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此外,也可利用某些具有特殊功能的微生物类群的代谢活动来降低重金属活性及毒性以达到土壤修复的目的(即微生物修复),如利用六价铬还原细菌高效还原土壤中六价铬以降低铬毒性从而修复铬污染土壤 。对于有机污染物而言,其结构和性质较为复杂,且生物降解难易程度不同,因而要根据污染物的特性选取适宜的修复方法。土壤中多数有机污染物能够被微生物降解转化,最终变成无害形态。土壤微生物转化有机污染物主要涉及氧化还原、水解、集团转移、酯化、缩合、氨化等过程,且分为生长代谢和共代谢途径两种类型。基于土壤微生物能够降解有机污染物的特性,微生物修复已成为土壤有机污染修复的主要技术 。此外,一些植物也能够吸收转运有机物,并将小分子有机物通过叶片挥发至大气当中(植物挥发),而一些难挥发性有机物能够通过酶促反应被无害化降解(植物降解),一些难降解有机污染物也能够被特定植物吸收累积(植物富集)。因而,利用植物修复有机污染土壤也具有一定应用前景。
值得注意的是,自然环境中植物与微生物之间往往具有密切的相互作用,不仅影响着彼此的污染耐受性,同时也对污染物迁移转化产生重要影响。将植物修复和微生物修复技术有机结合起来,对于提高生物修复效率具有重要意义。例如,通过菌根共生体系通常能够增强植物对污染土壤的耐受性并促进植物修复 。在实际情况下,由于污染土壤往往存在复合污染、物理结构不良、水土保持能力弱等限制性因素,导致单一修复措施无法实现,因而需要根据实际情形将生物修复与物理化学修复有机结合,以获得最佳修复效果。此外,对于需要持续生产的农业用地或林地而言,可考虑生产与修复相结合的方式,如利用一些高生物量的能源植物进行修复,在达到污染土壤修复目的的同时产生一定的经济效益。
未来研究动向分析
基于国内外土壤污染与土壤生物研究前沿动态和我国土壤污染基本状况,这一研究领域的关键科学问题可凝练为:(1)土壤污染如何影响土壤生物群落结构与功能? (2)土壤消纳污染物的生物学机理? (3)生物污染在土壤中的传播与演化机制? 围绕这些问题,以下几方面将成为未来研究的重点方向。
1土壤污染背景下微生物群落结构和多样性的演变及生态效应
过去有关土壤污染的生态效应研究主要在细胞和生物个体水平开展,研究对象主要是动物和植物,但随着微生物分子生态学的发展,越来越多的研究开始关注土壤污染对微生物群落的影响,包括在功能基因、功能群乃至在土壤生态系统水平研究不同污染物及复合污染对土壤微生物多样性和功能的影响及其机制,重点是将生物多样性(群落结构)与相关生态功能/过程结合起来进行研究,从生物多样性和生态系统稳定性(抵抗力和恢复力)的关系角度理解土壤污染对土壤生态系统影响机制。
随着分子生物学及生物信息学的迅速发展,利用高通量测序、核酸杂交技术、DNA 指纹图谱技术和基因芯片等分子生物学方法来分析土壤微生物多样性和群落结构,以及应用宏基因组学、宏蛋白组学及代谢组学等系统生物学的方法研究土壤微生物活性及功能的演变规律已成为土壤生物学领域的趋势。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。
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。
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