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1、 第一部分 土壤环境与污染 第1页/共46页 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 1、背景与需求、背景与需求成为主要污染源成为二次污染库 科学问题第2页/共46页 我国农药、化肥和重金属污染农产品的问题我国农药、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。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
2、危害，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。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，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。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。第3页/共46页生态系统的基本单元，具有SWP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、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
3、生产土土壤壤质质量量 保证最大生产力 最佳生物学质量 不引发二次环境污染第4页/共46页自然体、环境介质，具有多功能性q 承接污染物的载体q 净化污染物的活体0负荷0容量0功能0强度第5页/共46页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 土壤污染基本特征第6页/共46页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土壤壤污污染染的的特特点点第7页/共46页环境土壤学研究的目
4、的环境土壤学研究的目的认识认识利用利用调控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第8页/共46页 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环境土壤学的发展历程第9页/共46页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
5、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 3、土壤环境与土壤污染研究回顾、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第10页/共46页资资 源源 调调 查查质质 量量 评评 价价污污 染染 防防 治治规规 律律 研研 究究机机 制制 研研 究究实用技术研究实用技术研究 3-13-1 土壤环境与土壤污染土壤环境与土壤污染 -学科发展历程学科发展历程第11页/共46页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
6、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土壤环境与土壤污染研究事例污灌第12页/共46页污染物在土壤-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第13页/共46页污污水水灌灌溉溉研研究究成成果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第14页/共46页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
7、壤环境研究区域土壤环境研究第15页/共46页意义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土土壤壤环环境境背背景景第16页/共46页意义意义v制定土壤环境标准v污染物排放、污泥和污水的农业利用v区域污染物管理与控制成果成果v敏感作物盆栽生物试验v土壤微生物生态及土壤酶活性v同位素示踪技术v田间物质平衡v土壤净化功能 3-5 土土 壤壤 环环 境境 容容 量量第
8、17页/共46页污染地点：沈阳市张士灌区污染原因：含镉工业污水灌田污染面积：2800ha污染状态：土壤含镉5-10mg/kg土稻米耔实镉0.4-1.0mg/kg米3-6镉镉土 污污染染及及防防治治第18页/共46页镉土污染治理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镉土污染治理研究成果第19页/共46页利用土壤-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 适合国情适合国情 投资少，运行费用低投资少，
9、运行费用低 可回收再生水资源可回收再生水资源 3-8 污水生态工程土地处理污水生态工程土地处理第20页/共46页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污染土壤生态过程 4、污染物的生态过程研究第21页/共46页 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
10、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第22页/共46页平衡研究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第23页/共46页效应研究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第24页/共46页转化研究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
11、中的发生条件及其影响因素。第25页/共46页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土壤生态毒理学诊断第26页/共46页 污污染染生生态态化化学学过过程程土土壤壤污污染染发发生生机机制制土土壤壤污污染染早早期期诊诊断断土土壤壤污污染染过过程程调调控控土土壤壤污污染染系系统统监监测测污污染染生生态态毒毒理理过过程程生态过程研究 5、需要加强的重要研究方向、需要加强的重要研究方向第27页/共46页6、土壤污染生态
12、学研究展望、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28页/共46页 第二部分：污染土壤与修复 第29页/共46页1990s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
13、中国开展土壤污染生物修复项目 1 1、污染土壤修复研究的历史回顾、污染土壤修复研究的历史回顾 第30页/共46页8080年代，荷兰投资1515亿美元进行土壤修复试验研究1976-19901976-1990年，联邦德国科技部资助的项目 306306个1990-19961990-1996年，联邦德国废物管理与土壤修复项目投资 7575亿美元美国政府近期投资100100亿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第31页/共46页 2000-20032000-2003年国内土壤修复研究（根据发表论文统计）第32页/共46页原位修复（接菌法,生物培养法,生物
14、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、土壤修复技术第33页/共46页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、pHpH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
15、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 生物清洁技术生物清洁技术第34页/共46页F污染物的固定/稳定化处理技术F污染土壤固定-覆盖技术F电渗析技术F树脂/活性炭浮选技术F污染土壤蒸汽萃取技术F污染土壤泥浆反应器处理技术F污染土壤冲洗技术F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 物理化学清洁技术物理化学清洁技术第35页/共46页 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土壤清洁技术研究进展
16、第36页/共46页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 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、土壤修复研究的现存问题第37页/共46页 3-1 3-1 外源微生物引入条件及原则：(1)(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)(2)土壤中污染物浓度过高,对土
17、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)(3)土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物第38页/共46页(1)(1)是否能够降解大部分目标污染物;(2)(2)遗传稳定性如何;(3)(3)在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性;(4)(4)是否具有较强的与土著微生物生存生长竞争能力；(5)(5)是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。3-2 3-2 外源微生物引入需要考虑的因素第39页/共46页预先暴露于污染环境中的微生物决定生物降解速率。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有些微生物对有机污染物的氧化能力较强,这种现象被这种
18、现象被称为适应性。称为适应性。适应性的可能机制有以下适应性的可能机制有以下3 3种：种：特定酶的诱导和抑制；特定酶的诱导和抑制；基因突变产生新的代谢群体；基因突变产生新的代谢群体；有机体的选择性富集。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 3-3 微生物的适应性微生物的适应性-机制与影响因素机制与影响因素第40页/共46页污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异 解解决决高高浓浓度度污污染染对对生生物物降降解解影影响响的的方方式式通通常常是是进进行行稀稀释释，以满足微生物降解的浓度要求。以满足微生物降
19、解的浓度要求。当当污污染染物物浓浓度度过过低低（但但尚尚未未达达到到环环境境质质量量安安全全标标准准）时时，生物修复的速率开始下降，有时甚至难于进行。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。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（浓度限制因素）生物修复过程中的污染物的降解（浓度限制因素）第41页/共46页 很多情况下污染物并不能很快的被微生物完全降解，其结果是母体污染物浓度减少，次生代谢产物浓度增加。修复介质的整体污染状况没有得到根本的治理。次生代谢产物的产生主要在两个方面 一、是产生所谓空
20、端产物。即污染物的附加代谢过程中产生的一种使细菌酶无法进行转化的产物。二、即使污染物被完全降解也伴随中间产物的生成。而以细菌为媒介的反应对这类中间产物的降解速度缓慢次生污染及毒性代谢问题为生物修复中最重要课题之一。3-5 3-5 有机污染物的次生代谢过程有机污染物的次生代谢过程-毒性代谢产物的生成毒性代谢产物的生成第42页/共46页 土壤安全性评价应以污染物由固态转化为溶解状态的滤出物为依据。淋溶是个关键性问题。有关污染释放机制与淋溶控制因素,如溶解有机碳(DOCDOC)与胶体的相互作用等问题尚未得到充分研究。在土壤修复过程中，淋溶实验为一个指标评价生物修复效果非常重要，但目前的工作仍处于研究
21、阶段3-6 3-6 污染物的淋溶过程污染物的淋溶过程 可溶性组分的地下迁移可溶性组分的地下迁移第43页/共46页生物修复技术的现场放大涉及一系列问题：微生物的降解效率问题，干扰因素的影响评估问题，环境工程、水利学、环境化学及土壤学等多种学科知识的支持与融合问题，生物修复场地异质性 目前生物修复在我国尚处于研究发展时期，实际运作上缺少实例。解决生物修复技术的现场放大问题将有利于污染土壤生物修复在我国的早日应用与开发。3-7 生物修复的现场放大生物修复的现场放大第44页/共46页1994 2004-1994 2004-加拿大支持4 4个土壤污染生态项目1994-1994-评价方法选择阶段1995 1998-1995 1998-方法研发阶段1999 2002-1999 2002-方法的验证阶段2002 -2004-2002 -2004-方法的试验室间比较和国家标准准备，专家评审和正式出版阶段1990-1990-荷兰最早开展了土壤污染生态风险评价1996-1996-欧洲联合开展了土壤污染评价项目19971997年，我国国家资助生态诊断研究项目1990-1990-德国开展了土壤污染成组生态毒理诊断 4、安全性评价研究第45页/共46页感谢您的观看。第46页/共46页