土壤修复概论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,一、土壤环境与污染,二、污染土壤与修复,孙铁珩院士,(,沈阳应用生态所研究员,),第一部分 土壤环境与污染,土壤污染与修复研究是当今环境科学新的生长点之一，,倍受国内外环境科技工作者的重视。,与大气、水体相比，,土壤是,一个复杂的物理、化学与生物的复合环境介质，是一个重要的生态剖面，许多环境化学、环境生物、环境毒理的规律与机制，可以通过土壤生态剖面加以观察、研究。,污染土壤污染底泥,土壤污染的控制与治理成为重要的科学问题。,1,、背景与需求,成为主要污染源,成为二次污染库,科学问题,我国农药、化肥和重金属污染农产品的问题,是限制我国农产品出口的主要瓶颈。,减少与消除高毒农药的危害，,已成为我国农业环境亟待解决的重要问题。,污灌、污泥等造成的土壤污染，,还将长时期影响农作物的生长和农产品的品质。,国 家 需 求,土壤污染与修复研究,是中国进入,WTO,、保证农产品安全、推动农村生态环境,保护和全面建设小康社会的国家战略需求。,生态系统的基本单元，具有,S W P,系统的整体性,人类活动的主要资源，具有,质量、数量的双重性,2,、对土壤环境的基本认识,土壤具有三个基本特征,肥 力 质 量,环 境 质 量,健 康 质 量,内 涵,安全生产,土壤质量,保证最大生产力,最佳生物学质量,不引发二次环境污染,自然体、环境介质，具有,多功能性,承接污染物的载体,净化污染物的活体,负 荷,容 量,功 能,强 度,1,、系统之间,2,、研究过程,3,、,污染效应,4,、干扰因素,与大气环境、水环境不同,理论体系、化学形态、迁移,转化、恢复治理机制不同,同一作物,对不同污染物的生物,效应、吸收累积、释放机制不同,土壤肥力、养分含量、土壤质地、机,械组成,对污染物毒性影响程度不同,2-1,土壤污染基本特征,发生的隐蔽性,形成的复杂性,恢复的长期性,毒性的缓效性,诊断的特殊性,土壤污染的特点,环境土壤学研究的目的,认识,利用,调控,土壤肥力的培育,土壤污染的防治,土壤净化功能的利用,污染土壤的清洁,农林土壤学,环境土壤学,以提高农业生物生产力为,目的的土壤肥力和资源研究,以提高土壤三质量为目的,(,肥力、健康、环境,),土壤生态过程研究,污染发生机制研究,土壤功能、容量研究,2-2,环境土壤学的发展历程,50,年代,:,土地资源开发利用,提高生产研究,60,年代,:,水土保持，盐碱地改良,土地环境资源保护研究,污水灌田，施用农药,土地环境污染研究,70,年代,:,区域性,土壤环境评价及污染,综合防治研究,80,年代,:,土壤环境背景容量及基准,土壤,-,植物系统,净化功能及其应用研究,90,年代,:,土地植物系统污染生物地球化学,长期定位研究,无公害农业及绿色食品生产技术,应用技术研究,流域及湖泊水污染治理关键技术,3,、土壤环境与土壤污染研究回顾,2000,：土壤污染生态过程与生态安全,资 源 调 查,质 量 评 价,污 染 防 治,规 律 研 究,机 制 研 究,实用技术研究,3-1,土壤环境与土壤污染,-,学科发展历程,58,年污水灌溉在主要城市郊区兴起,推动灌溉事业，促进北方水稻农作发展,N,肥过剩，贪青倒伏，作物受害，土壤毒化,土壤毒化,诊断指标,确立,N,肥定额,防止徒长倒伏,增施矿质肥料,调整作物,Si,/N,营养比,3-2,土壤环境与土壤污染研究事例,污灌,污染物在土壤,-,植物系统,迁移,-,分布,土壤,-,地下水,污染,污水灌溉研究,作物污染及残留,与毒性研究,灌区人体,健康调查,污 水 灌 溉 研 究 成 果,污水灌溉地区水质、粮食和地下水评价,矿物油、苯并（,a,）,芘、重金属在土壤,植物 系统迁移分布,主要污染物生物学质量评价,重金属、矿物油等土壤环境容量,污灌区综合治理与防治规则,土壤环境质量评价,评价方法及其指标体系,区域性 土壤环境,重 点 污 灌 区,石 油 化 工 区,工 矿 开 发 区,污 染 起 始 值,污 染 标 准,单 项 指 标,综 合 指 标,3-3,区域土壤环境研究,意义,土壤环境质量与污染评价,制定土壤环境容量与土壤环境质量标准,土壤污染清洁技术土地利用与土地管理,成果,1973-1977,年 北京、南京、广东等重点地区 土壤、水体及生物背景值试点研究实验,1979,年,13,个省市主要农业土壤和主要作物,9,种元素背景值调查,1986,年,29,省市土壤背景值调查,3-4,土 壤 环 境 背 景,意义,制定土壤环境标准,污染物排放、污泥和污水的农业利用,区域污染物管理与控制,成果,敏感作物盆栽生物试验,土壤微生物生态及土壤酶活性,同位素示踪技术,田间物质平衡,土壤净化功能,3-5,土 壤 环 境 容 量,污染地点：,沈阳市张士灌区,污染原因：含镉工业污水灌田,污染面积：,2 8 0 0 ha,污染状态：土壤含镉,5-10 mg/kg,土,稻米耔实镉,0.4-1.0 mg/kg,米,3-6,镉,土,污 染 及 防 治,镉土污染治理,客土法,深耕 换土,农作法 排水晒田 淹水厌氧,化学法改良 施用石灰磷肥及其它改良剂,生物法改良 作物吸收富集木本净化,3-7,镉土污染治理研究成果,利用土壤,-,植物系统生物、化学、物理的净化功能,通过科学设计和有效地进行管理,对污水中,N,、,P,资源加以利用,对可降解污染物加以净化,实现无害化、资源化的生态工程技术,适合国情,投资少，运行费用低,可回收再生水资源,3-8,污水生态工程土地处理,土壤环境污染现状的描述,污染危害的调查和污染点的评价及风险分析,土壤污染生态过程及其微观机理研究,土壤生态毒理学诊断,污染土壤生态过程,4,、污染物的生态过程研究,复合污染条件下，常用农药与石油及其化工产品等有机 污染物在土壤中的迁移动态研究，探讨污染物的最适,降解条件,污染物在土壤中的降解过程及其影响因素，确立其微 生物降解的最佳条件,污染物在土壤中的固定,-,再释放机制及预测,耐污植物对污染物的吸收能力,污染胁迫条件下，土著微生物群落的变化规律,农作物连作条件下，土壤生物污染的发生过程,重点有机、无机污染物的土壤生态过程区域比较研究,研究内容,平衡研究,迁移,降解,吸附与解析,植物吸收积累,挥发过程,供试化学品,多 环 芳烃类,有机氯类 与 农 药,杂 环 化合物,离子型有机化合物,菲 荧蒽 苯并芘,1,2,4-,三氯苯 邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二异辛酯,多效唑西玛津,直链烷基苯磺酸钠,效应研究,对宏观系统的影响,对微观系统的影响,生物量,生 物多样性,生物学质 量,对植物形态学上的影响,对土壤微生物土壤酶的影响,转化研究,有机污染物本体（,A,）,在陆地生态系统中向其代谢及合成物（,B,C,D.,）,的转化过程,物理、化学、生物过程及其动力学过程。,转化过程中的发生条件及其影响因素。,典型污染土壤的成因分析与生态风险预测,土壤生态毒理学标准实验方法,土壤生态毒理学指标体系测,生物毒性指标体系,土壤生物污染的诊断与评价指标体系,污染土壤清洁标准,土壤环境标准,土壤生态毒理学诊断与安全预警系统的建立及其验证,土壤生态毒理学诊断,污染生态化学过程,土壤污染发生机制,土壤污染早期诊断,土壤污染过程调控,土壤污染系统监测,污染生态毒理过程,生态过程研究,5,、需要加强的重要研究方向,6,、土壤污染生态学研究展望,土壤环境标准与生物质量综合指标体系,土壤,-,植物系统生态剖面分析,土壤,-,植物系统生态风险评价,方法论及技术支撑系统,土壤,-,植物系统净化功能研究,土壤圈及其边界污染物迁移转化规律,土壤环境质量监测网络,污染卫生学,生态毒理学,生物生产力,综合分析,作用机理,确立环境参数,实验手段,测试技术,环境容量,土壤,-,水,反应动力学,土壤,-,环境,长期定位观测,土壤,-,大气,建立网络系统,第二部分：污染土壤与修复,1990 s,德国，英国，荷兰等开展土壤污染修复研究,水生生态系统问题,-1960-1970,陆地生态系统问题,-1980s,始,1990s-,加拿大，美国等开展土壤污染修复研究与工程,1995,中国开展土壤污染生物修复项目,1,、污染土壤修复研究的历史回顾,80,年代，荷兰投资,15,亿美元进行土壤修复试验研究,1976-1990,年，联邦德国科技部资助的项目,306,个,1990-1996,年，,联邦德国废物管理与土壤修复项目投资,75,亿美元,美国政府近期投资,100,亿美元进行土壤修复技术开发,1995,，国家基金委，科学院等资助土壤污染生物修复项目,项目资助,2000-2003,年国内土壤修复研究（根据发表论文统计）,原位修复（接菌法,生物培养法,生物通风法,土耕法）,异位修复（生物泥浆，堆腐，制备床，厌氧处理）,化学修复,物理修复,化学清洗,超临界萃取，光化学降解，化学氧化，化学栅（沉淀栅，吸附栅，联合栅）,清洗法，蒸发法，电修复法，热修复法,挖掘添埋法，通风去污法，焚烧法,植物提取，植物富集，植物稳定,生物修复,植物修复,联合修复,2,、土壤修复技术,污染土壤生物降解处理技术,污染物生物降解最适条件的建立，包括土壤中大量和微量元素的适当比例，游离酶的选择与浓度确立及土壤温度、湿度、,pH,和有机质等常规条件,土著微生物的驯化与接种菌的筛选和培养,特异性降解微生物的构建,提高污染物生物可利用性技术等,有机,污染土壤堆腐清洁技术,污染区人工生态系统的营造、管理及其持续高效无害化 农业利用技术,土壤生物改良剂发研制与开发,2-1,生物清洁技术,污染物的固定,/,稳定化处理 技术,污染土壤固定,-,覆盖技术,电渗析技术,树脂,/,活性炭浮选技术,污染土壤蒸汽萃取技术,污染土壤泥浆反应器处理技术,污染土壤冲洗技术,针对特定的顽固性污染物的溶 剂萃取技术,重金属或其它类型无机污染土壤,石油或其它有机污染土壤,2-2,物理化学清洁技术,针对石油、多环芳烃为目标的污染物生物修复,优势菌种的筛选与功能实验,生物修复技术：泥浆反应器、土壤堆腐、超 富集植物筛选,2-3,土壤清洁技术研究进展,1,，外源微生物引入,-,（关键）条件和原则,2,，微生物的适应性,-,（重点）机制与影响因素,3,，生物修复过程中污染物的降解,-,限制因素,-,浓度）,4,，有机污染物次生代谢过程,-,问题,-,毒性代谢产物生成,5,，生物修复的现场放大技术,-,技术的应用,6，污染物的淋溶过程,可溶性组分的地下迁移,-,二次污染,7,，污染土壤修复的生态安全性评价,3,、土壤修复研究的现存问题,3-1,外源微生物引入,条件及原则：,(1),当现存的土著微生物不能降解土壤中的污染物,如有机污染物降解过程中的中间产物不能为土著微生物降解，考虑引入外来微生物,(2),土壤中污染物浓度过高,对土著微生物有毒害作用而不能有效降解污染物，考虑引入外来微生物,(3),土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物,(1),是否能够降解大部分目标污染物,;,(2),遗传稳定性如何,;,(3),在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性,;,(4),是否具有较强的与土著微生物生存生长竞争能力；,(5),是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。,3-2,外源微生物引入,需要考虑的因素,预先暴露于污染环境中的微生物决定生物降解速率。,有些微生物对有机污染物的氧化能力较强,这种现象被称为适应性。,适应性的可能机制有以下,3,种：,特定酶的诱导和抑制；,基因突变产生新的代谢群体；,有机体的选择性富集。,机制研究的成功是生物修复技术成功的关键要素,3-3,微生物的适应性,-,机制与影响因素,污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异,解决高浓度污染对生物降解影响的方式通常是进行稀释，以满足微生物降解的浓度要求。,当污染物浓度过低（但尚未达到环境质量安全标准）时，生物修复的速率开始下降，有时甚至难于进行。,解决低浓度污染物降解是生物修复过程中面临的重要问题。,3-4,生物修复过程中的污染物的降解（浓度限制