重金属在环境中的化学形态分析研究进展

重金属在环境中的形态与迁移转化决定了其污染风险和生物有效性.本文从影响重金属形态的主要环境条件和结合物特性出发,分析了重金属在环境中与有机物、无机矿物质等的交互作用机理,对目前重金属形态分析的主要研究方法(化学提取、电化学、分子尺度仪器检测技术、模型计算等)展开综述与讨论.     

南京城市土壤中重金属的化学形态分布

采取Tessier连续提取法，研究了南京市不同城区表层土壤中Fe,Mn,Cr,Ni,Co,V,Cu,Zn,Pb的化学形态分布。结果表明，南京城市土壤中Fe,Mn,Cr,Ni,Co,V,Zn,Pb以残渣晶格态为主，可交换态比例极低；Cu在城市道路旁的土壤中有机物结合态所占的比例最高，其他区域残渣晶格态所占的比例最高，与非城区自然土壤相比，主要来源于人为输入的Mn,Cu,Zn,Pb残渣晶格态所占的比例低，活性态比例大；Cr和主要来源于原土壤物质的Fe,Ni,Co,V在城市土壤与非城区自然土壤中各形态所占的比例相似，残渣晶格态比例大，活性态比例极低。     

长春市土壤微生物生化作用与重金属化学形态关系研究

研究了长春市土壤微生物的生化作用强度（氨化作用强度、固氮作用强度,纤维素分解强度和土壤基础呼吸）与重金属（Pb、Cd、Cu、Zn和Ni）化学形态的关系。通过科学采样和实验室测试分析了不同功能区土壤中,重金属含量和化学形态与微生物生化作用强度,并使用相关分析、偏相关分析多种数据统计方法进行数据处理。结果表明：各功能区因土地利用方式的差别和土壤中重金属的各种化学形态对土壤微生物生化作用强度有不同的影响。其中氨化作用与交换态Cd、Zn和Ni含量呈显著正相关;固氮作用与土壤重金属各化学形态相关性均不显著;呼吸作用与铁锰氧化物结合态Pd和交换态Cu呈显著正相关;纤维素分解作用强度与交换态Pd含量呈显著负相关。在土壤理化性质等相关变量受控时,重金属化学形态对微生物生化作用强度的影响有较明显的变化。其中与无控制变量相比,在控制变量作用下,纤维素分解作用强度受交换态Pd影响上升了0.0314,表现为交换态Pd抑制纤维素分解作用强度。呼吸作用与交换态Pd的相关系数在无控制因素情况下为-0.1425,在有控制因素情况下为-0.3230,表明交换态Pd促进呼吸作用强度。而有机结合态Ni表现为抑制固氮作用。因此可利用交换态Pd与纤维素分解作用强度、呼吸作用强度的相互关系,有机结合态Ni与固氮作用的相互关系等相结合来评价城市土壤重金属污染状况。文章为评价长春城市土壤重金属污染提供了微生物学指标的理论依据。     

杭州城市土壤重金属的化学形态及环境效应

通过对杭州城市土壤重金属异常中Hg、Cd、Pb、Zn、Cu采用改进的连续浸提实验进行形态分析结果表明,表层土壤中Hg以残渣态和强有机态为主,Cd以铁锰氧化态、弱有机结合态、残渣态和离子交换态为主,Pb、Zn、Cu以残渣态、弱有机结合态和铁锰氧化态为主.相比之下,Cd与Cu的活性组分分别为最高和次高,部分蔬菜样品中重金属含量超标,对该地区农产品的安全已构成威胁.研究发现,上述重金属除与地质背景、土壤理化性质有关外,与人类经济活动关系尤为密切.     

机器学习在土壤重金属污染研究中的应用

土壤重金属污染是全球性的环境问题之一。传统的重金属检测方法精度高,但是成本高、时效性差,不利于大范围普查或绘制重金属分布图,并且数据量大、处理难度高。随着计算机科学的发展,机器学习被应用于众多领域中的复杂数据处理。本文从重金属含量、固定、溯源、污染风险四个方面总结了机器学习在土壤重金属研究中的应用,重点综述了机器学习模型的建立过程和最佳算法,并针对数据集构建的成本和时效性问题提出了发展的对策,为进一步推动机器学习在土壤重金属研究中的应用提供参考。     

长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物群落结构的关系

采用样品采集、室内分析和多种数据统计方法相结合的方法,研究了长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物群落结构的关系.结果表明:长春市土壤重金属(Pb、Cd、Cu、Zn和Ni)不同化学形态对土壤微生物群落结构影响明显不同,碳酸盐结合态的Pb和Ni对放线菌的生长繁殖具有刺激作用,碳酸盐结合态Zn对细菌的生长繁殖具有刺激作用,铁锰氧化物结合态和有机结合态的Zn与有机结合态Cu对细菌、放线菌的生长繁殖具有刺激作用.土壤理化性质对重金属化学形态与微生物群落结构之间的关系影响很大,其掩盖了土壤重金属化学形态对土壤微生物群落结构特征的影响,有机质含量、电导率、阳离子交换量掩盖了重金属化学形态对细菌、放线菌和微生物总数的影响.自然含水率掩盖了重金属化学形态对多样性指数的影响.采用重金属的化学形态评价重金属对土壤微生物参数的影响更合理,而且在确定评价长春市土壤重金属污染状况指标时,应该剔除土壤理化性质的影响.选择有机结合态Cu、铁锰氧化物结合态Zn与微生物群落多样性指数相结合来评价长春城市土壤重金属Cu和Zn的污染状况.     

土壤重金属化学形态的生物可利用性评价

重金属化学形态是近年来土壤化学、植物营养和环境科学研究领域的一个热点和难点,利用重金属的化学形态分布和含量变化来评价重金属的生物可利用性,有利于全面研究重金属的危害性和治理重金属污染土壤。结果表明,水溶态和交换态的重金属易被生物吸收利用,而残留态重金属一般不被生物利用,其它形态如碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态的生物可利用性主要取决于外界环境的变化。     

外源重金属在珠江河口湿地土壤中的形态转化

采集珠江口湿地土壤,采用室内培养和Tessier化学逐级连续浸提方法研究了外源重金属在珠江河口湿地土壤中的化学形态转化,探讨了盐分变化对重金属形态转化的影响.试验结果表明,外源重金属进入珠江河口湿地土壤后主要以可利用态和潜在可利用态存在,Ni、Zn、Cu、Cr和Pb主要向铁锰氧化物结合态转化,而Cd主要向可交换态和碳酸盐结合态转化.土壤盐分含量递增对重金属Cu、Zn、Ni和Cr的形态分布无显著影响,对重金属Pb和Cd的影响主要体现在可交换态.在土壤盐分添加量不超过80 g·kg-1时,随着土壤含盐量的上升,土壤Cd和Pb的可交换态比例逐步增大.     

北京市土壤重金属形态分析

采用Tessier连续提取法对北京市朝阳、通州、石景山、海淀、顺义等地土壤进行重金属元素锌、铅、铬的形态分析,并用原子吸收分光光度法测定了重金属元素的含量。研究结果表明,在所测区土壤中,铬主要以可交换态和残渣态存在,说明元素铬较活泼,具有潜在的环境影响能力;锌元素主要以有机结合态和残渣态存在,说明元素锌相对比较稳定;而铅则主要以可交换态形式存在,说明铅最为活泼,应该给予更多的关注。     

喀斯特石漠化过程中土壤重金属镉的地球化学特征

喀斯特石漠化是喀斯特背景下的土地退化.文章对喀斯特高原区贵州省清镇市王家寨峰丛洼地同一流域内不同类型石漠化、不同等级石漠化以及不同干扰方式石漠化土壤重金属镉的含量变化及其空间分布特征进行了研究.结果表明:研究区土壤Cd含量在0.034～0.635 mg·kg-1之间,平均值为0.243 mg·kg-1.其中,黑色石灰土Cd含量普遍高于黄壤,且存在极显著性差异(p≤0.01).土壤Cd含量总体随石漠化程度的加深而呈降低趋势,但除强度石漠化和轻度石漠化之间有显著性差异外(p≤0.05),其他石漠化等级之间无显著性变化.不同干扰方式石漠化之间,土壤Cd含量表现为开垦＜放牧＜火烧＜樵采,其中,开垦与火烧、开垦与樵采在对土壤Cd含量的影响上存在显著性差异(p≤0.05).土壤Cd含量在不同坡位间无明显变化规律,也无显著差异.研究区土壤Cd含量受土壤组分、有机质、pH和CEC等诸多因素的影响,其中,土壤有机质、pH和土壤组分是其主要影响因素.     

芦岭煤矿区土壤重金属元素地球化学特征及来源分析

两淮矿区煤炭资源的开发利用为地方及国家的经济发展提供了强有力的保障,但同时也带来了一系列环境问题,尤其是矿区周围土壤污染问题.重金属元素会对土壤性质产生严重危害,不仅抑制农业生产活动,而且通过食物链、地下水等途径进入人体,严重影响居民的生命健康.本文通过对宿州市芦岭煤矿周围的土壤进行系统采样,分析其重金属元素地球化学特征,并利用因子分析等方法探讨其主要控制因素,以期为该矿区环境问题综合治理提供参考.     

深圳市城市绿地土壤中重金属的含量及化学形态分布

对深圳市中心区城市绿地表层土壤(0-20cm)中Cu,Zn,Pb和Cd的含量、化学形态分布和迁移性进行研究.结果表明,土壤中Cu,Zn,Pb和Cd的含量分别为6.4-188.2(26.3)mg·kg-1,34.9-284.8(69.1)mg·kg-1,15.2-245.5(47.2)mg·kg-1和0.01-3.48(0.47)mg·kg-1.道路绿化带土壤中Cu,Zn和Pb的平均含量最高,在公园绿地土壤中Cd的平均含量最高.分别有75.6%,87.0%,98.8%和98.8%的土壤中Cu,Zn,Pb和Cd的含量超过广东省赤红壤的背景值,重金属在土壤中呈现明显的富集特征.土壤中Cu,Zn和Cd以残渣态所占比例最高,Pb以铁锰氧化物结合态最高.随着土壤中Cu,Zn,Pb和Cd含量的增加其残渣态所占比例降低,铁锰氧化物结合态或交换态所占比例增加,重金属活性增大.土壤中Cd迁移能力最强,迁移能力依次为Cd>Zn>Pb和Cu.     

地统计学在土壤重金属研究中的应用及展望

从采矿学与地质学研究中发展起来的地统计学是应用数理统计学的一个分支。与传统的统计学相比，地统计学可应用于土壤重金属研究中，能探索土壤重金属的空间分布特征及其变异规律。地统计学的基础理论与方法主要包括：区域化变量、半方差函数、克立格空间插值技术。半方差函数可以用来描述研究土壤重金属分布的空间相关性；而克立格插值可以对未采样区土壤重金属的含量进行无偏最优估计。在对地统计学理论进行简要阐述的基础上，回顾了近些年在土壤重金属研究的采样设计、空间结构分析、空间插值等方面的应用，并就其应用前景作了展望。     

河流水体中重金属形态模型研究

本文提出了一种重金属形态模型,用于模拟水体中的水溶态、颗粒态和底泥、悬浮物的活动态和非活动态。以乐安江水体中铜污染为背景,计算结果与现场调查分析的数据比较表明,两者基本吻台,说明模型基本上是合理的,概括了重金属污染的重要过程,参数的选择反映了河流的实际情况。     

生物炭对土壤重金属化学形态影响的作用机制研究进展

生物炭作为一种新型的环境修复材料,可以利用其结构特性,通过静电吸附、离子交换、官能团络合以及沉淀等作用机制来直接吸附固定土壤重金属,同时还可以通过间接影响土壤理化性质,比如土壤pH值、有机质、氧化还原电位等,从而影响土壤中重金属形态。重金属形态在更大程度上影响着重金属的生物活性,从而产生不同的环境效应。该研究基于国内外相关文献,概述了不同类型生物炭对土壤重金属化学形态变化的影响,并从物理、化学和微生物3个角度,阐述了生物炭影响重金属化学形态的作用机制。未来的研究侧重于生物炭与微生物的相互作用对重金属形态的影响,通过多组学手段,深入分析两者相互作用影响土壤重金属形态的微生物作用机理。     

攀枝花市水系沉积物与土壤中重金属的地球化学特征比较

水系沉积物和土壤都是表生作用的产物,是环境中污染物质的重要受纳体,但两者在物质来源和受纳污染物方面又有不同。重金属通过不同方式进入到水系沉积物和土壤之中产生污染,对于区域环境具有重要的影响。为了了解攀枝花市水系沉积物和土壤中重金属元素地球化学特征的异同和污染状况,在攀枝花市范围内系统采集了水系沉积物和土壤样品,从环境地球化学角度,应用地球化学方法研究了攀枝花市水系沉积物及土壤中重金属的地球化学特征,应用地质累积指数法评价了污染情况,并对二者进行了比较研究。结果表明,攀枝花市水系沉积物中重金属的含量普遍高于土壤;水系沉积物和土壤中重金属的分布具有相似的特征;水系沉积物中重金属的污染程度高于土壤,但总体上来说,重金属的污染程度较小。两者的污染程度不同是因为接受污染物的方式不同;两者的分布趋势相同,说明具有相同或相近的污染来源。     

华南电子垃圾回收区农田土壤重金属污染及其化学形态分布

广东清远龙塘镇作为电子垃圾回收地区,已从事电子垃圾处置超过30年,可能给当地的农田土壤带来了严重的风险。为评价龙塘农田土壤中重金属污染程度,采集28个农田土壤样品,用于研究As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Sn、Zn10种重金属含量及其不同存在形态。结果表明,与中国食用农产品产地环境质量标准比较,大多数当地农田土壤已在不同程度上受到重金属污染,85.7%的土壤样品中有一种或多种重金属的含量超过了相应的评价标准值。化学形态分析结果表明,除Hg外,人为来源的其她重金属更多地进入了可迁移形态部分(弱酸可溶态+可还原态+可氧化态),从而具有更高的毒害性和生物有效性,该电子垃圾处置区农田土壤已基本不适于食用农产品种植。大多数重金属在0.05或0.01水平上具有显著的相关性,这表明龙塘镇土壤重金属污染主要来源于不受控制的电子垃圾回收活动。对中国或其他国家具有类似的粗放式电子垃圾回收处置地区来说,有关龙塘镇农田土壤中重金属污染水平及其潜在的生物毒害性研究具有代表性意义。     

外源稀土在土壤中的形态转化研究

研究了外源可溶性稀土进入土壤后的形态分布及形态转化的时间进程。外源稀土进入土壤（华北潮土）后迅速向各个形态转化,实验进行了６０ｄ,稀土形态在此期间的变化结果表明：交换态迅速下降;碳酸盐结合态的变化情况与交换态基本相同,只是下降的幅度较交换态小;铁锰氧化物结合态生微弱地上升,然后逐步下降;有机结合态则先稳定再逐步升高,外源稀土可在此态积累;残渣态在实验期内基本稳定,无明显变化。     

武夷山茶园土壤中五种重金属的化学形态和生物有效性

测定了武夷山茶园土壤中5种有毒重金属(汞、镉、铅、铬和砷)的总量和形态分布,运用风险评价编码法(RAC)评价与比较重金属生物有效性,通过次生相与原生相分布比值(RSP)法解析重金属的自然与人为来源,并利用相关系数分析土壤理化性质对重金属形态组分的影响.结果表明:(1)Cd以离子交换态为优势形态;Hg和Pb以残渣态为优势形态;Cr和As元素以残渣态为主.(2)RAC法评价的污染程度大小排序为:CdPbAsCrHg.其中,Cd以人为来源为主,Hg在很大程度上受农业活动的影响,Pb受人为来源影响不显著,Cr和As以自然来源为主,基本未受人为来源的影响.(3)重金属形态受土壤理化性质的影响与元素属性有关.(4)5种重金属对比得出,武夷茶区土壤Cd富集最显著,生物有效性最高.因此,该茶区应首要关注Cd的污染并采取相应防控措施.