老化对土壤中芘的生物有效性的影响

利用蚯蚓作为测试生物,以蚯蚓积累因子作为芘对蚯蚓生物有效性的指标,重点考察了老化(增加污染物和土壤之间的接触时间)对土壤中芘的蚯蚓生物有效性的影响。实验结果表明,未老化土壤中芘的蚯蚓积累因子为0.052~0.452,而土壤老化10 d和120 d后蚯蚓积累因子分别下降到0.036~0.367和0.029~0.126。这说明在老化过程中可能有越来越多的芘进入了蚯蚓不可接触的区域,从而不具备生物有效性。实验结果还说明前10 d内老化过程对芘生物有效性的影响最大,之后老化对芘生物有效性的影响逐渐变弱。     

蚯蚓生物积累表征土壤中芘的生物有效性研究

利用蚯蚓作为测试生物，引入蚯蚓-土壤积累因子(Earthworm-Soil Accumulation Factor，ESAF)，就不同土壤中芘对蚯蚓的生物有效性进行了考察和研究。试验结果表明，蚯蚓在土壤中培养10d，体内积累芘的浓度达到平衡，积累浓度与土壤初始染毒浓度成显著正相关；土壤性质对土壤中芘的生物有效性具有非常重要的影响，土壤有机质、粘土矿含量越高，对芘的吸持能力越强，ESAF越小。     

土壤的老化对PCB138的可提取性和生物可利用性的影响

为探讨老化行为对多氯联苯(Polychlorinated biphenyls,PCBs)在土壤中的可提取性和生物可利用性的影响,选取2,2′,3,4,4′,5-六氯联苯(PCB138)作为目标污染物,进行90 d的老化试验,比较了超纯水提取、正丁醇溶液提取、超声提取(正己烷/丙酮)和索氏抽提(正己烷/二氯甲烷)等4种方法对土壤中不同老化时间PCB138的提取率;以赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)为土壤模式参照生物,在不同的老化时间里测定蚯蚓体内PCB138的含量与脂肪含量。结果表明,4种方法提取PCB138的能力依次为索氏抽提(正己烷/二氯甲烷)≈超声提取(正己烷/丙酮)正丁醇提取超纯水溶液提取;索氏抽提、超声提取和正丁醇溶液提取的提取率从最初的87%~93%、85%~90%、50%~60%分别下降到70%~76%、65%~73%、25%~45%,在30~45 d时总提取量保持稳定,而超纯水提取PCB138的量有限,显示出最低的提取能力且为非重复性结果。PCB138在蚯蚓体内富集量随接触时间增加而增加,在老化30 d左右其体内PCB138富集量最大;在老化30~60 d时,蚯蚓体内的PCB138的含量逐渐下降,健康状况良好的蚯蚓脂肪含量有所下降但不明显。正丁醇溶液提取、超声提取和索氏抽提对PCB138的提取率,以及老化土壤中蚯蚓对PCB138的富集量,均说明PCB138在土壤中的生物有效性随着老化时间的延长而降低。     

芘在土壤中的吸附和解吸行为研究

研究了芘在6种有机质和黏粒含量不同的土壤中吸附和解吸行为。结果表明,各土壤对芘的吸附速率很快,2d即可达到稳态,而芘的解吸速率却很缓慢,出现了解吸滞后现象。Freund lich方程能够很好的拟合6种土壤的吸附等温线,芘在土壤中的吸附自由能变化量为7.02~14.43 kJ.mol-1,表明芘在土壤中的吸附以物理吸附为主。芘在土壤中的吸附常数在0.059~30.966之间,当土壤有机质含量高于1%时,吸附常数与土壤有机质含量成正比,而解吸速率与有机质含量成反比,解吸进行30 d,只有9.84%~54.59%吸附的芘从土壤中解吸;有机质含量低于1%时,黏粒和有机质含量都对土壤的吸附/解吸能力有重要影响。     

土壤基本理化性质对外源镉蚯蚓慢性毒性的影响

为了给污染土壤生态风险评价和构建土壤生态筛选基准提供基础参考数据,参考经济合作与发展组织(OECD)颁布的蚯蚓慢性毒性试验方法,研究了镉在我国18种典型土壤中对赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)的慢性毒性。结果表明,镉在不同类型土壤中对蚯蚓产茧量最大无影响浓度NOEC变化范围为10~100 mg·kg~(-1),半数有效抑制浓度EC_(50)变化范围为66.5~263.5 mg·kg~(-1)。土壤基本性质显著影响着镉的生物毒性,通过对EC_(50)与土壤的主要理化性质逐步多元回归分析,发现土壤pH值和有机质含量与EC_(50)呈显著正相关关系,黏粒与EC_(50)呈显著负相关关系,三种因子共同控制了EC_(50)预测回归模型变异的89.1%。同时分析不同类型土壤中蚯蚓体内镉积累量变化可知,土壤pH越高,有机质含量越高,土壤中镉生物有效性就越低。     

新烟碱类杀虫剂哌虫啶在3种典型土壤中的生物有效性

为探究新烟碱类杀虫剂哌虫啶在3种典型土壤中的降解及其生物有效性,本研究在室内模拟土壤生境,以赤子爱胜蚯蚓和哌虫啶分别作为受试模式生物和目标污染物,采用蚯蚓生物富集量和间接生物测量法,研究哌虫啶在不同类型土壤中的生物有效性。研究结果表明：哌虫啶在棕壤、红壤和黑土中的降解半衰期分别为11.45~12.62、12.42~14.38 d和5.19~10.21 d,在3种典型土壤中的降解速度为黑土>棕壤>红壤。哌虫啶在蚯蚓体内的生物累积量随其在土壤中含量的增加而增大,在10 mg·kg^-1哌虫啶处理下,棕壤、红壤和黑土中蚯蚓体内哌虫啶的含量分别为190、210 ng·g^-1和160 ng·g^-1,生物富集法研究表明,哌虫啶在黑土中的生物有效性较低,在红壤和棕壤中的生物有效性相对较高。不同处理的蚯蚓受到哌虫啶的氧化胁迫,其蛋白质含量、抗氧化酶活性、谷胱甘肽巯基转移酶活性和丙二醛含量具有显著的差异性（P<0.05）,各指标在黑土中受到的影响较小,在棕壤和红壤中受到的影响较大,哌虫啶在有机质含量丰富的黑土中生物有效性较弱,而在棕壤和红壤中生物有效性较强。     

蚯蚓回避反应在生态毒理研究中的应用进展

从回避反应的原理和试验装置、回避试验应用现状、影响回避反应的因素即化学物质的生物可利用性、土壤类型、蚯蚓种类、实验蚯蚓污染暴露史三方面进行综述,指出蚯蚓回避反应存在的问题、提出完善蚯蚓回避试验标准方法及利用回避试验监测生物修复是今后的重要发展方向。     

玉米秸秆生物炭及其老化对石灰性农田土壤氨挥发的影响

为探明玉米秸秆粉末、新鲜和老化(自然老化、高温老化、冻融循环老化)玉米秸秆生物炭对黄土高原石灰性农田土壤氨挥发的影响,将不同材料按2%(质量比)与土壤充分混匀,开展为期29 d的室内静态土壤培养实验,研究土壤氨挥发速率的日变化以及整个培养期间的氨挥发累积量。同时,为探究不同材料对土壤氨挥发影响的机理,测定了培养初态和终态土壤样品的无机氮含量、氨氧化速率和氨氧化细菌数量,并研究了不同材料对水中NH_4~+-N的吸附特性。结果表明,在整个培养过程中,与未添加外源材料处理相比,添加冻融循环老化生物炭或高温老化生物炭处理的氨挥发累积量减少了30%,添加自然老化生物炭或新鲜生物炭处理的氨挥发累积量减少了23%,添加玉米秸秆粉末处理的氨挥发累积量减少了19%。施氮肥后1~10 d为土壤氨挥发的主要阶段,该阶段氨挥发累积量占整个培养过程氨挥发累积量的90%以上。不同材料对土壤氨挥发影响的机理研究表明,冻融循环老化生物炭和高温老化生物炭较强的氨挥发抑制作用与其较强的土壤氨氧化促进作用以及NH_4~+-N吸附能力有关。本研究有助于深刻理解新鲜和老化玉米秸秆生物炭还田对石灰性农田土壤氨挥发的影响,为降低土壤氨挥发提供有效途径,为生物炭在黄土高原的农业工程应用提供理论借鉴。     

全灭菌环境下蚯蚓和堆肥对土壤五氯酚老化过程的影响

通过全灭菌环境下的土壤五氯酚(PCP)污染模拟实验,分别测定水提取态、乙醇提取态、腐殖质固定态以及蚯蚓生物累积态PCP的变化,研究添加两种不同蚯蚓品种(赤子爱胜蚓和壮尾环毛蚓)和堆肥对土壤PCP老化过程的影响。结果显示,在42d的培养期内,水提取态PCP在全灭菌土壤对照和添加灭菌堆肥的处理中随时间推移逐渐下降,存在明显的老化效应。在蚯蚓处理中,水提取态PCP呈现先下降后上升的趋势,说明蚯蚓促进土壤PCP的解吸附,这主要与蚯蚓的生物扰动作用以及调节土壤pH趋向中性的作用直接相关。培养结束时,蚯蚓能够有效促进土壤PCP向腐殖质固定态转化,并进一步促进PCP的去除,这与蚯蚓提高土壤腐殖质的含量,促进PCP的化学还原转化作用以及蚯蚓自身对PCP的消解作用有关。壮尾环毛蚓比赤子爱胜蚓更能有效促进PCP的转化与去除,这与两者的生活习性不同有关。灭菌堆肥对全灭菌土壤PCP向其他形态转化的影响不显著。     

基于DGT技术分析土壤重金属Cd、Ni的老化特征

为明确重金属在土壤中的老化进程,锁定关键影响因子,采用梯度扩散薄膜(DGT)技术探究了外源添加Cd和Ni两种重金属在6种不同类型土壤中的老化特性,并探讨了影响重金属老化过程的关键因子。结果表明:Cd、Ni在不同土壤中的老化过程差异性明显,Ni比Cd更易老化。进入土壤中的重金属老化过程大致分为3个阶段,添加后20～30 d为快速老化阶段,30～60 d为缓慢老化期,除个别高污染土壤外,其余土壤均在60 d后基本达到平衡。数据分析结果表明,6种土壤中Cd、Ni的老化平衡浓度由初始浓度决定,初始浓度、CEC等因子为影响Cd、Ni老化速率的主控因素。DGT作为一种原位、非破坏性、不引入外源离子的监测技术,可以动态展示土壤外源添加重金属在老化过程中的活性变化,对评估土壤重金属污染风险具有重要参考价值。     

两种生态型蚯蚓对四环素污染土壤中酶活性和细菌群落结构的影响

土壤酶和微生物可参与土壤中诸多复杂生物化学过程,是指示土壤自净能力和土壤肥力的关键生物学指标。本试验以赤子爱胜蚓(表层种)和壮伟环毛蚓(内层种)为工程生物,研究两种不同生态习性的蚯蚓在不同时间段(0、10、20、30d和40d)对四环素污染土壤酶活性的影响,以期明确蚯蚓对四环素污染土壤的自净能力和土壤肥力的影响程度。利用冗余分析明确蚯蚓通过改变何种环境因子影响四环素污染土壤的酶活性,利用高通量测序分析蚯蚓对四环素污染土壤细菌群落结构的影响。结果显示,试验结束时(40 d),添加蚯蚓的土壤中蔗糖酶(2.15~4.98 mg g-1 d-1)、脲酶(0.55~1.70 mg g-1 d-1)、过氧化氢酶(0.54~1.08 mL g-120 min-1)和脱氢酶活性(0.78~5.14 g g-1 d-1),显著高于自然土壤(3.24 mg g-1 d-1、0.66 mg g-1 d-1、0.89 mL g-120 min-1和2.03 g g-1 d-1)和灭菌土壤(0.70 mg g-1 d-1、0.23 mg g-1 d-1、0.24 mL g-120 min-1和0.21 g g-1 d-1),但添加蚯蚓中酸性磷酸酶活性(0.02~0.15 mg g-1 d-1)显著低于自然土壤(0.17 mg g-1 d-1)和灭菌土壤(0.04 mg g-1 d-1)。添加蚯蚓显著改变了土壤原有的细菌群落结构,提高了四环素污染土壤中的变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)的微生物群落丰度,降低了绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(A ctinobacteria)、酸杆菌门(A cidobacteria)和芽单胞菌门(G emmatimonadetes)中的微生物群落丰度。冗余分析表明,两种生态型蚯蚓主要通过影响土壤pH值、有机质、胡敏酸和胡敏素等环境因子,提高土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性,抑制土壤酸性磷酸酶活性。赤子爱胜蚓对土壤蔗糖酶促进作用显著优于壮伟环毛蚓,而壮伟环毛蚓对脲酶和过氧化氢酶的促进作用优于赤子爱胜蚓。     

土壤B[a]P多次叠加污染对蚯蚓体腔细胞的毒性效应

苯并[a]芘(benzo[a]pyrene,B[a]P)是多环芳烃类有机污染物,在土壤中逐步累积,对土壤环境造成潜在的威胁。一次污染条件下,B[a]P进入土壤的过程与低剂量逐步累积的过程有一定差异,在一定程度上会高估B[a]P的环境风险。本试验采用多次叠加污染的方法,模拟B[a]P在土壤中逐步累积的过程,研究土壤B[a]P叠加污染的有效性特征及其在蚯蚓(Eisenia foetida)体内的富集规律,分析蚯蚓体腔细胞的毒性效应。结果表明:随着B[a]P在土壤中培养时间的增加,土壤B[a]P有效含量、蚯蚓体内B[a]P富集量和蚯蚓体腔细胞MDA含量均呈前期(1~28 d)下降速率较快,后期(29~56 d)下降速率逐渐减缓的趋势,且蚯蚓体内B[a]P富集量与土壤B[a]P有效含量(Tenax-TA提取量)之间呈极显著正相关(P0.01),相关系数(R2)为0.893 2。叠加污染条件下,0~20 cm和20~40 cm土壤中B[a]P平均有效含量比一次污染低23.38%(P0.05,14和28 d的20~40 cm叠加污染土壤除外);在1、7、14、28和56 d所取土样培养的蚯蚓,其体内B[a]P富集量是一次污染的22.42%~77.42%,蚯蚓体腔细胞MDA含量在14 d时分别比一次污染低13.76%和41.38%,这表明土壤B[a]P多次叠加污染对蚯蚓体腔细胞的毒性效应低于一次污染,叠加污染更能客观反映污染物的真实毒性效应。     

蚯蚓对土壤-植物系统中菲、芘降解的强化效应研究

采用盆栽试验方法,研究了蚯蚓(Pheretima sp.)对土壤-植物系统中菲、芘的去除效果的强化作用及对土壤酶活性的影响.结果表明,在试验浓度范围(0～322mg·kg-1)内,蚯蚓对供试植物苏丹草(Sorghum vulgare L.)生长促进作用显著.接种蚯蚓的土壤中,苏丹草在菲、芘各浓度下总生物量较未接种蚯蚓土壤分别提高14.41%～25.91%、14.39%～23.9%;蚯蚓活动可促进土壤-植物系统中菲、芘的降解,接种蚯蚓处理中菲、芘各浓度下降解率较未接种蚯蚓处理分别高4.20%～9.76%、3.69%～9.38%.土壤酶活性测定结果也显示蚯蚓活动可增加土壤酶的活性.     

我国典型农田土壤中Cr(Ⅵ)的老化过程及主控因子

土壤性质对外源Cr(Ⅵ)的老化具有重要影响。我国土壤类型多样,对Cr(Ⅵ)在不同农田土壤中的老化过程及主控因子的研究尚不完善。本研究采集了我国12种性质不同的农田土壤,采用0.05 mol·L^-1 EDTA作为有效态提取剂,耦合HPLC-ICP-MS联用技术、动力学模型拟合和多元线性回归等手段,探讨了外源Cr(Ⅵ)在老化过程中有效态Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)动态变化过程及主控因子。结果表明,外源Cr(Ⅵ)添加到土壤后起初60 d,土壤中有效态Cr(Ⅵ)从6.71%~68.71%迅速下降到4.53%~45.17%,之后趋势变缓并逐渐平稳(3.25%~34.35%)。二级动力学模型可以较好地描述所有土壤中有效Cr(Ⅵ)的老化过程(R^2>0.99);土壤性质与二级动力学模型中老化速率的逐步回归分析结果表明,土壤pH是控制Cr(Ⅵ)老化速率的主控因子。基于二级动力学模型,推导得出Cr(Ⅵ)进入土壤后的近似老化平衡时间为6~158 d,其主控因子为pH和有机质。此外,Cr(Ⅵ)老化过程中,还原产生的有效态Cr(Ⅲ)在2 d到30 d呈现快速上升,到达最高值(0.27%~3.27%)后迅速下降,最后趋于稳定(0.01%~2.19%),其老化过程可能与Cr(Ⅵ)的还原与老化及Cr(Ⅲ)自身老化有关。     

高锰酸钾氧化修污染土壤中菲和芘的研究

利用人工污染土壤,研究了高锰酸钾对4种不同土壤中菲和芘的氧化修复效果。结果表明,当高锰酸钾浓度为33.33mmol·L-1时,土壤中菲和芘的氧化去除率达到最大。高锰酸钾氧化去除率不仅与高锰酸钾浓度有关,还与土壤性质和老化时间有关。土壤有机质含量的增加会降低高锰酸钾对土壤中菲和芘的氧化去除率;随着老化时间的增加,高锰酸钾的氧化去除率逐渐降低。老化40d后,4种土壤中菲和芘的氧化去除率显著降低,菲的氧化去除率在14%～67%之间,芘的氧化去除率在61%～84%之间。高锰酸钾氧化前后,4种土壤中有机质含量下降范围为0.77%～9.21%。从土壤有机质含量来看,高锰酸钾氧化修复多环芳烃污染土壤对土壤质量影响较小,具有较好的应用前景。     

老化生物炭对小白菜积累重金属的影响

[目的]生物炭对土壤中的重金属具有较强的吸附固定能力,能够降低重金属的植物可累积性。生物炭进入土壤后,在各种生物及非生物氧化作用下发生老化,而老化后的生物炭对土壤重金属的有效性以及对植物累积重金属的影响等方面的研究较少。[方法]本研究以氧化剂-干湿-冻融交替循环的方法对新鲜制备的生物炭(原始炭)进行老化,比较生物炭老化前后的阳离子交换量(CEC)、元素含量和表面官能团等参数的变化,并通过盆栽实验,探究生物炭老化前后对小白菜积累重金属(Pb、Cu、Cd)的影响。[结果]结果显示:与原始炭相比,老化作用能够增加生物炭的CEC、O/C值以及生物炭表面羟基和羰基的数量。相比未添加炭处理(对照组),老化炭的施用显著增加了土壤pH值和有机质含量(P0.05)。而老化炭对土壤重金属有效态含量表现为显著降低,且施加量越大,效果越明显。即相比对照,5%老化炭处理下土壤中Pb、Cu、Cd的减少率分别为12.42%、11.67%、11.21%。相应地,老化炭的添加显著降低了小白菜体内重金属累积量(P0.05),即未添加炭处理中小白菜体内Pb、Cu、Cd的含量分别为24.33 mg·kg~(-1)、28.8mg·kg~(-1)、0.2mg·kg~(-1),而在5%老化炭处理下小白菜体内Pb、Cu、Cd的含量各减少至3.33 mg·kg~(-1)、7.23mg·kg~(-1)、0.03mg·kg~(-1)。[结论]因此,老化生物炭依然能有效降低土壤重金属的生物有效性,说明生物炭对重金属污染土壤的修复具有一定的长期稳定性。     

土壤中微量元素的环境化学特性

论述了微量元素在土壤中的迁移、存在状态,探讨了影响微量元素化学行为及生物有效性的主要土壤环境因素,分析了这些元素在土壤中形态转化的机制及平衡状况,为评价土壤中微量元素的变化,提高其生物有效性提供依据。     

化学提取法预测土壤中镉对蚯蚓的毒性效应

以赤子爱胜蚓为实验生物,通过慢性毒性实验研究了黑土中生物有效态镉(Cd)对蚯蚓的毒性效应。采用梯度扩散薄膜技术(DGT)、土壤溶液法、CaCl2提取法和醋酸提取法分别测定土壤中的有效态Cd含量,研究蚯蚓体内活性氧(ROS)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、脂质过氧化物(MDA)和金属硫蛋白(MT)等生化指标在土壤Cd胁迫下的响应,进而探讨生物有效态Cd与蚯蚓毒性效应之间的相关性。结果表明,4种化学提取法获得的有效态Cd含量与蚯蚓体内Cd含量呈极显著相关(P<0.01)。通过综合比较毒性试验各种指标,获得黑土中4种化学提取法Cd对蚯蚓产生早期伤害的阈值范围:DGT-Cd 2.00~12.7μg·L-1、土壤溶液法Cd 0.388~2.04μg·L-1、HAc-Cd 0.813~2.90 mg·kg-1和CaCl2-Cd 0.0292~0.0802 mg·kg-1,对应研究土壤中1.0~5.0 mg·kg-1的总Cd含量。利用指数吸收模型对4种有效态Cd含量和蚯蚓的生理生化指标进行拟合,具有良好的相关性,说明有效态Cd与蚯蚓的部分毒性效应之间存在剂量-效应关系。研究结果掲示了土壤有效态Cd-生物富集-毒性效应之间的关系,可为土壤污染的早期预警以及风险评价提供技术支撑。     

高锰酸钾氧化修复污染土壤中菲和芘的研究

利用人工污染土壤,研究了高锰酸钾对4种不同土壤中菲和芘的氧化修复效果。结果表明,当高锰酸钾浓度为33.33 mmol·L-1时,土壤中菲和芘的氧化去除率达到最大。高锰酸钾氧化去除率不仅与高锰酸钾浓度有关,还与土壤性质和老化时间有关。土壤有机质含量的增加会降低高锰酸钾对土壤中菲和芘的氧化去除率;随着老化时间的增加,高锰酸钾的氧化去除率逐渐降低。老化40 d后,4种土壤中菲和芘的氧化去除率显著降低,菲的氧化去除率在14%～67%之间,芘的氧化去除率在61%～84%之间。高锰酸钾氧化前后,4种土壤中有机质含量下降范围为0.77%～9.21%。从土壤有机质含量来看,高锰酸钾氧化修复多环芳烃污染土壤对土壤质量影响较小,具有较好的应用前景。

     

生物质炭对土壤中PAHs总量及有效性的影响研究

通过24周的土壤培养实验,研究了生物质炭添加量(0.1%、1.0%、2.0%)对土壤中菲和芘的化学可提取总量、挥发量及基于聚甲醛膜(POM)提取的生物有效性含量的影响。结果显示:与对照相比,添加生物质炭使土壤中菲和芘的总量分别下降了15.6%~25.0%和12.8%~30.3%,有效性分别下降了14.7%~37.3%和23.4%~49.8%;培养前6周,添加生物质炭使土壤中菲的挥发量显著减少了70.4%~72.4%,芘的挥发量减少了36.2%~48.9%,此后土壤中菲、芘挥发量趋于稳定,各处理间无显著差异(P0.05)。研究表明,生物质炭在降低土壤中PAHs的总量及有效性含量方面具有剂量效应,但对PAHs挥发量的抑制作用的剂量效应与PAHs的种类有关。