重金属污染下土壤重金属元素异常成因机理研究

李 涛

（云南师范大学，云南 昆明 650500）

重金属污染是环境污染的重要形式，对土壤以及植物的正常生长发育产生了极为恶劣的影响。重金属污染可以直接对土壤内植物的遗传信息载体DNA、植物自身的循环代谢、光合作用以及根系生长产生影响，使植物受到较为严重的危害。在此情况下，对重金属异常成因机理进行研究，揭示重金属元素异常形成过程，可以减缓、防治土壤污染，修复土壤地球化学环境等，为异常生态效应评价提供科学依据。

1 重金属对土壤污染的机理

重金属元素通常属于过渡元素，其内部含有较多的d电子，而d电子的排布形式决定了重金属自身的催化性，其是对土壤与周围植物产生污染的主要原因。

重金属对土壤产生危害通常有两个途径，其一是重金属离子通过植物表面进入其体内，并从根部流入到土壤当中，在土壤内原有的离子平衡产生了干扰，严重阻碍了土壤离子进行正常的调节、渗透、运输工作，造成了对植物生长代谢紊乱；其二是，重金属渗透到土壤内后，制约土壤内金属元素以及矿物的密切空间联系，使其活性大幅度降低，甚至改变土壤的金属元素状态，从而影响了周围环境与植物正常的功能运作，使植物产生较为严重的病变。

2 重金属对土壤造成的危害影响

2.1 影响植物DNA

重金属污染可以影响植物承载遗传信息的DNA，通过在植物体内诱导氧化反应对植物自身的DNA修复系统造成损伤或抑制。相关工作人员曾进行对蚕豆叶片的重金属污染实验，实验表明不同的Cd浓度能够引起蚕豆叶片不同程度的DNA损伤:重金属浓度为5mg/L时，植物内部会形成不稳定位点，DNA单链受到损伤；重金属浓度为10mg/L时，植物内部的DNA双链发生断裂；重金属浓度为20mg/L时，DNA双链损伤及DNA单链损伤程度均大幅度提升[1]。

2.2 影响土壤内金属元素大分子结构

土壤内金属元素大分子结构是元素信息表达的重要功能结构，对于土壤的正常使用具有重要的作用。重金属的可以对土壤内部的金属元素合成造成抑制并对土壤内金属元素自身的组织结构造成破坏，致使土壤内重金属元素浓度集区数量相对较大，加速土壤受害范围。相关工作人员对土壤进行了重金属污染研究，经研究发现当土壤内Zn浓度超标时，会对金属元素在土壤内的传导造成阻断，抑制元素合成，加速土壤老化。

2.3 土壤重金属元素异常机理分析

重金属对土壤的污染危害已经明确表明，金属元素异常的机理成因，土壤中出现的金属元素与矿物具有密切的空间联系。金属元素矿物的产生、扩散以及沉降过程进行分析，得到此类重金属元素异常形成过程。决定土壤中重金属元素含量及其分布特征的直接因素之一，就是金属元素矿物的数量和分布状况[2]。重金属在渗透到土壤内部后，扰乱了土壤金属元素自身的离子平衡，致使土壤内的金属元素排序紊乱，金属矿物分布不均等问题，同时重金属的电子传递对土壤矿物沉降过程造成一定程度的影响，致使区域内土壤周围植被无法及时合成叶绿素，最终对周围环境以及植被的光合作用产生较大程度的影响。

2.4 异常土壤重金属元素特征

重金属除了直接作用于土壤内部产生污染外，还能够通过渗透进土壤深处对周围植物产生毒害。当土壤中的重金属含量超标时，生长于土壤内部的植物根系最先受到重金属的影响。在进行该区土壤进行异常圈定筛选发现，土壤内部存在由As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn元素组成的异常。异常组分中，Sb异常面积最大，并包含其他元素异常，除As外，其余元素异常套合较好，各金属元素均有表面富集的特点，富集系数变化范围为1.27～1.87，从侧面反映出土壤重金属异常的形成受到后期叠加的作用影响。

3 重金属异常机理分析

3.1 土壤剖面元素分布异常分析

土壤水平剖面元素空间含量变化显示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素异常变化较为明显，各个元素的趋势基本一致，而Zn元素呈现出异常的特征。通过土壤水平剖面显示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素基本上在原异常范围内存在，到土壤外围含量明显下降，这说明元异常范围基本稳定，而Zn异常范围有所减小，从而有效避免了重金属对土壤的进一步危害。

3.2 重金属异常成因分析

土壤剖面分析结果显示，重金属异常元素含量很大程度上受到金属元素的制约，呈现出反消长的关系，即是土壤异常元素含量在很大程度上受到控制。由此分析得出，土壤异常元素含量与重金属元素含量呈反消长的关系，土壤中常量元素的含量在很大程度上反应出土壤地质情况。因此，在通过对土壤的调查，重金属元素等常量组份及其所决定的土壤质地是导致异常形成的主要原因，后期叠加作用是土壤异常形成的次要因素。

3.3 抢夺结合位点

在重金属离子侵入土壤内部后，土壤自身对金属元素离子的吸收会与重金属对土壤的危害在结合位点上产生竞争，从而有效的使重金属对土壤的危害形成最小化。相关试验表明，提高土壤环境中的Zn元素含量会在一定程度上效促进Cd元素的产生，使土壤内的Cd含量也明显增加。但由于其二者具有相似的化学性质在结合位点竞争过程中互为协同，从而使得Cd的溶解性能得到有效的提升。而Zn活性酶则维持原有的性能不变，从而抑制了Cd元素对土壤的污染。并且通过二者对土壤内部元素结合位点的争夺，有效提高了Zn元素在土壤内的活性以及利用率，加快金属元素矿物的合成，强化土壤自身的重金属元素排解性能。

3.4 异常土壤区生态效应评价

在植物受到重金属污染时主要的解毒方式即为合成络合蛋白。当重金属成功渗透至植物细胞内部后，会与细胞质中的苹果酸、草酸、谷胱甘肽等小分子物质进行结合，生成性质较为稳定的复杂络合物，从而减小重金属离子对植物的毒害影响。根据相关资料得出，重金属元素在酸性土壤条件下活性增强，而在碱性土壤条件下活性较弱。在异常区土壤中，重金属元素异常具有突出明显特征，逐渐导致土壤中Ph值降低，对土壤矿区周围的环境与植物产生巨大危害。

4 结语

矿区土壤重金属元素异常成因机理研究结果表明，此类异常的形成在矿物释放过程中，是重金属矿物直接形成的原因，土壤中的重金属元素异常形成机理也是对植物、生存环境产生联系。在今后的发展过程中，应加强对土壤抗重金属机理与影响因素的研究力度，采用更为先进的分子手段进行土壤中抗金属基因分离并利用转基因技术实现全面提升土壤的抗重金属污染性能，对受污染土壤进行修复，同时，重金属污染土壤治理技术也是未来研究的主要方向。