弹尾目昆虫在土壤重金属污染生态风险评估中的应用

土壤弹尾目昆虫作为无脊椎动物和中型土壤动物的典型代表,其具有丰富的种类和巨大的生物量,在重金属污染环境评估中具有十分重要的地位和独特的优势。本文简要概述弹尾目昆虫在污染土壤生态风险评估中、生态毒理学研究以及其他相关生物标志物研究上的一些方法体系及检测主要指标参数（群落结构,种群特征,生存率,生长率,繁殖率,金属硫蛋白和酶活指标）。最后对弹尾目昆虫在重金属污染土壤生态风险评估应用中目前存在的一些问题和应用前景进行了分析讨论。     

土壤锌 镉单一及复合污染对蚯蚓金属硫蛋白含量的影响

蚯蚓金属硫蛋白（MT）是指示土壤污染程度的生物标志物。为揭示土壤镉（Cd）、锌（Zn）污染的生态效应,采用土壤染毒法,研究了Cd、Zn单一与复合污染对赤子爱胜蚓体内金属硫蛋白（MT）含量的影响。结果表明,无论是单一还是复合污染,Cd都明显诱导了蚯蚓MT的合成,随着Cd胁迫浓度和时间的增加,蚯蚓MT的含量均显著上升。与Cd相比,单一Zn污染对MT的影响要小得多,胁迫28 d后MT含量才有升高。Cd、Zn复合污染的效应在不同的Cd、Zn浓度组合下存在较大差异,同时也与暴露时间密切相关。当Cd处理为100 mg·kg^-1时,Zn完全表现为拮抗作用;而在300 mg·kg^-1 Cd胁迫浓度下,Cd、Zn复合对MT的影响随Zn浓度和暴露时间变化而出现不同的效应：当Zn为100 mg·kg^-1时,MT表现出协同-拮抗-无影响的趋势,而在500 mg·kg^-1的Zn处理下,MT含量在28 d后显著下降。研究结果显示,蚯蚓MT是指示土壤Cd污染的有效指标,而Zn在一定程度上能缓解Cd对蚯蚓的毒害作用。     

内外生菌根真菌对重金属的耐受性及机理

本文从内外生菌根真菌对重金属的耐受性和耐受机理,以及将菌根真菌作为重金属污染程度的生物指示剂和重金属生物修复等方面对菌根真菌和重金属的相互作用作了较全面的论述。重金属对生物圈的污染是一个严重的环境和健康问题。某些内外生菌根真菌对重金属具有耐受性。菌根真菌菌丝能与金属相结合而限制它们向菌根植物地上部迁移,从而可达到植物稳定和保护植物免遭重金属毒害的目的。内外生菌根真菌对重金属的耐受性因菌种、重金属种类和浓度、与宿主植物共生与否以及所生长的土壤条件等而异,同时种内菌株之间也有差异。菌根真菌通过离子交换,络合物的形成,沉淀或结晶化作用等方式获得对重金属的耐受性,其子实体内重金属含量,繁殖体密度和侵染势可作为重金属污染程度的生物指示剂。     

府河-白洋淀沉积物中重金属污染特征及潜在风险评价

沉积物重金属污染是水环境污染评价的重要内容,重金属含量水平常被作为水环境质量的重要指标之一。为了掌握华北平原的府河和白洋淀中沉积物重金属的污染水平,研究了19个沉积物样品和3个土壤样品中7种重金属的污染特征,利用地积累指数法、潜在生态危害指数法及生物效应浓度法评估了重金属的环境风险,并初步分析了污染来源。结果表明,府河和白洋淀沉积物受多种重金属复合污染,其中Zn、Pb、Cu和Cd污染较为严重,府河沉积物的潜在生态环境危害强于白洋淀。相关分析显示府河和白洋淀重金属污染具有相似污染源,保定市工业废水、生活污水及府河沿岸金属冶炼企业很可能是白洋淀地区重金属的主要来源。从城市环境管理、生态环境修复、宣传教育等方面提出白洋淀区域重金属污染控制对策与建议,为白洋淀区域生态环境保护提供科技支撑。     

基于分子模拟分析的紫贻贝体内重金属Cd2+脱除机制

采用海水中添加制备的蛋白水解肽-Fe~(2+)配合物(TPH-Fe~(2+))暂养处理紫贻贝,结合分子同源模建、动力学模拟及相互作用能分析技术,探索TPH-Fe~(2+)对紫贻贝体内Cd~(2+)的脱除作用机制。结果显示,添加40 mg/L TPH-Fe~(2+)净化处理15 d后,紫贻贝体内Cd~(2+)质量分数由47.099μg/g降低至24.221μg/g,脱除效率显著(P0.05)。进而以老鼠金属硫蛋白(metallothionein from rat,记为1DFT)为模板,同源模建出紫贻贝金属硫蛋白中β-结构域(metallothionein,MT)的三维结构,通过MT-Cd~(2+)、MT-Fe~(2+)、MT-Cd~(2+)+水解肽、MT-Fe~(2+)+水解肽等体系分子动力学模拟及半经验量子力学计算发现,紫贻贝体内Cd~(2+)脱除机制可能为水解肽携带Fe~(2+)到达机体靶向器官或位点遇到MT-Cd~(2+)复合物后,降低了MT与Cd~(2+)间的结合力,便于MT解脱Cd~(2+)并恢复活性,同时释放的Fe~(2+)可与Cd~(2+)竞争性结合MT,从而起到协助脱除Cd~(2+)的效果。研究表明,蛋白水解肽-Fe~(2+)配合物有效脱除贻贝体内Cd残留,可作为一种双壳贝类养殖饲料添加剂加以应用。     

植物重金属转运蛋白及其在植物修复中的应用

植物修复技术已成为解决土壤重金属污染的一个绿色环保方法。利用基因工程和分子生物学技术,已经鉴定出一系列与重金属转运相关的蛋白及基因,包括ZIP家族、ABC载体、有机汞裂解酶基因merB、Hg离子还原酶基因merA和金属S蛋白基因MT等。本文着重从细胞、亚细胞水平上综述了一系列重金属转运蛋白的相关分子生物学研究进展及其在植物修复上的应用。     

Cd Pb单一及复合污染沉积物对铜锈环棱螺肝胰脏SOD和MT的影响

以实验室培养的铜锈环棱螺（Bellamya aeruginosa）为测试生物,采用28d沉积物生物毒性测试研究了Cd、Pb单一及复合污染沉积物对铜锈环棱螺肝胰脏超氧化物歧化酶（SOD）活性和金属硫蛋白（MT）含量的影响,并分析了Cd和Pb对SOD和MT的联合作用特征。结果表明,Cd、Pb单一污染沉积物均对肝胰脏SOD活性具有显著的促进作用,且SOD活性随胁迫浓度的增加而升高,中、高浓度Pb胁迫下的SOD活性显著高于相应浓度的Cd胁迫。低浓度Cd、Pb单一胁迫对MT没有影响,中、高浓度Cd胁迫引起MT水平显著升高,而中、高浓度Pb胁迫导致MT水平显著下降。低、中和高浓度Cd-Pb复合胁迫均对肝胰脏SOD活性具有显著的促进作用,且SOD活性随胁迫浓度的增加而升高,但低于Cd、Pb单一胁迫下的SOD活性。低浓度Cd-Pb联合胁迫对MT没有影响,中、高浓度Cd-Pb联合胁迫导致MT含量显著升高。SOD对Cd-Pb联合胁迫的敏感性高于MT。析因分析表明,Cd-Pb对SOD的联合作用表现为拮抗作用;中、高浓度Cd-Pb对MT的联合作用表现为相加作用,其交互作用机理有待进一步研究。     

转基因植物修复重金属污染土壤研究进展

通过基因工程技术提高植物对金属的耐性,增加金属在植物体内的累积被认为是进行污染土壤生态恢复以及减少食物链金属污染的一条切实可行的有效途径。随着细胞和分子水平上对金属在植物体内的新陈代谢机理的认识及相关基因的不断鉴定,应用转基因技术提高植物对重金属的耐性和积累量的研究已取得了一些进展。本文就近年来分子水平上植物体内金属新陈代谢机理及基因技术在植物修复重金属污染方面的研究进展进行综述。     

食用菌的重金属污染与防治

食用菌栽培产业的扩大及发展,一方面给社会提供了美味和高质量的食品,另一方面也广泛地利用了各种生物废弃物,但后者常常又会由于环境污染而引起食用菌污染(尤其重金属污染)问题,本文就国内外的食用菌重金属污染研究作一综述,并提出了食用菌重金属污染的防治对策。     

砷-重金属复合污染土壤稳定化材料研究进展

我国土壤重金属污染现状十分严峻,多金属复合污染,尤其是砷-重金属复合污染普遍存在,治理难度大。土壤中累积的多金属污染物严重威胁土壤健康、农产品安全与人居环境安全。因此,多金属复合污染土壤修复是土壤污染治理和风险防控的重要命题。固化/稳定化技术是我国最为广泛使用的污染土壤修复技术,通过投加稳定化材料,降低多金属污染物在土壤中的可迁移性与生物有效性,从而实现多金属污染物暴露途径的有效阻断。对砷-重金属型复合污染土壤的稳定化作用机理进行了详细阐述并梳理了应对砷-重金属复合污染土壤的新型修复材料。砷与其它重金属的协同稳定化主要通过表面络合与沉淀作用实现。富含铁、钙元素的材料对这种类型土壤的稳定化具有优异的作用效果。砷-重金属协同稳定化材料的修复效果取决于稳定化材料的类型、复合污染物的种类、材料施用量、土壤条件（如pH,氧化还原电位、阳离子交换量等）,其中pH和土壤可溶性有机质含量对稳定化效果有显著的影响。本文发现,功能化生物质复合材料、工业固废基材料、改性复配天然矿物等绿色修复材料是近年来研究的热点。未来的研究亟须考虑砷与重金属污染物协同稳定剂的长效性,以及通过大田试验验证新型材料的应用潜能。     

Metallothionein Induction in the Sandhopper Talitrus saltator (Montagu) (Crustacea, Amphipoda)

We investigated metallothionein (MT) induction in the talitrid amphipod Talitrus saltator, a well-established biomonitor of trace metal contamination in the supralittoral environment, in response to laboratory exposure to Hg, Cd, or Cu for 3, 6, 24, and 48 h. Analyses were also carried out on animals collected in the wild from six localities along the Tuscan coast with different degrees of trace metal contamination. Animals exposed to Hg in the laboratory showed a strong dose-dependent increase of MT levels after 3 and 6 h; in the following hours (24 and 48 h), the MT concentrations reached control levels, possibly due to a general toxic effect of Hg. For the other metals, MT induction was observed in animals exposed to 10 ppm of Cd and 5 and 10 ppm of Cu. Therefore, despite the positive correlation between MT concentrations and trace metals in sandhoppers collected in the wild, the fast MT response observed in the laboratory suggests an inappropriate use of MT as biomarkers to assess trace metal pollution in coastal areas.     

基于污染损失率法的土壤重金属污染评价及经济损失估算

半定量或定量估算土壤污染造成的经济损失,对开展土壤环境质量评价工作具有重要意义。以长三角典型区张家港市蔬菜地为例,在分析蔬菜地土壤中Cd、As、Cr和Cu4种重金属含量及其变化趋势的基础上,以该地区土壤重金属的基线值为基准,运用污染损失率法,初步估算了重金属污染损失率（重金属污染对土壤的损害程度,%）和土壤进行蔬菜种植利用时的重金属污染经济损失量（万元·a^-1）,并预测了未来10a和20a重金属污染经济损失量。结果表明,张家港市蔬菜地各单项重金属污染损失率在1.00%-1.67%之间,综合重金属污染损失率为5.02%,土壤重金属污染总体较轻,污染等级整体为Ⅱ级,属于尚清洁水平。但如果按照目前重金属积累的趋势发展下去,随着蔬菜种植年限的增加和种植面积的扩大,综合重金属污染损失率将呈不断增加的趋势,导致重金属污染经济损失量不断增加,2009年重金属污染经济损失量约为1998万元·a^-1,2029年将增加到5532万元·a^-1。因此,需要对蔬菜生产系统中重金属的来源进行有效控制,以降低土壤重金属的积累,减少由此带来的经济损失。     

Cd、Pb单一及复合污染下土壤酶生态抑制效应及生态修复基准研究

由于土壤酶活性可有效地反映土壤重金属的污染程度,因此,本文通过研究Cd、Pb单一及复合污染对土壤酶（脱氢酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、淀粉酶和蔗糖酶）活性的影响,以期选取合适的土壤酶指标作为Cd、Pb污染的生物标记物,为建立Cd、Pb污染生态修复的基准提供科学依据。研究结果表明,不同的土壤酶活性对Cd、Pb的敏感性各不相同,并且酶活性随土壤重金属浓度增加表现为叠加效应或拮抗效应。Cd、Pb单一及复合污染对脲酶活性抑制作用显著,Cd、Pb复合污染对脲酶活性表现为叠加效应,因此,脲酶可作为土壤Cd、Pb污染的生物标记物。通过半数生态剂量模型研究发现：Cd、Pb污染下,50%脲酶活性受抑制的毒性阈值分别为2273和2703;Cd污染土壤的生态修复基准值为1.33mg·kg-1,Pb污染土壤的生态修复基准值为106mg·kg-1。     

Development of biomarkers inAporrectodea caliginosa andLumbricus rubellus for detecting exposure to benzo[a]pyrene

Objectives and Methods. The sensitivity of two biomarkers, the neutral red retention assay (NRRA) and cytochrome P450 were evaluated in the earthwormAporrectodea caliginosa for their potential to detect exposure to benzo[a]pyrene (BaP). Cytochrome P450 was also evaluated in the earthwormLumbricus rubellus, and measured using the substrate ethoxycoumarin. Optimal assay conditions (pH, and temperature) were determined, followed by exposure of earthworms to 20 mg/kg BaP (a typical concentration at contaminated sites in New Zealand). Ethoxycoumarin-O-dealkylase (ECOD) activity was measured after 7, 14, and 21 days exposure. The NRRA was evaluated in earthworms exposed to 0.2, 20, and 100 mg BaP/kg, and biomarker responses were compared with effects on body weight. Results and Discussion Benzo[a]pyrene failed to induce ECOD activity in either earthworm species, and therefore it is not useful as a biomarker of BaP exposure and was not evaluated further. In all cases, the NRRA was significantly affected in the absence of any effects on earthworm body weight, indicating that this assay can detect exposure to BaP at a range of concentrations comparable to those found at contaminated sites. The NRRA should be linked to reproductive endpoints, then it can be used as an early warning indicator of adverse effects. Establishing biomarker stability under environmental conditions is an important step in biomarker development. Therefore, the effects of soil type (sandy soil, silt loam, and a clay soil), moisture content (15–30%), and temperature (5–20°) on the NRRA were determined. In all cases, there was no effect on the NRRA, indicating that this assay is very stable under varying environmental conditions. Conclusion and Outlook In conclusion, cytochrome P450 activity does not appear to be a useful indicator of PAH exposure in eitherA. caliginosa or L.rubellus, and due to the inherently low activity, it is not suitable as a routine biomarker for detecting environmental contamination by these compounds. In contrast, the NRRA in the earthworm A.caliginosa is a promising indicator of PAH exposure at the concentrations likely to be found in contaminated sites in New Zealand, and therefore has potential for evaluating these contaminated sites. If the NRRA can be linked to ecologically important life-cycle endpoints, such as reproduction, then it could be used as an early warning indicator of adverse effects at contaminated sites, i.e., by measuring biomarker responses in earthworms from a ‘contaminated area’ and comparing these with earthworms from a matched control area.     

石门雄黄矿周边农田土壤重金属污染及健康风险评估

湖南石门雄黄矿区环境污染及风险是当前国家环保部门和地方政府极为关注的重要环境问题之一。本研究以该矿区周边农田表层土壤为研究对象,调查分析了矿区周边农田土壤重金属污染状况及其空间分布特征,并采用美国EPA土壤健康风险模型评估了其对人体的健康风险。土壤重金属污染评价结果显示:该区土壤受到中度的As污染和Cd污染,As平均含量为80.26 mg/kg,Cd平均含量为0.55 mg/kg;Cu、Zn、Pb含量均未超过国家《土壤环境质量》的二级标准;综合污染指数显示研究区域为中度污染。美国EPA模型评估结果显示:成人和儿童的日暴露量及非致癌健康风险主要途径均为经手–口摄入,Cd对成人和儿童均不存在非致癌风险和总风险,As对儿童非致癌总风险指数为3.36,造成严重的非致癌健康威胁;经呼吸暴露的致癌风险,Cd对儿童和成人均不造成致癌健康影响,As对成人和儿童的平均致癌风险指数为3.13×10~(-4)和5.58×10~(-4),均存在显著的致癌健康风险,且As、Cd对儿童的健康威胁均高于成人。可见,该矿区周边农田土壤中As、Cd污染及其风险应加强控制与治理。     

Phenolic Compounds and Cell Structure in Bilberry Leaves Affected by Emissions from a Zn–Pb Smelter

Vaccinium myrtillus L. is a common shrub in the herbaceous layer of pine forests. In connection with resistance to pollution it has been widely used in the environmental monitoring based on heavy metal accumulations in the foliage. The present study investigates leaves of bilberry growing under influence of emissions from a Zn–Pb smelter. Determination of heavy metal levels by AAS revealed enhanced accumulations of Zn, Pb, Cd, and Fe, and the level of Zn fell into the toxic range compiled for plants of average sensitivity. To verify the significance of metal accumulations occurring in the studied plant, the concentrations of phenolics were quantified by measuring UV absorption of foliage extracts. Phenolics can be used as a potential biomarker of pollution because they participate in plant’s response to accumulation of heavy metals, acting as antioxidants able to scavenge free radicals produced by metal ions. Leaves collected near the smelter contained significantly higher amounts of phenolics. Since these compounds are also responsible for ecological interactions, changes in their concentrations resulting from heavy metal accumulations might also influence other organisms in the ecosystem. To study the role of phenolics in heavy metal accumulations at the cellular level, a special fixation was applied for TEM, involving glutaraldehyde with caffeine, to precipitate phenolics in the cell. A histochemical reaction showed significantly higher electron-opacity, most probably deposits of phenolics, in cells of the leaves collected near the smelter. The subsequent degenerative changes in mesophyll of these leaves were characterized by increased contents of heterogeneous multivesicular structures, degeneration of chloroplasts, and disorganisation of membranes leading to death of the cell and necrosis.     

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。     

天山北坡土壤重金属含量的分布特征及其来源解释

以天山北坡巴里坤 伊吾、新源 巴音布鲁克和昭苏 特克斯3个区段为研究区域, 利用新疆土壤背景值、土壤环境质量二级标准(GB15618-1995)、单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对不同区段土壤重金属含量进行污染评价, 应用多元统计分析方法对不同区段之间的土壤重金属含量及其污染指数进行定量比较, 分析并阐明不同区段土壤重金属含量的分布特征及其污染来源。结果表明: 天山北坡巴里坤 伊吾区段各重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)含量的平均值及其单因子污染指数和综合污染指数比新源 巴音布鲁克区段、昭苏 特克斯区段高, 新源 巴音布鲁克区段的比昭苏 特克斯区段高。巴里坤 伊吾区段土壤重金属污染程度比新源 巴音布鲁克区段、昭苏 特克斯区段高, 新源 巴音布鲁克区段的比昭苏 特克斯区段高。巴里坤 伊吾区段重金属污染除了受成土母质的影响之外, 还受人为因子(交通、工业和农业、旅游业)的影响, 其中PC1方差贡献率为91.22%; 新源 巴音布鲁克区段土壤重金属污染除了受成土母质的影响之外, 还受人为因子(交通和工业)的影响, 其中PC1方差贡献率为67.58%, PC2贡献率为22.47%; 昭苏 特克斯区段土壤重金属污染主要受成土母质的影响, 此外该区段的农业对其也有一定影响, 其中PC1方差贡献率为47.93%, PC2方差贡献率为29.84%。