紀(jì)佳淵

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

1 引言

鉛(Pb)分布廣泛，容易提取和加工，既有很高的延展性，又很柔軟，而且熔點(diǎn)低。鉛是一種重金屬元素，可用作耐硫酸腐蝕、電纜、蓄電池、防丙種射線、防X射線，防β射線等器材的材料。其合金可作鉛字、軸承、電纜外皮等之用，還可做體育運(yùn)動(dòng)器材。鉛對(duì)健康的潛在危害，已日益引起人們的關(guān)注。鉛對(duì)人體的所有器官都能夠造成損害，表現(xiàn)為影響智力和骨骼的發(fā)育，造成消化不良和內(nèi)分泌失調(diào)，導(dǎo)致貧血、高血壓和心律失常，破壞腎功能和免疫功能等。而且，即便脫離了污染環(huán)境或經(jīng)治療使血鉛水平明顯下降，受損的器官和組織也不能修復(fù)，因此鉛污染危害極大。

2 鉛污染概況

2.1 鉛污染來(lái)源

鉛污染主要有兩個(gè)大的方面，一個(gè)是自然來(lái)源，其中包括火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等自然現(xiàn)象釋放到環(huán)境中的鉛;二是非自然來(lái)源，即指人類(lèi)活動(dòng)造成的，主要有工業(yè)污染，如煤燃燒、鉛礦的開(kāi)采和冶煉以及其他鉛加工工藝中，比如制造鉛蓄電池、鑄字、鉛管、鉛彈、軸承合金、化學(xué)反應(yīng)器(內(nèi)壁)電極等;含鉛汽油的廢氣污染，大氣鉛污染主要來(lái)源于汽車(chē)廢氣;學(xué)習(xí)用品和玩具，如教科書(shū)的彩色封面，彩色畫(huà)面的報(bào)刊，兒童彩筆中所含的鉛以及部分玩具的表面油漆含有可溶性鉛等;食品帶有如爆米花機(jī)的機(jī)身是由含鉛合金制成，使爆米花中含有較多量的鉛，松花蛋的傳統(tǒng)制作工藝以氧化鉛作為食品添加劑，因此松花蛋中也含有較高的鉛;其他如陶瓷、油漆、化妝品、染發(fā)劑、電池等物品都含有較高量的鉛。

2.2 鉛污染現(xiàn)狀

煉鉛、化鉛過(guò)程中，大量的鉛塵飄在空氣中。鉛與顆粒物一起被風(fēng)從城市運(yùn)送到郊區(qū)，從一個(gè)省轉(zhuǎn)移到另一個(gè)省，甚至到國(guó)外，影響其他地區(qū)，成為世界公害?？茖W(xué)家在北美格陵蘭地區(qū)的冰山上逐年積冰的地區(qū)打鉆鉆取冰柱，結(jié)果表明:1750年以前鉛含量?jī)H為20μg/t;1860年為50μg/t;1950年上升為120μg/t;1965年劇增到 210μg/t。

我國(guó)鉛的主要消費(fèi)領(lǐng)域有蓄電池、電纜護(hù)套、氧化鉛和鉛材。蓄電池行業(yè)是年用鉛量達(dá)30萬(wàn)t，占總消費(fèi)量的70%左右。我國(guó)蓄電池年產(chǎn)量達(dá)5億只，遠(yuǎn)低于美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，但污染情況卻嚴(yán)重得多。國(guó)內(nèi)有大小不等的再生鉛廠幾百多家，但卻普遍處于規(guī)模小、耗能高、污染重、回收率低的狀況，工藝極其落后且污染嚴(yán)重。

3 生物對(duì)鉛的吸收及富集

3.1 生物對(duì)鉛的吸收

因Pb具有高負(fù)電性，易與Fe、Al、Mn氧化物、有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽形成共價(jià)鍵，因此土壤中的鉛不易被植物吸收，但一旦進(jìn)入根系，則會(huì)貯存在根部或運(yùn)輸?shù)降厣喜?。植物的根部是吸收鉛的主要部位，鉛進(jìn)入土壤后，會(huì)產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)，導(dǎo)致植物特別是其根部中毒，甚至植株枯萎死亡。

以植物為例，影響植物吸收鉛的因素較多，主要決定于植物種的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性及外界環(huán)境(pH值、氧化還原電位、污染物間的不同效應(yīng)等)。

不同的植物對(duì)鉛的吸收情況不同，同一植物的不同部位以及某一部位在植物不同生育期對(duì)鉛的吸收情況也不同。通常雙子葉植物根系能夠比單子葉植物吸收更多的鉛。Wierzbicka發(fā)現(xiàn)，在洋蔥中被植物吸收的鉛最高濃度位于根尖部位，這是基本符合鉛在植物體內(nèi)分布規(guī)律的。對(duì)于葉片來(lái)說(shuō)，老葉當(dāng)中鉛濃度分布一般最高，新葉最低。

3.2 生物對(duì)鉛的富集

生物個(gè)體或處于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的許多生物種群，從周?chē)h(huán)境中吸收并積累某種元素或難分解的化合物，導(dǎo)致生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過(guò)環(huán)境中濃度的現(xiàn)象，稱(chēng)為生物富集。影響生物富集的因素很多，主要有生物種的特性、污染物的特性、污染物的濃度和作用時(shí)間以及環(huán)境特點(diǎn)。

3.2.1 不同生物種

不同生物對(duì)鉛吸收不同，不同生物種對(duì)鉛的富集情況也是存在差異的。如有些植物能超量吸收和積累鉛，但是有些卻不能適應(yīng)環(huán)境中的這類(lèi)污染物，這主要是由生物自身的結(jié)構(gòu)和功能所決定的。自然界中有些植物能超量吸收和積累重金屬，Brook稱(chēng)這種植物為重金屬超量積累物(hyperaccumulator)。

3.2.2 不同的器官

生物的不同器官對(duì)鉛的富集量有很大的差異。這主要是因各器官結(jié)構(gòu)、功能不同，與鉛接觸時(shí)間長(zhǎng)短、接觸面的大小存在較大的差異。

對(duì)植物來(lái)說(shuō)，從根表面吸收的鉛能橫穿根的中柱，被送入導(dǎo)管，進(jìn)入導(dǎo)管后隨蒸騰流被動(dòng)運(yùn)輸?shù)降厣喜?。?duì)大多數(shù)植物，各器官鉛的富集量大小次序?yàn)?根＞葉＞莖＞花＞種子;但這個(gè)次序也因植物種類(lèi)的不同而有可能發(fā)生改變。從亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)來(lái)看，細(xì)胞間隙是富集鉛濃度最高的部位，細(xì)胞壁和液泡次之，細(xì)胞質(zhì)最低。

對(duì)動(dòng)物來(lái)講，以3種魚(yú)(鰱魚(yú)、草魚(yú)、鯉魚(yú))的研究為例，在相同鉛濃度下，3種魚(yú)各部位的富集規(guī)律都一致，為:鰓＞內(nèi)臟＞骨骼＞頭＞肌肉。因?yàn)轹w是呼吸器官，始終與水中的鉛接觸，使大量鉛吸附在鰓耙、鰓絲上，所以鰓的含鉛量最高。其余一部分在肝臟中大量沉積，當(dāng)血鉛通過(guò)骨骼時(shí)便以Pb3(PO4)2的形式沉積，而肌肉代謝力強(qiáng)且對(duì)鉛的親和力弱，因此肌肉中含鉛量最低。

3.2.3 不同生育期

處于不同生育期的生物，接觸鉛時(shí)體內(nèi)富集量有明顯差異。在對(duì)水稻的研究中，不同生育期得到根部對(duì)鉛的富集順序?yàn)?拔節(jié)期＞分蘗期＞苗期＞抽穗期＞結(jié)實(shí)期。而谷殼和糙米相應(yīng)的順序?yàn)?結(jié)實(shí)期＞苗期＞拔節(jié)期＞抽穗期＞分蘗期。通過(guò)研究小麥在不同發(fā)育階段施投六六六也證明了生育期與富集量之間的關(guān)系。

3.3 鉛污染的危害分析

鉛在環(huán)境中不會(huì)被降解，只會(huì)發(fā)生形態(tài)或者價(jià)態(tài)的變化，大量鉛在環(huán)境中長(zhǎng)期存在，有可能污染地下水;某些微生物也許會(huì)將鉛轉(zhuǎn)化為其他毒性更強(qiáng)的金屬化合物;另外，鉛在進(jìn)入生物體內(nèi)后不易被排出，在食物鏈中的生物放大作用十分明顯，其富集系數(shù)在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)中可達(dá)到驚人的程度，較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物會(huì)在體內(nèi)成千萬(wàn)倍地富集鉛，然后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，在人體的某些器官繼續(xù)富集，造成人體慢性中毒。據(jù)權(quán)威調(diào)查報(bào)告透露，現(xiàn)代人體內(nèi)的平均含鉛量已大大超過(guò)1000年前古人的500倍。

鉛進(jìn)入人體后，除部分通過(guò)糞便、汗液排出外，其余在數(shù)小時(shí)后溶入血液中，阻礙血液的合成，導(dǎo)致人體貧血，出現(xiàn)頭痛、眩暈、乏力、困倦、便秘和肢體酸痛等癥狀;有的口中會(huì)出現(xiàn)金屬味，動(dòng)脈硬化、消化道潰瘍和眼底出血等癥狀也與鉛污染有關(guān)。小孩鉛中毒則出現(xiàn)發(fā)育遲緩、食欲不振、行走不便和便秘、失眠;若是小學(xué)生，還伴有多動(dòng)、聽(tīng)覺(jué)障礙、注意力不集中、智力低下等現(xiàn)象。這是因?yàn)殂U進(jìn)入人體后通過(guò)血液侵入大腦神經(jīng)組織，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)不足，造成腦組織損傷所致，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致終身殘廢。特別是處于生長(zhǎng)發(fā)育階段的兒童對(duì)鉛比成年人更敏感，對(duì)鉛的吸收量比成年人高，受害尤為嚴(yán)重。鉛進(jìn)入孕婦體內(nèi)則會(huì)通過(guò)胎盤(pán)屏障，影響胎兒發(fā)育，造成畸形等。

4 鉛污染的治理措施

4.1 傳統(tǒng)治理方式

環(huán)境中的無(wú)機(jī)鉛及其化合物十分穩(wěn)定，不易代謝和降解，因此一旦鉛進(jìn)入環(huán)境，將不會(huì)輕易被去除。所以傳統(tǒng)法治理鉛污染主要是從污染源控制鉛排放量以及對(duì)鉛進(jìn)行回收再利用。重金屬的物理化學(xué)法修復(fù)技術(shù)有:隔離包埋技術(shù)、固化穩(wěn)定技術(shù)、熱冶分離技術(shù)、化學(xué)穩(wěn)定技術(shù)、電動(dòng)修復(fù)技術(shù)、客土和翻土法、土壤淋洗技術(shù)。

我國(guó)于2000年開(kāi)始全面禁止生產(chǎn)和使用含鉛低標(biāo)號(hào)汽油，盡量使用潔凈能源，但是汽車(chē)尾氣中排放的鉛塵依然是鉛污染治理中的難點(diǎn)。筆者認(rèn)為不應(yīng)該單單限制對(duì)含鉛產(chǎn)品的使用，還應(yīng)當(dāng)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)汽車(chē)技術(shù)改造更新，改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的工作過(guò)程，尤其是燃燒過(guò)程，即對(duì)內(nèi)燃機(jī)的供油、點(diǎn)火及進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和最優(yōu)化匹配，盡可能使燃料充分燃燒，并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，這樣既節(jié)約能源且減少污染。對(duì)那些經(jīng)修理和調(diào)整后或采用排氣污染控制后，排放污染物仍超過(guò)國(guó)家規(guī)定的汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輛應(yīng)予以淘汰。對(duì)鉛污染的土壤應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的治理，植樹(shù)種草，減少直接暴露;對(duì)污染嚴(yán)重的土壤應(yīng)進(jìn)行表土填埋或移除，減少兒童與鉛污染土壤的直接接觸。

對(duì)鉛煙塵的處理中，排氣凈化中常用布袋除塵器、靜電除塵器以及用水作吸收介質(zhì)的各種洗滌器，為了更好的凈化效果，還可采用濕式化學(xué)吸收法凈化鋁煙，如用稀醋酸溶液吸收鉛煙污染等。

4.2 生物法治理鉛污染

因重金屬污染的特點(diǎn)是不能通過(guò)降解而從環(huán)境中消除，只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，或從高濃度轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜐舛?，且能在生物體內(nèi)積累富集。近年來(lái)，一些科學(xué)家開(kāi)始探索利用生物技術(shù)來(lái)修復(fù)重金屬污染。農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、分子生物學(xué)和環(huán)境工程學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展和合作，也為生物修復(fù)的提出和應(yīng)用提供了可能，它是污染整治的重要手段之一，也是目前僅見(jiàn)的土壤污染治理的環(huán)境友好技術(shù)。

生物修復(fù)是利用各種天然生物過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)場(chǎng)處理各種環(huán)境污染的技術(shù)，具有處理費(fèi)用低、對(duì)環(huán)境影響小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。土壤被重金屬污染后，在治理重金屬污染時(shí)常用的一些生物修復(fù)技術(shù)有動(dòng)物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)及微生物修復(fù)技術(shù)。

4.2.1 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是指利用土壤中某些低等動(dòng)物，如蚯蚓等吸收土壤中的重金屬的特性(圖1)，在一定程度上降低污染土壤中的重金屬含量，但動(dòng)物的排泄物會(huì)對(duì)土壤造成二次污染，因此很少將此方法用于治理鉛污染。

4.2.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)的機(jī)理是植物吸收、轉(zhuǎn)化、降解和合成重金屬污染物。植物修復(fù)一般分為植物提取、植物揮發(fā)和植物固定。通過(guò)對(duì)植物的集中處理，造成二次污染的機(jī)會(huì)較少。對(duì)一些植物內(nèi)的金屬還可回收利用，特別是貴金屬。

圖1 Pb2+在蚯蚓體內(nèi)的富集過(guò)程

重金屬超量積累植物體內(nèi)的重金屬含量要達(dá)到一般植物的100倍以上，在土壤重金屬的治理中發(fā)揮著重要的作用，這類(lèi)植物已發(fā)現(xiàn)了360多種，其中大多數(shù)為十字花科植物。

何冰等對(duì)浙江古老鉛鋅礦區(qū)的土壤和植物種群進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)了一種新的具有耐鉛特性和鉛富集能力的植物——景天科(Crassulaceae)景天屬東南景天(Sedum alfredii Hance)是一種鉛富集生態(tài)型植物。比較和分析了不同濃度硝酸鉛處理對(duì)富集和非富集生態(tài)型東南景天的生長(zhǎng)及其對(duì)鉛的吸收特性的影響。結(jié)果表明:320 mg/L的Pb處理對(duì)富集生態(tài)型的地上部分生長(zhǎng)無(wú)顯著影響，而非富集生態(tài)型在20 mg/L的Pb時(shí)即出現(xiàn)受害癥狀。富集和非富集生態(tài)型的地上部分鉛含量、根系鉛含量以及單株鉛積累速率均隨處理濃度的增加而表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)。其中富集生態(tài)型的地上部分鉛含量、根系鉛含量以及單株鉛積累速率最高可達(dá)到514 mg/kg、13922 mg/kg和8.62 μg/plant/d，分別是非富集生態(tài)型的2.27、2.62和7.16倍。由于具有生長(zhǎng)速度快和高積累鉛的能力，從植物修復(fù)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，東南景天鉛富集生態(tài)型在鉛污染土壤的修復(fù)方而具有巨大的潛力。此外，東南景天還對(duì)土壤中過(guò)量的鋅、鎘具有強(qiáng)忍耐能力和超積累特性，并具有多年生、無(wú)性繁殖、生物量較大等特點(diǎn)。同時(shí)，它適應(yīng)性強(qiáng)，耐瘠薄、干旱及強(qiáng)光等惡劣生境，觀賞性強(qiáng)，是實(shí)施植物修復(fù)與生態(tài)綠化的優(yōu)良植物。

通過(guò)采取有效的輔助栽培措施，改良土壤環(huán)境，可提高東南景天的生物產(chǎn)量以及地上部的重金屬積累量，提高修復(fù)重金屬效率。如適當(dāng)?shù)牡c磷營(yíng)養(yǎng)能提高東南景天根系發(fā)育，特別是使用硫酸銨，能提高植株對(duì)鉛、鋅、鎘污染的修復(fù)能力。

4.2.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中某些微生物對(duì)重金屬具有吸收、沉淀、氧化還原等作用，降低土壤中重金屬的毒性和遷移能力。某些微生物與鉛有很強(qiáng)的親合性，使鉛被貯存在細(xì)胞的不同部位或被結(jié)合到胞外基質(zhì)上，通過(guò)代謝過(guò)程，鉛離子可被沉淀，或被輕度鰲合在可溶或不溶性生物多聚物上。

當(dāng)前微生物修復(fù)技術(shù)大多應(yīng)用在對(duì)環(huán)境中有機(jī)污染物的降解上，而應(yīng)用于上壤重金屬污染的修復(fù)上比較少。利用微生物修復(fù)鉛污染的研究在20世紀(jì)末才開(kāi)始展開(kāi)，而如何篩選專(zhuān)性高效富集菌株也成為制約微生物修復(fù)技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。杜立棟等研究發(fā)現(xiàn)青霉菌具有很強(qiáng)的鉛富集能力，經(jīng)富集能力最強(qiáng)的青霉菌處理后土樣中水溶性鉛含量都顯著降低，處理24h后最大富集率達(dá)96.28%;處理48h后最大富集率達(dá)95.92%;處理72h后最大富集率達(dá)96.54%;處理96h后最大富集率達(dá)95.58%。而在未經(jīng)青霉菌處理的對(duì)照土樣中，可溶態(tài)鉛的量基本保持不變(表1)。

表1 土樣經(jīng)青霉處理后離心上清液中水溶性Pb含量

微生物修復(fù)技術(shù)的研究雖然起步晚，但是這些研究具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值，越來(lái)越多的重金屬超量積累微生物被發(fā)現(xiàn)，相信前景一定非常廣闊。

重金屬的生物修復(fù)具有投資少、效率高、不給環(huán)境造成二次污染的特點(diǎn)，充分利用自然界中的微生物與植物的凈化作用，并輔之以物理或化學(xué)方法，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，強(qiáng)化生物過(guò)程的解毒效力，是凈化重金屬污染的有效途徑。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，不少科學(xué)家致力于重金屬污染的研究中，在眾多治理鉛污染的方法中，與傳統(tǒng)方法相比，生物修復(fù)因處理費(fèi)用低、對(duì)環(huán)境影響小、效率高等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是植物修復(fù)技術(shù)及微生物修復(fù)技術(shù)。國(guó)際上有關(guān)鉛富集植物的研究，主要集中在十字花科植物及景天科植物東南景天等少數(shù)鉛富集植物上。而目前對(duì)于鉛富集植物材料的研究，大都集中在根際活化、生理反應(yīng)和鉛在體內(nèi)的分配上，對(duì)其吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特性方面的研究則關(guān)注較少;當(dāng)前相關(guān)研究己經(jīng)逐漸深入到細(xì)胞水平，試圖在微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)在機(jī)理等方面，進(jìn)一步揭示植物在重金屬脅迫的生理反應(yīng)和解毒機(jī)制。因此深入了解鉛富集植物對(duì)鉛的吸收特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步改良和提高植物對(duì)鉛的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力具有重要意義。

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