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烟叶重金属残留降解技术研究

2007-01-11

  摘要:烟草中含有重金属,在抽吸过程中,这些重金属可能通过主气流进入人体组织,对人体造成危害,本文综合分析了烟叶重金属污染的来源,并提出了相应的重金属修复技术,为降低烟叶重金属残留打下了坚实的基础。

  关键词:降低;烟草;重金属残留

  美国1989年报道的107种卷烟烟气有害成分中,as、cd、cr、pb、ni、cu、hg等重金属元素赫赫在列,1990年的hoffman清单也将as、cd、cr、pb、ni、cu、hg列入烟草44种有害成分。降低烟叶重金属残留技术的攻关迫在眉睫,多年来烟草重金属残留量、迁移及控制一直是广大烟草科技工作者关注的热点问题,研究证实,吸烟已成为烟民一些重金属的主要来源之一。

  1、烟叶重金属污染因素分析

  1.1 污水灌既 

  在市场激烈竞争下,一些工厂为了节省成本,工矿废弃物未经处理便排入农田,导致了农业生态环境的污染和破坏,使污染物污染农田和作物,并通过食物链转移影响人体健康。据统计全国污染的耕地约2000万hm2,占总耕地的21%。大量的工业“三废”及生活污水在未经处理的情况下排放,造成地面、地下水都不同程度地受到了污染。

  1.2 乡镇企业的飞速发展加快了农村环境的迅速恶化  

  工矿企业附近的农作物受到污染的同时,各工厂特别是一些冶炼厂生产的废气飘尘也是农作物受污染的原因之一。废气飘尘中―般含有大量的镐、铅、锌、铜等重金属元素,其影响的范围在主风向上可达10km,严重污染范围约为1100m。

  1.3 公路和铁路两侧附近农田的锡、铅污染是造成部分烤烟重金属污染的重要因素 

  由于我国人多地少,土地利用率极高,公路两旁很少有其他植物作缓冲,农作物不能避免要受到汽车尾气的污染。云南烤烟生产地部分在近郊,靠近交通繁忙的公路,烤烟生产的烟叶经常处于汽车尾气的污染之中,汽车尾气中50%的铅尘飘落在距公路30m的范围内,每公斤烟叶中铅含量高达数百毫克。一些铅尘落入烟区土壤中,形成铅的化合物,又给烟叶带来二次污染。

  1.4 农业生产中用未处理的城市、工矿企业的垃圾、工业生产污泥及城市生活垃圾中往往含有大量的未经处理的重金属在我国利用污泥和城市垃圾农用堆肥还很普遍。

  1.5 人为因素造成的土壤重金属污染  

  随着人类社会工农业现代化、城市化的发展,人为因素造成土壤重金属污染是当今世界越来越不可忽视的环境问题。重金属多为有色金属,在人类生产、生活各方面应用广泛,同时也伴随着重金属的严重环境污染。有色重金属矿床的开发冶炼是向环境中排放重金属最主要的污染源。通由于这些污染源大多是点性污染源,故对土壤环境来说是不均匀污染,在局部地区土壤重金属污染可能相当严重。随着城市化的发展和市内工业、交通排放各种废弃物的增多,城市土壤中重金属含量显著增加,其中以汞和铅最为突出。随着人为活动向大气中排放的重金属污染物的增多,通过沉降重金属污染土壤也表现得越来越严重。在农业中,农药、化肥、污泥的施用,污水灌溉,也是加剧土壤重金属污染的主要途径之一。在化肥中,其原料矿石本身的杂质及生产工艺流程的污染使其重金属的含量颇高。在农药中以含汞、砷和铅的较多,如:含有机汞制剂有赛力散、西力升等,含有机砷制剂有稻脚青、苏农6401,含砷铅的砷酸铅、亚砷酸铅等,含其它重金属的农药如:代森铅。故长期施用化肥、农药可使土壤遭受重金属污染。

  2、农业生态中重金属污染的控制  

  进入土壤的重金属会在土壤中积累,当其积累到一定程度便会影响植物的发芽率、开花结实率及产量等。污染严重时甚至会造成植物死亡,并会对植物根系及地上部分的过氧化酶、过氧化氢酶、脉酶、固氮酶等酶活性产生影响。更重要的是,土壤环境受到污染会影响农副产品的品质,使食物链受到污染而危害人类健康。因此必须对环境重金属污染采取得力措施进行有效控制和治理。

  2.1 立法措施  

  保护农业生态环境是防止农作物受重金属污染的根本途径。要控制农田生态区新的污染源产生。新建厂矿必须执行“三同时”和有关污染防治规定。对于重点污染源必须加强管理,严格执行“三废”排放标准。

  2.2 生物措施  

  主要包括动物治理、微生物治理和植物治理。目前利用植物治理的研究较多,它是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目的。植物在这里所起的作用包括:植物提取作用,即植物对重金属的吸收;植物挥发作用,即通过植物使土壤中的某些重金属转化成气态而挥发出来;根际滤除作用,即利用植物根孔通过水流移出土壤重金属;植物固定化作用,即利用植物将土壤重金属转变成无毒或毒性较低的形态(生物无效态)。植物治理的关键是寻找合适的超积累或耐重金属植物。

  2.3 改良剂措施  

  改变土壤的理化性质而使土壤中的重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附等作用以降低土壤重金属的生物有效性。目前比较成功的治理污染土壤的方法是通过施用硝石灰调节土壤ph值,降低重金属毒性有效成份,一般每公顷施750kg硝石灰,土壤中有害重金属有效态便可降低15%;通过旱田改水田降低土壤氧化还原电位,使重金属离子还原而降低重金属毒性有效成份;对于毒性大的重金属如锦等严重污染的土壤可采取土地深翻、施用抑制剂等措施。

  2.4 在现有生态环境条件下调整污灌区作物结构,可以有效地减少重金属污染  

  根据蔬菜种类较多而且各种蔬菜的重金属富集强弱不一的特点合理安排轮作种植,从而降低重金属进入食物链。土壤、烟叶重金属污染状况调查和菜田重金属富集轮作试验表明,低富集轮作与普通轮作相比,可使污染田块烤烟铜含量降低50%一80%,有明显减少铜进入食物链的效果。不仅如此,还可以明显提高烤烟产量和产值。对一些污染较重的地区可种植苗木和其他经济作物,同样能保证农民收入。

  2.5 调整作物布局,提倡发展远离公路烤烟生产基地 

  公路两旁改种其它非食用植物如苗木、花卉、棉花等是一项非治理性的综合措施。另外,在公路两旁烟区周围种上篱笆等植物墙也是减少铅污染的一项有效措施。

  2.6 严格控制城镇垃圾和农用污泥使用量,确保重金层等有害物质不造成对土壤、水系及农畜产品的污染  

  对已受重金属污染的土地,短时间内难以净化,治理可考虑采用以下措施:增施有机肥,促进土壤对重金属的吸收整合,减少植物对重金属的吸收量。研究表明羊粪缓减土壤铜污染危害的作用比泥炭强,这是由于羊粪是一种未腐熟有机肥,和泥炭这种炭化了的有机肥相比,羊粪易分解,且产生较多的腐植酸,从而增强了土壤固定ni的能力,使作物根系吸收锦量减少,减轻锦危害。因此增施有机肥可以作为防治土壤锦等重金属污染的一项有效方案。另外限制土壤的ph,使土壤ph增大以降低重金属的活性,可以有效地减少作物吸收。施加抑制剂,提高土壤ph值,降低重金属的溶解度,形成氢氧化合物沉淀,也可减少污染。

  3、土壤重金属污染的综合防治措施  

  重金属在土壤中不被微生物降解,且迁移性小,污染特点具有长期性、潜伏性、累积性和不可逆性。一旦土壤中重金属含量超过环境容量,要清除污染则相当困难,故对重金属引起的土壤污染需要防与治相结合。 

  3.1 切断污染源  

  人类工农业、城市现代化发展过程中,采矿、冶炼、纺织、交通等人为活动不可避免的越来越频繁,如这些过程中处理不善将通过“三废”导致大量的重金属进入土壤,造成污染。所以应当发展清洁工艺,对“三废”进行严格治理,特别是废气、废渣和污泥中重金属的回收、综合利用以及防止对土壤环境的二次污染,并要严格执行污灌水质和污泥施用标准,严格控制农田灌溉污水、施用污泥中重金属含量和施用量。切断污染源是土壤重金属污染防治工作上带有战略意义和指导性的基本原则,但在现有的科学技术条件下要切断土壤环境的重金属污染源是不可能完全做到的。  

  3.2 改良土壤、提高土壤的环境容量  

  土壤环境具有一定的缓冲和强大的自然净化能力,对于重金属轻度污染的土壤可以来取增施绿肥、厩肥、堆肥、腐质酸类有机肥,以提高土壤有机肥的含量,增加对重金属的吸附络合整合作用,或砂掺粘,以改良砂性土壤,在非石灰性土壤中增施碳酸钙,提高ph值,使更多的溶解态重金属变为沉淀态,但要控制ph>6,因为在6以下虽ph值上升,土壤溶液中重金属量下降,但交换态重金属量在上升,后者对植物毒害作用也很大。 

  3.3 客土或换土 

  被重金属严重污染的土壤,可采用客土或换土的方法进行处理。采用客土法是在污染严重的土壤上盖上非污染土壤;换土法是部分或全部挖出污染土壤而换上非污染土壤,这是彻底清除土壤重金属污染的最有效手段,但代价太昂贵,且对换出的污染土壤必须深埋处理,防止二次污染。  

  3.4 利用植物修复去除重金属污染 

  植物修复技术(phytoremediation),是以植物忍耐和超量积累某些污染物质的理论为基础,利用植物及其共存的微生物体系,清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。植物对污染点的修复有三种方式:植物固定、植物挥发和植物吸收。而植物修复土壤重金属污染具有如下优点:(1)绿色净化,清洁并储存可利用的太阳能;(2)经济有效,费用只占机械、热或化学处理的10―50%;(3)污染物在原地去除污染;(4)产生一种富金属植物残体,可再循环利用;(5)美化环境,普遍接受。铅、镍、锌和铜等金属污染土壤的超积累植物吸收、修复已显示出显著的生态、经济和社会效益,具有广阔的应用前景。

  3.4.1 植物提取  

  植物提取最早是charley提出的。即利用重金属富集能力较高的植物的吸收和转运,将土壤中的一种或几种重金属转移并储存在地上部分,随后收获地上部分并集中处理。能应用于植物提取的植物往往是一些超积累植物。目前已经发现超积累植物500多种。广泛分布于45个科,其中ni的超积累植物最多,主要是十字花科的庭荠属,据报道,红根苋可富集137cs,对切尔诺贝利核电站1986年泄露后大面积土壤的核污染放射性进行植物修复有较大潜力。植物提取的关键要求所用的植物生长快、生物量大、抗病虫能力强的特点,并具备较强的多种重金属的富集能力。

  3.4.2 植物挥发  

  植物挥发指通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态。挥发出土壤和植物表面。达到治理土壤重金属污染的目的。有些元素如se、as和hg通过甲基化挥发。大大减轻土壤的重金属污染。如烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞u¨。洋麻可以使土壤的47%的三价硒转化为甲基硒挥发去除,海藻能吸收并挥发砷,其机理是把(c83)2as03挥发出体外。现代分子生物技术和基因工程的介入,使得植物挥发技术有了更大的发展。如meagther等将细菌中的}ig还原酶修饰基因转入拟南芥中发现这种转基因植物所表现出来的hg还原酶可以从溶液或介质中产生挥发态的hg+。这一方法只适用于挥发性污染物。所以应用范围小,并且将污染物转移到大气中对人类和生物有一定的风险。

  3.4.3 植物固化 

  植物固化指的是利用植物根际的一些特殊物质使土壤中污染物转化为相对无害物质的一种方法。从而减少其对环境和人类健康的风险。在这过程中土壤重金属的含量并不减少,只是暂时将其固定,其中包括分解、螯和、氧化还原等多种过程。植物在植物稳定中主要有两种功能:一是保护污染土壤不受侵蚀,减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移;另一种是通过金属根部的积累和沉淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。如植物能使六价铬变为三价铬,使其固化。植物固定技术对废弃的重金属污染和放射性核元素污染物尤为重要。原地固定这两类污染物是上策,可以降低风险,减少异地污染,目前这项技术已经在矿区污染修复中使用。

  3.4.4 根际过滤  

  根际过滤指将特定的植物种植在重金属污染的水体中,利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中重金属元素后,将植物收获处理。达到治理水体重金属污染的目的。

  总之要把农业环保工作纳入法制化轨道,依法治理环境,加强防范,控制和消除污染源是防治农产品污染的根本途径。加强烟区以防为主的环境监测,开展对农作物中有害物残留情况的定期定点定品种监测与分析研究,掌握污染发生的原因、规律,提出改良措施是关键。对于已经污染的农田要综合运用化学的、生物的、农业的、工程的、物理化学的等措施综合治理,减轻污染程度,还应大力推广已证明具有明显环境效应、社会效益和经济效益的无公害农产品生产方法来消除重金属。具体措施如下:

  1.对于土壤管理,犁耕是除草、防病虫害最适宜的机械方法;可采用免耕防止土壤紧实和土壤流失;在土壤升温较慢,水土流失危险较小的土壤上可采用具“播前处理”的覆盖播种,而对于覆盖作物已干枯,土壤已有龟裂的,极易造成水土流失的土壤可采用无“播前处理”的覆盖播种。  

  2.为防止土壤紧实,在农用机械方面,应采用轻负荷履带机械降低对土壤接触面的压力;尽可能合并机械工作程序;机械行驶过程中避免犁沟的产生;含水量较高的土壤禁止超大型机械行驶。  

  3.关于防止水土流失方面,通过轮种减少土表裸露时间;减少与山坡同向的机械压痕;减少阻碍渗透的土壤板结;通过钙化作用和促进生物活性建立和保持低水土流失的稳定的土壤团粒结构。  

  4.种植防风植物,加大已有防风的种植密度,并加大种植面积,以避免土壤风烛;农田和道路两旁应种植树木或草地,种植方向最好与作物种植方向垂直,以减少地表径流。

  5.尽可能采用轮作方式;保持土表高覆盖度;尽可能减少土表的机械使用;作物残留物和有机物均衡处理;保持土壤适宜的酸碱度,以保证土壤微生物活力。  

  6.由于到目前为止,还没有一个安全的适宜的土壤腐殖质含量标准可供使用,故在土壤有机物供应时应考虑“腐殖质平衡结算方法”。覆盖播种的免耕法也可增加土壤的腐殖质含量。

  总之,加强植烟生态环境的保护与综合评价,积极采取降低生态环境重金属含量的相关措施,为烤烟生产可持续发展及最大限度降低烟草对人类健康的危害提供了强有力的保证!




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