土壤生物與土壤污染研究前沿與展望
隨著社會(hui)經(jing)濟的發展，人(ren)類工業或農業生產過程中產生的各種污染物(wu)通(tong)過不同途徑進入土(tu)(tu)壤環境(jing)，最終超(chao)過土(tu)(tu)壤自凈能力，使土(tu)(tu)壤質(zhi)量與功能發生變化，危及人(ren)類及其他生物(wu)的生存和發展，即為土(tu)(tu)壤污染。
根據2014年(nian)全國(guo)土(tu)壤污(wu)染(ran)(ran)狀況調查公報，我國(guo)土(tu)壤環境狀況總(zong)體不容樂(le)觀(guan)，部(bu)分(fen)地(di)區土(tu)壤污(wu)染(ran)(ran)較重，耕地(di)土(tu)壤環境質量堪憂，工礦業(ye)廢棄(qi)地(di)土(tu)壤環境問題突出，土(tu)壤污(wu)染(ran)(ran)治理迫在(zai)眉睫。
按照(zhao)污染物(wu)屬性土壤污染可區分為(wei)無(wu)(wu)機污染、有機污染以(yi)及生物(wu)污染等。土壤無(wu)(wu)機污染以(yi)重金屬或類金屬(如鎘、砷、汞、銅、鉛、鉻)污染為(wei)主。
值得(de)注意的(de)(de)是，近年來隨著(zhu)納米(mi)技術和納米(mi)材(cai)料(liao)的(de)(de)大(da)規模應用，大(da)量(liang)的(de)(de)人(ren)工納米(mi)顆粒物(wu)如(ru)納米(mi)金屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)、含(han)碳納米(mi)顆粒物(wu)及量(liang)子點(一種由有限數目的(de)(de)原子組成且三個維度尺寸(cun)均在納米(mi)數量(liang)級的(de)(de)新型納米(mi)材(cai)料(liao)，因其(qi)獨特(te)的(de)(de)物(wu)理(li)化(hua)學性質(zhi)在生(sheng)命科學、材(cai)料(liao)等領域得(de)到(dao)廣泛應用)等進入到(dao)土壤(rang)中，其(qi)生(sheng)態安全性和潛在健康風險也日益受到(dao)關(guan)注。
土(tu)壤有(you)機污(wu)染(ran)以(yi)六六六、滴滴涕、多(duo)氯聯(lian)苯(ben)、多(duo)環芳烴等有(you)機化合物(wu)污(wu)染(ran)為主(zhu)，而近年(nian)來一(yi)些新(xin)興有(you)機污(wu)染(ran)物(wu)，如全氟(fu)化合物(wu)、多(duo)溴(xiu)聯(lian)苯(ben)醚、短鏈氯化石(shi)蠟、五氯苯(ben)等也逐漸引起關(guan)注。
土(tu)壤(rang)(rang)生物(wu)污染則是指病原(yuan)體和(he)有害生物(wu)種群從外界侵入土(tu)壤(rang)(rang)，破壞土(tu)壤(rang)(rang)生態系統平衡，引(yin)起土(tu)壤(rang)(rang)質量下降的現象。土(tu)壤(rang)(rang)中往往含(han)有一些病原(yuan)微生物(wu)，如果大(da)量繁衍，將會破壞原(yuan)有土(tu)壤(rang)(rang)生態平衡。
同時，很多外源病原微生(sheng)(sheng)物(如大腸桿菌(jun)、沙門氏菌(jun)、脊髓灰(hui)質炎病毒等(deng))隨(sui)著生(sheng)(sheng)活(huo)污(wu)水、污(wu)泥或畜禽糞便等(deng)進(jin)入(ru)土壤，也(ye)造成土壤生(sheng)(sheng)物污(wu)染(ran)。近年來因抗生(sheng)(sheng)素的(de)(de)濫用(yong)而導致抗生(sheng)(sheng)素抗性(xing)基(ji)因(Antibioticresistancegenes，ARGs)的(de)(de)環(huan)境(jing)(jing)擴散和積累也(ye)被歸為生(sheng)(sheng)物污(wu)染(ran)，并已成為全(quan)世界關注的(de)(de)一個環(huan)境(jing)(jing)問題。
各種污染(ran)(ran)物(wu)(wu)進入土(tu)(tu)壤(rang)環境(jing)后會(hui)對土(tu)(tu)壤(rang)生(sheng)(sheng)態系(xi)統造成(cheng)深刻(ke)影響。一方面污染(ran)(ran)物(wu)(wu)往往具有致毒作用，會(hui)直接影響土(tu)(tu)壤(rang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)活性，改變土(tu)(tu)壤(rang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)系(xi)統結構(gou)，進而影響土(tu)(tu)壤(rang)生(sheng)(sheng)態功能(neng);另一方面，土(tu)(tu)壤(rang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)通過一系(xi)列代(dai)謝途徑消納(na)、轉化或富(fu)集(ji)污染(ran)(ran)物(wu)(wu)，影響污染(ran)(ran)物(wu)(wu)的環境(jing)行為和歸趨。
系統深入(ru)研究土(tu)壤(rang)(rang)生物(wu)與土(tu)壤(rang)(rang)污染(ran)物(wu)之間的相互(hu)作用及(ji)其機制，不(bu)僅對(dui)于(yu)全面認識土(tu)壤(rang)(rang)污染(ran)的生態效應(ying),以及(ji)土(tu)壤(rang)(rang)生物(wu)對(dui)土(tu)壤(rang)(rang)污染(ran)的適應(ying)策略具有重要意義，同時也是發展污染(ran)土(tu)壤(rang)(rang)生物(wu)修復技術的重要基礎。
1土壤生物與土壤污染研究前沿
土(tu)壤(rang)污染會(hui)影(ying)響土(tu)壤(rang)生(sheng)物系統的結構和功能，而土(tu)壤(rang)生(sheng)物則(ze)對(dui)土(tu)壤(rang)污染產生(sheng)適應、反饋(kui)調控以(yi)及消解清(qing)除作用，對(dui)兩(liang)者相互作用的研究有(you)利于發展土(tu)壤(rang)生(sheng)物修(xiu)復技術。
基于(yu)土(tu)壤(rang)(rang)污染與土(tu)壤(rang)(rang)生(sheng)物的(de)相互作(zuo)用(圖1)，相關科(ke)學研究(jiu)主要分為三個方面：(1)土(tu)壤(rang)(rang)污染的(de)生(sheng)態毒理效應;(2)土(tu)壤(rang)(rang)生(sheng)物對土(tu)壤(rang)(rang)污染的(de)響應與適應機(ji)制;(3)污染土(tu)壤(rang)(rang)修復原理與技(ji)術。
圖1土壤污染與(yu)土壤生(sheng)物系統(tong)相(xiang)互作用
1.1土壤污染的生態毒理效應
土壤(rang)污染的(de)生(sheng)(sheng)態毒理效應研究主要是考察污染物(wu)對生(sheng)(sheng)物(wu)個體(ti)生(sheng)(sheng)理、生(sheng)(sheng)物(wu)種群、群落(luo)結構乃至生(sheng)(sheng)態系統結構和功能(neng)的(de)影響。
當前的(de)(de)(de)研(yan)究多集中在生(sheng)物(wu)個體(ti)層次(ci)，如以典型模式(shi)(shi)生(sheng)物(wu)個體(ti)或(huo)細(xi)(xi)胞(bao)為考(kao)察對象，通(tong)過(guo)死亡率(lv)和(he)(he)(he)生(sheng)長(chang)發育相關指標(如無脊椎動物(wu)的(de)(de)(de)繁殖率(lv)、產(chan)卵率(lv)以及(ji)植(zhi)物(wu)的(de)(de)(de)種(zhong)子(zi)發芽、根(gen)伸(shen)長(chang)抑制和(he)(he)(he)生(sheng)物(wu)量等(deng))來反映污染(ran)物(wu)的(de)(de)(de)毒性效應，或(huo)采用(yong)(yong)基(ji)因(yin)組學(xue)及(ji)蛋(dan)白(bai)組學(xue)等(deng)研(yan)究有(you)毒污染(ran)物(wu)的(de)(de)(de)毒性機(ji)制，在基(ji)因(yin)、細(xi)(xi)胞(bao)和(he)(he)(he)個體(ti)水平上揭示典型污染(ran)物(wu)和(he)(he)(he)生(sheng)物(wu)相互(hu)作用(yong)(yong)的(de)(de)(de)位點(dian)及(ji)其作用(yong)(yong)方式(shi)(shi)，以及(ji)采用(yong)(yong)代(dai)謝(xie)組學(xue)等(deng)手段(duan)解析有(you)毒污染(ran)物(wu)對生(sheng)物(wu)代(dai)謝(xie)過(guo)程影響(xiang)的(de)(de)(de)機(ji)理和(he)(he)(he)調(diao)控途徑。
針對生(sheng)物個(ge)體毒理(li)效應(ying)的研究被廣泛用(yong)來評價單一污染物或復合污染物的直接毒性(xing)，但由于這類研究不能反(fan)映土壤(rang)中(zhong)物種(zhong)間的相互(hu)作用(yong)，對物種(zhong)敏感性(xing)差異考慮不足，因而在將污染物毒性(xing)外推到種(zhong)群(qun)或群(qun)落水平時具有很(hen)多局限性(xing)。
顯而易見，生(sheng)物個體的(de)變化必(bi)然會引起(qi)種群數量改變，使種群衰落直至(zhi)滅亡，從種群/群落乃至(zhi)生(sheng)態(tai)系統水平探討土壤污(wu)染的(de)生(sheng)態(tai)毒理效應(ying)，研究其所致的(de)生(sheng)態(tai)毒理效應(ying)演化過程，正逐漸形(xing)成生(sheng)態(tai)毒理學新的(de)學科增長點。
近(jin)年(nian)來有學者(zhe)提出利用多物(wu)(wu)種(zhong)測試(shi)系統(tong)來構建簡化(hua)的土壤食物(wu)(wu)網，從而在(zai)(zai)一(yi)定程度上反映(ying)物(wu)(wu)種(zhong)間相互作用。陸(lu)生(sheng)(sheng)微宇(yu)宙(zhou)(Microcosm)系統(tong)被認為是最接近(jin)自然生(sheng)(sheng)態系統(tong)的試(shi)驗系統(tong)，一(yi)般由處理后(hou)的土壤(采集并(bing)過篩)或是未經(jing)擾動(dong)的土體(ti)(Soilcore)及引入的多種(zhong)物(wu)(wu)種(zhong)組(zu)成，能(neng)夠在(zai)(zai)生(sheng)(sheng)態系統(tong)水(shui)平上模擬研究污(wu)染物(wu)(wu)的遷移轉化(hua)和歸趨(qu)，以及評(ping)價污(wu)染物(wu)(wu)對生(sheng)(sheng)態系統(tong)整體(ti)結構和功(gong)能(neng)的影響。
不過(guo)，由于微(wei)宇宙中生物群落結構比較復雜，對毒物反(fan)應的終點(dian)不夠(gou)明確，使得微(wei)宇宙中觀測到結果(guo)往往不易(yi)解釋，試驗可(ke)再現性也有(you)待加強。
相(xiang)對(dui)(dui)而言，針對(dui)(dui)群落水(shui)平的(de)毒(du)性研(yan)究，以微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)為評價對(dui)(dui)象在技術上是最容易實(shi)現的(de)。土壤微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)在生(sheng)(sheng)(sheng)態系統中具(ju)(ju)有特殊的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態地(di)位，對(dui)(dui)元素的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)地(di)球(qiu)循(xun)環(huan)具(ju)(ju)有不可替代的(de)重要作用(yong)，因(yin)而選擇具(ju)(ju)有代表性的(de)土壤微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)作為受(shou)體(ti)測試環(huan)境污染(ran)的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態效(xiao)應(ying)已成為近年(nian)生(sheng)(sheng)(sheng)態毒(du)理研(yan)究領域的(de)熱點。
重金(jin)屬是土壤中最為常見的(de)污染(ran)物(wu)。無論是對生物(wu)體必需還是非(fei)必需的(de)重金(jin)屬元素，達到(dao)一定(ding)濃度時都會損壞生物(wu)細(xi)胞膜、改變(bian)生物(wu)酶活(huo)性、影(ying)響(xiang)細(xi)胞內正常的(de)生理功能、并破壞生物(wu)體的(de)DNA結構(gou)。
譬如，Hg2+、Cd2+、Ag+等生物體非必需元素(su)能與巰基(ji)(ji)基(ji)(ji)團(tuan)(-SH)結合,進(jin)而(er)抑制(zhi)生物體的酶活性，Cr與S，以及As與P在結構(gou)上類似(si)導(dao)致這些元素(su)很容易(yi)取代生物體內的必需元素(su)[13]而(er)導(dao)致生理(li)功能紊亂。
土(tu)壤中的(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)數量龐大(da)并具(ju)有(you)高的(de)(de)(de)比表面積(ji)，為重金(jin)屬(shu)(shu)與微生(sheng)物(wu)細胞壁的(de)(de)(de)相互(hu)作用提供了廣闊場所，而微生(sheng)物(wu)細胞膜具(ju)有(you)的(de)(de)(de)網(wang)狀負電荷也(ye)使得其更易從周圍環境中積(ji)累金(jin)屬(shu)(shu)離子(zi)，且(qie)這種傳(chuan)輸不能區分(fen)必需(xu)元素還是有(you)毒(du)重金(jin)屬(shu)(shu)。
已有大量研究(jiu)報道(dao)了土壤重金(jin)屬污(wu)染(ran)對微生物(wu)生物(wu)量、土壤呼吸、底物(wu)利(li)用(yong)、氮轉化、酶(mei)活性以(yi)及微生物(wu)多樣性的影響。
例如，Chander等研(yan)究發現(xian)(xian)受重(zhong)金屬脅迫的土(tu)(tu)(tu)壤(rang)微生物(wu)需要消(xiao)耗更多能(neng)量，導致對(dui)底物(wu)的利用效(xiao)率降(jiang)低(di)(di)，引(yin)起土(tu)(tu)(tu)壤(rang)微生物(wu)生物(wu)量的降(jiang)低(di)(di);Gans等]研(yan)究發現(xian)(xian)在原始土(tu)(tu)(tu)壤(rang)樣品中存(cun)在超過(guo)100萬種不同的細菌基因(yin)組，而重(zhong)金屬污染(ran)會(hui)降(jiang)低(di)(di)其99.9%的多樣性。Singh等研(yan)究也發現(xian)(xian)在重(zhong)金屬長期脅迫下，土(tu)(tu)(tu)壤(rang)微生物(wu)群落(luo)多樣性顯(xian)著降(jiang)低(di)(di)，并導致一些特定功能(neng)如對(dui)污染(ran)物(wu)的礦化能(neng)力喪(sang)失。
對外(wai)源有(you)機(ji)污染(ran)(ran)物(wu)而言，土(tu)(tu)壤(rang)微生(sheng)物(wu)是有(you)機(ji)污染(ran)(ran)物(wu)降解的主要(yao)驅動力，然(ran)而有(you)機(ji)污染(ran)(ran)物(wu)也深刻(ke)影響著土(tu)(tu)壤(rang)微生(sheng)物(wu)的生(sheng)長、豐度及(ji)降解能力。
很(hen)多研究(jiu)發(fa)現有(you)機污染物(wu)能顯著抑(yi)制微生物(wu)的生長和生理活動，如敵(di)草隆的降(jiang)解產物(wu)對(dui)亞(ya)硝酸(suan)細菌(jun)和硝酸(suan)細菌(jun)有(you)抑(yi)制作用(yong)，苯氧淡酸(suan)類除草劑(ji)可通過影響(xiang)寄主(zhu)植(zhi)物(wu)而抑(yi)制共生固氮菌(jun)的生長和活動，2,4-D和甲基(ji)氯苯氧乙(yi)酸(suan)對(dui)土壤中藍(lan)細菌(jun)的光合作用(yong)有(you)毒性作用(yong)。
不(bu)過，也有(you)研究(jiu)發(fa)現，有(you)機(ji)污染(ran)物(wu)(wu)(wu)脅(xie)迫下功能微生物(wu)(wu)(wu)類(lei)群的(de)豐度會相應(ying)提高(gao)，并且在某些(xie)環境(jing)中，其豐度與有(you)機(ji)污染(ran)物(wu)(wu)(wu)的(de)濃(nong)度成正比(bi)。當(dang)這(zhe)些(xie)功能微生物(wu)(wu)(wu)再(zai)次受到有(you)機(ji)污染(ran)物(wu)(wu)(wu)脅(xie)迫時，因經(jing)過前期(qi)的(de)適應(ying)過程，其生長速率明顯增加。
這些研(yan)究(jiu)結果的(de)(de)差(cha)異可能與(yu)有機(ji)污(wu)染物(wu)的(de)(de)類型和土(tu)壤中污(wu)染物(wu)濃度水平有關。此(ci)外，有研(yan)究(jiu)發現有機(ji)物(wu)存(cun)在時還會改變重金屬移(yi)動性(xing)(xing)及土(tu)壤微生(sheng)(sheng)物(wu)活性(xing)(xing)，例如溴代阻(zu)燃劑BDE209的(de)(de)適當加入會加速Pb轉(zhuan)化(hua)為更穩(wen)定的(de)(de)形態進而(er)對土(tu)壤微生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)量、呼吸和代謝產生(sheng)(sheng)不同影(ying)響。
對于新型污染物抗(kang)性基(ji)因(yin)而言(yan)，其可隨畜禽糞(fen)便進(jin)入土壤(rang)(rang)系(xi)統，并可能將抗(kang)性基(ji)因(yin)轉移到土著微(wei)生物中。抗(kang)生素選擇(ze)壓力也會誘導(dao)抗(kang)性基(ji)因(yin)的產生，有報道土壤(rang)(rang)重復施加(jia)含磺(huang)胺嘧啶的豬糞(fen)后，sul1和sul2兩(liang)種(zhong)抗(kang)性基(ji)因(yin)的豐(feng)度顯著增加(jia)。
同時，由于抗生(sheng)素進入土壤(rang)(rang)后能直接殺死土壤(rang)(rang)中(zhong)某(mou)些微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)或抑(yi)(yi)制相關微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)生(sheng)長，因而能改變微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)群落(luo)結構(gou)及微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)活性。Haller等(deng)(deng)]研究發現磺胺(an)(an)類(磺胺(an)(an)嘧啶和(he)磺胺(an)(an)甲惡唑(zuo))和(he)四環素類(土霉素)抗生(sheng)素明顯抑(yi)(yi)制了土壤(rang)(rang)細菌(jun)和(he)放(fang)線菌(jun)生(sheng)長，使土壤(rang)(rang)微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)量(liang)明顯下降，但(dan)土壤(rang)(rang)真(zhen)菌(jun)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)量(liang)增加。Hammesfahr等(deng)(deng)也(ye)證實磺胺(an)(an)嘧啶污染的(de)糞便使土壤(rang)(rang)細菌(jun)/真(zhen)菌(jun)比(bi)例下降。Boleas等(deng)(deng)則(ze)發現土壤(rang)(rang)中(zhong)四環素濃度達到1mg/kg即可顯著抑(yi)(yi)制土壤(rang)(rang)脫(tuo)氫酶和(he)磷酸(suan)酶的(de)活性。
最近研(yan)究發現，即使(shi)施用不含抗生(sheng)(sheng)素(su)(su)的(de)有(you)機肥，也可以顯著富集土壤(rang)中抗生(sheng)(sheng)素(su)(su)抗性(xing)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)和(he)抗性(xing)基(ji)因，其原因是土壤(rang)養(yang)分的(de)投入可以改變土壤(rang)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)群落結構(gou)，特別是一些通常含有(you)抗性(xing)基(ji)因的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)類群，如假單(dan)胞桿(gan)菌等。
盡管有(you)(you)關污(wu)染物(wu)對土(tu)壤(rang)生物(wu)的影響已(yi)有(you)(you)大(da)量研究(jiu)(jiu)報道，但(dan)目前還非常缺乏真正意(yi)義(yi)上的土(tu)壤(rang)污(wu)染生態毒理學研究(jiu)(jiu)：很少有(you)(you)研究(jiu)(jiu)考(kao)慮物(wu)種間的相(xiang)互(hu)作用，更少有(you)(you)真正在(zai)生態系統層(ceng)次開展(zhan)的研究(jiu)(jiu)。
此外(wai)，自然條件下土壤(rang)污(wu)(wu)染通常是多(duo)種(zhong)污(wu)(wu)染物(wu)共(gong)存的復(fu)合污(wu)(wu)染，但已(yi)有(you)研(yan)究(jiu)多(duo)以單(dan)種(zhong)或單(dan)類污(wu)(wu)染物(wu)作為研(yan)究(jiu)對象，考(kao)察(cha)其在環境介質中的遷移轉化過程，但很少考(kao)慮復(fu)合污(wu)(wu)染的生態效(xiao)應。
客觀地講，在(zai)群(qun)落(luo)(luo)水平乃(nai)至生態(tai)系(xi)(xi)統水平開展毒性測(ce)(ce)(ce)試(shi)還(huan)(huan)存在(zai)很(hen)多(duo)難點，如在(zai)戶外(wai)自然光照和(he)降雨條件(jian)下進(jin)行的中宇宙(zhou)測(ce)(ce)(ce)試(shi)，與真實(shi)環境高度接近，但由于(yu)測(ce)(ce)(ce)試(shi)系(xi)(xi)統中的組分是動態(tai)變化(hua)(hua)和(he)相互依(yi)賴的，這種復(fu)雜性使得建(jian)立污染物(wu)(wu)和(he)群(qun)落(luo)(luo)變化(hua)(hua)間的劑量-效應(ying)關(guan)系(xi)(xi)非(fei)常困(kun)難，同時成本較(jiao)高導致(zhi)實(shi)驗重(zhong)復(fu)少，也(ye)限(xian)制了實(shi)際應(ying)用(yong)。今后還(huan)(huan)需進(jin)一步發展針對(dui)多(duo)物(wu)(wu)種的半野外(wai)測(ce)(ce)(ce)試(shi)方(fang)法來評價群(qun)落(luo)(luo)/生態(tai)系(xi)(xi)統水平的效應(ying)。
1.2土壤生物對環境污染的響應及其適應機制
污染(ran)物(wu)對(dui)土壤生物(wu)具有毒害(hai)作用，但(dan)另一方面土壤生物(wu)對(dui)各類(lei)污染(ran)物(wu)也有一定的抗(kang)性(xing)和(he)解毒機(ji)制。對(dui)于重(zhong)金屬而言(yan)，土壤生物(wu)的解毒及(ji)耐性(xing)機(ji)制包括：
(1)泌(mi)出(chu)、吸附以及細胞外(wai)的沉淀(dian)作(zuo)用，如許(xu)多微生物通過胞外(wai)聚合(he)物將重金屬(shu)固持在胞外(wai);
(2)對過量重(zhong)金(jin)屬(shu)的區隔(ge)化作用，如重(zhong)金(jin)屬(shu)進入植物細胞后(hou)往往聚(ju)集(ji)在(zai)液泡中(zhong)，而在(zai)菌(jun)根共生體(ti)系中(zhong)重(zhong)金(jin)屬(shu)會被固(gu)持在(zai)根內真(zhen)菌(jun)結構中(zhong);
(3)細胞內解毒(du)作用，植(zhi)物(wu)或微(wei)生物(wu)攝入過量重(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)離子可誘(you)導金(jin)(jin)屬(shu)硫蛋白、植(zhi)物(wu)絡合素、谷胱(guang)甘肽等物(wu)質的(de)大量合成，并與重(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)離子相結合，從而減輕重(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)毒(du)害，如銅(tong)或鎘脅(xie)迫能夠上調叢枝菌根(gen)真菌中金(jin)(jin)屬(shu)硫蛋白基因(GintMT1)的(de)表達;
(4)通(tong)過氧(yang)化(hua)、還原(yuan)、甲(jia)(jia)基(ji)化(hua)和(he)去甲(jia)(jia)基(ji)化(hua)作用對重(zhong)(zhong)金屬進行轉(zhuan)化(hua)，將(jiang)(jiang)重(zhong)(zhong)金屬轉(zhuan)化(hua)為無(wu)毒(du)、低毒(du)或易排出體(ti)外的(de)形(xing)態。如一些(xie)(xie)微生物能夠將(jiang)(jiang)砷(shen)甲(jia)(jia)基(ji)化(hua)，從(cong)而降低砷(shen)毒(du)害(hai)，同時也幫助植物減(jian)輕毒(du)害(hai)，有些(xie)(xie)厭氧(yang)微生物可將(jiang)(jiang)汞甲(jia)(jia)基(ji)化(hua)，再將(jiang)(jiang)甲(jia)(jia)基(ji)汞排出細胞外達到解(jie)毒(du)作用。
一些土壤微生物(wu)與植物(wu)在長期適(shi)應環(huan)境過程中形成(cheng)了協同抵抗(kang)重(zhong)金屬(shu)機制。例如，在重(zhong)金屬(shu)污染環(huan)境中，AM真菌即可通(tong)過多種機制對宿主(zhu)植物(wu)起(qi)到保護(hu)作用(yong)。
概括起來，AM真菌主要通過間(jian)接(jie)(jie)和直(zhi)接(jie)(jie)兩條途徑(jing)增強植物(wu)(wu)重金(jin)屬耐性(xing)(xing)，間(jian)接(jie)(jie)途徑(jing)主要通過促進(jin)植物(wu)(wu)對(dui)礦質養分(尤其(qi)是(shi)磷)的吸收，改善植物(wu)(wu)營(ying)養狀況(kuang)，促進(jin)植物(wu)(wu)生(sheng)長，進(jin)而(er)增強植物(wu)(wu)重金(jin)屬耐性(xing)(xing);直(zhi)接(jie)(jie)途徑(jing)主要指叢枝菌根(gen)對(dui)重金(jin)屬環(huan)境(jing)行為(wei)的直(zhi)接(jie)(jie)影響，如(ru)根(gen)外(wai)菌絲對(dui)重金(jin)屬的直(zhi)接(jie)(jie)固持作用等(deng)。
此外，值(zhi)得注(zhu)意(yi)的是(shi)，一些微(wei)生物(wu)或植物(wu)甚(shen)至能(neng)夠在(zai)重金(jin)屬污染下獲益，如一些化能(neng)自(zi)養型砷(shen)氧化微(wei)生物(wu)能(neng)夠將三價(jia)砷(shen)氧化為五價(jia)砷(shen)，并且(qie)利(li)用其產生的能(neng)量同化二(er)氧化碳，供自(zi)身(shen)生長(chang)。
雖(sui)然(ran)土壤生物消納重(zhong)(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)及機(ji)制已(yi)有較多(duo)研究，但過(guo)(guo)去還是(shi)以重(zhong)(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)遷移(yi)轉化(hua)(hua)的(de)(de)化(hua)(hua)學過(guo)(guo)程(cheng)為主，相關生理及分子機(ji)制方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)深(shen)入研究相對(dui)較少，而這方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)研究對(dui)于從本質上(shang)認識重(zhong)(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)地球(qiu)化(hua)(hua)學循(xun)環過(guo)(guo)程(cheng)無(wu)疑具有重(zhong)(zhong)要意義(yi)。
對(dui)于有(you)(you)機(ji)污(wu)染(ran)物(wu)而言，土壤生(sheng)物(wu)在其降解(jie)過程(cheng)中具有(you)(you)不(bu)可(ke)替代(dai)的(de)重要作用。土壤有(you)(you)機(ji)污(wu)染(ran)物(wu)的(de)降解(jie)關鍵過程(cheng)如脫(tuo)氯(lv)、開環、脫(tuo)氮、氧化及還原等往(wang)往(wang)在微(wei)生(sheng)物(wu)作用下完成。
微(wei)生物(wu)(wu)降(jiang)解(jie)有機污染(ran)物(wu)(wu)主要分為兩種方式，生長代謝(xie)和(he)共代謝(xie)。生長代謝(xie)是指微(wei)生物(wu)(wu)將有機污染(ran)物(wu)(wu)作為碳源和(he)能源物(wu)(wu)質加(jia)(jia)(jia)以分解(jie)和(he)利用的(de)代謝(xie)過(guo)程(cheng)。以多環芳烴為例，微(wei)生物(wu)(wu)在(zai)單加(jia)(jia)(jia)氧酶(mei)或雙(shuang)加(jia)(jia)(jia)氧酶(mei)的(de)催化作用下，將氧加(jia)(jia)(jia)到苯環上，形成(cheng)C—O鍵，再通過(guo)加(jia)(jia)(jia)氫、脫水(shui)等作用使(shi)C—C鍵斷裂(lie)，苯環數減少，形成(cheng)一(yi)些中間產物(wu)(wu)，如鄰苯二酚等，這(zhe)些中間產物(wu)(wu)進而被微(wei)生物(wu)(wu)利用合成(cheng)自身(shen)生長所需物(wu)(wu)質。
共代謝(xie)則是(shi)指微生(sheng)物能夠降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)或改(gai)變(bian)有(you)機(ji)污染物化(hua)學結(jie)構，但(dan)并不(bu)(bu)以此作(zuo)為(wei)碳(tan)源和(he)能源而(er)是(shi)從其它底物獲(huo)取碳(tan)源和(he)能源的(de)代謝(xie)過程(cheng)，如(ru)一(yi)些(xie)微生(sheng)物如(ru)不(bu)(bu)動桿(gan)菌等能夠在(zai)以苯(ben)為(wei)碳(tan)源的(de)條件下(xia)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)三氯苯(ben)酚和(he)四氯苯(ben)酚。通(tong)常一(yi)些(xie)高分子多環芳烴及其類似物的(de)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)要依賴(lai)共代謝(xie)作(zuo)用，一(yi)些(xie)持久性難(nan)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)有(you)機(ji)污染物如(ru)多氯聯苯(ben)等，也能夠在(zai)特定菌種(zhong)及合適條件發生(sheng)脫氯反應(ying)。
總體來說，土(tu)壤生物(wu)對有機污染的(de)響應和適(shi)應機理研究(jiu)(jiu)還比較少，尚待通過分(fen)子生物(wu)學(xue)手段研究(jiu)(jiu)微生物(wu)解毒(du)基因，針對不同結構的(de)有機物(wu)污染，研究(jiu)(jiu)其解毒(du)途徑及降(jiang)解產物(wu)。
對(dui)于生物污染而(er)言，研究(jiu)其在(zai)土壤中的(de)傳播與演化(hua)機制才(cai)剛剛起(qi)步。土壤顆(ke)粒(li)對(dui)病(bing)原微生物具有較強的(de)吸附作用，同時存在(zai)對(dui)流-彌散、瀝(li)濾等過(guo)程，并受(shou)到病(bing)原微生物自身性質、土壤性質和環境條件等因素的(de)影響。
另一方面，不同(tong)病原微(wei)生物在土(tu)壤(rang)中的存活狀態也不盡相同(tong)，并受到(dao)諸多因(yin)素如土(tu)壤(rang)pH、有機(ji)質、土(tu)壤(rang)溫度(du)(du)及濕度(du)(du)、離子強(qiang)度(du)(du)、外界紫外線(xian)強(qiang)度(du)(du)、土(tu)著微(wei)生物區(qu)系以及根際效應(ying)等的影響。
多數病原微生物(wu)進入(ru)土(tu)(tu)(tu)壤后會很(hen)快消亡，但仍有小部分病原微生物(wu)長時間(jian)內仍能(neng)保(bao)持感染活(huo)力，如弓(gong)蛔蟲(Toxocara)在土(tu)(tu)(tu)壤中存(cun)活(huo)時間(jian)達(da)3—4年，炭疸桿菌(Bacillusanthracis)在土(tu)(tu)(tu)壤中存(cun)活(huo)時間(jian)甚至長達(da)幾十年。
土壤病原(yuan)菌(jun)還可以通過(guo)污(wu)灌(guan)、畜(chu)禽(qin)糞便施用、昆蟲(chong)傳播(bo)等多種方式進入(ru)到(dao)植物體內產(chan)生(sheng)二次污(wu)染。一些抗(kang)生(sheng)素抗(kang)性(xing)細菌(jun)進入(ru)土壤后，其攜帶的抗(kang)性(xing)基因甚至可通過(guo)水平轉移傳播(bo)到(dao)土著(zhu)微生(sheng)物中，從而(er)對土壤生(sheng)態系統(tong)造(zao)成破(po)壞。
揭示病原微生(sheng)物(wu)致毒(du)基因(yin)在不同土壤生(sheng)物(wu)類群(qun)之間的(de)(de)轉移機(ji)制及(ji)毒(du)力基因(yin)殘留效應，探(tan)究抗(kang)生(sheng)素抗(kang)性(xing)菌(jun)及(ji)抗(kang)性(xing)基因(yin)和病原微生(sheng)物(wu)的(de)(de)復(fu)合污染(ran)以及(ji)兩(liang)者相互作(zuo)用(yong)是土壤生(sheng)物(wu)污染(ran)研究領(ling)域的(de)(de)重點內(nei)容。
1.3污染土壤修復原理與技術
植(zhi)物根系(xi)、真菌(jun)菌(jun)絲(si)等可(ke)以直接固持土壤(rang)中(zhong)的重金(jin)屬(shu)(shu)(生物固定(ding));超(chao)積(ji)累植(zhi)物能將重金(jin)屬(shu)(shu)從土壤(rang)中(zhong)吸收積(ji)累至植(zhi)物地上(shang)部分(植(zhi)物提取)，亦或將可(ke)揮(hui)發(fa)性金(jin)屬(shu)(shu)元素(su)通過氣孔釋放到大氣中(zhong)(植(zhi)物揮(hui)發(fa))。
另一方面，土(tu)壤生(sheng)物(wu)(wu)通(tong)過直接吸收或共代謝作用轉化(hua)降解(jie)(jie)土(tu)壤中(zhong)的有機污染物(wu)(wu)(生(sheng)物(wu)(wu)轉化(hua))，有機物(wu)(wu)降解(jie)(jie)產物(wu)(wu)可直接釋放(fang)到環境介質當中(zhong)(生(sheng)物(wu)(wu)揮發)。
研究土(tu)壤污染(ran)(ran)的生態毒理(li)效(xiao)應及土(tu)壤生物對土(tu)壤污染(ran)(ran)的響(xiang)應與適應機制，一(yi)方(fang)面(mian)能夠(gou)為建(jian)立(li)土(tu)壤環境質(zhi)量標準提供依據，另一(yi)方(fang)面(mian)也(ye)為解(jie)決土(tu)壤污染(ran)(ran)問(wen)題奠定(ding)了(le)重要(yao)基礎(chu)。
事實上(shang)，污染(ran)土(tu)壤(rang)修復(fu)原(yuan)理和技術(shu)一(yi)直也(ye)是土(tu)壤(rang)學領域的(de)重要研究內容。傳統的(de)污染(ran)土(tu)壤(rang)修復(fu)主要以客土(tu)、土(tu)壤(rang)淋洗、施加穩定劑等物理化學方(fang)法(fa)為主。
近(jin)(jin)年來，也(ye)有(you)一(yi)些新型的環境功能材料應用(yong)于(yu)污染土壤修(xiu)復，如近(jin)(jin)年迅速(su)發展起來的納米零價(jia)鐵(tie)(Nanoscalezero-valentiron，nZVI)修(xiu)復技術。nZVI因(yin)其(qi)比表(biao)面積大、強(qiang)還原性(xing)，且具有(you)量子效應、比表(biao)面效應、體積效應等(deng)特性(xing)，對重金(jin)屬、無機(ji)(ji)鹽(yan)及有(you)機(ji)(ji)污染物都具有(you)較好的去除效果(guo)，逐漸被廣(guang)泛用(yong)于(yu)重金(jin)屬(如六價(jia)鉻)或有(you)機(ji)(ji)化合物(多環芳烴等(deng))污染土壤的修(xiu)復。
傳統(tong)物理(li)化學修復技術對于(yu)治(zhi)理(li)嚴重污染土壤(rang)具有時間短(duan)、見效快等(deng)優點，但往往伴隨著高(gao)能(neng)耗、高(gao)費用(yong)、二次污染等(deng)風險，因而(er)不適用(yong)于(yu)大規模污染土壤(rang)的修復。
相應(ying)地，近年(nian)來(lai)發展起(qi)來(lai)的(de)利用(yong)特定(ding)植物(wu)或(huo)微生物(wu)修復污染土壤的(de)生物(wu)修復方法因其綠(lv)色環保、高(gao)效(xiao)、成本低等優(you)點而受(shou)到(dao)廣泛關注。
在概(gai)念上，生(sheng)物(wu)修(xiu)復是指(zhi)利用生(sheng)物(wu)的代謝活動及其(qi)代謝產(chan)物(wu)富(fu)集、降解或(huo)固定(ding)土壤中的污染(ran)物(wu)，從(cong)而恢(hui)復被污染(ran)土壤的生(sheng)產(chan)或(huo)景觀(guan)價值的一個受控(kong)或(huo)自(zi)發進(jin)行(xing)的生(sheng)物(wu)學過程。
生物(wu)(wu)修(xiu)復主要以植物(wu)(wu)修(xiu)復和(he)微生物(wu)(wu)修(xiu)復為(wei)主。對(dui)于不同(tong)類型的污染物(wu)(wu)，其修(xiu)復方(fang)法往往不同(tong)。對(dui)于重金屬來(lai)說，其結構簡單，性質(zhi)較為(wei)穩定，因而常常采取植物(wu)(wu)萃取和(he)植物(wu)(wu)固(gu)定方(fang)法進(jin)行修(xiu)復。
植物(wu)萃(cui)取主要是(shi)利(li)(li)用(yong)超積累植物(wu)吸收、富集重金屬，從(cong)而減少乃至清(qing)除土壤(rang)中的(de)重金屬，如(ru)利(li)(li)用(yong)砷(shen)超積累植物(wu)蜈(wu)蚣草進行砷(shen)污染(ran)土壤(rang)的(de)修復(fu)。
植(zhi)物(wu)固定則主要利用特(te)定耐性(xing)植(zhi)物(wu)將污染物(wu)固定在根際或根系中(zhong)以降低重(zhong)金屬(shu)可(ke)遷移性(xing)，如(ru)利用一些礦區中(zhong)天然(ran)存在的(de)耐性(xing)植(zhi)物(wu)修復重(zhong)金屬(shu)污染土壤。
此外，也可利用某些具有特(te)殊功能的(de)(de)微生(sheng)物(wu)類群的(de)(de)代謝活(huo)動來降低重金屬活(huo)性(xing)(xing)及毒性(xing)(xing)以達到土壤(rang)修(xiu)復(fu)的(de)(de)目的(de)(de)(即微生(sheng)物(wu)修(xiu)復(fu))，如利用六價鉻(ge)(ge)還原細菌高(gao)效(xiao)還原土壤(rang)中(zhong)六價鉻(ge)(ge)以降低鉻(ge)(ge)毒性(xing)(xing)從而修(xiu)復(fu)鉻(ge)(ge)污染土壤(rang)。
對于(yu)有(you)機污(wu)染物(wu)(wu)而言，其結構(gou)和性質(zhi)較為(wei)復(fu)雜，且生(sheng)物(wu)(wu)降解難易程度不同，因而要根據污(wu)染物(wu)(wu)的(de)(de)特性選取(qu)適宜的(de)(de)修復(fu)方(fang)法。土(tu)壤中多(duo)數有(you)機污(wu)染物(wu)(wu)能夠被微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)降解轉化，最終變(bian)成無害形態。
土壤微生(sheng)物轉化(hua)(hua)有機(ji)(ji)污染物主要(yao)涉及氧化(hua)(hua)還原、水解、集團轉移(yi)、酯化(hua)(hua)、縮(suo)合(he)、氨化(hua)(hua)等過(guo)程(cheng)，且分為生(sheng)長代謝和共代謝途徑兩種類型。基(ji)于土壤微生(sheng)物能夠(gou)降解有機(ji)(ji)污染物的(de)特性(xing)，微生(sheng)物修(xiu)復(fu)已(yi)成為土壤有機(ji)(ji)污染修(xiu)復(fu)的(de)主要(yao)技術(shu)。
此外(wai)，一些植(zhi)物(wu)也能(neng)夠吸(xi)收轉運有(you)(you)(you)機物(wu)，并將小分子有(you)(you)(you)機物(wu)通過葉(xie)片(pian)揮(hui)發至大氣當(dang)中(植(zhi)物(wu)揮(hui)發)，而一些難(nan)揮(hui)發性有(you)(you)(you)機物(wu)能(neng)夠通過酶促反應(ying)(ying)被無害(hai)化(hua)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)(jie)(植(zhi)物(wu)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)(jie))，一些難(nan)降(jiang)(jiang)解(jie)(jie)(jie)有(you)(you)(you)機污染(ran)(ran)物(wu)也能(neng)夠被特定植(zhi)物(wu)吸(xi)收累積(植(zhi)物(wu)富集)。因(yin)而，利用(yong)植(zhi)物(wu)修復有(you)(you)(you)機污染(ran)(ran)土(tu)壤也具有(you)(you)(you)一定應(ying)(ying)用(yong)前景(jing)。
值得注意的(de)是，自然環境中植物(wu)(wu)與(yu)微生物(wu)(wu)之間往往具有密(mi)切(qie)的(de)相互(hu)作用(yong)，不僅影響(xiang)著彼此的(de)污染耐受性，同時也(ye)對(dui)污染物(wu)(wu)遷(qian)移轉化(hua)產生重(zhong)要(yao)影響(xiang)。將(jiang)植物(wu)(wu)修(xiu)(xiu)復和微生物(wu)(wu)修(xiu)(xiu)復技術有機結合起來，對(dui)于提高生物(wu)(wu)修(xiu)(xiu)復效率(lv)具有重(zhong)要(yao)意義。
例如，通過(guo)菌根共生體系(xi)通常(chang)能夠增(zeng)強植物(wu)對污染(ran)(ran)土壤(rang)的耐受性并促進植物(wu)修(xiu)(xiu)復(fu)(fu)。在實(shi)際情(qing)況下，由于污染(ran)(ran)土壤(rang)往往存在復(fu)(fu)合(he)污染(ran)(ran)、物(wu)理結構不良、水(shui)土保持能力(li)弱等限制性因素，導致單一(yi)修(xiu)(xiu)復(fu)(fu)措施(shi)無法實(shi)現，因而需(xu)要根據實(shi)際情(qing)形將生物(wu)修(xiu)(xiu)復(fu)(fu)與(yu)物(wu)理化(hua)學(xue)修(xiu)(xiu)復(fu)(fu)有機(ji)結合(he)，以獲得最佳修(xiu)(xiu)復(fu)(fu)效果(guo)。
此外，對于需要持(chi)續生(sheng)產的(de)(de)農業用(yong)地或林地而言，可(ke)考慮生(sheng)產與(yu)修復相結合的(de)(de)方(fang)式，如利用(yong)一(yi)些高生(sheng)物(wu)(wu)量的(de)(de)能源植物(wu)(wu)進行(xing)修復，在達到污染土壤修復目的(de)(de)的(de)(de)同(tong)時產生(sheng)一(yi)定的(de)(de)經濟效益。
2未來研究動向分析
基于國內外土(tu)壤污染與土(tu)壤生物(wu)研(yan)究(jiu)前沿動態和我國土(tu)壤污染基本狀況(kuang)，這一(yi)研(yan)究(jiu)領域的關鍵(jian)科學問題可凝練(lian)為：
(1)土(tu)壤污染如何影響土(tu)壤生物(wu)群落結構(gou)與(yu)功能(neng)?
(2)土壤(rang)消(xiao)納污染物的生物學機理?
(3)生物污染在土壤(rang)中的(de)傳播與演(yan)化機制(zhi)?
圍繞這些問題(ti)，以下幾方面將成為未來研究的重(zhong)點方向：
2.1土壤污染背景下微生物群落結構和多樣性的演變及生態效應
過去(qu)有關土壤污(wu)染(ran)(ran)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)效應研(yan)究(jiu)(jiu)主(zhu)要在細胞和生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)個體水平開展(zhan)，研(yan)究(jiu)(jiu)對象主(zhu)要是(shi)動物(wu)(wu)和植(zhi)物(wu)(wu)，但隨著(zhu)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)分(fen)子(zi)生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)學的(de)(de)(de)發展(zhan)，越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多(duo)(duo)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)開始關注土壤污(wu)染(ran)(ran)對微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群落(luo)的(de)(de)(de)影響，包括在功能(neng)(neng)基因、功能(neng)(neng)群乃(nai)至在土壤生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)系統水平研(yan)究(jiu)(jiu)不同污(wu)染(ran)(ran)物(wu)(wu)及(ji)復合(he)污(wu)染(ran)(ran)對土壤微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)多(duo)(duo)樣(yang)性和功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)影響及(ji)其機(ji)制，重點是(shi)將生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)多(duo)(duo)樣(yang)性(群落(luo)結構(gou))與相(xiang)關生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)功能(neng)(neng)/過程結合(he)起來(lai)(lai)進行研(yan)究(jiu)(jiu)，從生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)多(duo)(duo)樣(yang)性和生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)系統穩定性(抵抗力和恢復力)的(de)(de)(de)關系角(jiao)度理解土壤污(wu)染(ran)(ran)對土壤生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)系統影響機(ji)制。
隨著分(fen)(fen)子生(sheng)(sheng)物(wu)學(xue)(xue)及生(sheng)(sheng)物(wu)信(xin)息學(xue)(xue)的迅速發展(zhan)，利用高通量測序、核(he)酸雜交技術(shu)、DNA指紋(wen)圖譜技術(shu)和(he)基(ji)因芯片等分(fen)(fen)子生(sheng)(sheng)物(wu)學(xue)(xue)方法來(lai)分(fen)(fen)析土壤微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)多樣性和(he)群(qun)落(luo)結構，以及應(ying)用宏基(ji)因組學(xue)(xue)、宏蛋白組學(xue)(xue)及代(dai)謝(xie)組學(xue)(xue)等系統生(sheng)(sheng)物(wu)學(xue)(xue)的方法研究土壤微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)活性及功能的演變(bian)規律(lv)已成(cheng)為土壤生(sheng)(sheng)物(wu)學(xue)(xue)領域(yu)的趨勢。
這些(xie)新(xin)方法的(de)應用(yong)會大(da)大(da)促進(jin)我們(men)對土壤(rang)污染與(yu)土壤(rang)生(sheng)物(wu)系統相互作用(yong)的(de)全面認(ren)識(shi)，有助于(yu)理解在(zai)土壤(rang)污染脅迫下土壤(rang)生(sheng)物(wu)群落結(jie)構及功能(neng)的(de)演變規(gui)律及響應適應過程(cheng)。
在上(shang)述研(yan)究的(de)基(ji)(ji)礎上(shang)，未來(lai)應加強基(ji)(ji)于長(chang)期定位實驗的(de)研(yan)究，也就(jiu)是(shi)結合現代組學技術、大數據(ju)科學和模(mo)型(xing)等(deng)手段(duan)在較(jiao)長(chang)的(de)時間尺度上(shang)認識(shi)土壤生(sheng)物(wu)系統在土壤污染脅迫(po)下的(de)演變(bian)規(gui)律和機制。
將來(lai)土壤(rang)生(sheng)態毒(du)理(li)學(xue)研(yan)究應(ying)更多地(di)拓展到(dao)實(shi)際(ji)環(huan)境，從(cong)更大(da)的時(shi)(shi)間和(he)空間尺度上進(jin)行研(yan)究，考察的對象應(ying)從(cong)土壤(rang)生(sheng)物群(qun)落層次上升到(dao)食(shi)物網層次，同(tong)時(shi)(shi)要(yao)將生(sheng)物多樣性演變與生(sheng)態功能變化聯(lian)系起來(lai)，從(cong)而進(jin)一步提高研(yan)究的科學(xue)性和(he)實(shi)用性。
2.2土壤污染的生物轉化和清除機制
土壤生物(wu)可通過(guo)氧化、還(huan)原(yuan)和甲基(ji)化等過(guo)程(cheng)直接改變(bian)重(zhong)金屬(shu)化學形態(tai)，或通過(guo)改變(bian)鐵、硫等元素的氧化還(huan)原(yuan)狀態(tai)、分泌(mi)有機絡合物(wu)、細胞壁吸附(fu)和固定等過(guo)程(cheng)影(ying)響重(zhong)金屬(shu)的生物(wu)有效性。
土壤生(sheng)物同樣(yang)可(ke)以通過特異性或(huo)(huo)非特異性酶脫毒(du)系統(tong)，或(huo)(huo)通過一(yi)些(xie)特定(ding)的(de)(de)代謝途徑降(jiang)解(jie)有機污染(ran)物。通過野外調查(cha)及傳統(tong)室內(nei)模擬試驗(yan)，發現并分離(li)特定(ding)功能微生(sheng)物，進一(yi)步通過同位(wei)素示蹤技(ji)(ji)術(shu)、原位(wei)熒光雜(za)交技(ji)(ji)術(shu)、電(dian)子顯(xian)微技(ji)(ji)術(shu)，以及近(jin)年來迅速發展起來的(de)(de)同步輻射技(ji)(ji)術(shu)(如X射線熒光微分析(xi)技(ji)(ji)術(shu)(XRF)和(he)X射線吸收(shou)精細結構分析(xi)技(ji)(ji)術(shu)(XAFS))、次(ci)生(sheng)離(li)子質譜技(ji)(ji)術(shu)，可(ke)深層次(ci)揭示污染(ran)物遷移轉化的(de)(de)界面(mian)化學過程(cheng)。
另一方面(mian)，生(sheng)物體內的(de)生(sheng)理(li)代謝及(ji)分子調控(kong)過程是驅動污染物化學轉化的(de)內在動力，未(wei)來的(de)研究也(ye)需要將分子生(sheng)物學技術(shu)(如(ru)實時熒光定量PCR、基因克隆及(ji)功(gong)能(neng)驗證、蛋(dan)白質(zhi)結構解析、穩定性(xing)同(tong)位素核酸(suan)探(tan)針DNA/RNA-SIP等(deng)技術(shu))與先(xian)進的(de)物理(li)化學技術(shu)(如(ru)高精度質(zhi)譜、電鏡分析及(ji)同(tong)步輻(fu)射(she)等(deng)技術(shu))相結合，從(cong)分子層(ceng)次上(shang)深入探(tan)索土(tu)壤(rang)(rang)生(sheng)物介導(dao)的(de)污染物轉化機制，為土(tu)壤(rang)(rang)污染的(de)生(sheng)物修復奠定基礎。
此外，一些(xie)污染(ran)(ran)物的生(sheng)物代謝(xie)及(ji)消納過(guo)程往往與生(sheng)物自(zi)身代謝(xie)過(guo)程相耦合(he)，如微生(sheng)物驅動的有機污染(ran)(ran)物降解可以耦合(he)鐵還(huan)原(yuan)(yuan)、硝酸鹽還(huan)原(yuan)(yuan)、硫(liu)酸鹽還(huan)原(yuan)(yuan)及(ji)甲烷產生(sheng)過(guo)程，這(zhe)些(xie)耦合(he)作用在元素生(sheng)物地球化學循環過(guo)程中扮演著重要的角色(se)。
具體(ti)研(yan)究(jiu)過程(cheng)中(zhong)，需要(yao)綜合(he)考慮生物自身的(de)代謝(xie)過程(cheng)及(ji)污染物的(de)轉化特(te)點，全面理解污染物在(zai)生物體(ti)內的(de)代謝(xie)過程(cheng)及(ji)調控機制。
2.3病原菌和抗生素抗性基因在土壤中的分布規律與傳播機制
病原菌和抗(kang)生素抗(kang)性菌及(ji)抗(kang)性基因一方面(mian)會通(tong)過土(tu)(tu)壤-空氣、土(tu)(tu)壤-植物、或(huo)土(tu)(tu)壤-地下水途徑(jing)直接進(jin)入人(ren)(ren)體，危害人(ren)(ren)體健康，另一方面(mian)則(ze)會造成(cheng)農作(zuo)物病害，抑(yi)制農作(zuo)物的生長發育，造成(cheng)農業減產或(huo)農產品品質(zhi)降(jiang)低。
因(yin)(yin)而，進行土壤病原菌及抗(kang)生(sheng)素抗(kang)性基因(yin)(yin)污染防御(yu)及治理迫在眉(mei)睫。系統(tong)深(shen)入研究病原菌和(he)抗(kang)生(sheng)素抗(kang)性菌及抗(kang)性基因(yin)(yin)在土壤中(zhong)的分布傳播過程與機制(zhi)是進行污染治理的前(qian)提。
土壤(rang)中存(cun)在大(da)量(liang)的(de)(de)抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素產生(sheng)(sheng)(sheng)菌(jun)(jun)和同化菌(jun)(jun)，是(shi)天然的(de)(de)抗(kang)性(xing)基因儲庫，而抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素的(de)(de)大(da)規模生(sheng)(sheng)(sheng)產和使(shi)用則進一步加速了(le)土著抗(kang)性(xing)微生(sheng)(sheng)(sheng)物和抗(kang)性(xing)基因的(de)(de)擴(kuo)散，增加了(le)抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素耐藥性(xing)的(de)(de)發生(sheng)(sheng)(sheng)頻率。
目前研究(jiu)(jiu)者通(tong)過實時(shi)熒(ying)光定(ding)量(liang)PCR、宏基(ji)因組以及高(gao)通(tong)量(liang)測序等(deng)現代分子(zi)生物(wu)學技術探(tan)究(jiu)(jiu)了(le)不(bu)同土(tu)壤類型中抗(kang)性基(ji)因的(de)(de)分布規律，在遠古凍土(tu)和不(bu)受人類活動影響的(de)(de)土(tu)壤中發現了(le)多樣(yang)性很高(gao)的(de)(de)抗(kang)性基(ji)因，發現在未(wei)受抗(kang)生素(su)污(wu)染的(de)(de)農業和草地土(tu)壤中抗(kang)性基(ji)因結構由微生物(wu)群落組成決定(ding)，證明了(le)土(tu)壤中抗(kang)性基(ji)因的(de)(de)自然廣泛存(cun)在，同時(shi)也(ye)揭示了(le)中水灌溉土(tu)壤、施(shi)用禽畜糞便(bian)土(tu)壤等(deng)典型污(wu)染土(tu)壤中抗(kang)性基(ji)因富集的(de)(de)現象。
基于(yu)已有關于(yu)土壤生(sheng)物污染現狀的調查，進一步的研究應圍繞(rao)抗性基因污染的來源、遷移轉化機制(zhi)及生(sheng)態風(feng)險(xian)展開(kai)：
(1)建立土壤抗性基因與潛(qian)在宿主菌之間的關(guan)系(xi)，明晰污染來源;
(2)探究不同類型土壤環境中抗性基因(yin)發生水平轉移的實際頻率;
(3)結合實驗室模擬及(ji)長期實地(di)(di)監測，研究病原菌(jun)及(ji)抗生素抗性(xing)菌(jun)及(ji)抗性(xing)基因(yin)在土(tu)壤中的遷(qian)移過程，重點(dian)解析(xi)其通過植物吸收進(jin)入(ru)食(shi)物鏈以(yi)及(ji)通過地(di)(di)下水淋洗(xi)進(jin)入(ru)水環(huan)境的風險;
(4)評估抗(kang)性基因在土(tu)壤(rang)微生(sheng)物和致病菌之間的交(jiao)叉轉移，探究土(tu)壤(rang)抗(kang)性基因庫的潛在生(sheng)態風險。
2.4基于活體微生物的土壤污染監測技術
傳統的化學分析方法(fa)監測(ce)土壤污(wu)染的優點是(shi)能夠精確測(ce)定污(wu)染物的濃度和形態(tai)，但卻往(wang)往(wang)不能確切反(fan)映污(wu)染物的生(sheng)物毒性強弱(ruo)。
化學(xue)分(fen)析本身不(bu)能反(fan)(fan)映生物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)暴露污(wu)染物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)途(tu)徑和環(huan)境條件(jian)的(de)(de)影(ying)響(即(ji)(ji)缺(que)乏生態相關性)，也不(bu)能區別急性毒(du)性和慢性毒(du)性(即(ji)(ji)缺(que)乏時間相關性)。以活的(de)(de)生物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體或群體來(lai)測(ce)試化學(xue)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)質毒(du)性效應(ying)的(de)(de)生物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)監(jian)測(ce)方法(fa)能夠(gou)有效克服(fu)化學(xue)分(fen)析方法(fa)的(de)(de)缺(que)點，反(fan)(fan)映環(huan)境污(wu)染對生物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)產生的(de)(de)綜合效應(ying)或專性效應(ying)，以及(ji)污(wu)染物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在土壤中的(de)(de)動態轉化，因(yin)而越(yue)來(lai)越(yue)受到重視。
根據測試(shi)(shi)對象(xiang)的類型(xing)，土壤生物監(jian)測主要分(fen)為三大類，即基(ji)(ji)(ji)(ji)于(yu)個體(ti)或組(zu)織(zhi)層(ceng)次(ci)的生物監(jian)測，基(ji)(ji)(ji)(ji)于(yu)功能(neng)基(ji)(ji)(ji)(ji)因或基(ji)(ji)(ji)(ji)因組(zu)學(xue)層(ceng)次(ci)的生物監(jian)測，以及基(ji)(ji)(ji)(ji)于(yu)群(qun)落水平的抵抗力(li)和恢復力(li)測試(shi)(shi)。
目前研(yan)究的重點(dian)是通過“組(zu)學”研(yan)究方法不斷(duan)發展新型(xing)生物(wu)標志物(wu)(包括(kuo)功能基因)、生物(wu)芯片和新型(xing)全(quan)細胞專性(xing)的生物(wu)傳感(gan)器(qi)。
污染物進入土(tu)壤后形態(tai)(tai)會發(fa)生(sheng)一(yi)系列變化，如(ru)何確定具(ju)體是哪種形態(tai)(tai)致毒(du)是今后的研究熱(re)點和難點。比如(ru)，通過基因重(zhong)組和突變等(deng)手(shou)段發(fa)展能夠區分(fen)無機(ji)砷和有機(ji)砷的全細胞微(wei)生(sheng)物傳感(gan)(gan)器，可(ke)(ke)以原位監(jian)測(ce)(ce)砷形態(tai)(tai)在轉(zhuan)化過程。在生(sheng)物監(jian)測(ce)(ce)中測(ce)(ce)試終點的選擇(ze)需(xu)要綜合(he)考(kao)慮(lv)生(sheng)態(tai)(tai)相(xiang)關性(xing)、暴(bao)露(lu)途(tu)徑(jing)、敏感(gan)(gan)性(xing)、管(guan)理目標(biao)及終點可(ke)(ke)測(ce)(ce)性(xing)等(deng)因素，根(gen)據具(ju)體情況選擇(ze)適宜的指標(biao)。
2.5污染土壤生物修復原理與技術
污染土壤(rang)生物(wu)修復已(yi)有一(yi)定(ding)理論基礎，但(dan)實(shi)踐(jian)應用方面還有很長的路要(yao)走，許(xu)多技(ji)術瓶(ping)頸尚待突破。
對于不同污染情形，往往需要構建不同的(de)修(xiu)復(fu)技術體系，如針對某(mou)一特定污染種類，選(xuan)用專性耐受的(de)植物和微(wei)生(sheng)物種類，或利用轉基因技術修(xiu)飾改(gai)造植物或微(wei)生(sheng)物，使(shi)之(zhi)適(shi)應污染土壤(rang)并發揮修(xiu)復(fu)功效。
同時，需要對(dui)特定(ding)功能的微生(sheng)物(wu)或植物(wu)的污染物(wu)耐受(shou)及轉(zhuan)化(hua)機制進行深入(ru)研究，明確其分子機理和(he)遺傳穩定(ding)性，并在此基(ji)礎上(shang)發展(zhan)基(ji)于功能基(ji)因的生(sheng)物(wu)技術。
在實際應(ying)用中(zhong)，需要特別考慮生(sheng)物(wu)的(de)環境適(shi)(shi)應(ying)性問題，明確微生(sheng)物(wu)修復污染土壤的(de)適(shi)(shi)用條件(jian)和范圍，研究提高修復效率的(de)關鍵參(can)數及工(gong)程設計。
現有的生物修復技(ji)術多以基(ji)礎理(li)論研(yan)究(jiu)為主，而相關(guan)的技(ji)術推(tui)廣及實(shi)踐應用方面研(yan)究(jiu)較為稀(xi)少。今后研(yan)究(jiu)需要更加(jia)關(guan)注生物修復技(ji)術的實(shi)地應用，使其(qi)逐漸成熟和完善。
作(zuo)為土(tu)(tu)壤生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)與(yu)土(tu)(tu)壤污(wu)染(ran)相關(guan)基礎(chu)研究的(de)應(ying)(ying)用(yong)目(mu)標(biao)，污(wu)染(ran)土(tu)(tu)壤生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)修復技術勢必越來(lai)越受(shou)到關(guan)注(zhu)。而為了實(shi)現這一應(ying)(ying)用(yong)目(mu)標(biao)，則需(xu)要進一步(bu)系統深(shen)入地研究土(tu)(tu)壤污(wu)染(ran)對土(tu)(tu)壤生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態毒理效(xiao)應(ying)(ying)，揭示土(tu)(tu)壤生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)對土(tu)(tu)壤污(wu)染(ran)物(wu)的(de)適應(ying)(ying)及消納機(ji)制。
在(zai)以往研究(jiu)工(gong)作(zuo)基礎上(shang)，借(jie)助于(yu)研究(jiu)方法技術的發(fa)展，未來的土(tu)壤生物與土(tu)壤污染研究(jiu)，將向(xiang)微觀(guan)和(he)宏觀(guan)兩(liang)個(ge)方向(xiang)拓展，微觀(guan)方向(xiang)將不斷深入至(zhi)基因、分子乃至(zhi)信號水(shui)平(ping)(ping)，宏觀(guan)方向(xiang)則(ze)向(xiang)生態系(xi)統水(shui)平(ping)(ping)推進。
傳統單因素(su)(su)的研(yan)(yan)(yan)究將(jiang)(jiang)轉(zhuan)(zhuan)變為雙因素(su)(su)和多(duo)(duo)因素(su)(su)研(yan)(yan)(yan)究，結構或功(gong)能隔離(li)研(yan)(yan)(yan)究將(jiang)(jiang)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)結構功(gong)能關系研(yan)(yan)(yan)究，離(li)散的時間(jian)和空(kong)間(jian)節點(dian)觀察，將(jiang)(jiang)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)空(kong)間(jian)分異和時間(jian)動態特征，乃至(zhi)時空(kong)演變特征系統研(yan)(yan)(yan)究。總體上，至(zhi)廣大(da)、至(zhi)精微、多(duo)(duo)因素(su)(su)、多(duo)(duo)尺度的研(yan)(yan)(yan)究已經成為顯(xian)而易見(jian)的學(xue)科發展趨勢。
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