土壤酶对重金属污染的响应及指示研究进展

土壤酶在关键元素生物地球化学循环、动植物健康维持、环境污染净化等方面起着不可替代的重要作用,同时还是土壤污染程度评价的辅助指标之一。然而,由于土壤物理、化学和生物学性质的差异,以及研究方法的多样化,导致重金属与土壤酶活性之间的关系十分复杂,阻碍了土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用。系统阐述了重金属污染对土壤酶的生态毒理效应,及其对土壤酶催化动力学特征的影响,构建了土壤-重金属-微生物对土壤酶作用的概念模型,并探讨未来的研究趋势和方向。土壤酶活性测定高效、便宜,且对重金属污染敏感,是极具潜力的土壤重金属污染评价的生物学指标,但仅采用土壤酶活性可能高估或低估重金属的生态毒性,加之当前对土壤酶的选择、活性的测定均缺乏统一的标准,致使难以建立重金属毒性阈值与土壤理化性质或土壤重金属有效性之间的定量关系,最终导致土壤酶在土壤污染生态风险评价中存在争议。未来亟需通过新技术和数学模型,深入揭示不同类型土壤中酶对重金属胁迫的响应机理,构建土壤性质与毒性阈值关系的经验模型,可为加强土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用提供重要的理论依据。     

华北地区有机种植和常规种植模式下土壤重金属含量及污染评价

为探讨有机种植与常规种植两种不同种植方式对土壤重金属含量和污染特性的影响,本文在华北5个地区选取典型的有机蔬菜和有机小麦种植基地及附近相似条件的常规种植地块,比较了土壤中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As共6种重金属含量的差异,并采用不同评价方法对不同种植方式下土壤中重金属的污染程度进行了评价。结果表明:与常规种植相比,有机种植减轻了土壤酸化和盐渍化,提高了土壤有机质含量和阳离子交换量,在一定程度上有利于降低土壤中重金属的生物有效性。与土壤背景值相比,所有调查地区的土壤重金属均有不同程度的增加和积累。与常规种植相比,有机种植模式能有效降低土壤中Cd、Cr含量,有机小麦种植地块因长期施用大量有机肥导致土壤中Cu、Zn、As大量富集;而常规温室菜田同时施用大量的有机肥、化肥及农药,土壤中Cu、Zn、As富集的风险比有机种植模式高;露天蔬菜有机种植地块土壤中Cu、Zn、As含量与常规地块差异不明显。综合污染指数评价结果显示,调查地区土壤均属于轻污染程度,主要贡献因子为Cd、Cu、Zn,有机种植降低了土壤中重金属的综合污染水平;地累积指数法评价结果表明,调查地区处于无污染到中等污染水平,最明显的污染元素是Cd,有机种植降低了土壤中重金属污染的程度和风险;潜在生态危害指数评价结果表明,所调查地块存在轻微潜在生态风险,其中产生较大生态危害的是Cd,表现出轻微生态危害程度。本研究表明,有机种植减轻了土壤中重金属综合污染水平和污染风险,并减轻了土壤重金属的潜在生态危害。     

赣州市绿地土壤重金属污染特征及评价

为评价赣州市绿地土壤重金属污染特征及其生态风险,采取表层0~20 cm土壤共20个样品,测定土壤中重金属Pb、Zn、Cu、Cd和Cr含量并分析其来源,采用改进BCR连续提取法进行形态分析,结合地积累指数法、潜在生态危害指数法和人体健康风险评价法进行污染评价。结果表明重金属Pb和Zn相关性显著,并受人为影响较大,研究区5种重金属形态都以残渣态为主,对环境的潜在危害较小,地积累指数法结果表明主要受到重金属Cd中度污染,潜在生态风险指数法结果表明5种重金属的潜在生态风险指数都位于(50,80)之间,属于轻微生态风险,人体健康风险评价法表明土壤中重金属含量对人体无致癌风险。     

Hakanson指数法在评价土壤重金属生态风险上的应用进展

Hakanson指数法是目前重金属元素潜在生态风险评价的常用方法。该方法开始被应用于研究河流沉积物重金属污染评价中,后逐步被引进到土壤重金属污染的研究,并被广泛使用。分析发现,Hakanson指数法对于评价土壤重金属生态风险是有效的,但也存在不足之处。本文综述了众多专家学者在利用Hakanson指数法进行土壤重金属生态风险评价中的研究成果,介绍了利用土壤重金属元素形态、修改毒性响应系数和生态危害风险指数等对Hakanson指数模型进行改进的方法和步骤,讨论了Hakanson指数法在评价土壤重金属生态风险方面的应用进展。     

基于地积累指数法和潜在生态风险指数法评价广西某蔗田土壤重金属污染

采用地积累指数法和潜在生态风险指数法对广西某蔗田土壤中重金属污染进行评价。结果表明:4种重金属元素的地积累指数污染程度由强到弱依次为:CdZnPbCu,潜在生态危害指数污染程度由强到弱依次为:CdPbCuZn,其中Zn的影响程度发生了变化。2种评价方法的结果存在差异,蔗田土壤的地积累指数污染程度处于无污染情况,而潜在生态危害指数污染程度处于低度危害程度。潜在生态危害指数考虑外源重金属的富集程度和不同重金属的生物毒性的影响,使其评价结果更准确。     

土壤弹尾目昆虫Folsomia candida对铜污染的急性毒理初步研究

随着土壤环境重金属污染的加剧,有关重金属污染土壤的风险评估受到关注.对土壤质量评价的方法长期以来集中在检测重金属污染物质在土壤中的浓度及化学形态等方面,而对于重金属、土壤和生物之间的相互作用很少考虑,因而难以全面评估重金属对土壤环境的生态毒性效应[1].重金属污染土壤的生物评价是对化学评价的有效补充和相互验证.土壤弹尾目昆虫(跳虫)作为土壤动物群落中的优势物种之一,是土壤环境的重要指示生物,在对污染环境的生态评估研究中得到越来越多的重视[2-5].     

湿地沉积物污染风险评价及生物修复技术研究进展

在简要介绍湿地沉积物的主要污染物和来源之后,依据国内外近年来有关污染沉积物研究的相关成果,阐述了潜在生态风险指数法、SEM/AVS法和沉积物质量基准法等对沉积物中重金属/有机污染物进行的主要生态风险评价方法。回顾了污染沉积物的物理、化学和生物3大主要修复措施,重点总结了生物修复技术中微生物修复、植物修复及植物-微生物联合修复方面的研究进展。最后提出了研究展望和思考,旨在为河流湖库沉积物及水体环境的污染风险评价及污染修复提供科学依据。     

腐植酸钾对土壤铅化学形态、生物可给性及健康风险的影响

通过重金属分级提取和生物可给性体外模拟试验,研究了腐植酸钾对污染土壤中铅化学形态组成、生物可给性及基于生物可给性的健康风险评价的影响。结果表明,不同比例的腐植酸钾均可显著提高铅污染土壤的pH值和有机质含量,且随着添加量的增大而升高;添加腐植酸钾可显著降低土壤中弱酸提取态铅和可还原态铅含量,增加可氧化态铅和残渣态铅含量,其影响随添加量的增大而增强;土壤中铅的生物可给性随腐植酸钾添加量的增加而显著降低;基于生物可给性的人体健康风险评价显示,经口摄入铅污染土壤造成的危害水平随着腐植酸钾添加量的增大而显著降低,且儿童危害商(非致癌风险)高于成人,约为成人的1.8倍;土壤中铅的安全含量限值随腐植酸钾添加量的增大而增大,非敏感用地高于敏感用地。研究表明,腐植酸钾可有效降低铅污染土壤中铅的健康风险和生态风险,可用于铅污染土壤的修复。     

三峡库区土壤环境质量评价

三峡移民工程中土地资源的合理规划利用需要建立在查清区域土壤环境质量的基础之上。利用多目标地球化学调查方法,通过野外实地调查、大面积系统性采集土壤表层样品、测试分析、数理统计,采用标准对比法及地质累积指数法,探讨了三峡库区表层土壤重金属污染程度,评价了土壤环境质量。结果表明:三峡库区区域土壤环境质量总体上较好,除巫山、奉节地区Cr、N i自然高背景导致存在一定量的区域性二类土外,表层土壤中As、Cu、Hg、Pb、Zn等元素一类土占全区面积均在90%以上,仅存在局部性人为污染,如Hg在城镇、厂矿等地的点状污染;不存在区域性的人为污染。采用两种方法评价均发现在三峡库区存在大量Cd二类土,主要分布在万州至涪陵一带,这种大面积分布的二类土是自然背景引起还是人为活动引起,有待于进一步研究,也值得引起高度关注。     

水、沉积物和土壤中重金属生物有效性/毒性的生物配体模型研究进展

重金属以多种化学形态存在于环境介质中,仅根据环境中重金属元素总量已不能对其生物效应进行良好预测,因此在制定重金属环境质量标准和进行环境风险评价时,明确考虑其生物有效性逐渐受到重视。水体重金属的生物有效性和毒性很早就被认识到是水化学性质的函数,并形成了一些机理描述模型,如自由离子活度模型(FIAM)、鱼鳃点位交互作用模型(GSIM)和生物配体模型(BLM)。BLM在FIAM和GSIM的基础上,同时考虑了水中金属离子的化学形态以及阳离子与金属离子在生物配体(BL)上的竞争对其毒性的影响,能成功预测水体金属的生物有效性/毒性,并被用于水质金属基准的制定。本文对BLM在水环境中的概念模型、发展状况及软件应用做了全面介绍,并对BLM在沉积物和陆地环境中的拓展作了综述,重点介绍了针对植物、土壤动物和微生物的陆地生物配体模型(t-BLM),提出了土壤重金属t-BLM的概念模型并对其构建方法学等进行了探讨。联合了土壤理化性质、金属形态及生物积累和毒性效应的t-BLM,将提供一个环境风险评价和制定更合理土壤环境质量标准的新工具。     

土壤重金属地质高背景成因、风险与管控研究进展

土壤重金属地质高背景是近年来学术界研究的热点之一，涉及地质学、地球化学、土壤学、环境科学等学科。采用文献计量方法分析了土壤重金属地质高背景领域的研究进展与近期热点，介绍了全球和中国土壤重金属地质高背景分布特征、成因与类型，梳理了高背景区土壤重金属的环境风险及管控措施，以期为土壤重金属地质高背景成因机制与风险管控提供理论与技术参考。建议关注高背景区土壤重金属背景值调查、富集特征与形成机制、潜在活化与迁移，开展地质高背景区土壤风险评估、环境基准研究与管控技术研发。     

河北清苑县及周边农田土壤及农作物中重金属污染状况与分析评价

在河北省地质调查院1：250000多目标区域地球化学调查的研究基础上,对河北省清苑县及周边的农田土壤及玉米子实进行了采样分析,分析该地区农田土壤重金属的富集程度,并采用富集因子法和单因子土壤污染指数法进行污染状况评价。结果表明,该研究区土壤以重金属Zn、Cu、Cr、Pb、Cd污染最为严重,其中Cd污染已达显著富集程度;通过对子实重金属含量的描述统计显示,其农产品也受到一定程度的重金属污染,其中玉米子实中的重金属Ni和Pb存在超标现象。通过地统计学方法分析揭示了清苑县土壤重金属中污染严重的Zn、Cu、Cr、Pb的空间分布特征,并探索其主要成因。     

重金属污染对水稻土微生物及酶活性影响研究进展

水稻土受到重金属污染不仅影响水稻的产量品质，而且对水稻土微生物及酶活性的影响不容忽视。本文系统综述了水稻土重金属污染的来源，重金属污染对水稻土微生物生物量、种群数量、群落结构以及土壤酶活性的影响，并针对重金属污染对水稻土微生态效应研究的不足提出了未来应该研究的重点和方向，指出：①加强水稻-重金属-微生物三者相互作用、相互影响方面的研究；②在研究重金属污染与水稻土土壤微生物生态特征的关系的基础上，加强对重金属、土壤理化性状和水稻等因素进行综合并定量化分析，将是明确重金属对土壤微生物生态特性的影响及相关机理的关键；③应用分子生物学方法以及系统生物学方法，促进重金属污染胁迫下水稻土微生物活性及功能的演变规律及响应适应过程；④加强基于长期定位实验的研究，在较长的时间尺度和较大的空间尺度上认识水稻土生态系统在重金属胁迫下的演变规律和机制；⑤重金属污染对水稻土酶活性的研究应重点从机理方面入手，注重结合土壤酶的动力学参数和热力学参数，深化土壤酶与复合污染的作用机理，进一步揭示复合污染致毒途径及其机理，同时借助分子手段，探索重金属污染水稻土中更多未发现的酶的特性，寻找更加敏感、更能普遍推广的重金属污染土壤的综合性指标，以期为重金属污染水稻土的风险评价和生物修复提供科学依据。     

土壤重金属有效态含量检测与监测现状、问题及展望

随着经济和社会的发展,土壤重金属污染对粮食安全及人类的身体健康构成了巨大的威胁,而目前广泛采用的全量检测法并不能准确地反映土壤重金属的生物毒性。为了更好地了解土壤重金属的污染情况及其生物毒性,需快速有效检测土壤重金属的赋存形态及有效态含量。本文介绍了土壤有效态重金属的定义及其在土壤-有机体系统中的转移;并结合国内外相关研究领域的文献资料,按检测对象将土壤重金属有效态的检测方法分为直接检测方法(化学检测方法和物理检测方法)和间接检测方法(生物指示法),系统阐述了化学检测方法中的浸提法,物理检测方法中的梯度扩散薄膜技术和光谱分析法,及生物指示法中的指示植物检测法、微生物检测法和动物检测法的研究进展、适用范围及优缺点,概括了目前检测方法存在的主要问题是不能同时满足大面积监测和精确检测两个方面。并指出快速、大面积、原位测定污染物种类和含量,采取相应措施保障粮食安全及人类身体健康是目前迫切需要解决的问题。本文将土壤-植物-人作为一个整体,了解重金属有效态在该系统中的迁移富集机理,认为在此基础上选择合适的数据处理方法及建模参数,结合遥感、地理信息系统和全球定位系统对土壤重金属污染进行原位立体监测,是未来土壤重金属有效态含量检测与监测研究的主要发展方向。     

评估土壤微量元素生物有效性测定方法

Trace element-contaminated soils (TECSs) are one of the consequences of the past industrial development worldwide.Excessive exposure to trace elements (TEs) represents a permanent threat to ecosystems and humans worldwide owing to the capacity of metal(loid)s to cross the cell membranes of living organisms and of human epithelia,and their interference with cell metabolism.Quantification of TE bioavailability in soils is complicated due to the polyphasic and reactive nature of soil constituents.To unravel critical factors controlling soil TE bioavailability and to quantify the ecological toxicity of TECSs,TEs are pivotal for evaluating excessive exposure or deficiencies and controlling the ecological risks.While current knowledge on TE bioavailability and related cumulative consequences is growing,the lack of an integrated use of this concept still hinders its utilization for a more holistic view of ecosystem vulnerability and risks for human health.Bioavailability is not generally included in models for decision making in the appraisal of TECS remediation options.In this review we describe the methods for determining the TE bioavailability and technological developments,gaps in current knowledge,and research needed to better understand how TE bioavailability can be controlled by sustainable TECS management altering key chemical properties,which would allow policy decisions for environmental protection and risk management.     

松嫩平原黑土核心区土壤砷空间变异特征及污染评价

基于多目标区域地球化学调查数据,采用地统计分析与GIS空间分析方法,对松嫩平原黑土核心区土壤As含量进行冷热点分析和空间变异特征分析,运用地累积指数法、潜在生态风险指数法对研究区土壤As污染进行了评价。结果表明:研究区土壤As含量范围在2.1～107.7 mg/kg,平均含量9.09 mg/kg,略高于黑龙江省松嫩平原土壤As含量背景值;土壤As高值聚类区主要分布在呼兰河上游,低值聚类区主要分布在呼兰河下游和松花江流域;土壤As含量具有强烈的空间自相关性,以结构性变异为主,空间分布受成土母质、水系等因素影响显著;研究区98.52%的地区为无污染的状态,99.88%的地区为低潜在生态风险。建议通过改善农业耕作方式、调整种植结构、减少农药和化肥使用量等人为因素来减缓土壤中As含量增加的趋势。     

污泥与施污土壤重金属生物活性及生态风险评价

将城市污泥以不同质量比施于土壤中构成污泥混合土壤,研究各污泥配比土壤中重金属的生物活性,并采用三种重金属评价方法(地累积指数法、潜在生态风险指数法、综合毒性指数模型)和黑麦草对重金属的吸收富集效果来对施污土壤中重金属具有的生态风险性进行评价。结果表明:污泥的添加使土壤中生物活性态Cd、Cu和Zn含量显著增加,对三种重金属具有活化作用,但对Pb却起到钝化作用。生态风险评价结果表明:污泥的添加使土壤中Pb呈现无污染和低生态风险;Cu和Zn呈现中度污染和低生态风险;Cd达到强度污染和重度生态风险,重金属潜在生态风险(RI)总体处于强度生态风险水平。当污泥添加比例大于6:10(污泥S3处理)时,施污土壤中重金属的综合毒性指数高于土壤对照。黑麦草对Cd、Pb、Cu和Zn的富集浓度与施污土壤中对应重金属的生物活性态含量存在显著正幂指数关系,同时黑麦草对施污土壤中Cd、Cu和Pb的富集能力大小与地累积指数法和潜在生态风险指数法对三种重金属具有的生态风险性的评价结果具有一致性。     

Assessment of potassium speciation in soil using traditional single leaching and modified sequential extraction processes

Purpose

The bioavailability of potassium (K) depends on its speciation distribution in the soil. Different methods are commonly used to estimate K speciation including traditional single leaching (TSL) and sequential extraction process (SEP). However, K speciation is largely affected by soil pretreatment methods. The effects of both TSL and SEP soil pretreatment methods were evaluated.

Materials and methods

The TSL method classifies K speciation content based on bioavailability, while the SEP classifies the metal speciation based on the effects of environmental conditions. These two methods, together with a modified sequential single leaching (SSL) scheme, were used to evaluate five types of soil including soil without potassium fertilization, soil with long-term K fertilization, alkaline soil, red soil, and forest soil. The soil samples were gathered randomly at depths varying up to 30 cm before being dried in air at room temperature. The samples were then ground and mixed before passing through a sieve (10 mesh or 100 mesh) in order to perform K speciation analysis via the modified SSL technique, the TSL method, and the four schemes of SEP.

Results and discussion

Soil pretreatment influenced K speciation, with higher concentration in soil samples sieved through 100 mesh than through 10 mesh. In alkaline soil, potassium was observed to be associated with carbonate. For the various SEP schemes, K speciation was found to be greatest in the residual fraction, with only 3% observed in the carbonate, exchangeable, metal organic complex, or amorphous hydroxides of Fe or Mn. After following the first two steps of the SEP schemes, the available K was similar to that of the TSL method. Distribution of non-exchangeable K using the TSL method was comparable with the five combined SEP extraction steps which were all affected by environmental conditions.

Conclusions

Pretreatment affected K speciation distribution and total amount of metal in the soil. The 100 mesh sieve was more effective in estimating K soil speciation. The SEP method was acceptable for estimating K speciation, with the Krishnamurti et al. (Analyst 120:659–665, 1995) scheme as a useful appraisal of K bioavailability. Combination analyses using both TSL and SEP methods are useful techniques to enable a better understanding of K speciation transformation in soil.

     

滩涂围垦区土壤重金属调查及生态风险评价——以盐城市弶港镇为例

以苏北盐城弶港镇滩涂围垦土壤为研究对象,进行了重金属Cr、Pb、As、Cd、Hg的测定及其风险评价,为我国沿海滩涂种植业的发展提供依据,并为其他国家和地区相关研究提供参考。结果表明,该区域土壤中5种重金属含量均未超过《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）一级标准限制,农田土壤Cr、As、Cd含量较高,郊区菜地土壤Pb、Hg含量较高;重金属Cr、Pb、As、Cd含量在不同土地利用类型间存在显著性差异;Hg含量差异不显著。采用地积累指数法进行评估可知,土壤没有受到单项重金属污染。依据内梅罗综合指数法评估可知,潮间带沉积物、工业区土壤、滩涂围垦熟化的土壤没有受到重金属污染;郊区菜地与农田土壤的污染等级已达到警戒线,污染水平属于＂尚清洁＂。Hakanson潜在生态风险评价结果表明,区域内土壤重金属处于无风险等级,尚不具有潜在生态风险。