土壤環(huán)境因子對有機污染物遷移轉化的影響

　　摘要從傳統(tǒng)污染物和新型污染物等方面介紹了我國土壤污染的現(xiàn)狀,進而分析了土壤環(huán)境因子包括土壤微生物、土壤溫度、pH值、土壤水分、土壤機械組成、氣候及二氧化碳含量等對有機污染物降解和轉化的影響。
　　關鍵詞土壤環(huán)境因子;有機污染物;遷移轉化;影響
　　
　　土壤農(nóng)藥污染是一全球性問題。隨著環(huán)境問題在全球范圍的不斷變化,土壤環(huán)境污染化學已成為環(huán)境化學不可缺少的重要組成部分[1]。在北美、西歐和澳洲等國家,隨著各種點源污染得到有效控制,人們關注的焦點逐漸轉移到多介質(zhì)非點源污染,另外土壤環(huán)境污染的研究也受到人們?nèi)找骊P注。在我國,受農(nóng)藥使用、施藥技術以及產(chǎn)品結構等因素影響,土壤農(nóng)藥污染較為嚴重,制約食品安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)。隨著土壤有機污染物的類型不斷增多,大量難降解的有機污染物進入土壤,造成環(huán)境的嚴重污染,影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。土壤中的各種環(huán)境因子對有機污染物降解轉化有一定的影響,因此,研究這些因子的相互作用,可促進有機污染物在土壤中的消除。
　　1土壤污染的現(xiàn)狀
　　相對于大氣環(huán)境和水環(huán)境而言,土壤環(huán)境的污染源更為復雜,作為有機農(nóng)藥、化肥的直接作用對象,并隨著社會發(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1 300多種,其中被廣泛使用的達250多種。我國也已經(jīng)邁入了世界農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國,現(xiàn)在,我國每年施用逾80萬~100萬t的化學農(nóng)藥,其中有機磷殺蟲劑占40%,高毒農(nóng)藥達到37.4%,且有的化學性質(zhì)穩(wěn)定、在土壤中存留時間長[2-4]。大量的農(nóng)藥流失到土壤中,造成土壤環(huán)境受到嚴重污染,影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。造成我國土壤農(nóng)藥污染的農(nóng)藥主要是有機氯與有機磷2類。盡管1985年起,我國就已禁用有機氯農(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)化學污染物。其又可分為無機污染物和有機污染物兩大類,其中傳統(tǒng)無機污染物包括汞、鎘、 鉛、砷、鉻等,過量的氮和磷等植物營養(yǎng)元素以及氧化物和硫化物等,傳統(tǒng)有機污染物包括DDT、六六六、狄氏劑、艾氏劑和氯丹等含氯化學農(nóng)藥以及DDT的代謝產(chǎn)物DDE和DDD,石油烴及其裂解產(chǎn)物,以及其他各類有機合成產(chǎn)物等。二是物理性污染物。指來自工廠、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土壤環(huán)境的污染。隨著動物飼養(yǎng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展,畜禽養(yǎng)殖污染中一個重要的問題就是這些獸藥通過動物的排泄以及其他方式導致土壤環(huán)境的污染。與獸藥污染相對應的是各種抗生素的土壤污染。隨著醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展,各種抗生素將得到日益廣泛的應用,由此導致的土壤污染可能會更加復雜。二是大部分溴化阻燃劑在土壤環(huán)境中有很高的持久性,能夠通過食物鏈和其他途徑累積在人體內(nèi),長期接觸會妨礙人體大腦和骨骼的發(fā)育,并且可能致癌,因此引起人們關注。隨著的不斷發(fā)展以及各種電子產(chǎn)品的逐漸報廢,各種阻燃劑將以各種方式進入土壤環(huán)境中,從而造成對土壤的污染。三是“特富龍”不粘鍋中使用的化學物質(zhì)“全氟辛酸銨”以及芳香族磺酸類污染物對土壤的污染。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,有關其土壤環(huán)境的污染問題勢必將被暴露出來,并成為土壤環(huán)境污染化學面臨的新課題。四是含有過敏源的植物及花粉對土壤的污染。在法國,近年來發(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敏源,能在夏天導致嚴重的干草熱以及哮喘疾病,成為引起人們關注的一種新型土壤污染物。
　　2土壤環(huán)境因子對有機污染的影響
　　土壤中的微生物、溫度、水分、氣候、土壤機械組成、含水率、植物根際環(huán)境、pH 值、二氧化碳濃度等因素對土壤中有機物的分解與轉化有很大的影響。除了有機污染物本身的難降解性以及生物遷移性會對有機物降解速率和效果產(chǎn)生影響外,土壤環(huán)境因子也會對有機污染物的遷移轉化造成一定的影響。
　　2.1土壤微生物
　　有機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污染物的生物降解過程,降解微生物有細菌、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,由于有機氯污染物被土壤吸附,生物活性降低,可以長期殘留[8]。微生物降解是消除有機氯農(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有機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�物主要以轉化和礦化2種方式,通過胞內(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,而轉化作用卻相當普遍,某一特定屬種的微生物以共代謝方式實現(xiàn)對農(nóng)藥的轉化作用,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個屬,其中包括細菌、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、嫌氣性等各種細菌以及真菌[9]。
　　常規(guī)環(huán)境條件下能降解目標污染物的微生物數(shù)量少,且活性比較低,當添加某些營養(yǎng)物包括碳源與能源性物質(zhì)或提供目標污染物降解過程所需因子,將促進與降解菌生長相關聯(lián)的有機物的降解代謝,即微生物只能使有機污染物發(fā)生轉化,而不能利用它們作為碳源和能源維持生長,必須補充其他可以利用的基質(zhì),微生物才能生長。在共代謝過程中,微生物通過酶來降解某些能維持自身生長的物質(zhì),同時也降解了某些非微生物生長必需的物質(zhì)。
　　2.2土壤溫度
　　氣候變暖是當今全球性的環(huán)境問題,大氣中CO2濃度的不斷增加對全球氣候變化起著極其重要的作用。土壤中CO2的排放主要來自土壤原有有機質(zhì)和外源有機物(如植物的凋落物、根茬及人為的有機污染物投入)的分解過程[10]。全球氣候不斷增暖將改變各地的溫度場、蒸發(fā)量和降水量,而這些變化又影響著土壤有機污染物的分解。 　　土壤溫度影響土壤微生物和酶活性及土壤中溶質(zhì)的運移,還影響土壤反應的速度和土壤呼吸速率,最終影響土壤中有機污染物的降解轉化。在一定溫度范圍內(nèi),溫度升高會促進土壤有機污染物的分解,但隨著溫度的進一步升高,土壤有機污染物對溫度的響應程度降低。Miko發(fā)現(xiàn),在平均溫度為5 ℃時,溫度每升高1 ℃將會引起全球范圍內(nèi)10%土壤有機污染物的喪失;而在平均溫度為30 ℃時,溫度每升高1 ℃將會使得有機污染物喪失3%[11]。
　　但是,在冷凍條件下關于土壤有機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,會促進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值對有機污染物的吸附有很大的影響,一般來說,pH值越低,土壤對有機污染物的吸附能力越強。土壤酸堿性通過影響組分和污染物的電荷特性、沉淀溶解、吸附解吸和絡合平衡來改變污染物的毒性,土壤酸堿性還通過土壤微生物的活性來改變污染物的毒性。pH值對有機污染物如有機農(nóng)藥在土壤中的積累、轉化、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,影響土壤微生物對有機污染物的降解作用,這種生物降解途徑主要包括生物氧化和還原反應中的脫氯、脫氯化氫、脫烷基化、芳香烴或雜環(huán)破裂反應等。二是通過改變污染物和土壤組分的電荷特性,改變兩者的吸附、絡合、沉淀等特性,導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輸載體,也是土壤反應得以正常進行的介質(zhì)。王彥輝認為森林土壤有機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%,極度干旱或水分過多都會限制土壤微生物的活動,明顯降低土壤中有機污染物的分解速率[12]。但是,Olivier認為在淹水條件下有機污染物料的分解速率加快,在長期的淹水條件下厭氧微生物反復利用腐解發(fā)酵的有機物料,會導致較低的凈殘留碳的礦化[13]。這與淹水、嫌氣條件下有機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,溫度對有機碳分解的影響隨著分解時間的延長而逐步減小。淹水條件下培養(yǎng)7 d以后,溫度對供試物料有機碳分解的影響不隨培養(yǎng)時間的變化而變化。當土壤含水量為300、500 g/kg時,供試物料的有機碳分解最快,而土壤含水量為200 g/kg和淹水條件下的有機碳分解較慢,空白對照培養(yǎng)結果顯示土壤有機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,有機碳的分解量與土壤黏粒含量呈負相關。
　　不同的土壤含水量對土壤中植物殘體的分解速率和土壤腐殖質(zhì)組分(胡敏酸和富里酸) 數(shù)量的影響仍存在爭議。由于常規(guī)研究土壤有機污染物動態(tài)變化的方法存在不足,所以可以通過同位素示蹤方法(14C示蹤法或13C豐度法)進一步定量研究。利用同位素示蹤技術可以區(qū)分原有土壤有機質(zhì)與外源有機物分解轉化形成的土壤新有機質(zhì),從而了解土壤中植物殘體分解轉化的動態(tài)變化。
　　2.5土壤機械組成
　　土壤質(zhì)地的差異形成不同的土壤結構和通透性狀,因而對環(huán)境污染物的截留、遷移、轉化產(chǎn)生不同的效應。由于黏土類富含黏粒,土壤物理性吸附、化學吸附及離子交換作用強,具有較強的保肥、保水性能,同時也把進入土壤中的污染物質(zhì)的有機、無機分子、離子吸附到土粒表面保存起來,增加了污染物轉移的難度。
　　在黏土中加入砂粒,可相對減少黏粒含量,增加土壤通氣孔隙,可以減少對污染物的分子吸附,提高淋溶的強度,促進污染物的轉移,但要注意到因此可能引起的地下水污染等問題。砂質(zhì)土類的優(yōu)點是有機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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