重金属污染对土壤微生物生态特征的影响研究进展

土壤中微生物对重金属胁迫的敏感程度大于动物和植物,因此,可以利用土壤微生物生态特征的变化来预测土壤环境质量的变化,将其作为评估土壤污染状况的重要指标。论文归纳了重金属污染对土壤微生物的影响及作用机制的研究现状,主要从微生物生物量、微生物群落结构/功能和多样性、微生物耐性基因/蛋白质和代谢能力、土壤呼吸强度和酶活性等几个方面进行了评述。研究表明,重金属污染对土壤微生物生态特征的影响结果存在差异,有促进作用、抑制作用或无明显影响。这是由于土壤微生物体系比较复杂、重金属种类和浓度以及土壤理化性质的差异引起的。近年来,分子生物学的快速发展,使重金属污染胁迫与土壤微生物生态特征变化的关系的研究不断取得新的进展,尤其是在对微生物群落的功能基因、蛋白质及相关代谢途径的影响方面。然而,由于重金属污染与土壤微生物之间关系十分复杂,对其影响因素进行综合并定量化分析是明确重金属对土壤微生物生态特性的影响及相关机理的关键。另外,还需加强分子生物学新技术的应用,明确微生物种群对重金属胁迫的响应机制。重点开展重金属剂量及暴露时间对土壤微生物生态特征的影响研究,并在此基础上确定重金属对土壤微生物的毒害浓度临界值,针对不同的土壤类型和重金属种类建立相应的微生物评价指标体系,以期为评估土壤的重金属污染状况和治理修复提供理论依据。     

蚯蚓对镉胁迫的响应及其毒理机制研究进展

近年来,土壤重金属污染对生物生存和生态环境质量造成负面影响且危害严重,成为研究热点而被广泛关注。蚯蚓作为典型的大型土壤无脊椎动物,在陆地生态系统的物质循环、能量传递与信息交流的相关环节具有极其重要的生态功能。国内外关于镉(Cd)胁迫对蚯蚓的生理、生长、肠道微生物多样性、组织损伤等影响及蚯蚓的响应效应与适应研究较多,但对毒理机制与响应机理的综合系统归纳较少。从分子、细胞、组织、个体及种群等不同层次总结了土壤Cd胁迫对蚯蚓的毒害效应及机理,系统阐述了蚯蚓通过拒绝吸收、结合钝化、氧化应激及隔离4方面对Cd胁迫作出的响应,进一步总结了蚯蚓适应Cd胁迫土壤的环境行为,从污染危害、生物响应、环境行为3方面阐述蚯蚓与Cd胁迫的相互关系,为土壤重金属污染的生态毒理机理及生物响应机制、环境行为研究提供参考,为土壤环境质量的生态风险评价及后续污染修复提供理论支持,并进一步探索未来污染与生物相互关系研究的发展方向。     

重金属胁迫下不同区域土壤的生态功能稳定性与其微生物群落结构的相关性

本文选取了理化性质差异较大的3个区域的土壤作为研究对象,采用底物诱导呼吸实验进行土壤微生物活性测定,并通过磷脂脂肪酸(PLFA)方法进行微生物群落结构检测分析.结果表明,AM真菌可作为土壤微生物活性的指示性菌种;主成分分析表明,重金属对不同区域土壤的微生物群落结构、分布和疏密度的影响有一定差异性,即对于受污染胁迫后稳定性较好的土壤,其微生物群落结构基本会保持整体上的相似和不变性,而对稳定性较差的土壤,受重金属污染前后其微生物多样性、均匀度和丰度均会表现出明显的差异性;聚类分析则显示,土壤微生物群落的聚类会随时间增加趋于统一,但重金属胁迫会阻碍这一趋势.本研究探讨了重金属污染与土壤微生物的内在关系,有助于提早构建土壤重金属污染微生物预警体系.     

土壤酶和微生物量碳对土壤低浓度重金属污染的响应及其影响因子研究

土壤酶和微生物量碳是反映土壤健康的重要微生物性质指标。土壤重金属污染能够对土壤微生物性质产生影响,然而土壤酶和微生物量碳对土壤重金属污染的响应受到土壤本身理化性质的影响。通过北京市建成区233个样点的数据监测和实验室模拟,研究了土壤脲酶活性和微生物量碳对土壤低浓度重金属污染的响应以及受土壤理化性质的影响。研究结果表明:在野外主要重金属污染的浓度范围内(Cd 0.003~0.98μg·g-1,Cu 13.4~207.9μg·g-1,Zn 29.4~322μg·g-1,Pb 4.02~174μg·g-1),土壤脲酶活性、微生物量碳(MBC)和有机碳(SOC)的含量与土壤中Cd、Cu、Zn和Pb的浓度正相关,而微生物量碳占有机碳的比率(MBC/SOC)与重金属浓度负相关;脲酶活性、MBC/SOC与重金属浓度建立的相关关系只能解释总变异的5%~10%。实验室模拟试验表明,土壤酶活性受土壤重金属含量和土壤性质联合效应的影响;土壤有机质含量和pH是影响酶活性的主要土壤理化性质。引入土壤有机碳含量和pH两个参数,重新建立脲酶活性、MBC/SOC与土壤中重金属浓度的关系,建立的相关关系的决定系数变大,能够解释总变异的14%~17%。     

铜陵矿集区土壤中污染元素对微生物特性的影响研究

通过铜陵矿集区土壤中重金属污染元素含量与土壤中微生物生物量之间的对应关系,研究其环境效应。采集深度为20cm的土样,分别制备不同微生物的培养基以期对土壤中的微生物进行分离计数,细菌和放线菌采用稀释平板涂布法计数,高铁还原菌采用最大或然数法计数。研究结果表明,铜陵矿集区土壤中As、Au、Cd、Zn、Cu、Pb元素含量与土壤中细菌、放线菌、高铁还原菌数量之间的相关关系为：As、Au、Zn、Cu与细菌和放线菌,Cd、Pb与放线菌的含量呈负相关关系,指示了土壤中高浓度污染元素对微生物的抑制作用;Cd、Pb与细菌,Cd、Zn与高铁还原菌的含量呈正相关关系,反映部分微生物受污染元素的胁迫已产生了耐受性;Au、Pb、As与高铁还原菌数量的关系不明显。通过实验数据发现,微生物在重金属含量高的区域和含量低的区域的数量下降了大约2～3个数量级,有些区域微生物数量下降了约50%。矿集区土壤中三种菌种对污染元素的敏感程度不同,其敏感程度依次是：放线菌〉细菌〉高铁还原菌。矿集区部分土壤中,细菌、高铁还原菌由于其本身的耐受性或由于受胁迫而产生了耐受性,对Cd、Zn、Pb等三种重金属污染元素的抗性水平较高,具有作为土壤重金属元素污染修复微生物菌种的潜力。     

污灌区重金属和多环芳烃复合污染及其对农田土壤微生物数量的影响

污水灌溉作为一种污水再利用的方式已得到广泛的应用,但该方式产生的污染不仅危害植物生长,而且可对土壤微生物生长和代谢产生明显不良影响。为了解污水灌溉对农田产生的复合污染及其对微生物数量的影响,以太原市小店污灌区农田土壤为研究对象,采用R语言程序系统研究了土壤中重金属和多环芳烃的污染水平及分布特征,并对不同复合污染程度下农田土壤中微生物数量的分布进行了分析。研究表明,小店污灌区污染因子对土壤质量的影响大于肥力因子,土壤污染程度的评价处于首要地位。用综合污染指数对农田土壤重金属污染进行评价,结果显示,污灌区中部分土壤重金属污染等级为轻度污染或警戒等级;以土壤环境质量(GB15618—2008)国家二级标准值作为评价标准,对多环芳烃污染进行对比分析,结果表明,约有34%的点位超准。不同复合污染程度下,污染土壤中细菌、真菌的数量与对照相比均呈显著下降趋势,且随着重金属和PAHs含量的增加,细菌、真菌数量逐渐减少,而放线菌数量随污染程度的增加在4月和7月与对照相比呈下降趋势,在10月份高于对照;此外,微生物总数随时间延长呈现先上升后下降的变化趋势,7月份达最大值。因此,在一定程度上,微生物数量变化可反映污灌区土壤重金属和多环芳烃复合污染胁迫下的土壤质量变化。     

蔬菜土壤微生物种群数量与土壤重金属含量的关系

对呈贡县蔬菜土壤微生物种群数量和土壤重金属质量分数进行大田调查分析，结果表明，土壤微生物种群数量和微生物多样性指数变化较大，土壤微生物种群数量总体水平较高，但微生物多样性指数偏低，其中以细菌占较大的优势；土壤重金属对土壤微生物数量和微生物多样性均有一定的影响，其中土壤中Pb和Cu的质量分数与土壤微生物种群数量显著相关；土壤重金属综合污染指数与真菌／细菌个数比例、真菌／放线菌个数比例与微生物多样性指数均呈显著的指数相关。随着重金属综合污染指数的增加，微生物多样性指数呈指数式地迅速下降。     

重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展

污染土壤微生物生物修复技术是一项非常有应用前景的环保新技术。本文综述了近年来重金属对土壤微生物生物量、种群及生化过程的影响以及微生物对重金属污染土壤的修复机理和修复研究进展,较全面的分析了重金属对土壤微生物的生态效应。     

锰化厂土壤重金属污染及微生物群落结构特征

土壤一旦受到重金属污染,土壤微生物的生长代谢将受到影响,导致微生物群落结构发生变化。为探究不同深度土壤重金属与微生物群落结构之间的关系,对锰化厂同一污染点的不同深度(0.3~0.5、1.0~1.5、2.0~2.5、3.0~3.5 m)土壤进行样品采集,发现其重金属污染包括:锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)和铅(Pb),且在土壤3.5 m深度以上均超出了广东省土壤背景值。运用传统内梅罗污染指数法对采样区土壤断面进行污染评价,采用典型相关和典范对应分析法,对不同土层重金属含量和微生物群落丰度的相关性进行了分析。结果表明:该污染区土壤3.0 m深度以上伴有多种重金属复合污染,且1.5 m深度以上土壤属于重度污染;通过高通量测序对土壤微生物的分析,发现微生物群落组成大体一致,但不同重金属污染程度的土层所对应形成的微生物群落丰度不同,初步确定该污染区的优势菌为Sphingomonas;该区对土壤微生物影响较大的多种重金属复合污染因子主要包括Ni、Zn、Cd、Mn和Hg,且在土壤2.0~2.5m深度范围内富集了多种重金属抗性菌。该研究从多角度分析了不同土层重金属污染与微生物群落的关系,为同类污染矿区土壤环境质量评价提供科学依据,为重金属抗性菌的实验室分离提供一定的场地选择依据,可在一定程度上指导矿区重金属污染土壤的改良及修复。     

原油对荒漠土微生物活性的影响

正石油进入土壤后改变了土壤质地,使原有土壤微生物群落、区系和土壤酶活性受到了不同程度的影响.目前,对干旱区原油污染和土壤微生物之间的关系,研究工作涉及较少.本文选取干旱胁迫环境中的荒漠土为研究对象,研究了原油对荒漠土中微生物活性的影响.研究结果对于评价干旱区石油污染对土壤生态环境的影响,揭示荒漠土土壤微生物对石油污染物的响应规律具有重要意义.     

福建省菜园土壤重金属的含量及其污染评价

采集了福建省26个县市158份菜园表层土壤样品,测定了土壤样品中重金属含量,采用单项及综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价分析,并通过元素相关性分析和聚类分析,研究了菜园土壤重金属元素的赋存特征与区域分布.结果表明,福建省菜园土壤存在着不同程度的重金属污染,主要污染元素为Pb,Hg和Cd;元素相关性分析与聚类分析的结果表明:Cu,Zn,Ni和As具有伴随污染的特点,其污染源主要来自土壤母质和大量施用的农药和化肥;Cd,Pb和Hg在土壤中各聚成一类,说明它们在菜园土壤具有较独特的污染源,特别是Cd和Hg,其污染特征明显.而Pb和Cd虽有各自的污染源,但其污染具有一定的相关性.     

珠江三角洲工业区土壤(沉积物)重金属污染特征及防治对策--以石龙和容桂工业区为例

对珠三角两个代表性乡镇工业区的土壤（沉积物）重金属污染现状和来源进行了评价。结果表明,两工业区在主要污染元素类型和综合污染程度上很相似,表层土壤（沉积物）均以Hg、As、Cu的污染为主,且均以Hg的污染最严重;但在某些次要污染元素种类以及某些主要、次要污染元素的单个元素污染程度上存在一些差异。柱样沉积物中重金属的变化特征进一步说明,两工业区土壤（沉积物）中重金属的累积与我国尤其是本地区的工农业发展阶段和发展水平密切相关。文章最后提出了乡镇工业区土壤（沉积物）重金属污染的几点建设性防治对策。     

珠江三角洲地区典型菜地土壤与蔬菜重金属分布特征研究

通过对珠江三角洲地区的广州市、佛山市、江门市和惠州市典型菜地土壤和蔬菜中重金属（Pb、Cr、Cd、As和Hg）含量及其土壤中有效态（Pb、Cr、Cd）含量的调查,分析蔬菜重金属污染状况与土壤重金属含量的相关性,探讨了土壤重金属含量、有效态含量与土壤理化性质的相关性。结果表明,菜地土壤主要受Pb、Cd、Hg污染。Pb、Cd主要以轻度污染为主;而Hg污染在广州市菜地土壤以轻度污染和重度污染为主,佛山市菜地土壤以中度污染和重度污染为主,江门市和惠州市菜地土壤以轻度污染为主。蔬菜主要受Pb、Cd、Hg污染,少数蔬菜受到Cr污染,但并未检测出蔬菜受As污染。蔬菜中重金属含量与土壤中Pb、Cr、Cd的总量、有效态含量之间呈显著正相关关系,与土壤中As、Hg的总量无显著相关性。土壤中Pb、Cr含量与土壤有机质含量、黏粒含量、粉粒含量均达到显著相关。土壤中有效Pb与有效锰含量呈显著负相关关系,土壤中有效Cr含量与土壤粘粒含量、有效铁含量呈极显著正相关关系。     

食物中重金属的生物可给性和生物有效性的研究方法和应用进展

食品安全问题是直接关系到人民健康的重大民生问题。随着民众生活质量的不断提升,人们对食物质量的关注度越来越高。目前,重金属污染问题是食品安全的一个重要议题。而且,食物中重金属的生物可给性和生物有效性的测定结果已逐渐代替重金属的全量结果进行评价。因此,本文系统介绍了生物可给性和生物有效性的定义及相关关系,综述了生物可给性和生物有效性的多种研究方法的适用性及优缺点,并着重论述了饮食习惯和肠道微生物对重金属生物可给性和生物有效性的影响。研究结果表明：研究者应根据自己的研究目的选择不同的体外消化方法,饮食习惯和肠道微生物均极大的影响着食物中重金属的生物可给性和生物有效性。最后,本文对食物中重金属的生物可给性和生物有效性的研究提出了几点展望：一、需加强食物中重金属复合污染的研究;二、进一步加强肠道微生物对食物中重金属的生物可给性和生物有效性的影响的研究;三、特别需加强中式饮食习惯下对食物中重金属的生物有效性的影响的研究。     

Ecological risk assessment from the perspective of soil heavy metal accumulations in Xiamen city,China

Contamination of soils by heavy metals is of rising concern in many cities in China undergoing rapid urbanization. Here, we evaluate the severity of soil contamination by four heavy metals (arsenic, chromium, copper, and lead) at 146 urban and suburban sites within the city of Xiamen, Fujian, China. A multivariate regression model was proposed and developed to simulate heavy metals accumulation in urban and suburban soils, to identify the concentration and spatial distribution of heavy metals in soils, and to assess ecological risks by 2020. Results showed that, overall, Xiamen soils should be subject to low ecological risks due to heavy metals contamination by 2020, the ecological risks for urban soils were greater than suburban soils, nearly half of Xiamen soils are at moderate ecological risks, and many suburban soils experience low ecological risks. The methods demonstrate the potential to predict future ecological risks from heavy metals contamination which could inform pollution prevention and control measures.     

江苏南通表土、地面灰重金属污染及潜在生态风险评价

选取南通市不同功能区表土、地面灰为对象,测试重金属元素Pb、Zn、Cu、Ni、Cr含量,并评价重金属污染水平和潜在生态风险程度.结果表明,表土、地面灰中Pb、Zn、Cu含量较高,污染较为严重,Ni、Cr含量较低,污染较轻.重金属污染顺序为工业区〉商业区〉交通区〉文教区〉住宅区.表土与地面灰重金属物质来源相似,一部分主要来自地壳物质,一部分受人为污染干扰.地面灰的重金属污染水平及潜在风险程度均高于表土,且崇川区工业区、商业区潜在生态风险程度较高,其余地区潜在生态风险程度较低.该项研究可为重金属污染防治提供科学参考.     

Heavy metals and soil microbes

Heavy metal pollution is a global issue due to health risks associated with metal contamination. Although many metals are essential for life, they can be harmful to man, animal, plant and microorganisms at toxic levels. Occurrence of heavy metals in soil is mainly attributed to natural weathering of metal-rich parent material and anthropogenic activities such as industrial, mining, agricultural activities. Here we review the effect of soil microbes on the biosorption and bioavailability of heavy metals; the mechanisms of heavy metals sequestration by plant and microbes; and the effects of pollution on soil microbial diversity and activities. The major points are: anthropogenic activities constitute the major source of heavy metals in the environment. Soil chemistry is the major determinant of metal solubility, movement and availability in the soil. High levels of heavy metals in living tissues cause severe organ impairment, neurological disorders and eventual death. Elevated levels of heavy metals in soils decrease microbial population, diversity and activities. Nonetheless, certain soil microbes tolerate and use heavy metals in their systems; as such they are used for bioremediation of polluted soils. Soil microbes can be used for remediation of contaminated soils either directly or by making heavy metals bioavailable in the rhizosphere of plants. Such plants can accumulate 100 mg g^?1 Cd and As; 1000 mg g^?1 Co, Cu, Cr, Ni and 10,000 mg g^?1 Pb, Mn and Ni; and translocate metals to harvestable parts. Microbial activity changes soil physical properties such as soil structure and biochemical properties such as pH, soil redox state, soil enzymes that influence the solubility and bioavailability of heavy metals. The concept of ecological dose (ED₅₀) and lethal concentration (LC₅₀) was developed in response to the need to easily quantify the influence of pollutants on microbial-mediated ecological processes in various ecosystems.     

长三角和珠三角农业土壤对Pb、Cu、Cd的吸附解吸特性

研究了长江三角州和珠江三角州10种代表性农业土壤对重金属Pb、Cu和Cd的吸附与解吸特性。结果表明:大多数土壤对重金属有较强吸附能力,土壤性质对重金属吸附与解吸行为有很大影响。其中,pH值是影响土壤对重金属吸附与解吸的最重要因素,土壤重金属吸附量随pH值增加而增加。土壤pH值和有机质或粘粒含量较高的土壤(如乌栅土、青紫泥田、黄斑田),其对重金属吸附能力高于pH值和有机质或粘粒含量较低的土壤(如黄筋泥、粉泥田)。重金属解吸量随重金属吸附量和土壤重金属饱和度增加呈指数增加趋势;土壤对重金属的吸附能力从强至弱依次为Pb、Cu、Cd;当3种重金属共存时,重金属之间竞争能力强弱顺序与吸附能力顺序相同。重金属之间竞争作用随土壤酸度和重金属污染程度的增加而增强。     

刁江沿岸土壤重金属污染特征研究

受上游矿山开发的影响，刁江沿岸存在明显的As、Pb、Zn、Cd复合污染带，其污染区与洪水淹没区呈现高度的一致性；水田的犁底层对重金属具有明显的隔断作用，而旱地的淀积层中的重金属质量分数依然很高；上游地带土壤污染呈显性状态，土壤中尾砂沉积现象十分明显，而下游地带的土壤污染呈隐性状态，土壤中尾砂沉积现象不明显；蜈蚣蕨可以作为刁江沿岸土壤污染区的指示植物；土壤中Zn与Cd质量分数存在显著相关关系，表层土壤As与Pb质量分数呈现较好的相关性，而土壤垂直剖面中As与Pb质量分数除个别剖面外，相关关系不显著。     

工业城市不同功能区土壤和蔬菜中重金属污染及其健康风险评价

为了研究和评价工业城市不同功能区的土壤和蔬菜中重金属污染和健康风险状况,以株洲市为例,在工业区（石峰区）、农业区（芦淞区）和旅游区（大京风景区）分别采集土壤和蔬菜样品,分析重金属Cd、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Cu的质量分数,并采用地质累积指数法（Igeo）和健康风险评价模型分别对土壤和蔬菜中重金属进行评价。结果表明：工业区、农业区和旅游区土壤中Cd、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Cu的平均质量分数都超出湖南省土壤背景值,部分重金属甚至超出国家土壤环境质量二级标准。不同功能区土壤中重金属的地质累积指数（Igeo）表明：工业区、农业区和旅游区土壤受到不同程度的重金属污染,其中Cd和Hg的污染最为严重,污染程度依次是工业区〉农业区〉旅游区。不同功能区蔬菜中Cd、As、Pb和Zn的危害商（HQ）值都大于1.0,而Cu和Cr的危害商（HQ）都小于1.0。不同功能区蔬菜中重金属危害指数（HI）都大于10.0,尤其是工业区蔬菜的危害指数（HI）〉100.0,当地成年人食用受到重金属污染的蔬菜会导致严重的健康危害,其中Cd和As,是危害指数（HI）的主要贡献者,两者贡献率之和的范围为75%~89%,而Cr的贡献率几乎为0。