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土壤生物与土壤污染研究前沿与展望

2016-03-16 10:18来源:生态学报作者:陈保冬 赵方杰关键词:土壤污染土壤修复土壤环境收藏点赞

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这些新方法的应用会大大促进我们对土壤污染与土壤生物系统相互作用的全面认识,有助于理解在土壤污染胁迫下土壤生物群落结构及功能的演变规律及响应适应过程。

在上述研究的基础上,未来应加强基于长期定位实验的研究,也就是结合现代组学技术、大数据科学和模型等手段在较长的时间尺度上认识土壤生物系统在土壤污染胁迫下的演变规律和机制。

将来土壤生态毒理学研究应更多地拓展到实际环境,从更大的时间和空间尺度上进行研究,考察的对象应从土壤生物群落层次上升到食物网层次,同时要将生物多样性演变与生态功能变化联系起来,从而进一步提高研究的科学性和实用性。

2.2 土壤污染的生物转化和清除机制

土壤生物可通过氧化、还原和甲基化等过程直接改变重金属化学形态,或通过改变铁、硫等元素的氧化还原状态、分泌有机络合物、细胞壁吸附和固定等过程影响重金属的生物有效性。

土壤生物同样可以通过特异性或非特异性酶脱毒系统,或通过一些特定的代谢途径降解有机污染物。通过野外调查及传统室内模拟试验,发现并分离特定功能微生物,进一步通过同位素示踪技术、原位荧光杂交技术、电子显微技术,以及近年来迅速发展起来的同步辐射技术(如X射线荧光微分析技术(XRF)和X射线吸收精细结构分析技术(XAFS))、次生离子质谱技术,可深层次揭示污染物迁移转化的界面化学过程。

另一方面,生物体内的生理代谢及分子调控过程是驱动污染物化学转化的内在动力,未来的研究也需要将分子生物学技术(如实时荧光定量PCR、基因克隆及功能验证、蛋白质结构解析、稳定性同位素核酸探针DNA/RNA-SIP等技术)与先进的物理化学技术(如高精度质谱、电镜分析及同步辐射等技术)相结合,从分子层次上深入探索土壤生物介导的污染物转化机制,为土壤污染的生物修复奠定基础。

此外,一些污染物的生物代谢及消纳过程往往与生物自身代谢过程相耦合,如微生物驱动的有机污染物降解可以耦合铁还原、硝酸盐还原、硫酸盐还原及甲烷产生过程,这些耦合作用在元素生物地球化学循环过程中扮演着重要的角色。

具体研究过程中,需要综合考虑生物自身的代谢过程及污染物的转化特点,全面理解污染物在生物体内的代谢过程及调控机制。

2.3 病原菌和抗生素抗性基因在土壤中的分布规律与传播机制

病原菌和抗生素抗性菌及抗性基因一方面会通过土壤-空气、土壤-植物、或土壤-地下水途径直接进入人体,危害人体健康,另一方面则会造成农作物病害,抑制农作物的生长发育,造成农业减产或农产品品质降低。

因而,进行土壤病原菌及抗生素抗性基因污染防御及治理迫在眉睫。系统深入研究病原菌和抗生素抗性菌及抗性基因在土壤中的分布传播过程与机制是进行污染治理的前提。

土壤中存在大量的抗生素产生菌和同化菌,是天然的抗性基因储库,而抗生素的大规模生产和使用则进一步加速了土著抗性微生物和抗性基因的扩散,增加了抗生素耐药性的发生频率。

目前研究者通过实时荧光定量PCR、宏基因组以及高通量测序等现代分子生物学技术探究了不同土壤类型中抗性基因的分布规律,在远古冻土和不受人类活动影响的土壤中发现了多样性很高的抗性基因,发现在未受抗生素污染的农业和草地土壤中抗性基因结构由微生物群落组成决定,证明了土壤中抗性基因的自然广泛存在,同时也揭示了中水灌溉土壤、施用禽畜粪便土壤等典型污染土壤中抗性基因富集的现象。

基于已有关于土壤生物污染现状的调查,进一步的研究应围绕抗性基因污染的来源、迁移转化机制及生态风险展开:

(1)建立土壤抗性基因与潜在宿主菌之间的关系,明晰污染来源;

(2)探究不同类型土壤环境中抗性基因发生水平转移的实际频率;

(3)结合实验室模拟及长期实地监测,研究病原菌及抗生素抗性菌及抗性基因在土壤中的迁移过程,重点解析其通过植物吸收进入食物链以及通过地下水淋洗进入水环境的风险;

原标题:土壤生物与土壤污染研究前沿与展望
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