2.1 重金属污染的产生及其危害

2.1.1 重金属污染的产生

（1）什么是重金属

重金属是指比重大于5的金属，约有45种，包括铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）等。砷（As）虽不属于重金属，但因其来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属类进行研究讨论。在环境污染方面，Hg、Cd、Pb、Cr、As的生物毒性显著，因此被称为“五毒金属”[25]。近年来随着工业的发展，大量的重金属排入土壤及河流、湖泊和海洋等水体中，危害土壤、水生生态环境。环境中的重金属不能被降解，主要通过空气、水、土壤等途径进入动植物体，并经由食物链放大富集进入人体，极低浓度就能破坏人体正常的生理活动，损害人体健康。重金属污染现已成为一个世界性的环境问题。

（2）重金属污染的来源

水体中的重金属污染主要来自两部分：自然源和人为源。自然源主要是岩石风化的碎屑产物，通过自然途径进入水体中的重金属一般不会对水体造成污染；人为污染源来源非常广泛，传统上可以分为工业来源和农业来源。随着我国城市化进程的加快，一些有别于以往的为城市所特有的污染来源也随之产生。另外，近几年来突发性环境事故频繁，重金属污染事件也层出不穷，环境事故也成为重金属污染的重要来源之一[26]。

（A）工业来源

工业能源大都以煤、石油类为主，它们是环境中汞、铅、镉、铬、砷等重金属污染的主要来源。在采矿、选矿、冶炼、锻造、加工、运输等工业生产过程中会产生大量的重金属污染。排放的废水、废渣等直接进入水体及土壤中，废气中的重金属经沉降也进入土壤等环境中，从而使得环境中重金属浓度严重超标。作为“有色金属之乡”的湖南，采选、冶炼、化工等企业多分布于湘江流域，1966年，湘江检测出铬、铅、锰、锌、砷等重金属；1978年，湘江己成国内污染最为严重的河流之一；20世纪90年代之后，湘江水质呈恶化趋势，工业污染导致的重金属污染日益严重。废弃尾矿也是重金属污染的一个重要来源。矿区堆放的尾渣是一个普遍存在的环境污染源。尾矿中的重金属含量通常很高，在迁移转化过程中往往会带来严重的环境污染问题。

（B）农业来源

在农业生产中，污水灌溉、农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属污染的重要途径。以磷肥为例，生产磷肥的磷矿石成分复杂，含有较多的重金属如锌、铬、镍、铜、镉、铅等，因此如不合理的使用，劣质化肥中的重金属杂质会直接导致土壤被污染。

（C）城市来源

城市日益变成重金属污染的重要来源之一，污染过程主要包括污水处理中产生污泥的堆放、垃圾渗滤液的泄漏、含铅汽油的使用以及汽车交通等。污水处理厂产生的污泥中含有大量的重金属，如不经处理直接排放或者灌溉，会对土壤环境造成二次污染。城市垃圾在焚烧过程中产生的飞灰及堆放填埋过程中产生的渗滤液中的重金属通常也会严重超标。含铅汽油的燃烧是城市铅污染的一个重要来源，汽车轮胎添加剂中使用的锌也导致城市土壤的锌污染。研究发现北京北二环路公路带土壤中铅、铜、锌、镍、锰、钴的含量均显著高于北五环区域土壤中重金属的含量，交通主干道两侧土壤中重金属元素的含量显著高于公园土壤，这表明交通运输过程中产生的重金属污染也己相当严重[27]。

（D）环境事故污染

近年来突发性的环境污染事件骤增，其中重金属污染的案例占很大比例。突发性的环境事件会导致重金属在短时间内高浓度地进入环境，从而产生严重的污染。2008年，我国相继发生了贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙河等多起砷污染事件，2009年8月以来，又发生了陕西凤翔儿童血铅超标、湖南浏阳镉污染及山东临沂砷污染事件。这些重金属污染事件有些是由于管理不当、交通事故等人为原因导致的，有些则是环境长期受到污染、污染物含量超过环境容量而突然爆发的结果。重金属污染问题已日益严重，对污染环境的治理迫在眉睫。

2.1.2 重金属对环境的危害

重金属是构成地壳的物质，在自然界分布很广。在正常的天然水中重金属含量均很低，与环境友好，对生物不构成危害。但是，随着人们对矿产资源（如有色金属、化石燃料等）的开发、利用，重金属对环境的污染和危害也就突出来了。

化石燃料（如煤、石油等）的燃烧是重金属的主要释放源；采矿、选矿和冶炼也是向环境释放重金属的主要污染源；通过废气、废水、废渣向环境中排放重金属的行业部门很多，如金属材料加工、机械加工、电镀、化工、玻璃、制革、核技术、炼油……等，不胜枚举。这些行业中的废水、废渣、废气的外排或处置不当，使重金属离子大量进入环境体系中，导致空气、土壤、水系以及环境中的动植物等所受污染不断加剧[28]。

（1）对土壤环境的危害

土壤重金属污染在一定时期内不表现出对环境的危害性，当其含量超过土壤承受力或限度，或土壤环境条件变化时，重金属有可能突然活化，引起严重的生态危害，被称为“化学定时炸弹”[29]（Chemical Time Bombs, CTBs）。通常情况下，重金属首先危害到土壤微生物，不适应重金属的微生物数量会剧烈降低，甚至灭绝，适应重金属的微生物存活下来，逐渐成为土壤优势菌。重金属对土壤中生长的农作物也有很强的毒害作用，其影响在于：一方面重金属能破坏植物的一些组织和功能，从而降低植物的产量和品质，如土壤镉含量过高会破坏植物叶片的叶绿素结构并最终导致植物衰亡，土壤中铜、锌含量超过一定限度时，作物根部会受到严重损害，使植物对水分和养分的吸收受到影响，从而生长不良甚至死亡；另一方面，重金属会通过食物链在植物体内富集，研究表明[30]随着表层土壤镉污染的加重，水稻子粒中的镉含量逐步提高，当上层土壤镉质量分数达到5mg/kg时，水稻子粒中的镉质量分数达到0.264～0.337mg/kg，而上层土壤镉达到10mg/kg时，子粒中的镉可高达0.418～0.554mg/kg。据估计，人体中的重金属镉70%来自于食品中的蔬菜，而蔬菜作物及其可食用部分中积累的镉主要来源于菜园土壤，部分来自灌溉水。除此之外，土壤中的重金属还会经由雨水淋滤及地表径流作用转移进入地表水系统，进而通过地表水和地下水的交互作用污染地下水体，对饮用水安全构成威胁。

（2）对水体环境的危害

重金属污染已成为水环境面临的重要污染问题之一，著名的“公害病”——水俣病和骨痛病就分别是由于重金属汞和镉污染引起的。重金属元素毒性大、不降解，进入水体之后可以直接通过饮用水或生活用水作用于人体，也能为水生动植物富集吸收，进入食物链进而危害人畜安全。有科学工作者实验证明[31]，镉质量浓度为1.0mg/L的溶液24h可使栅藻中毒，表现为细胞质萎缩，叶绿体被破坏。重金属对水生动物也有很强的毒害作用，鱼类短暂的暴露在高浓度的重金属溶液中会导致应激反应，鱼体的免疫能力降低。重金属铜、锌、锰的积累对鱼类的性别、体长都存在一定的影响。