科技小文题目湖南

更新时间:2024-02-13 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:3812 浏览:13714

论文简述

新疆可耕土地资源缺乏(仅有0.233%)

重金属土壤污染的研究及植物修复技术

马梓力

(新疆乌鲁木齐市第六中学高三(2)班830001)

摘 要新疆的可耕土地资源缺乏,有些地方却正在受到重金属污染的大量侵蚀,本文运用案例和亲自实验,结合新疆当前状况系统的阐述了重金属污染土壤的严重后果,在重金属污染治理方面,通过对比植物修复技术与传统的物理,化学修复方法,重点描述了植物修复的优点,并对这一领域的未来发展方向作了前瞻性探讨.

前言新疆地处我国西北干旱地区,土地资源丰富.全疆165110万hm2,耕地面积384.11万hm2,占全疆总面积的0.233%,占已利用面积的⒌81%,北疆耕地219.56万hm2,南疆耕地164.55万hm2.过去,人们缺乏生态观念,使新疆分布较少的高产良田,有许多被人为,环境恶化等因素影响,逐渐变为低产田,甚至绝收田.据统计,全疆有低产田160万hm2,占实际耕地的42%,造成土地减产的主要原因是盐渍化,土地风蚀和重金属,有机污染.

目前,新疆针对土地盐渍化,土地风蚀已有了卓有成效的研究和治理,但对土壤中重金属污染的研究治理却未能引起人们的足够重视,虽然后者比前者的面积少一些,但两者比较,重金属,有机污染对土壤,水体,环境及人体健康造成的危害将更加严重.

1.重金属污染对土壤的危害

1.1重金属污染的来源

新疆石油,煤炭,矿产,棉花,皮革资源丰富,依靠这些资源优势,使新疆的石油,冶金,金属加工,煤炭,纺织,制革等工业大力发展起来,并成为新疆和乌鲁木齐的支柱产业.然而在这些企业取得经济效益的背后,"三废"的排放,污水,污泥,废渣的农用,以及农药,化学产品的广泛使用,使得重金属污染源源不断的侵入土壤,导致了土壤环境的恶化.

1.2重金属污染危害的实例调查

1.2.1重金属污染来源的实例调查

乌鲁木齐是人口密集,而污染最严重的城市之一,过去,由于片面追求产值,市区周边沿东山水系先后建成了水磨河工业区,卡子湾和东山工业区,形成以冶炼,化工,制革,印染,造纸等资源消耗量大,污染严重的工业污染带.本人曾多次到卡子湾,米泉耳闻目睹了东山水系的污染状况.从卡子湾化工区排出的黄褐色泡沫状废液,刺鼻难闻,废碴堆积如山,这些现象虽然逐渐在改变,但留下的潜在污染却依然留毒于后,难于一时清除.加之这些企业布局在东山水系水磨河源地及沿线,使沿途河水被注入的大量的工业废水及生活污水,约占河水总量的1/5(见照片),而这一水系的下游,被灌溉的就是新疆一块难得的良田---有耕地面积24.9万亩,闻名全疆的米泉县.

1.2.2米泉县土壤受重金属,有机污染的实例调查

东山水磨河水系,由于地表水量小层薄,水体纳污和自净能力差,自水磨河源地流至中段七道湾的水质,经检测有机污染耗氧量已升高10倍,卡子湾一带地表是裸露的砂砾层,由于废水,废渣的排放,堆积,毒物大量渗漏,污染地下水,使深水井出现异味.到下游米泉十三户,地表水有机耗氧量已升高到100倍.多次引起该地区水库鱼群死亡.春季,七道湾污水库的污水污浊,异臭,不经处理直接灌溉农田达30万m2,其水质矿化度上升,耗氧量比源地高出300倍,含有大量毒物砷,硫化物及重金属铬,汞等.在走访十三户农民时,有人说:那时,光"七纺"染料废水冲来时,田里变成了彩色,红的,绿的,蓝的,造纸厂废水冲来时,地里就盖了一层纸浆.

据统计,每月由污水向农田中排放的毒物中铬Cr达到520kg/月,砷As500kg/月.而多年的积累,已使毒物在十三户等地的128000亩的农田中高度富集,约占总耕地面积的51%.除了废水灌溉污染外,个别地方还在稻田中施用铬鞣皮渣肥料(皮革厂含铬的5g/kg的废皮渣),这更加剧了米泉的土壤污染状况,造成土壤重金属等毒性聚集等恶性后果,经由这些农田产出的粮食蔬菜,其Cr与Hg等有毒物质含量已严重超标,人们食用后被人体吸收.(见表一)(人体长期摄入铬,可导致癌症),并且粮食产量也大幅下降30%-60%(90年-92年检测后果).

米泉受污染土地及农作物残毒量分析表(表一)

残毒量

采样点

(产地)

污染源类型麦茬地土壤

残毒量稻茬地土壤

残毒量蔬菜地土壤

残毒量小麦

残毒量分析大米

残毒量分析砷

As

mg/kg铬

Cr

mg/kg汞

Hg

Mg/kg砷

As

mg/kg铬

Cr

mg/kg汞

Hg

mg/kg砷

As

mg/kg铬

Cr

mg/kg汞

Hg

mg/kg砷

As

mg/kg铬

Cr

mg/kg汞

Hg

mg/kg砷

As

mg/kg铬

Cr

mg/kg汞

Hg

mg/kg废

地十三户一队21.3614.460.030.240.910.69二队22.9414.820.420.190.240.074三队23.7813.930.050.2250.630.049园艺场一队19.0515.240.2二队76.7236.360.15三队22.9623.990.13东工一队21.2723.990.005废

地马场湖四队14.2815.791.02吉三泉实验田22.1629.060.45解放一队16.3618.141.200.410.920.16二队14.1526.280.630.251.140.18三队21.5024.730.410.250.720.093梁东大队14.5019.370.50.371.680.17

1.3重金属镉(Cd)影响大豆生长的实验研究

由于本人耳闻目睹了重金属污染土壤的危害,产生了种一点粮食作物,亲自观察对比重金属污染下的生长状况的想法.利用暑检测开始试验.原计划种豌豆,用工业废水浇灌,由于废水中含镍,钒,铅,镉多种重金属,条件限制无法分析等多种原因,只好放弃,选择了大豆和单一重金属镉盐.

1.3.1实验材料

大豆种子从农贸市场购写0.5kg.选用配制的营养土+蛭石粉(1:1)培养基.营养液为农科院人员赠送,CdCl2购自化学品商店.

1.3.2实验操作

选颗粒饱满的大豆种子,经5%氯酸纳消毒3分钟,室温下萌发24h,部分出芽,36h全部出齐.选60粒萌发饱满,大小均匀,出芽等长的种子,种在60cm×50cm×50cm的塑料箱中(内为45cm高度的营养土+蛭石粉培养基),种植深度约8cm,每箱植苗30棵,编A组(稀释的营养液浇灌),B组含(0.3mol/LCdCl2的营养液浇灌).每周2-3次,每次浇透2天后,A组出苗29株,B组出苗25株.7天后,A组株高平均8,75cm,B组株高平均6.67cm,3株仅5cm以下.第二周,第三周A,B组生长状况对比后,都有差别,A组苗粗壮,叶片大,株长,B组苗细,叶片小,株矮.第四周时,细心将苗与培养基土分开,挖出,粗略称重,测株高.(见照片)并取A,B组各15株烘干后精密测量,检测对比如表二,表三.(大豆实验过程如下图)

实验大豆的生长对比:

测量称重:

1.3.3实验记录及检测后果

大豆试验-生物量检测结果(表二)

组别

生物量(干重)A组(正常)B组(重金属干扰)(地表)茎叶生物量(g/株)22.3-23.120.1-20.6(地下)根系生物量(g/株)15.6-15.912.0-12.1总生物量(g/株)37.9-3932.1-32.7大豆试验-器官长度检测结果(表三)

组别

器官长度A组(正常)B组(重金属干扰)株高(m)最长0.38000.3110最短0.33100.2740平均0.36160.2912根长(m)最高0.31320.2571最低0.27000.2280平均0.28730.2397总计长度0.64890.5309表三

由表二,表三可知,大豆在重金属镉Cd的胁迫下,根系和地上茎叶的生物量有明显减少,根长和株高也在萎缩,说明Cd对植物根系生长有明显的抑制作用.而其对地表部分茎叶的抑制作用也较显着,况且在营养充足,有害物质单一的培养基中,Cd的抑制作用都表现的如此明显,可以设想在外界土壤中,在多种重金属和其他对植物有毒害作用的物质的复合作用下,植物的减产将会更为严重.

1.4重金属的吸收和毒害

以各种物理状态或化学形式存在的重金属毒性较强,在进入植物体中,由于大多数重金属离子带有较多的正电性,易与植物组织中带负电的大分子化合物结合,吸收,并积累在根系(一般植物),沉淀或淋移,扩散,污染了土壤,植物,产生毒害.因此,由于重金属污染土壤所产生的毒害,被农作物吸收,积累,浓缩,直接导致了土壤的退化板结,造成农作物质量,产量下降.并会通过泾流,淋洗作用污染地表水,地下水,恶化水文环境,并经过食物链之间的逐步转移,产生食物链浓缩,直接危害到人体的健康.


2.重金属污染的治理修复现状

2.1重金属污染土壤的修复技术现状

目前重金属污染土壤的修复主要采用物理化学修复技术和植物修复技术,前者主要包括化学固化,土壤淋洗和动电修复,后者主要包括植物挥发,根系过滤,植物稳定,植物萃取方法.(见表四)

重金属污染土壤的修复技术及评价(表四)

评价

方法优点缺点备注填埋法将污染土挖掘填埋,将未污染土回填.原理简单.成本高,占用土地易渗漏,污染周边,污染物没有清除去,只是转移别处.不是永久措施

该法即将淘汰.化学固化法通过改变土壤理化性质,使有毒金属固定,减少向深层和地下水迁移.重金属仍滞留土壤,只是形态改变,而未清除.土壤被破坏,不利生态稳定,成本高.不是永久措施动电修复

在电场作用下,重金属通过电渗透,电迁移,向电极运输.控制重金属流动方向.较经济.在不同土质土壤中效果不一,甚至有相反作用,成本高,操作设备复杂.有待再研究土壤淋洗

通过逆转反应机制,把土壤中固相金属转成液相,并与提取剂混合,分离,用淋洗法去除残留液,回收金属.研究找到既能提取各种金属,又不破坏土壤的提取剂很难,废液造成二次污染,成本高.操作复杂,成本高,不成熟,不易推广.评价

方法优点缺点备注植

复植物

挥发利用根系特殊物质或生物,使土中汞,硒等转化为挥发气态,去除污染.转移到大气,有一定危害.如洋麻使土中47%的三价硒转化为硒挥发.根系

过滤利用根系,过滤,沉淀水中的重金属.由于植物的蒸腾作用,污染可能进入大气,有一定危害.如浮萍,水葫芦等根系沉淀水中铬,镉,铅,铀.萃取

方法种植超富积重金属的植物,利用根系吸收积累,并运移地上,随植物割除.成本低,不破坏生态,易推广实施.植物生长缓慢,(效益低),植物选择吸收性强,只适用于单一重金属污染的土壤.如遏蓝菜试验,地上部分可超量积累Zn:33600mg.kg-1和Cd:1140mg.kg-1.研究试验较活跃.植物

稳定利用根系特殊物质,使重金属分解,氧化还原为无害物或原位固定.起稳定作用,不能清除重金属.如植物中磷与铅结合,难溶解,沉淀根部,可将六价铬还原为毒性弱的三.

上表中,清楚地反映了植物修复技术与传统的物理,化学方法相比具有巨大潜力和优势,主要表现在以下几个方面:

2.2.1植物在修复土壤,清除地表土壤中重金属污染的同时,还可清除周边土壤中的有机污染物,并且将修复的对象由土壤推广到周围大气及水体,使其施用范围极大拓展.

2.2.2就地即可实施的植物修复法,通过与传统农业措施的结合,可使土壤修复的成本大大降低,据数据统计,对一块1hm2的铅<,Pb>,污染土地进行治理,用挖掘填埋法为1975万元人民币,化学淋洗法为9900万元人民币,可植物萃取法为30万元人民币,而且每年可使表层土壤中重金属浓度下降125mg/kg.不仅使修复过程更易于操作,而且设备也非常简单.

2.2.3经由植物修复过的土壤,相对于用传统的物理化学方法修复的土壤,其毒副性更小,而且污染土壤在修复植物的作用下,土壤中的有机质含量逐步富集,这使得土壤肥力得以恢复,使被修复过的土壤适合多种农作物的生长及植被恢复.

2.2.4修复植物法本身就是对环境的美化,这就使得修复活动更易开发,也能易被社会所接受.

2.3重金属污染修复技术的未来展望

用传统的物理化学技术修复被重金属污染的土壤,不仅成本高昂,难于大规模的进行,而且其方法的毒副性,常常破坏天然土壤的结构,致使土壤生物活性下降,土壤肥力衰退.植物修复技术作为一项新兴的,绿色的,高效的修复途径以其潜在的高效,经济及其生态协调性等优势显示出巨大的生命力,从长远看,应对以下几点进行深入的研究:

2.3.1继续寻找和培育新的可高效修复土壤的植物.中国拥有着相当丰富的植物物种资源,是寻找高效修复植物的理想地区,凭借着这些有利条件,中国的高效修复植物筛选工作有望在短期内获得突破.

2.2.2针对重金属的植物修复技术,继续深入了解调控金属超积累作用的生理和分子机质,揭示植物超富集重金属和生态学过程,为培育高效吸收低选择性的"超富集植物"作好前提准备.

2.3.3针对重金属的植物修复技术,研究土壤中重金属的存在形式与植物根际环境变化的关系.了解增施改良剂,施用化学肥料等外加辅助措施对植物修复过程的影响,为植物修复重金属土壤提供动力.

2.3.4应用分子生物学和基因工程技术对现有的植物资源进行改造,提高修复植物的重金属吸收含量和生物产量,结合导入速生植物基因,培育出高效清除重金属污染的超级植物.

2.4重金属污染修复的实际应用调查

在石油,化工生产过程中,产生的废水中都不同程度的含有毒重金属镍(Ni),钒(V),镉(Cd),铬(Cr),铅(Pd),汞(Hg).当工艺生产不稳定时,含氰污水及油品污水中的有毒重金属的含量就会增高,造成排污标准超标.灌溉农田后,经过几年积累,渗透,就会污染周边的土壤.1985年-1990年期间,曾经使附近用过这些水灌溉过的农田生产出的水稻,蔬菜,出现了中毒的问题.为了清除污染,厂里采用物理,化学,生物治理修复技术改进工艺,严格操作,含氰污水沉淀除镍,并采用气浮,过滤和离子交换法,降低镍,钒的含量.1:5混合污水采用竖流式沉淀池和鼓风曝气池工艺进行生化处理,用活性污泥使CODCr从680mg/L降低到80mg/L,氰含量从0.5mg/L降低到0.1-0.07mg/L.镍,钒含量均<,2mg/L,汞Hg≤0.001mg/L,镉Cd≤0.005mg/L,铬Cr≤0.1mg/L,铅Pd≤0.1mg/L,砷As≤0.05mg/L.在厂周围种植大片杨树,向日葵及草皮,苜蓿等植物.(见照片)杨树,杂交杨树生物量大,生长快,对多种重金属镉,汞,镍,铅有较强的富积能力,大片种植可以萃取土壤中的重金属.据测定杨树叶片镉Cd含量可达到1.1mg/kg,其根系可挥发汞Hg.草,苜蓿,向日葵可以稳定土壤中的铅Pb,镉Cd.由于这些植物吸收并富积了大量的重金属污染物,防止了重金属污染的进一步扩散,迁移.

3.收获体会

土壤污染作为一个制约人类社会可持续发展的基本问题应受到广泛的关注.企业"三废"的排放及农用引起生态环境的恶化,重金属造成土壤,水系的污染,具有隐蔽性,长期性和不可逆性,直接危害人类健康,生存,不能等闲视之,急待治理.青年一代要积极投入这一领域的试验,研究,治理中去.重点方向是:

3.1重金属在土壤中难降解,毒性强,具有积累效应,至今已发现的400多种吸收重金属(以Ni为最多)超量积累植物中,由于株矮,生长缓慢,修复周期长等问题.要利用转基因技术,多研究出植株较大,快速生长,超量积累的高效修复植物.以便能在实际中实施大面积治理.

3.2用人工合成的螯合剂,柠檬酸,能超量吸收,积累重金属,修复污染的土壤,但螯合剂的施用,会对地下水造成二次污染,治理中要尽力防止,并加以解决.

3.3植物修复技术,是十分具有前途的研究领域,但由于植物的蒸腾作用,污染物会进入大气.选择方法中要注重即能清除污染物,又能使二次污染为最小.

3.4尽快解决工业污水,生活污水污染地下表,地表水的现状.集中处理污水库储存的污水,严格做到无毒无害后才能农用,绿化灌溉.

3.5工业废弃物煤灰,废渣,污泥等应综合利用,含有重金属有毒废渣,污泥应立即淘汰,严禁作肥料农用(如植鞣,铬鞣)防止二次污染.

这篇论文撰写完成后,近两天本人又参加了由乌鲁木齐市环境局等单位组织的"市环保项目成果交流会"(成人级别),会议上,本人宣读了这篇文章,受到与会专家的好评,本人的论文被授予"市首届环境论坛优秀奖",本人作为晚辈与与会专家进行了学术讨论,吸取了宝贵的经验,并丰富了自己的知识.

注:(1)这篇文章获自治区青少年科技创新大赛一等奖.

(2)本文被选入乌鲁木齐市首届环境论坛论文集.

可持续利用》

《植物对重金属的吸收和分布》

《干旱区资源与环境》

全国青少年优秀环保论文专家评审意见表

等级:一等奖作者:马梓力学校:乌鲁木齐第六中学

题目:重金属,有机污染土壤的研究及植物修复技术专家点评意见:

土壤污染是需要引起重视的环境污染现象.由于其特殊的污染行为,土壤污染对环境和人体健康的危害呈现一定的隐蔽性和滞后性,而土壤污染防治工作也具有很大的难度.本文作者选取这一题材作为论文主题,显示出中学生对环境问题的认识在深度上有了巨大的进步,已经跳出了对环境简单的感官认识而进入了深层次的思考.作者通过调查认识到工业排污对土壤环境造成了巨大的污染,通过实验证实了重金属污染物质对植物生长的抑制作用,还通过文献资料的调研对土壤修复技术进行了总结性论述.但是作者所选取的题材对专业知识的要求较高,而中学生由于知识水平的限制,对这样题目的把握有些勉为其难.论文中引用的专业术语有些错误(如"有机污染耗氧量"可能是"化学耗氧量"或"生物化学耗氧量"之误),数据来源和数据处理还有些混乱,特别是对于土壤修复技术论述的目的不是很清楚,对这一技术的展望和实际应用调查也缺乏专业知识基础.其实作者对所作的实验过程和结果进行认真的总结就已经是一篇非常优秀的论文了.期待作者能够继续保持对土壤环境问题的深入关注,在全面掌握基础知识和专业知识的基础上为我国环境保护事业作出贡献,成为环境保护新的有生力量.

点评专家:王琪

重金属土壤污染的研究及植物修复技术

新疆乌鲁木齐市第六中学

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