隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)生態(tài)環(huán)境受到不同程度的污染。“我吃的糧食安全嗎？”成為很多人心中的疑問(wèn)；“我住的地方安全嗎？”也開(kāi)始引起大家的關(guān)注。而這都與我們腳下的這片土地有關(guān)。
一方面，全國(guó)有很多耕地被污染，主要污染物包括重金屬和持久性有機(jī)污染物(POPs)。例如，在長(zhǎng)三角地區(qū)土壤中多環(huán)芳烴(PAHs)的含量最高達(dá)3700 μg/kg。這些持久性有毒污染物(PTS)可通過(guò)食物鏈影響人的健康。
另一方面，隨著城市化進(jìn)程的加速，大量污染企業(yè)外遷留下了30萬(wàn)個(gè)以上高風(fēng)險(xiǎn)工業(yè)污染場(chǎng)地需要修復(fù)，小的不到1畝，大的有幾百畝。若這些污染場(chǎng)地直接用于房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)，揮發(fā)性有毒有機(jī)污染物等將影響居民健康。
土壤“中毒”了怎么辦？還能再利用嗎？在土壤“中毒”的情況下，如何保障農(nóng)產(chǎn)品的安全，實(shí)現(xiàn)土地資源的持續(xù)利用呢？
從1999年開(kāi)始，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院朱利中教授和他的團(tuán)隊(duì)便致力于有機(jī)污染過(guò)程與控制研究。他們的入手點(diǎn)是調(diào)控污染物的界面行為。
“界面行為始終貫穿于有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化及生物效應(yīng)的整個(gè)生命周期，多介質(zhì)界面行為的分子機(jī)理及調(diào)控研究是土壤污染控制與修復(fù)的重要基礎(chǔ)。要在污染土壤上生產(chǎn)安全農(nóng)產(chǎn)品，我們首先要了解污染物是怎么從土壤里跑到植物里的。這就好比是人生病了，要先知道病因，才能開(kāi)出藥方來(lái)。”朱利中教授介紹說(shuō)，植物可以從根部吸收土壤溶液中的有機(jī)污染物，也可以從葉面吸收空氣中的有機(jī)污染物（包括從土壤中揮發(fā)出來(lái)的），這里涉及有機(jī)污染物的界面行為。只有摸清有機(jī)污染物界面行為的分子機(jī)制及規(guī)律，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其遷移轉(zhuǎn)化行為、診斷環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，最終有效調(diào)控污染物的生物有效性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家都認(rèn)為有機(jī)污染物的界面行為呈線(xiàn)性。由于土壤等環(huán)境介質(zhì)的非均一性，導(dǎo)致有機(jī)污染物界面行為呈非線(xiàn)性。也就是說(shuō)，土壤中有機(jī)污染物濃度高，種出來(lái)的農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)污染物濃度卻不一定高。
“我們很自然地就想到，有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為有沒(méi)有什么規(guī)律可循？如果我們知道土壤‘中毒’的程度，能夠由此推斷出農(nóng)作物的‘中毒’程度嗎？”課題組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)是導(dǎo)致非線(xiàn)性界面行為的主導(dǎo)因素，土壤中納米顆粒團(tuán)聚重組及其選擇性結(jié)合有機(jī)質(zhì)都可能影響有機(jī)污染物的非線(xiàn)性吸附行為。
在揭示有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為分子機(jī)理的基礎(chǔ)上，課題組建立了定量預(yù)測(cè)有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為及植物吸收積累有機(jī)污染物的數(shù)學(xué)模型，并由此揭示了基于多介質(zhì)微界面行為的有機(jī)污染物生物有效性調(diào)控原理，提出了全方位保障農(nóng)產(chǎn)品安全的新思路。
一方面，全國(guó)有很多耕地被污染，主要污染物包括重金屬和持久性有機(jī)污染物(POPs)。例如，在長(zhǎng)三角地區(qū)土壤中多環(huán)芳烴(PAHs)的含量最高達(dá)3700 μg/kg。這些持久性有毒污染物(PTS)可通過(guò)食物鏈影響人的健康。
另一方面，隨著城市化進(jìn)程的加速，大量污染企業(yè)外遷留下了30萬(wàn)個(gè)以上高風(fēng)險(xiǎn)工業(yè)污染場(chǎng)地需要修復(fù)，小的不到1畝，大的有幾百畝。若這些污染場(chǎng)地直接用于房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)，揮發(fā)性有毒有機(jī)污染物等將影響居民健康。
土壤“中毒”了怎么辦？還能再利用嗎？在土壤“中毒”的情況下，如何保障農(nóng)產(chǎn)品的安全，實(shí)現(xiàn)土地資源的持續(xù)利用呢？
從1999年開(kāi)始，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院朱利中教授和他的團(tuán)隊(duì)便致力于有機(jī)污染過(guò)程與控制研究。他們的入手點(diǎn)是調(diào)控污染物的界面行為。
“界面行為始終貫穿于有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化及生物效應(yīng)的整個(gè)生命周期，多介質(zhì)界面行為的分子機(jī)理及調(diào)控研究是土壤污染控制與修復(fù)的重要基礎(chǔ)。要在污染土壤上生產(chǎn)安全農(nóng)產(chǎn)品，我們首先要了解污染物是怎么從土壤里跑到植物里的。這就好比是人生病了，要先知道病因，才能開(kāi)出藥方來(lái)。”朱利中教授介紹說(shuō)，植物可以從根部吸收土壤溶液中的有機(jī)污染物，也可以從葉面吸收空氣中的有機(jī)污染物（包括從土壤中揮發(fā)出來(lái)的），這里涉及有機(jī)污染物的界面行為。只有摸清有機(jī)污染物界面行為的分子機(jī)制及規(guī)律，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其遷移轉(zhuǎn)化行為、診斷環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，最終有效調(diào)控污染物的生物有效性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家都認(rèn)為有機(jī)污染物的界面行為呈線(xiàn)性。由于土壤等環(huán)境介質(zhì)的非均一性，導(dǎo)致有機(jī)污染物界面行為呈非線(xiàn)性。也就是說(shuō)，土壤中有機(jī)污染物濃度高，種出來(lái)的農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)污染物濃度卻不一定高。
“我們很自然地就想到，有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為有沒(méi)有什么規(guī)律可循？如果我們知道土壤‘中毒’的程度，能夠由此推斷出農(nóng)作物的‘中毒’程度嗎？”課題組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)是導(dǎo)致非線(xiàn)性界面行為的主導(dǎo)因素，土壤中納米顆粒團(tuán)聚重組及其選擇性結(jié)合有機(jī)質(zhì)都可能影響有機(jī)污染物的非線(xiàn)性吸附行為。
在揭示有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為分子機(jī)理的基礎(chǔ)上，課題組建立了定量預(yù)測(cè)有機(jī)污染物非線(xiàn)性界面行為及植物吸收積累有機(jī)污染物的數(shù)學(xué)模型，并由此揭示了基于多介質(zhì)微界面行為的有機(jī)污染物生物有效性調(diào)控原理，提出了全方位保障農(nóng)產(chǎn)品安全的新思路。
這項(xiàng)基礎(chǔ)研究成果在對(duì)付有機(jī)污染農(nóng)業(yè)用地和工業(yè)用地時(shí)，都能用得上。
“有了這個(gè)模型，在污染土壤中種下農(nóng)作物后，我們就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)30天后或60天后農(nóng)作物中有機(jī)污染物的濃度，為選擇合適的作物提供了技術(shù)支撐。這對(duì)耕地資源非常寶貴的中國(guó)來(lái)說(shuō)，非常重要。”朱利中教授說(shuō)。比如，一片被污染的農(nóng)田，我們經(jīng)過(guò)模型分析預(yù)測(cè)，如果種茼蒿的話(huà)，有機(jī)污染物會(huì)超標(biāo)，但種青菜蘿卜不超標(biāo)，那我們就可以選擇種青菜蘿卜。如果一定要種茼蒿怎么辦呢？我們可以在土壤中加入生物碳或微量表面活性劑把有機(jī)污染物“固定”住，讓它很少甚至不進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，這樣生產(chǎn)出來(lái)的農(nóng)產(chǎn)品仍是安全的。
如果“中毒”實(shí)在太深，無(wú)法緩解而影響農(nóng)產(chǎn)品安全乃至農(nóng)作物生長(zhǎng)，怎么辦呢？課題組的對(duì)策是通過(guò)改善有機(jī)污染物的生物有效性，特別是強(qiáng)化微生物降解有機(jī)污染物，對(duì)污染農(nóng)田實(shí)施增效修復(fù)。這種方法被稱(chēng)為生物表面活性劑強(qiáng)化植物-微生物聯(lián)合原位修復(fù)，其修復(fù)PAHs污染土壤的效率比不加表面活性劑的提高50%以上，而修復(fù)材料的成本不到200元/畝。
也就是說(shuō)，對(duì)于“中毒”農(nóng)田，課題組有三招來(lái)應(yīng)對(duì)：選擇合適作物，阻控吸收積累，原位增效修復(fù)。對(duì)于被污染的工業(yè)用地，課題組也有新招。
早在80年代，國(guó)際上就出現(xiàn)了表面活性劑增效洗脫技術(shù)，即SER技術(shù)。該技術(shù)一般使用單一表面活性劑，由于表面吸附劑的吸附或沉淀?yè)p失，洗脫效率低、成本高、難以推廣應(yīng)用。
課題組選用混合表面活性劑增效洗脫，使修復(fù)效率增加20%以上，成本降低1/3以上。“以前用其他方法修復(fù)一噸污染土壤的成本在1000元左右，現(xiàn)在采用混合表面活性劑增效修復(fù)技術(shù)，一噸的修復(fù)成本不到300元。不僅效率高，成本低，而且還非常環(huán)保，做到無(wú)廢水排放。”朱利中教授說(shuō)。
生物表面活性劑強(qiáng)化植物-微生物聯(lián)合原位修復(fù)和混合表面活性劑強(qiáng)化增效修復(fù)這兩項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了污染土壤修復(fù)的國(guó)際空白，已分別在污染農(nóng)田土壤修復(fù)和工業(yè)用地污染場(chǎng)地土壤修復(fù)工程中得到了很好的驗(yàn)證。
該項(xiàng)目的成果被編入《Handbook of Soil Sciences》（美國(guó)CRC出版社），8篇代表性論文和20篇核心論文分別被SCI他引666次、1390次，其中6篇列入Web of Science近十年高被引論文。4位完成人均列環(huán)境/生態(tài)領(lǐng)域ESI引文國(guó)際排名前1%，他們?cè)?ldquo;有機(jī)污染土壤修復(fù)”及“表面活性劑調(diào)控有機(jī)污染物生物有效性”方面發(fā)表的SCI論文數(shù)均列國(guó)際同類(lèi)課題組第一。
（文 吳雅蘭 余瑛/攝影 張鴦）
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“有了這個(gè)模型，在污染土壤中種下農(nóng)作物后，我們就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)30天后或60天后農(nóng)作物中有機(jī)污染物的濃度，為選擇合適的作物提供了技術(shù)支撐。這對(duì)耕地資源非常寶貴的中國(guó)來(lái)說(shuō)，非常重要。”朱利中教授說(shuō)。比如，一片被污染的農(nóng)田，我們經(jīng)過(guò)模型分析預(yù)測(cè)，如果種茼蒿的話(huà)，有機(jī)污染物會(huì)超標(biāo)，但種青菜蘿卜不超標(biāo)，那我們就可以選擇種青菜蘿卜。如果一定要種茼蒿怎么辦呢？我們可以在土壤中加入生物碳或微量表面活性劑把有機(jī)污染物“固定”住，讓它很少甚至不進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，這樣生產(chǎn)出來(lái)的農(nóng)產(chǎn)品仍是安全的。
如果“中毒”實(shí)在太深，無(wú)法緩解而影響農(nóng)產(chǎn)品安全乃至農(nóng)作物生長(zhǎng)，怎么辦呢？課題組的對(duì)策是通過(guò)改善有機(jī)污染物的生物有效性，特別是強(qiáng)化微生物降解有機(jī)污染物，對(duì)污染農(nóng)田實(shí)施增效修復(fù)。這種方法被稱(chēng)為生物表面活性劑強(qiáng)化植物-微生物聯(lián)合原位修復(fù)，其修復(fù)PAHs污染土壤的效率比不加表面活性劑的提高50%以上，而修復(fù)材料的成本不到200元/畝。
也就是說(shuō)，對(duì)于“中毒”農(nóng)田，課題組有三招來(lái)應(yīng)對(duì)：選擇合適作物，阻控吸收積累，原位增效修復(fù)。對(duì)于被污染的工業(yè)用地，課題組也有新招。
早在80年代，國(guó)際上就出現(xiàn)了表面活性劑增效洗脫技術(shù)，即SER技術(shù)。該技術(shù)一般使用單一表面活性劑，由于表面吸附劑的吸附或沉淀?yè)p失，洗脫效率低、成本高、難以推廣應(yīng)用。
課題組選用混合表面活性劑增效洗脫，使修復(fù)效率增加20%以上，成本降低1/3以上。“以前用其他方法修復(fù)一噸污染土壤的成本在1000元左右，現(xiàn)在采用混合表面活性劑增效修復(fù)技術(shù)，一噸的修復(fù)成本不到300元。不僅效率高，成本低，而且還非常環(huán)保，做到無(wú)廢水排放。”朱利中教授說(shuō)。
生物表面活性劑強(qiáng)化植物-微生物聯(lián)合原位修復(fù)和混合表面活性劑強(qiáng)化增效修復(fù)這兩項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了污染土壤修復(fù)的國(guó)際空白，已分別在污染農(nóng)田土壤修復(fù)和工業(yè)用地污染場(chǎng)地土壤修復(fù)工程中得到了很好的驗(yàn)證。
該項(xiàng)目的成果被編入《Handbook of Soil Sciences》（美國(guó)CRC出版社），8篇代表性論文和20篇核心論文分別被SCI他引666次、1390次，其中6篇列入Web of Science近十年高被引論文。4位完成人均列環(huán)境/生態(tài)領(lǐng)域ESI引文國(guó)際排名前1%，他們?cè)?ldquo;有機(jī)污染土壤修復(fù)”及“表面活性劑調(diào)控有機(jī)污染物生物有效性”方面發(fā)表的SCI論文數(shù)均列國(guó)際同類(lèi)課題組第一。
（文 吳雅蘭 余瑛/攝影 張鴦）
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