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篇 土壤中污染物的毒性、風(fēng)險(xiǎn)與基準(zhǔn)

土壤中的污染物及其代謝產(chǎn)物種類(lèi)繁多，含量、形態(tài)及生物有效性各異，單一的化學(xué)方法通常難以表征復(fù)雜土壤環(huán)境的復(fù)合污染及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)展基于土壤生態(tài)系統(tǒng)中土著生物的生態(tài)毒理與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系是國(guó)際生態(tài)毒理學(xué)與環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究的熱點(diǎn)。本篇以土壤植物、微生物和土壤動(dòng)物為敏感受體，建立了從基因到群落的土壤生物毒性診斷方法體系；開(kāi)展了設(shè)施農(nóng)田、電子廢舊產(chǎn)品拆解場(chǎng)地、冶煉場(chǎng)地、化工廠區(qū)污染場(chǎng)地及周邊土壤的人體健康和生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；探討了土壤污染的環(huán)境臨界值制定方法與模型，以期為土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

章 土壤污染物的生物毒性

污染土壤生態(tài)毒理診斷包括高等植物毒性試驗(yàn)、蚯蚓毒性試驗(yàn)、陸生無(wú)脊椎動(dòng)物試驗(yàn)、土壤原生動(dòng)物毒性試驗(yàn)、土壤微生物試驗(yàn)等。當(dāng)生物體暴露于各種逆境時(shí)，其體內(nèi)組織、細(xì)胞以及分子結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生特定的生物信號(hào)，可用于土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤污染的生態(tài)毒理學(xué)診斷，并能夠?yàn)橥寥牢廴镜念A(yù)防和修復(fù)提供依據(jù)。本章以重金屬、有機(jī)污染物以及重金屬-有機(jī)復(fù)合污染為研究對(duì)象，開(kāi)展了土壤-植物-動(dòng)物-微生物系統(tǒng)的生物毒性和生態(tài)毒理學(xué)評(píng)價(jià)研究。這些研究成果為污染區(qū)土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了生物毒性數(shù)據(jù)，也為污染土壤生態(tài)毒性的研究和發(fā)展提供了科學(xué)方法和研究實(shí)例。

節(jié) 土壤污染物對(duì)植物的毒性

當(dāng)土壤中的重金屬和有機(jī)污染物超過(guò)一定的限值，會(huì)引起植物的吸收和代謝失調(diào)。污染物在植物體內(nèi)的吸收、富集和轉(zhuǎn)化，會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、破壞植物根系的正常吸收和代謝功能，甚至導(dǎo)致遺傳突變。本節(jié)分別介紹了重金屬(鎘、鉛、鋅、銅)、有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴、殺線劑)以及重金屬-有機(jī)復(fù)合污染對(duì)植物(蔬菜和小麥)的毒性效應(yīng)與機(jī)制。

一、重金屬對(duì)植物的毒性

(一)鎘高背景土壤對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響

我國(guó)西南地區(qū)，尤其是貴州沉積石灰?guī)r分布地區(qū)土壤存在著明顯的鎘(Cd)自然高背景現(xiàn)象。貴州地表土壤與沉積物中Cd的地球化學(xué)背景值為0.31mg/kg(表1.1)，是我國(guó)平均水平的2.5～3.5倍，表現(xiàn)出貴州地表環(huán)境介質(zhì)中具有Cd的高背景含量特征(何邵麟等，2004)。

表1.1貴州不同地層單元發(fā)育的土壤和水系沉積物中Cd的平均含量(單位：mg/kg)

供試土壤采自貴州省碳酸鹽巖地區(qū)，土壤中Cd含量呈現(xiàn)一定的梯度，是選出的具有代表性的碳酸鹽巖發(fā)育的農(nóng)田土壤，其中6個(gè)樣點(diǎn)土壤分別采自貴陽(yáng)、黔南和畢節(jié)地區(qū)農(nóng)田，1個(gè)樣點(diǎn)(BJ-6)土壤采自于某已廢棄的土法煉鋅場(chǎng)附近的菜地，受Cd污染嚴(yán)重，同樣也對(duì)該樣點(diǎn)土壤中Cd經(jīng)食物鏈對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將其作為受到人為活動(dòng)強(qiáng)烈影響的Cd污染土壤與其他地球化學(xué)異常土壤相對(duì)比。供試土壤主要的理化性質(zhì)見(jiàn)表1.2。供試植物為葉菜類(lèi)蔬菜(小青菜與生菜)，種子購(gòu)于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

表1.2供試土壤主要的基本性質(zhì)

在所考察的土壤上種植青菜和生菜發(fā)現(xiàn)，畢節(jié)地區(qū)BJ-6和BJ-7兩處土壤上兩種蔬菜生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，蔬菜可食部分鮮重顯著低于其他5處土壤上的蔬菜鮮重(圖1.1)。

圖1.1蔬菜可食用部分鮮重

對(duì)比各土壤的性質(zhì)與重金屬含量可知，BJ-7處土壤與其他各處土壤明顯的差異在于其pH為4.81，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他各處土壤的pH(7.56～8.10)，呈強(qiáng)酸性。在如此低的pH條件下，生菜已無(wú)法生長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)沒(méi)有能收獲到生菜樣品。而青菜雖能生長(zhǎng)，但每盆僅收獲到約1.7g可食部分鮮樣。BJ-6處土壤為受到當(dāng)?shù)赝练掍\活動(dòng)影響的重污染土壤，其土壤中Cd、Zn、Cu和Pb的含量分別為64.2mg/kg、4191mg/kg、231mg/kg和1593mg/kg，分別是我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限量值的107倍、12.0倍、2.3倍和5.3倍，在如此嚴(yán)重的污染情況下，蔬菜生長(zhǎng)緩慢、長(zhǎng)勢(shì)差且葉色發(fā)黃，是造成可食部分鮮重較低的直接原因。其他五處土壤上青菜和生菜均生長(zhǎng)良好，其中貴陽(yáng)地區(qū)GY-3處土壤采自于菜園地，該土壤上蔬菜可食部分鮮重相對(duì)，而另外4處均為農(nóng)田土壤，每盆青菜與生菜的可食部分鮮重分別在30g和20g左右。

通過(guò)在土壤上種植葉菜類(lèi)蔬菜發(fā)現(xiàn)，在已明顯酸化的土壤上(pH4.81)，青菜的生長(zhǎng)均受到嚴(yán)重抑制，而生菜根本無(wú)法生長(zhǎng)，這與土壤的強(qiáng)酸性以及高量有效態(tài)鎘的存在有關(guān)，因?yàn)樵谠撍嵝酝寥乐?.01mol/LCaCl2和DTPA提取態(tài)Cd含量分別為1.12mg/kg和2.12mg/kg。而在中性至微堿性土壤上，即使土壤總Cd含量超過(guò)7.0mg/kg時(shí)，青菜與生菜均能良好生長(zhǎng)，此時(shí)蔬菜可食部分Cd含量與土壤DTPA提取態(tài)以及總Cd含量間均存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(表1.3和圖1.2)，而與土壤0.01mol/LCaCl2提取態(tài)鎘含量間沒(méi)有顯著的對(duì)數(shù)或線性關(guān)系。這是因?yàn)椋紫龋?.01mol/LCaCl2提取態(tài)重金屬相當(dāng)于水溶態(tài)和可交換態(tài)部分，這部分重金屬雖然通常被認(rèn)為是活動(dòng)性強(qiáng)而且容易被植物吸收的部分，但是其與植物對(duì)重金屬的吸收之間并不一定會(huì)表現(xiàn)出良好的相關(guān)性；其次，0.01mol/LCaCl2提取態(tài)Cd在研究區(qū)中性或微堿性土壤中的含量很低，因此該提取態(tài)含量相對(duì)于整個(gè)土壤重金屬總庫(kù)來(lái)說(shuō)，對(duì)植物可利用態(tài)Cd的貢獻(xiàn)可能不占據(jù)重要地位。而DTPA提取態(tài)與總Cd含量對(duì)蔬菜可食部分Cd含量的成功預(yù)測(cè)則表明，它們?cè)谕寥莱手行灾廖A性時(shí)均能在一定程度上作為評(píng)價(jià)土壤中Cd的植物有效性或毒性的標(biāo)準(zhǔn)。

表1.3蔬菜可食部分Cd含量(Y)與土壤提取態(tài)總Cd含量(X)的關(guān)系(土壤pH>7.5)

(二)鎘、鉛對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響

供試土壤為理化性質(zhì)差異較大的3種，分別為采自浙江嘉興的普通潛育水耕人為土(青紫泥)、上海南匯的石質(zhì)淡色潮濕雛形土(灘潮土)和浙江湖州的鐵聚潛育水耕人為土(黃泥砂土)。土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1.4。盆栽試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室中進(jìn)行，供試蔬菜品種為青菜(Brassica chinensis L.)和莧菜(Amaranthus fricolor L.)。在塑料盆中裝入風(fēng)干過(guò)2mm土樣1.5kg，以尿素(0.6g/kg土)和磷酸氫二鉀(0.6g/kg土)為底肥。鎘(Cd)和鉛(Pb)的試驗(yàn)濃度參考多個(gè)國(guó)家的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)定。土壤中添加鎘化合物為Cd(NO3)2 4H2O，添加鎘濃度為(以Cd計(jì))：0、0.7、2.9、11、16和27mg/kg；添加鉛化合物為Pb(NO3)2，添加鉛濃度為(以Pb計(jì))：0、125、281、407、532和625mg/kg。每個(gè)處理重復(fù)3次，各個(gè)處理之間沒(méi)有作補(bǔ)充性氮平衡。先將土壤與肥料混和，一周后加入鎘和鉛溶液混勻，加水至田間持水量的60％，放置平衡，平衡期間定期加水維持含水量。平衡一個(gè)月后，在每盆中直播16粒種子，出苗整齊、長(zhǎng)勢(shì)良好后(7～10天)，每盆定植4株。生長(zhǎng)期間土壤濕度保持在約70％田間持水量，生長(zhǎng)45天后收獲。收獲時(shí)用不銹鋼剪刀剪取地上部。

圖1.2蔬菜可食部分Cd含量與土壤Cd含量間的擬合曲線(土壤pH>7.5)

表1.4試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)