù)合土污染，再加上目前在植物修復(fù)中發(fā)現(xiàn)的超集累植物大多存在生物量小、生長(zhǎng)速度緩慢以及一種植物一般只能吸收一種或兩種重金屬等原因［8］，使得植物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤中的實(shí)際應(yīng)用受到了很大的限制。因此借助其他技術(shù)的聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)與一些生物量大、生長(zhǎng)速度快的普通植物便成了有效可行的替代途徑，譬如一些金屬螯合劑誘導(dǎo)的植物—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)被證實(shí)在植物—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)中發(fā)揮顯著作用［9-10］。為了能夠提高污染土壤的修復(fù)效率，縮短修復(fù)年限，通常運(yùn)用螯合劑誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)。我國(guó)到目前為止研究較多的螯合劑EDTA在提高植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)上面有著顯著的作用，但是在其作用的過程中會(huì)帶來一些因生物不可降解性而產(chǎn)生的次生環(huán)境問題。

通過不斷的進(jìn)行研究和探索，目前發(fā)現(xiàn)三種新型環(huán)境材料——螯合劑ISA(Iminodisuccinic acid）、AES(aspartic acid diethoxysuccinate）和PESA［11］，和EDTA一樣同為冬氨酸的衍生物，與金屬離子具有很好的親和力，具備很好的生物可降解性。通過多次研究和不斷地進(jìn)行各種試驗(yàn)，獲知新型螯合劑與EDTA、EDDS對(duì)受到重金屬污染的土壤環(huán)境的修復(fù)潛力。進(jìn)而可以使得螯合劑誘導(dǎo)的植物修復(fù)技術(shù)在受到污染的土壤環(huán)境修復(fù)過程中起到一定的促進(jìn)作用。

通過多次進(jìn)行不同種類及水平的螯合劑對(duì)污染土壤修復(fù)效率的研究試驗(yàn)，相同溶液培養(yǎng)條件下不同螯合劑對(duì)植物吸收重金屬的影響試驗(yàn)，螯合劑對(duì)土壤中重金屬的吸附解吸行為影響試驗(yàn)，可以得到一些結(jié)論：

①螯合劑因種類和水平的不同造成修復(fù)污染土壤的效率不同

新型螯合劑中，ISA處理的植株根及地上部Cu含量、土壤中水提取態(tài)Cu含量顯著低于EDDS。通過EDTA處理的植株根部及地上部Pb含量顯著高于其他螯合劑處理。而PESA對(duì)植物影響并不明顯。AES處理的植株根部Zn含量及土壤水提取態(tài)Zn含量顯著高于其他螯合劑作用，而且在根部的表現(xiàn)作用比地上部顯著。AES處理后植物地上部Cd含量及積累量顯著高于其他螯合劑作用，通過EDTA、EDDS處理的植株根部中Cd含量明顯高于其他螯合劑處理。

②相同條件下的不同螯合劑對(duì)植物吸收重金屬的影響相同的溶液培養(yǎng)條件下，植株根中重金屬含量整體水平呈現(xiàn)明顯的下降走勢(shì)。有助于ISA對(duì)Cd，AES對(duì)Zn的吸收。說明螯合劑對(duì)植株地上部位重金屬含量的影響在植株地上沒有根部明顯。

③螯合劑影響土壤對(duì)重金屬的吸附解析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可了解到：在新型生物可降解螯合劑中，新型螯合劑AES對(duì)受到污染的土壤環(huán)境中的Zn解吸的促進(jìn)作用明顯高于其他螯合劑的作用。新型螯合劑ISA對(duì)污染土壤中Cu解吸的促進(jìn)作用顯著高于除 EDDS外的其他螯合劑的作用。新型螯合劑PESA在對(duì)污染土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的解吸量方面無明顯的促進(jìn)作用。

5 展望

新型環(huán)境材料的研究在國(guó)內(nèi)外進(jìn)展較快，需要不斷進(jìn)行廣泛和深入的研究。在研究的同時(shí)需要不斷的貫徹循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的思想，進(jìn)行新型環(huán)境材料的研發(fā)工作。國(guó)家應(yīng)根據(jù)當(dāng)前土壤環(huán)境的現(xiàn)狀制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不斷進(jìn)行深化和規(guī)范，旨在取得最大化的環(huán)境收益。

當(dāng)今社會(huì)越來越多的人都認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)的意義所在，新型環(huán)境材料的功能和應(yīng)用可以通過越來越多的個(gè)例生動(dòng)的展示在大眾的認(rèn)知范圍內(nèi)。我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，正處于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展階段，資源與能源的消耗日益緊張、土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)狀日益加劇，新型環(huán)境材料的廣泛應(yīng)用便成為材料及其產(chǎn)業(yè)在資源和環(huán)境問題雙重制約下，實(shí)現(xiàn)我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

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