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为土壤“解毒”

典型有机污染物多介质界面行为与调控原理

发布时间:2014-01-10来源:浙大新闻办作者:吴雅兰 余瑛 张鸯7146


  随着经济社会的快速发展,我国生态环境受到不同程度的污染。“我吃的粮食安全吗?”成为很多人心中的疑问;“我住的地方安全吗?”也开始引起大家的关注。而这都与我们脚下的这片土地有关。
    
    
一方面,全国有很多耕地被污染,主要污染物包括重金属和持久性有机污染物(POPs)。例如,在长三角地区土壤中多环芳烃(PAHs)的含量最高达3700 μg/kg。这些持久性有毒污染物(PTS)可通过食物链影响人的健康。
    
    
另一方面,随着城市化进程的加速,大量污染企业外迁留下了30万个以上高风险工业污染场地需要修复,小的不到1亩,大的有几百亩。若这些污染场地直接用于房地产开发,挥发性有毒有机污染物等将影响居民健康。
    
    
土壤“中毒”了怎么办?还能再利用吗?在土壤“中毒”的情况下,如何保障农产品的安全,实现土地资源的持续利用呢?
    
    
从1999年开始,必威官网手机版环境与资源学院朱利中教授和他的团队便致力于有机污染过程与控制研究。他们的入手点是调控污染物的界面行为。
    
    
“界面行为始终贯穿于有机污染物迁移转化及生物效应的整个生命周期,多介质界面行为的分子机理及调控研究是土壤污染控制与修复的重要基础。要在污染土壤上生产安全农产品,我们首先要了解污染物是怎么从土壤里跑到植物里的。这就好比是人生病了,要先知道病因,才能开出药方来。”朱利中教授介绍说,植物可以从根部吸收土壤溶液中的有机污染物,也可以从叶面吸收空气中的有机污染物(包括从土壤中挥发出来的),这里涉及有机污染物的界面行为。只有摸清有机污染物界面行为的分子机制及规律,才能准确预测其迁移转化行为、诊断环境污染风险,最终有效调控污染物的生物有效性,实现农产品的安全生产。
    
    
在很长一段时间里,业内专家都认为有机污染物的界面行为呈线性。由于土壤等环境介质的非均一性,导致有机污染物界面行为呈非线性。也就是说,土壤中有机污染物浓度高,种出来的农产品中有机污染物浓度却不一定高。
    
    
“我们很自然地就想到,有机污染物非线性界面行为有没有什么规律可循?如果我们知道土壤‘中毒’的程度,能够由此推断出农作物的‘中毒’程度吗?”课题组进一步研究发现,有机质是导致非线性界面行为的主导因素,土壤中纳米颗粒团聚重组及其选择性结合有机质都可能影响有机污染物的非线性吸附行为。
    
    
在揭示有机污染物非线性界面行为分子机理的基础上,课题组建立了定量预测有机污染物非线性界面行为及植物吸收积累有机污染物的数学模型,并由此揭示了基于多介质微界面行为的有机污染物生物有效性调控原理,提出了全方位保障农产品安全的新思路。
这项基础研究成果在对付有机污染农业用地和工业用地时,都能用得上。
    
    
“有了这个模型,在污染土壤中种下农作物后,我们就可以准确预测30天后或60天后农作物中有机污染物的浓度,为选择合适的作物提供了技术支撑。这对耕地资源非常宝贵的中国来说,非常重要。”朱利中教授说。比如,一片被污染的农田,我们经过模型分析预测,如果种茼蒿的话,有机污染物会超标,但种青菜萝卜不超标,那我们就可以选择种青菜萝卜。如果一定要种茼蒿怎么办呢?我们可以在土壤中加入生物碳或微量表面活性剂把有机污染物“固定”住,让它很少甚至不进入农产品中,这样生产出来的农产品仍是安全的。
    
    
如果“中毒”实在太深,无法缓解而影响农产品安全乃至农作物生长,怎么办呢?课题组的对策是通过改善有机污染物的生物有效性,特别是强化微生物降解有机污染物,对污染农田实施增效修复。这种方法被称为生物表面活性剂强化植物-微生物联合原位修复,其修复PAHs污染土壤的效率比不加表面活性剂的提高50%以上,而修复材料的成本不到200元/亩。
    
    
也就是说,对于“中毒”农田,课题组有三招来应对:选择合适作物,阻控吸收积累,原位增效修复。对于被污染的工业用地,课题组也有新招。
    
    
早在80年代,国际上就出现了表面活性剂增效洗脱技术,即SER技术。该技术一般使用单一表面活性剂,由于表面吸附剂的吸附或沉淀损失,洗脱效率低、成本高、难以推广应用。
    
    
课题组选用混合表面活性剂增效洗脱,使修复效率增加20%以上,成本降低1/3以上。“以前用其他方法修复一吨污染土壤的成本在1000元左右,现在采用混合表面活性剂增效修复技术,一吨的修复成本不到300元。不仅效率高,成本低,而且还非常环保,做到无废水排放。”朱利中教授说。
    
    
生物表面活性剂强化植物-微生物联合原位修复和混合表面活性剂强化增效修复这两项技术填补了污染土壤修复的国际空白,已分别在污染农田土壤修复和工业用地污染场地土壤修复工程中得到了很好的验证。
    
    
该项目的成果被编入《Handbook of Soil Sciences》(美国CRC出版社),8篇代表性论文和20篇核心论文分别被SCI他引666次、1390次,其中6篇列入Web of Science近十年高被引论文。4位完成人均列环境/生态领域ESI引文国际排名前1%,他们在“有机污染土壤修复”及“表面活性剂调控有机污染物生物有效性”方面发表的SCI论文数均列国际同类课题组第一。
    
    (文 吴雅兰 余瑛/摄影 张鸯)
    
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