学科分类号（二级）
本科学生期末论文
题目： 土壤中的砷修复机制 姓名： 刘云谣 学号： 124120434 院系： 生命科学学院 专业： 生物技术
土壤中的砷修复机制
摘要：砷是环境中以低浓度广泛天然存在的一种非金属元素，易与其它元素形成无机和有机的复合物，易发生氧化。在人类活动中容易造成砷污染，尤其是水中砷污染和土壤中砷污染对人类活动的影响最大。所以砷的修复机制一直是人们研究的热点，本文对土壤中砷的物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术和综合防治修复技术进行简单的介绍，为砷污染的修复和环境治理提供科学指导[1]。 关键词： 砷；土壤；污染；修复机制
土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一,也是人类生态环境的重要组成部分[2]。随着工矿业的迅速发展, 土壤重金属污染已日益严重,其中砷的污染较难处理且危害较大。砷是一个知名的化学元素，是一种以毒著称的类金属，有许多的同素异形体。砷主要以硫化物的形式存在如雄黄（AS4S4）、雌黄(AS2S3)，砷黄铁矿(FeASS)等。因其特殊的类金属性和韧性，砷主要用于与铜、铅及其他金属形成合金。此外砷的化合物还广泛用于制造防腐剂、染料、农药和医药等。随着社会经济和工业的发展，全球许多国家面临严重的砷污染威胁，砷污染已成为人们普遍关注的环境污染问题之一[5]。砷可以通过呼吸道、食物、饮用水或皮肤接触进入人体, 对人类都有很大的危害，砷也是一种高致癌的化学元素。此外，砷可以破坏植物的水分代谢，影响呼吸和能量代谢，也会影响植物的碳代谢，进而致使作物减产，植物受损或死亡。
土壤中的砷的来源主要有自然来源和人为来源。岩石风化、土壤侵蚀、森林火灾、微生物活动以及火山爆发等均会产生含砷物质。据估计[6]，全球每年从岩石风化和海洋喷溅释放的砷量为(1.4-5.6) x105kg，这些砷都会曹接或间接进入土壤中。农业中砷污染来源主要来自含砷化物农药和化肥[7]。含砷的农用化学试剂长期大量使用可使土壤中砷不断积累。工业来源[8]主要是砷矿及砷伴生矿的开采、冶炼和含砷煤的大量使用。除此之外，城市污水处理厂含亚砷酸盐的污水、污泥以及垃圾填埋场含重金属堆弃物产生的渗滤液也是土壤砷的来源。
[3]
[4]
土壤中砷污染达到一定程度, 会导致土壤退化以及生长的农作物产量和品质下降[15]。砷进入农作物的砷可以通过食物链危害人体和动物健康。我国是世界上砷污染最严重的国家之一, 群体性砷中毒以及砷污染事件时有发生。如在湖南省常德市石门县鹤山村发生的污染事件中，全村700多人中，有近一半的人都是砷中毒患者，因砷中毒致癌死亡的有157人。
由于砷在地表中分布广泛，人类活动易造成污染，对人类的身心危害大，在土壤中难以降解。所以对土壤中的砷污染进行治理是一个世界性的的难题。本文从砷污染的物理修复机制、化学修复机制、生物修复机制和综合的修复机制进行简单的论述，为进一步研究砷污染机制献一点薄力。对于砷污染的土壤可根据污染情况采用物理工程措施、化学修复措施、生物措施或几种措施的配合进行治理。 1 土壤中砷的物理修复机制
土壤中砷的物理修复机制主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。通过客土、换土和深耕翻土与污土混合, 可以降低土壤中砷的含量, 减少砷对土壤—植物系统产生的毒害, 从而使农产品达到食品卫生标准，进一步减少对人和动物的危害。深耕翻土用于轻度污染的土壤, 而客土和换土则是用于重污染区, 工程措施是比较经典的土壤砷污染治理措施, 它具有彻底、稳定的优点, 但实施工程量大、投资费用高, 易破坏土体结构, 引起土壤肥力下降, 并且还要对换出的污土进行堆放或处理，如果对污土处理不当还会造成二次污染。
随着环境分子科学的快速发展，纳米材料在环境污染修复研究中的应用越来越受到重视。用TiO2对土壤中的砷进行原位修复是最先的纳米材料修复技术。随着科技的发展，零价铁纳米材料也用于砷污染的土壤修复，由于材料中的零价铁能与砷发生强烈的相互作用，能更好、更有效地去除土壤中的砷。后来人们又采用淀粉和纤维素作为纳米铁稳定剂，和没有进行稳定剂处理的纳米铁相比，稳定后的物理活性、流动性和反应活性明显升高。 2 土壤中砷的化学修复机制 2.1砷污染土壤淋洗修复技术
Tokunaga[9]等在含砷量为2830mg／kg人工砷污染土壤上，用不同浓度的HF、H3P04、H2S04和HCl等酸淋洗，结果表明在9．4％H3P04浓度下，6h后砷
的提取量达到99．9％，是砷最良好的提取剂。所以我们可以利用磷酸、盐酸、硝酸等酸性物质对被砷污染的土壤进行淋洗，也可以用碱（如氢氧化钠）进行淋洗，还可以在淋洗液中加入螯合剂、络合剂、还原剂或表面活性剂对受污染的土壤进行淋洗。在但淋洗技术中使用的酸性或碱性淋洗液会对土壤造成一定的危害，过高的酸或碱度会破坏土壤的理化性质和土壤微团聚体结构，使土壤养分大量流失。同时淋洗产生的废液会造成二次污染。这些都限制了淋洗技术的发展和推广应用。
2.2固定化／稳定化技术
固定化／稳定化技术是通过投加固化剂改变砷在土壤或废弃物中的存在形态，再利用吸附或沉淀作用使其固定于介质中，降低砷的活性，减弱砷在土壤中的迁移性和可生物利用性的一种方法[9]。实际应用中常用固化剂有水泥、石灰、钢渣等凝硬态材，添加剂或者预处理工艺包括pH值调节剂、硫酸铁、过硫酸盐等试剂或燃烧化学氧化预处理技术[10]。处理时将固定剂和调节剂按一定的比例调成溶液注入到受污染的土壤中进行固定，以减小砷污染带来的危害。张江生和周康根等人发现了新型TMT（三巯基均三嗪三钠盐）并将其用于砷污染的处理，以新型TMT-硫酸铁复配混合物为化学固定剂对受污土壤进行处理，有效态砷的去除率可达到60 %[11]。由于固化方法需要大量的固化剂，且容易对土壤造成二次破坏，一般仅用于砷污染严重的小面积土壤进行修复。 2.3 电化学法
电化学法也称为电渗析法，它结合了电渗析与电迁移技，通过外加电场所产生的动电效应驱动土壤中的砷污染物沿电场方向定向迁移，从而与土壤分离。该技术主要用于精细土壤(黏土等低渗透性土壤)的砷污染控制，但对于渗透性高、传导性差的砂质土壤效果较差。用铁板作为阳极，电解时产生的亚铁离子经过氧化后会形成水合铁氧化物，砷可以与铁氧化物结合共同沉淀形成复合物，从而增加迁移特性和降低砷的毒性。在砷的电迁移中可以加入一些弱电解质到阴极加速电解。
2.4调节土壤PH法
在不添加磷的情况下，黄壤、红壤和褐土对AS的吸附能力随着PH的升高而
降低，随土壤粘粒含量的降低而减弱，其吸附能力为黄壤>红壤>褐土[12]。国外的有关科学家研究土壤PH和砷的含量关系时发现，土壤对AS的吸附量随着PH的变化呈现抛物型的变化。在PH值2～7范围内，土壤对AS的吸附能力较强，PH为4左右吸附量最大，当PH大于10或小于1时，土壤对AS的吸附量很小[9]。因此，控制土壤PH为4左右，作物受到的AS污染最小且作物可以正常的生长。 3 土壤中砷的生物修复机制 3.1动物修复技术
蚯蚓是生态系统中一个重要组成部分，能起生物监测作用，并能被用于污染土壤修复。杨居荣[13]用威廉环毛蚯蚓进行试验，向土壤投加不同浓度的砷酸氢二钠和亚砷酸钠，同时投加不同浓度的其他重金属(Hg、Cd、Pb、AS和cu)时，研究发现蚯蚓对砷的富集系数最大。当砷从土壤转移至蚯蚓时，再通过电击、灌水等方法驱除蚯蚓，集中处理，把土壤中的砷污染处理掉。这种方法操作简单，效率较高且成本低廉，对砷污染土壤的原位修复具有很好的应用前景，但是仅限于土壤中较低浓度的砷污染，如果砷的浓度过高会对蚯蚓的生长和富集造成危害，反而会适得其反。 3.2 植物修复技术
土壤中AS污染的植物修复技术就是利用某些植物具有对AS的富集转化特性来修复AS污染的修复技术。蜈蚣草是一种肾蕨科植物，在自然条件下，蜈蚣草一般生长在含As量 50～4030mg／kg的土壤中，甚至能在含As量高达23400mg／kg的矿渣中正常生长[14]。因此蜈蚣草具有很强的砷吸收和转运的能力, 其地上部累积的砷可达22.6 g·kg-1 (DW), 所富集的砷占地上部生物量(干重)的2.3%左右。在AS污染的土壤植物修复中，我们可以在受污染的土壤中种植蜈蚣草对砷进行富集，然后割取蜈蚣草的地上部分再进行一系列的处理，最后把AS从植物中提取出来。尽管蜈蚣草对As的富集特征及其影响因素和As在蜈蚣草中的形态与转化等方面己取得了重大进展，但As污染土壤的植物修复仍然还存在一些问题和挑战。 3.3微生物修复技术
微生物修复是利用土壤中特定微生物对砷的吸收、沉淀以及氧化还原等作用