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土壤生物与土壤污染研究前沿与展望-农事资讯

发布时间:17-03-24 11:45分类:行业资讯
标签:生物及土壤检测仪,土壤呼吸,什么是土壤呼吸
土壤呼吸近乎是陆地生态系统土壤与大气之间CO2交换的*输出途径,直接决定着土壤中碳素周转的速度,土壤呼吸的微小变化将对全球碳收支平衡产生明显的影响,并影响未来大气中CO2浓度的变化情形。随着全球变暖趋势的不断加强、全球土地利用/土地覆被方式的不断变化,将有可能在一定程度上减弱陆地生态系统的碳汇能力,同时增加土壤呼吸的强度,相反如果采用合适的陆地生态系统碳管理政策和实施相应的增汇技术却有可能增加陆地生态系统的碳汇能力。因此,充分认识不同生态系统土壤与大气含碳气体(CO2、CH4、CO)交换过程区域分异的生物环境学机制已引起学术界的高度重视。环境土壤学是研究人类活动引起的土壤环境质量变化,以及这种变化对人体健康、社会经济、生态系统结构和功能的影响,探索调节、控制和改善土壤环境质量的途径和方法。土壤是环境要素之一。从生产的角度看,土壤能为绿色植物提供肥力(水分和养料);从保护环境的角度看,土壤具有同化和代谢进入土壤中的污染物的能力,因而是人类不可缺少的自然资源。环境土壤学是环境问题出现以后在土壤学基础上发展起来的新兴学科,是环境地学的一个分支。土壤同绿色植物有着密切的相互依存的关系。因此从广义上说,环境土壤学研究的对象应当是土壤—植物系统。这个系统由土壤的无机部分、土壤的有机部分、植物三个亚系统组成。土壤-植物系统是生物圈的基本结构单元,是联系城乡生态系统的纽带,也是沟通植物和动物的桥梁。这个系统具有把太阳能转化为生物化学能贮存起来的特殊功能。但是它如果受到污染,尤其是污染负荷超过它的容量,它的生物生产力*会下降,甚至全部丧失。而且土壤中的污染物还会扩散到大气和水体中,进入植物体,通过食物链危害人群的生命和健康。土壤-植物系统中的有机体密度*高,生命活动*旺盛。因而它对污染物具有很强的净化能力。它可以通过一系列的物理、化学和生物学过程,如吸收、吸附、离子交换、络合-整合、氧化还原、沉淀、转化和降解等作用,净化进入土壤中的污染物。环境土壤学的核心*是认识和掌握土壤一植物系统的污染和净化功能这一对矛盾的发生、发展、转化和统一的过程,以便采取必要的对策和措施,使矛盾朝着有利于人类的方向发展。环境土壤学在研究方法上主要有下列特点:综合运用环境地学和环境生物学的研究方法。环境土壤学研究涉及生态系统中的能量流动和物质循环及其环境效应,因此在实验手段方面,近来越来越多地运用微宇宙方法,采用土壤—植物系统开放式渗漏器抽汲式渗漏器和受控环境污染模拟实验系统。宏观研究和微观研究的结合。环境土壤学的研究工作中经常要在局部、区域,甚至全球范围内通过野外布点采样,或采用遥感、遥测等手段,取得大量资料信息和分析数据用宏观的数理统计方法去掌握污染物在土壤中分布、迁移的时空规律,计算土壤环境对某些污染物的容量;同时,也要深入研究污染物在土壤环境中反应过程的微观机理,从宏观研究和微观研究的结合上去探索解决问题的途径。应用环境分析化学的测试技术。土壤环境质量研究需要对土壤、植物中的大量元素、微量和超微量元素以及具有复杂分子结构的有机物进行分析测定,*低检出限要求达到ppb或ppt数量级。此外,需要分析的样品数量大,时空观念强,因此,要求有灵敏准确、自动连续的测试手段。建立数学模式。土壤一植物系统的污染及其生态效应的发生过程具有隐蔽性、长期性和不易恢复性的特点。土壤的形成和进化要经历很长的年代,但可以因人为污染毁于一旦,因此土壤污染的防治对策,应当特别重视预防为主的方针。要求从污染源的调查,污染物的定性、定量分析开始,结合其他变化条件,将土壤一植物系统及其边界环境中污染物的迁移、归宿的物理化学过程,转化为数学模式和电子计算机语言程序,以便预测土壤环境中某些主要参数的变化趋势为制定环境保护政策和优选技术方案提供科学依据。环境土壤学的基本内容保护土壤资源,提高土壤-植物系统的生产能力,充分利用土壤-植物系统对污染物的净化能力,是环境土壤学研究的基本目的。它的主要研究内容包括:研究土壤背景值。其方法是,积累原始性和基础性资料,建立土壤环境背景资料数据库,以保证研究资料的准确性、可比性、系统性和完整性。研究土壤环境污染现状,进行综合评价,并根据国民经济发展的需要以及可能采取的环境保护措施,对土壤环境质量作出科学的预测。研究土壤及其边界环境中污染物特别是主要污染物的迁移、转化和分布规律,弄清它们的来源和归宿。定量研究人为污染因素(物理的、化学的和生物学的)对土壤物理、化学、生物学特性的微观机理和宏观生态效应。研究土壤-植物系统污染的生态效应和卫生学评价,进行流行病学的统计相关分析和因果关系定量分析。如土壤及其边界环境污染对资源利用、生物生产力和生态效应的影响评价。研究土壤-植物系统对主要污染物的净化功能和作用机理、反应动力学及其环境条件,为发展城市污水的土地处理系统提供科学依据。建立土壤及其边界环境中污染物迁移、转化规律的生物物理化学行为数学模式,并通过实践不断加以修改和完善。在严格的环境土壤学实验基础上,参考各种环境质量基准值,研究土壤环境标准。综合污染源、污染物类型、污染方式、污染途径、土壤类型及其分布的地貌条件、地球化学特征、气候和水文条件等因素,计算土壤的环境容量,确定表述土壤环境容量的数学模式,为实行土壤污染的总量控制土壤环境容量的数学模式,为实行土壤污染的总量控制提供科学依据。在发展国民经济的过程中,研究厂矿、企业、城市和大工程对土壤环境质量的影响。通过实地调查和实验,研究土壤-植物系统及其边界环境的污染防治途径和措施。研究土壤环境质量基准,例如收集和制备各种标准土壤样品、生物样品、纯化学标准品,建立跨部门的技术协作网,实现土壤环境分析测试方法的标准化。环境土壤学展望过去环境土壤学的研究工作取得了一定进展:但还局限在土壤、大气、水这些单介质中进行。今后必须十分重视污染物在土壤-植物系统及其边界环境中迁移、转化的生物、物理和化学行为、反应机理和动力学等重要过程的动态研究;充分利用系统分析原理和方法建立数学模式和电子计算机语言程序。只要把上述研究和土壤环境监测系统的工作以及开展野外调查和定位站研究等有机地结合起来,是可以把环境土壤学的研究工作提高到新的水平上。

导 读

随着社会经济发展,人类生产活动对自然环境产生越来越广泛深刻的影响,土壤污染已成为危及生态系统稳定、农产品质量安全和人体健康的突出环境问题之一。

重金属、有机污染化合物、病原菌及抗性基因等各类污染物大量进入土壤后,对土壤生物系统造成毒害作用,影响到土壤生态功能;另一方面,土壤生物如细菌、真菌、土壤动物等在一定程度上能够适应土壤污染,深刻影响着污染物在土壤中的迁移转化过程,在土壤污染修复中具有潜在重要作用。

从土壤污染的生态毒理效应、土壤生物对土壤污染的响应与适应机制、污染土壤修复原理与技术等三方面综述了土壤生物与土壤污染相关研究前沿,展望了重点研究方向。

文/陈保冬(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室)、赵方杰(南京农业大学资源与环境科学学院作物遗传与种质创新国家重点实验室
)、张莘(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室)、伍松林(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室)、
乔敏、欧阳纬莹(中国科学院城市环境研究所城市环境与健康研究中心重点实验室)
、朱永官(中国科学院生态环境研究中心土壤环境研究室、
中国科学院城市环境研究所城市环境与健康研究中心重点实验室)

随着社会经济的发展,人类工业或农业生产过程中产生的各种污染物通过不同途径进入土壤环境,最终超过土壤自净能力,使土壤质量与功能发生变化,危及人类及其他生物的生存和发展,即为土壤污染。

根据2014年全国土壤污染状况调查公报(

按照污染物属性土壤污染可区分为无机污染、有机污染以及生物污染等。土壤无机污染以重金属或类金属污染为主。

值得注意的是,近年来随着纳米技术和纳米材料的大规模应用,大量的人工纳米颗粒物如纳米金属氧化物、含碳纳米颗粒物及量子点(一种由有限数目的原子组成且三个维度尺寸均在纳米数量级的新型纳米材料,因其独特的物理化学性质在生命科学、材料等领域得到广泛应用)等进入到土壤中,其生态安全性和潜在健康风险也日益受到关注。

土壤有机污染以六六六、滴滴涕、多氯联苯、多环芳烃等有机化合物污染为主,而近年来一些新兴有机污染物,如全氟化合物、多溴联苯醚、短链氯化石蜡、五氯苯等也逐渐引起关注。

土壤生物污染则是指病原体和有害生物种群从外界侵入土壤,破坏土壤生态系统平衡,引起土壤质量下降的现象。土壤中往往含有一些病原微生物,如果大量繁衍,将会破坏原有土壤生态平衡。

同时,很多外源病原微生物随着生活污水、污泥或畜禽粪便等进入土壤,也造成土壤生物污染。近年来因抗生素的滥用而导致抗生素抗性基因(Antibiotic
resistance
genes,ARGs)的环境扩散和积累也被归为生物污染,并已成为全世界关注的一个环境问题。

各种污染物进入土壤环境后会对土壤生态系统造成深刻影响。一方面污染物往往具有致毒作用,会直接影响土壤生物活性,改变土壤生物系统结构,进而影响土壤生态功能;另一方面,土壤生物通过一系列代谢途径消纳、转化或富集污染物,影响污染物的环境行为和归趋。

系统深入研究土壤生物与土壤污染物之间的相互作用及其机制,不仅对于全面认识土壤污染的生态效应,以及土壤生物对土壤污染的适应策略具有重要意义,同时也是发展污染土壤生物修复技术的重要基础。

1 土壤生物与土壤污染研究前沿

土壤污染会影响土壤生物系统的结构和功能,而土壤生物则对土壤污染产生适应、反馈调控以及消解清除作用,对两者相互作用的研究有利于发展土壤生物修复技术。

基于土壤污染与土壤生物的相互作用,相关科学研究主要分为三个方面:土壤生物对土壤污染的响应与适应机制;污染土壤修复原理与技术。

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图 1 土壤污染与土壤生物系统相互作用

Fig.1 Interactions between soil pollutants and soil organisms

1.1 土壤污染的生态毒理效应

土壤污染的生态毒理效应研究主要是考察污染物对生物个体生理、生物种群、群落结构乃至生态系统结构和功能的影响。

当前的研究多集中在生物个体层次,如以典型模式生物个体或细胞为考察对象,通过死亡率和生长发育相关指标(如无脊椎动物的繁殖率、产卵率以及植物的种子发芽、根伸长抑制和生物量等)来反映污染物的毒性效应,或采用基因组学及蛋白组学等研究有毒污染物的毒性机制,在基因、细胞和个体水平上揭示典型污染物和生物相互作用的位点及其作用方式,以及采用代谢组学等手段解析有毒污染物对生物代谢过程影响的机理和调控途径。

针对生物个体毒理效应的研究被广泛用来评价单一污染物或复合污染物的直接毒性,但由于这类研究不能反映土壤中物种间的相互作用,对物种敏感性差异考虑不足,因而在将污染物毒性外推到种群或群落水平时具有很多局限性。

显而易见,生物个体的变化必然会引起种群数量改变,使种群衰落直至灭亡,从种群/群落乃至生态系统水平探讨土壤污染的生态毒理效应,研究其所致的生态毒理效应演化过程,正逐渐形成生态毒理学新的学科增长点。

近年来有学者提出利用多物种测试系统来构建简化的土壤食物网,从而在一定程度上反映物种间相互作用。陆生微宇宙系统被认为是最接近自然生态系统的试验系统,一般由处理后的土壤或是未经扰动的土体及引入的多种物种组成,能够在生态系统水平上模拟研究污染物的迁移转化和归趋,以及评价污染物对生态系统整体结构和功能的影响。

不过,由于微宇宙中生物群落结构比较复杂,对毒物反应的终点不够明确,使得微宇宙中观测到结果往往不易解释,试验可再现性也有待加强。

相对而言,针对群落水平的毒性研究,以微生物为评价对象在技术上是最容易实现的。土壤微生物在生态系统中具有特殊的生态地位,对元素的生物地球循环具有不可替代的重要作用,因而选择具有代表性的土壤微生物作为受体测试环境污染的生态效应已成为近年生态毒理研究领域的热点。

重金属是土壤中最为常见的污染物。无论是对生物体必需还是非必需的重金属元素,达到一定浓度时都会损坏生物细胞膜、改变生物酶活性、影响细胞内正常的生理功能、并破坏生物体的DNA结构。

譬如,Hg2+、Cd2+、Ag+等生物体非必需元素能与巯基基团结合,进而抑制生物体的酶活性,Cr与S,以及As与P在结构上类似导致这些元素很容易取代生物体内的必需元素[13]而导致生理功能紊乱。

土壤中的微生物数量庞大并具有高的比表面积,为重金属与微生物细胞壁的相互作用提供了广阔场所,而微生物细胞膜具有的网状负电荷也使得其更易从周围环境中积累金属离子,且这种传输不能区分必需元素还是有毒重金属。

已有大量研究报道了土壤重金属污染对微生物生物量、土壤呼吸、底物利用、氮转化、酶活性以及微生物多样性的影响。

例如,Chander等研究发现受重金属胁迫的土壤微生物需要消耗更多能量,导致对底物的利用效率降低,引起土壤微生物生物量的降低;Gans等]研究发现在原始土壤样品中存在超过100万种不同的细菌基因组,而重金属污染会降低其99.9%的多样性。Singh等研究也发现在重金属长期胁迫下,土壤微生物群落多样性显着降低,并导致一些特定功能如对污染物的矿化能力丧失。

对外源有机污染物而言,土壤微生物是有机污染物降解的主要驱动力,然而有机污染物也深刻影响着土壤微生物的生长、丰度及降解能力。

很多研究发现有机污染物能显着抑制微生物的生长和生理活动,如敌草隆的降解产物对亚硝酸细菌和硝酸细菌有抑制作用,苯氧淡酸类除草剂可通过影响寄主植物而抑制共生固氮菌的生长和活动,2,4-D和甲基氯苯氧乙酸对土壤中蓝细菌的光合作用有毒性作用。

不过,也有研究发现,有机污染物胁迫下功能微生物类群的丰度会相应提高,并且在某些环境中,其丰度与有机污染物的浓度成正比。当这些功能微生物再次受到有机污染物胁迫时,因经过前期的适应过程,其生长速率明显增加。

这些研究结果的差异可能与有机污染物的类型和土壤中污染物浓度水平有关。此外,有研究发现有机物存在时还会改变重金属移动性及土壤微生物活性,例如溴代阻燃剂BDE209的适当加入会加速Pb转化为更稳定的形态进而对土壤微生物的生物量、呼吸和代谢产生不同影响。

对于新型污染物抗性基因而言,其可随畜禽粪便进入土壤系统,并可能将抗性基因转移到土着微生物中。抗生素选择压力也会诱导抗性基因的产生,有报道土壤重复施加含磺胺嘧啶的猪粪后,sul1和sul2两种抗性基因的丰度显着增加。

同时,由于抗生素进入土壤后能直接杀死土壤中某些微生物或抑制相关微生物的生长,因而能改变微生物群落结构及微生物活性。Haller等]研究发现磺胺类抗生素明显抑制了土壤细菌和放线菌生长,使土壤微生物生物量明显下降,但土壤真菌生物量增加。Hammesfahr等也证实磺胺嘧啶污染的粪便使土壤细菌/真菌比例下降。Boleas等则发现土壤中四环素浓度达到1
mg/kg即可显着抑制土壤脱氢酶和磷酸酶的活性。

最近研究发现,即使施用不含抗生素的有机肥,也可以显着富集土壤中抗生素抗性微生物和抗性基因,其原因是土壤养分的投入可以改变土壤微生物群落结构,特别是一些通常含有抗性基因的微生物类群,如假单胞杆菌等。

尽管有关污染物对土壤生物的影响已有大量研究报道,但目前还非常缺乏真正意义上的土壤污染生态毒理学研究:很少有研究考虑物种间的相互作用,更少有真正在生态系统层次开展的研究。

此外,自然条件下土壤污染通常是多种污染物共存的复合污染,但已有研究多以单种或单类污染物作为研究对象,考察其在环境介质中的迁移转化过程,但很少考虑复合污染的生态效应。

客观地讲,在群落水平乃至生态系统水平开展毒性测试还存在很多难点,如在户外自然光照和降雨条件下进行的中宇宙测试,与真实环境高度接近,但由于测试系统中的组分是动态变化和相互依赖的,这种复杂性使得建立污染物和群落变化间的剂量-效应关系非常困难,同时成本较高导致实验重复少,也限制了实际应用。今后还需进一步发展针对多物种的半野外测试方法来评价群落/生态系统水平的效应。

1.2 土壤生物对环境污染的响应及其适应机制

污染物对土壤生物具有毒害作用,但另一方面土壤生物对各类污染物也有一定的抗性和解毒机制。对于重金属而言,土壤生物的解毒及耐性机制包括:

泌出、吸附以及细胞外的沉淀作用,如许多微生物通过胞外聚合物将重金属固持在胞外;

对过量重金属的区隔化作用,如重金属进入植物细胞后往往聚集在液泡中,而在菌根共生体系中重金属会被固持在根内真菌结构中;

细胞内解毒作用,植物或微生物摄入过量重金属离子可诱导金属硫蛋白、植物络合素、谷胱甘肽等物质的大量合成,并与重金属离子相结合,从而减轻重金属毒害,如铜或镉胁迫能够上调丛枝菌根真菌中金属硫蛋白基因的表达;

通过氧化、还原、甲基化和去甲基化作用对重金属进行转化,将重金属转化为无毒、低毒或易排出体外的形态。如一些微生物能够将砷甲基化,从而降低砷毒害,同时也帮助植物减轻毒害,有些厌氧微生物可将汞甲基化,再将甲基汞排出细胞外达到解毒作用。

一些土壤微生物与植物在长期适应环境过程中形成了协同抵抗重金属机制。例如,在重金属污染环境中,AM真菌即可通过多种机制对宿主植物起到保护作用。

概括起来,AM真菌主要通过间接和直接两条途径增强植物重金属耐性,间接途径主要通过促进植物对矿质养分的吸收,改善植物营养状况,促进植物生长,进而增强植物重金属耐性;直接途径主要指丛枝菌根对重金属环境行为的直接影响,如根外菌丝对重金属的直接固持作用等。

此外,值得注意的是,一些微生物或植物甚至能够在重金属污染下获益,如一些化能自养型砷氧化微生物能够将三价砷氧化为五价砷,并且利用其产生的能量同化二氧化碳,供自身生长。

虽然土壤生物消纳重金属的过程及机制已有较多研究,但过去还是以重金属迁移转化的化学过程为主,相关生理及分子机制方面的深入研究相对较少,而这方面的研究对于从本质上认识重金属的地球化学循环过程无疑具有重要意义。

对于有机污染物而言,土壤生物在其降解过程中具有不可替代的重要作用。土壤有机污染物的降解关键过程如脱氯、开环、脱氮、氧化及还原等往往在微生物作用下完成。

微生物降解有机污染物主要分为两种方式,生长代谢和共代谢。生长代谢是指微生物将有机污染物作为碳源和能源物质加以分解和利用的代谢过程。以多环芳烃为例,微生物在单加氧酶或双加氧酶的催化作用下,将氧加到苯环上,形成C—O键,再通过加氢、脱水等作用使C—C键断裂,苯环数减少,形成一些中间产物,如邻苯二酚等,这些中间产物进而被微生物利用合成自身生长所需物质。

澳门新蒲京官网网址,共代谢则是指微生物能够降解或改变有机污染物化学结构,但并不以此作为碳源和能源而是从其它底物获取碳源和能源的代谢过程,如一些微生物如不动杆菌等能够在以苯为碳源的条件下降解三氯苯酚和四氯苯酚。通常一些高分子多环芳烃及其类似物的降解要依赖共代谢作用,一些持久性难降解有机污染物如多氯联苯等,也能够在特定菌种及合适条件发生脱氯反应。

总体来说,土壤生物对有机污染的响应和适应机理研究还比较少,尚待通过分子生物学手段研究微生物解毒基因,针对不同结构的有机物污染,研究其解毒途径及降解产物。

对于生物污染而言,研究其在土壤中的传播与演化机制才刚刚起步。土壤颗粒对病原微生物具有较强的吸附作用,同时存在对流-弥散、沥滤等过程,并受到病原微生物自身性质、土壤性质和环境条件等因素的影响。

另一方面,不同病原微生物在土壤中的存活状态也不尽相同,并受到诸多因素如土壤pH、有机质、土壤温度及湿度、离子强度、外界紫外线强度、土着微生物区系以及根际效应等的影响。

多数病原微生物进入土壤后会很快消亡,但仍有小部分病原微生物长时间内仍能保持感染活力,如弓蛔虫在土壤中存活时间达3—4年,炭疸杆菌在土壤中存活时间甚至长达几十年。

土壤病原菌还可以通过污灌、畜禽粪便施用、昆虫传播等多种方式进入到植物体内产生二次污染。一些抗生素抗性细菌进入土壤后,其携带的抗性基因甚至可通过水平转移传播到土着微生物中,从而对土壤生态系统造成破坏。

揭示病原微生物致毒基因在不同土壤生物类群之间的转移机制及毒力基因残留效应,探究抗生素抗性菌及抗性基因和病原微生物的复合污染以及两者相互作用是土壤生物污染研究领域的重点内容。

1.3 污染土壤修复原理与技术

植物根系、真菌菌丝等可以直接固持土壤中的重金属;超积累植物能将重金属从土壤中吸收积累至植物地上部分,亦或将可挥发性金属元素通过气孔释放到大气中。