2.1 重金屬污染的產生及其危害

2.1.1 重金屬污染的產生

（1）什么是重金屬

重金屬是指比重大于5的金屬，約有45種，包括鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鈷（Co）等。砷（As）雖不屬于重金屬，但因其來源以及危害都與重金屬相似，故通常列入重金屬類進行研究討論。在環境污染方面，Hg、Cd、Pb、Cr、As的生物毒性顯著，因此被稱為“五毒金屬”[25]。近年來隨著工業的發展，大量的重金屬排入土壤及河流、湖泊和海洋等水體中，危害土壤、水生生態環境。環境中的重金屬不能被降解，主要通過空氣、水、土壤等途徑進入動植物體，并經由食物鏈放大富集進入人體，極低濃度就能破壞人體正常的生理活動，損害人體健康。重金屬污染現已成為一個世界性的環境問題。

（2）重金屬污染的來源

水體中的重金屬污染主要來自兩部分：自然源和人為源。自然源主要是巖石風化的碎屑產物，通過自然途徑進入水體中的重金屬一般不會對水體造成污染；人為污染源來源非常廣泛，傳統上可以分為工業來源和農業來源。隨著我國城市化進程的加快，一些有別于以往的為城市所特有的污染來源也隨之產生。另外，近幾年來突發性環境事故頻繁，重金屬污染事件也層出不窮，環境事故也成為重金屬污染的重要來源之一[26]。

（A）工業來源

工業能源大都以煤、石油類為主，它們是環境中汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬污染的主要來源。在采礦、選礦、冶煉、鍛造、加工、運輸等工業生產過程中會產生大量的重金屬污染。排放的廢水、廢渣等直接進入水體及土壤中，廢氣中的重金屬經沉降也進入土壤等環境中，從而使得環境中重金屬濃度嚴重超標。作為“有色金屬之鄉”的湖南，采選、冶煉、化工等企業多分布于湘江流域，1966年，湘江檢測出鉻、鉛、錳、鋅、砷等重金屬；1978年，湘江己成國內污染最為嚴重的河流之一；20世紀90年代之后，湘江水質呈惡化趨勢，工業污染導致的重金屬污染日益嚴重。廢棄尾礦也是重金屬污染的一個重要來源。礦區堆放的尾渣是一個普遍存在的環境污染源。尾礦中的重金屬含量通常很高，在遷移轉化過程中往往會帶來嚴重的環境污染問題。

（B）農業來源

在農業生產中，污水灌溉、農藥、劣質化肥等的不合理使用是重金屬污染的重要途徑。以磷肥為例，生產磷肥的磷礦石成分復雜，含有較多的重金屬如鋅、鉻、鎳、銅、鎘、鉛等，因此如不合理的使用，劣質化肥中的重金屬雜質會直接導致土壤被污染。

（C）城市來源

城市日益變成重金屬污染的重要來源之一，污染過程主要包括污水處理中產生污泥的堆放、垃圾滲濾液的泄漏、含鉛汽油的使用以及汽車交通等。污水處理廠產生的污泥中含有大量的重金屬，如不經處理直接排放或者灌溉，會對土壤環境造成二次污染。城市垃圾在焚燒過程中產生的飛灰及堆放填埋過程中產生的滲濾液中的重金屬通常也會嚴重超標。含鉛汽油的燃燒是城市鉛污染的一個重要來源，汽車輪胎添加劑中使用的鋅也導致城市土壤的鋅污染。研究發現北京北二環路公路帶土壤中鉛、銅、鋅、鎳、錳、鈷的含量均顯著高于北五環區域土壤中重金屬的含量，交通主干道兩側土壤中重金屬元素的含量顯著高于公園土壤，這表明交通運輸過程中產生的重金屬污染也己相當嚴重[27]。

（D）環境事故污染

近年來突發性的環境污染事件驟增，其中重金屬污染的案例占很大比例。突發性的環境事件會導致重金屬在短時間內高濃度地進入環境，從而產生嚴重的污染。2008年，我國相繼發生了貴州獨山縣、湖南辰溪縣、廣西河池、云南陽宗海、河南大沙河等多起砷污染事件，2009年8月以來，又發生了陜西鳳翔兒童血鉛超標、湖南瀏陽鎘污染及山東臨沂砷污染事件。這些重金屬污染事件有些是由于管理不當、交通事故等人為原因導致的，有些則是環境長期受到污染、污染物含量超過環境容量而突然爆發的結果。重金屬污染問題已日益嚴重，對污染環境的治理迫在眉睫。

2.1.2 重金屬對環境的危害

重金屬是構成地殼的物質，在自然界分布很廣。在正常的天然水中重金屬含量均很低，與環境友好，對生物不構成危害。但是，隨著人們對礦產資源（如有色金屬、化石燃料等）的開發、利用，重金屬對環境的污染和危害也就突出來了。

化石燃料（如煤、石油等）的燃燒是重金屬的主要釋放源；采礦、選礦和冶煉也是向環境釋放重金屬的主要污染源；通過廢氣、廢水、廢渣向環境中排放重金屬的行業部門很多，如金屬材料加工、機械加工、電鍍、化工、玻璃、制革、核技術、煉油……等，不勝枚舉。這些行業中的廢水、廢渣、廢氣的外排或處置不當，使重金屬離子大量進入環境體系中，導致空氣、土壤、水系以及環境中的動植物等所受污染不斷加劇[28]。

（1）對土壤環境的危害

土壤重金屬污染在一定時期內不表現出對環境的危害性，當其含量超過土壤承受力或限度，或土壤環境條件變化時，重金屬有可能突然活化，引起嚴重的生態危害，被稱為“化學定時炸彈”[29]（Chemical Time Bombs, CTBs）。通常情況下，重金屬首先危害到土壤微生物，不適應重金屬的微生物數量會劇烈降低，甚至滅絕，適應重金屬的微生物存活下來，逐漸成為土壤優勢菌。重金屬對土壤中生長的農作物也有很強的毒害作用，其影響在于：一方面重金屬能破壞植物的一些組織和功能，從而降低植物的產量和品質，如土壤鎘含量過高會破壞植物葉片的葉綠素結構并最終導致植物衰亡，土壤中銅、鋅含量超過一定限度時，作物根部會受到嚴重損害，使植物對水分和養分的吸收受到影響，從而生長不良甚至死亡；另一方面，重金屬會通過食物鏈在植物體內富集，研究表明[30]隨著表層土壤鎘污染的加重，水稻子粒中的鎘含量逐步提高，當上層土壤鎘質量分數達到5mg/kg時，水稻子粒中的鎘質量分數達到0.264～0.337mg/kg，而上層土壤鎘達到10mg/kg時，子粒中的鎘可高達0.418～0.554mg/kg。據估計，人體中的重金屬鎘70%來自于食品中的蔬菜，而蔬菜作物及其可食用部分中積累的鎘主要來源于菜園土壤，部分來自灌溉水。除此之外，土壤中的重金屬還會經由雨水淋濾及地表徑流作用轉移進入地表水系統，進而通過地表水和地下水的交互作用污染地下水體，對飲用水安全構成威脅。

（2）對水體環境的危害

重金屬污染已成為水環境面臨的重要污染問題之一，著名的“公害病”——水俁病和骨痛病就分別是由于重金屬汞和鎘污染引起的。重金屬元素毒性大、不降解，進入水體之后可以直接通過飲用水或生活用水作用于人體，也能為水生動植物富集吸收，進入食物鏈進而危害人畜安全。有科學工作者實驗證明[31]，鎘質量濃度為1.0mg/L的溶液24h可使柵藻中毒，表現為細胞質萎縮，葉綠體被破壞。重金屬對水生動物也有很強的毒害作用，魚類短暫的暴露在高濃度的重金屬溶液中會導致應激反應，魚體的免疫能力降低。重金屬銅、鋅、錳的積累對魚類的性別、體長都存在一定的影響。