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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,我国土壤环境状况总体不容乐观,部分地区土壤污染较重,耕地土壤环境质量堪忧,工矿业废弃地土壤环境问题突出,土壤污染治理迫在眉睫。
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(如镉、砷、汞、铜、铅、铬)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(如大肠杆菌、沙门氏菌、脊髓灰质炎病毒等)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(图1),相关科学研究主要分为三个方面:(1)土壤污染的生态毒理效应;(2)土壤生物对土壤污染的响应与适应机制;(3)污染土壤修复原理与技术。
图 1 土壤污染与土壤生物系统相互作用
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。
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