Una vez que el suelo está contaminado con metales pesados, es difícil recuperarlo. Por tanto, se debe prestar especial atención a la contaminación del suelo por cadmio, mercurio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre. Cantidades excesivas de estos elementos son altamente tóxicas desde el punto de vista biológico y pueden representar una amenaza para la salud humana a lo largo de la cadena alimentaria.
1. Comportamiento químico de los metales pesados en el suelo
El destino de los metales pesados después de entrar en el suelo estará controlado por una serie de reacciones químicas complejas y procesos físicos y biológicos. Aunque algunos comportamientos químicos de diferentes metales pesados son similares, no son del todo consistentes. Cuando se agregan al suelo, la movilidad inicial dependerá en gran medida de la forma del metal pesado agregado, es decir, dependerá de la fuente del metal. Durante el proceso de digestión de lodos, los metales asociados a la materia orgánica representan una proporción considerable, existiendo sólo una pequeña porción en forma de sulfuros, fosfatos y óxidos. Las emisiones de partículas de las fundiciones contienen óxidos metálicos; cuando se quema petróleo, el plomo se emite como cloruro de bromo, pero se convierte fácilmente en sulfato de plomo y oxisulfato de plomo en la atmósfera y el suelo. Debido a las diferentes formas, la forma y cantidad de iones metálicos que ingresan al suelo también son muy diferentes, lo que afecta directamente la migración, transformación y efectos de los metales pesados en las plantas en el suelo. Examen de Ingeniero Ambiental, ¡un buen sitio web digno de tu colección!
Bajo diferentes condiciones del suelo, incluidos los tipos de metales pesados en el suelo, los patrones de uso de la tierra (arrozales, tierras secas, huertos, bosques, pastizales, etc.) y las propiedades físicas y químicas del suelo (suelo pH, condiciones redox, adsorción, complejación, etc.). ), las formas de los metales pesados en el suelo pueden ser diferentes, afectando así la transformación de los metales pesados y la absorción de metales pesados por los cultivos.
1) Condiciones redox del suelo y migración y transformación de metales pesados: El suelo es un sistema redox, y las condiciones de humedad del suelo, la materia orgánica y el contenido de azufre en el suelo están en cambio dinámico. El sistema redox en el suelo es un sistema complejo compuesto por muchos sistemas redox orgánicos e inorgánicos. Entre los sistemas inorgánicos, existen importantes sistemas de oxígeno, sistemas de hierro, sistemas de azufre y sistemas de hidrógeno. Controlado por un sistema potencial determinante dominante. Entre ellos, el sistema O2-H2O y el sistema de azufre desempeñan un papel obvio en las reacciones redox del suelo y desempeñan un papel importante en los cambios de estado de valencia de los elementos metálicos pesados.
(1) Sistema O2-H2O: El oxígeno del suelo proviene principalmente de la atmósfera. La precipitación y el agua de riego también pueden aportar algo de oxígeno disuelto. En los campos de arroz, el oxígeno secretado por las raíces del arroz y el oxígeno liberado por la fotosíntesis de algunas algas también son fuentes.
(2) Sistema H2: Hay muy poco contenido de hidrógeno en el suelo de las tierras secas, pero el H2 a menudo se acumula en capas de suelo fuertemente reductoras en condiciones de inundación.
El sistema O2-H2O y el sistema H2 son dos sistemas extremos del sistema redox del suelo, mientras que otros sistemas redox en el suelo se encuentran en el medio. Por lo tanto, estos dos sistemas constituyen los límites superior e inferior del potencial redox del suelo.
(3) Sistema de azufre: El azufre en el suelo existe en formas inorgánicas y orgánicas, y su contenido es generalmente del 0,05%. En condiciones oxidantes existe como sulfato; en condiciones reductoras existe como sulfuro de hidrógeno o sulfuro metálico.
Los elementos metálicos se pueden dividir a grandes rasgos en elementos insolubles (fijados por oxidación) y elementos insolubles por reducción (fijados por reducción) según sus propiedades. Por ejemplo, el hierro y el manganeso pertenecen a los primeros; , el zinc y el cromo pertenecen a este último. La oxidación y la reducción no solo cambiarán el estado de valencia de los elementos metálicos pesados, sino que también cambiarán la forma de los elementos metálicos pesados. Por ejemplo, cuando el potencial redox es bajo (aproximadamente +100 mv), el arseniato de hierro se puede reducir a la forma ferrosa y el potencial se reduce aún más, reduciendo así el arsénico a arsenito y mejorando la movilidad del arsénico. Por el contrario, el aumento de los componentes de hierro y aluminio en el suelo puede convertir el arsénico soluble en agua en arsénico insoluble.
2) El pH del suelo y la migración y transformación de metales pesados: El pH del suelo está estrechamente relacionado con la solubilidad de los metales pesados. En condiciones alcalinas, los metales pesados que entran al suelo son en su mayoría hidróxidos insolubles y también pueden existir en forma de carbonatos y fosfatos.
Su solubilidad es relativamente pequeña, por lo que la concentración de iones de los metales pesados en la solución del suelo también es baja. La solubilidad de los hidróxidos de metales pesados como cobre, cadmio, zinc y plomo está controlada directamente por el pH del suelo.
A partir del producto de solubilidad se puede deducir teóricamente la relación entre la concentración de iones de metales pesados y el valor del pH. A medida que aumenta el valor del pH, disminuye la concentración de iones de metales pesados. Pero los compuestos anfóteros, el hidróxido de cobre y el hidróxido de zinc, se disuelven nuevamente cuando el pH es lo suficientemente alto.
3) Adsorción de coloides del suelo y migración y transformación de metales pesados: El suelo es rico en coloides inorgánicos y orgánicos. Tiene un efecto de fijación obvio sobre los elementos metálicos pesados que ingresan al suelo. En términos generales, hay dos formas de elementos metálicos pesados en el suelo:
(1) Los elementos metálicos pesados se encuentran en forma coloidal en la solución del suelo. Esto ocurre principalmente en áreas de clima húmedo y en condiciones ácidas ricas en materia orgánica. Elementos como hierro, manganeso, cromo, titanio, vanadio y arsénico pueden existir en forma coloidal. El cobre, el plomo y el zinc también migran parcialmente en forma coloidal.
(2) La adsorción e inmovilización de iones metálicos por coloides orgánicos e inorgánicos en el suelo es la forma principal para que muchos iones y moléculas metálicas se transfieran de una solución insaturada a una fase sólida, y también es una razón importante para La acumulación y contaminación de metales pesados en el suelo.
La cantidad de metales pesados adsorbidos por los coloides del suelo depende principalmente de la capacidad de sustitución de los coloides del suelo y de la concentración y el valor del pH de los iones de metales pesados en la solución del suelo.
Cuando el coloide adsorbe iones metálicos, los iones metálicos pueden adsorberse en la red cristalina mediante sustitución isomórfica. Como iones adsorbidos, los iones metálicos permanecen en la red coloidal, lo que dificulta su liberación.
En definitiva, los elementos metálicos pesados se fijan mediante adsorción coloidal, que se puede dividir en dos métodos. Por ejemplo, los elementos metálicos se adsorben en los puntos de intercambio de la superficie coloidal y se liberan fácilmente si permanecen en la red cristalina de minerales coloidales, son difíciles de liberar, lo que no favorece la migración de elementos metálicos.
4) Complejación-quelación de metales pesados en el suelo: Además de la adsorción, los elementos de metales pesados en el suelo también presentan complejación y quelación. Generalmente se cree que cuando la concentración de iones metálicos es alta, la adsorción y el intercambio son dominantes, mientras que cuando la concentración de iones de metales pesados en la solución del suelo es baja, predomina la complejación-quelación.
Entre los ligandos inorgánicos, la gente presta más atención a la complejación de metales con iones hidroxilo y cloruro. Estos dos factores se consideran factores importantes que afectan la solubilidad de algunas sales de metales pesados poco solubles.
La complejación de iones hidróxido y metales pesados es en realidad una reacción de hidrólisis de iones de metales pesados. Los metales pesados se pueden hidrolizar a pH bajo. Los experimentos de hidrólisis de plasma de mercurio, cadmio, plomo y zinc muestran que la complejación de grupos hidroxilo y metales pesados puede mejorar en gran medida la solubilidad de los hidróxidos de metales pesados.
Sólo cuando la concentración de iones cloruro en un suelo salino es alta aparecerá la forma de iones de metales pesados complejados con cloro. Generalmente, cuando la concentración de iones cloruro en el suelo es muy baja, no se formarán complejos de cloruro de iones de metales pesados.
El humus en el suelo tiene una fuerte capacidad quelante. Tiene ligandos que pueden quelar firmemente con iones metálicos, como grupos amino, imino, cetona, hidroxilo y tioéter. La estabilidad de los quelatos en el suelo se ve afectada por la naturaleza de los iones metálicos. Cuando los iones metálicos se combinan con grupos quelantes mediante enlaces iónicos, cuanto mayor es el potencial de ionización del ion central, más propicio es para la formación de compuestos de coordinación.
5) Fijación y activación de metales pesados por microorganismos del suelo
Existen muchos tipos y números de microorganismos en el suelo, y también juegan un papel importante en el destino de los metales pesados. . Los experimentos muestran que el cadmio forma complejos con microorganismos o sus metabolitos, que pueden fijar el cadmio y afectar su eficacia biológica. Algunos microorganismos también cambian los metales de estados altamente tóxicos a estados menos tóxicos mediante biotransformación o metabolismo fisiológico. El impacto de los microorganismos sobre los iones de metales pesados en el suelo se puede resumir de la siguiente manera:
(1) Complejos extracelulares
Algunos microorganismos pueden producir polímeros extracelulares, como polisacáridos, glicoproteínas, lipopolisacáridos, etc. . , que tiene una gran cantidad de grupos aniónicos y se combina con iones metálicos, los metabolitos producidos por algunos microorganismos, como el ácido cítrico, son quelantes de metales eficaces, mientras que el ácido oxálico forma precipitados de oxalato insolubles con los metales.
(2) Precipitación extracelular
En condiciones anaeróbicas, el sulfuro de hidrógeno producido por microorganismos como las bacterias reductoras de sulfato reacciona con iones metálicos para formar una precipitación de sulfuro insoluble.
(3) Transformación microbiana de metales
Los microorganismos pueden transformar metales pesados mediante oxidación, reducción, metilación y desmetilación.
Un gran número de estudios han demostrado que la resistencia de los microorganismos a los metales pesados está determinada en muchos casos por el material genético del cromosoma de la célula: genes de resistencia a plásmidos o transposones. Las enzimas desintoxicantes de metales codificadas por genes de resistencia catalizan la conversión de metales altamente tóxicos a estados menos tóxicos. Las bacterias, los actinomicetos y algunos hongos pueden reducir los iones de mercurio a mercurio elemental, lo que hace que el mercurio se volatilice del suelo o exista en forma de precipitación. Los compuestos organomercurios se descomponen primero en Hg+ y los grupos orgánicos correspondientes mediante la organomercurio liasa, y luego el mercurio iónico se reduce a mercurio elemental. El mercurio y otros metales como el plomo, el selenio y el arsénico pueden ser metilados por microorganismos. Los productos de metilación del selenio son menos tóxicos, pero los productos de metilación del mercurio son altamente tóxicos. El cromo hexavalente puede ser reducido a cromo trivalente por bacterias, y el altamente tóxico As+ puede ser oxidado por microorganismos a As5+, que es más fácilmente precipitado por Fe3+.
6) Enriquecimiento y atenuación de la rizosfera del suelo
La microárea de la rizosfera es sólo de 0,1-4 mm en esta zona, debido a la existencia de raíces de las plantas, su estado físico y físico. Las propiedades químicas y biológicas son diferentes a las del suelo y afectan significativamente la actividad y biodisponibilidad de los metales pesados en el suelo.
(1) Formación de la barrera redox de la rizosfera
La solubilidad de muchos elementos metálicos pesados está determinada por el estado redox. La solubilidad de los iones reducidos de hierro y manganeso es mayor que la de sus. Estados oxidados. Solubilidad de iones. Por lo tanto, cuando la rizosfera de las plantas que crecen sobre sustratos reductores crea un microambiente oxidativo, cuando los iones reductores en el suelo cruzan esta zona de oxidación y alcanzan la superficie de la raíz, la actividad de los iones metálicos libres se reduce significativamente porque se oxidan a baja solubilidad. estado de oxidación, reduciendo así su toxicidad. Por el contrario, la rizosfera de las plantas que crecen sobre sustratos oxidantes consume oxígeno debido a la respiración de las raíces y los microorganismos de la rizosfera, y los exudados de las raíces contienen sustancias reductoras. Las condiciones reductoras del suelo afectarán la actividad y disponibilidad de elementos metálicos variables, como la reducción, eliminación de cromo hexavalente y la inmovilización de microorganismos. Los estudios han demostrado que los aniones en las paredes celulares bacterianas y las membranas plasmáticas pueden unirse al cadmio en solución, pero se liberan nuevamente a la solución en condiciones aeróbicas y el cadmio no migrará en condiciones reductoras.