對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行生態(tài)毒理評(píng)價(jià)_圖文

1、第6卷第7期2O05年7月環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備Techniques and Equipment for Environmental PoIIution ControlJuI.2005用水生生物對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行生態(tài)毒理評(píng)價(jià)李彬12李培軍2王晶2張海榮2(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083;2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽110016摘要應(yīng)用斜生柵藻(scenedesmus06細(xì)uus和明亮發(fā)光桿菌T3(Po幻60c御ium礎(chǔ)。印horeum急性毒性實(shí)驗(yàn)方法對(duì)重金屬污染土壤的進(jìn)行生態(tài)毒理評(píng)價(jià),結(jié)果表明,斜生柵藻的生長(zhǎng)繁殖率和發(fā)光菌的相對(duì)發(fā)光度與土壤中的重金屬含量明顯相

2、關(guān),并且隨重金屬投加量的增加,其生長(zhǎng)繁殖率和發(fā)光度逐漸降低。對(duì)3種測(cè)試參數(shù)進(jìn)行比較可知,斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率是最敏感的土壤毒性檢測(cè)指標(biāo)。土壤的毒性在復(fù)合污染的條件下比在單一污染的條件下高很多。本研究的結(jié)果可以為污染土壤的優(yōu)先修復(fù)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞藻明亮發(fā)光桿菌T3土壤毒性中圖分類號(hào)x502文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)10089241(200507_0084-05:Ecotoxicol02ical assessment of soiI contaminatedwith heaVy metals using aquatic organismsLi Binl'2Li Peijun2Wang Jin

3、92Zhang Hairon92(1.School of MetaUurgical and Ecological E“gineeri“g,University of Science and Technology Be巧ing,Be玎ing l000832.Institute of Applied Ecology,chinese Academy of sciences,she“yang l10016Abstract Acute toxic0109ical expeTiment was perfomed on soil contaminated with heaVy metals using Js

4、ce,地口協(xié)一m船06Z幻uw and f唬o06eriMm po印危oreum for ecotoXicological assessment.The results indicate that the gmwth mte of Sce船dm淞06f幻u珊and luminescence rate of Po06nc把一Mm po印oreMm were positiVely related to the concentm-tions of heavy metals spiked to soil,they decreased with the increasing concentration

5、of heavy metals.The three parameters were compared in this study,the results show cell gro卅h rate of鼢礎(chǔ)m泌06Z幻“w was the most sensitiveindex to the soil toxicity.Soil toxicity under combined poUution condition was much higher than that under single p01一lution condition.The results of this study can pr

6、ovide theoretical basis for the remediation of contaminated soiIs.Key words algae;尸o060ceriMm po印oreum;soil;toxicity重金屬作為土壤污染的一種主要的污染物,對(duì)環(huán)境和人類的健康造成嚴(yán)重的危害。只有實(shí)現(xiàn)污染土壤的快速診斷,才能更加有效地實(shí)現(xiàn)土壤的保護(hù),為污染土壤的預(yù)防、治理提供依據(jù),這就要求除了利用理化方法來跟蹤監(jiān)測(cè)環(huán)境變化外,還需要通過生物法來監(jiān)測(cè)各種污染物的綜合毒性和評(píng)價(jià)它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害。最初明亮發(fā)光桿菌,13和斜生柵藻主要用于水體污染物的毒性檢測(cè),以后逐步發(fā)展形成了一系列

7、標(biāo)準(zhǔn)的水生生態(tài)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法¨。,但將此法用于土壤污染物毒性檢測(cè),目前尚無標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法。因此,將其用于土壤污染毒性診斷,確定土壤毒性的劑量一效應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)土壤毒性的快速診斷,從而為清潔土壤標(biāo)準(zhǔn)的建立提供依據(jù),仍然是人們面臨的艱巨任務(wù)。本文在實(shí)驗(yàn)室條件下,采用人工定量投毒的方法,應(yīng)用明亮發(fā)光桿菌T3和斜生柵藻探討了單一和復(fù)合污染條件下土壤毒性變化,從而為實(shí)現(xiàn)土壤毒性的生物診斷提供了理論依據(jù)。1材料與方法1.1供試土壤及其人工污染供試土壤采自中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所十里河生態(tài)站表層土壤(020cm,土壤類型為草基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20277040;中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新

8、項(xiàng)目(Kzcx2一sw416;國家“973”重點(diǎn)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G1999011808收稿日期:2004一0218;修訂日期:20040527作者簡(jiǎn)介:李彬(1974,女,碩上,講師,主要從事污染環(huán)境修復(fù)和診斷的研究工作。Email:ljbjnmetall.uslb,edu.c”第7期李彬等:用水生生物對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行生態(tài)毒理評(píng)價(jià)85甸棕壤。將土壤過20目篩,然后風(fēng)干,土壤的pH 值為6.22。土壤中重金屬背景含量為cd0.122 mg/kg、Cu19.1mg/kg、Pb49.9mg/kg、Zn25.7mg/ kg。用CdCl25H20、CuS04。5H20、Pb(N03、znsO。7H

9、,O分析純?cè)噭┡渲茦?biāo)準(zhǔn)重金屬水溶液。按照一定劑量分別向土壤中投入重金屬標(biāo)準(zhǔn)液,投加量分別以純Cd、Cu、Pb和zn mg/kg干土計(jì)算,制成單一重金屬污染土壤,每種重金屬68個(gè)處理濃度,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。按照正交實(shí)驗(yàn)條件同時(shí)向土壤中加入4種重金屬標(biāo)準(zhǔn)液,制成重金屬復(fù)合污染土壤,共計(jì)9個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。1.2供試生物及對(duì)污染土壤的生態(tài)毒理評(píng)價(jià)明亮發(fā)光桿菌T3(Po060cferi“m pospore一“m,購自中國科學(xué)院南京土壤所,將明亮發(fā)光桿菌T3引入培養(yǎng)基培養(yǎng),以備測(cè)定土壤重金屬對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3發(fā)光度增長(zhǎng)率的影響。采用的培養(yǎng)基為:酵母浸出汁0.5g,胰蛋白胨0.5g,Nacl3g,

10、 Na2HP040.5g,KH2P040.1g,甘油O.3g,蒸餾水loo mL配制而成,pH6.8,120磅滅菌30min。斜生柵藻(Jscenedesm“s o掘q“s購自中國科學(xué)院武漢水生生物研究所藻種庫,采用水生4號(hào)培養(yǎng)基"。,254000Lux對(duì)斜生柵藻進(jìn)行培養(yǎng),以備測(cè)定土壤重金屬對(duì)斜生柵藻光密度增長(zhǎng)率和細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率的影響。將人工污染的土壤及原清潔土壤放在20恒溫條件下保存3d,然后稱取40g人工污染的土壤及原清潔土壤放人燒杯中,向燒杯中加入100mL O.1mol/L NHcl,浸提2h,然后過濾浸提液,取濾液20mL,調(diào)節(jié)pH值為6.6,過濾定容到20mL,向定容后浸提

11、液中加入0.6g NaCl。將土壤浸提液轉(zhuǎn)人生物毒性測(cè)定儀測(cè)定土壤浸提液對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3發(fā)光度的影響,本研究中采用南京土壤研究所研制的GxY.2型生物毒性測(cè)定儀測(cè)定土壤浸提液對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3作用15min 后發(fā)光度。以原清潔土壤的浸提液作為對(duì)照,計(jì)算出各處理的明亮發(fā)光桿菌T3的相對(duì)發(fā)光度。對(duì)于斜生柵藻進(jìn)行同步培養(yǎng),采用連續(xù)接種的方法H。,使所有的細(xì)胞個(gè)體處于良好的條件下。在光照期迅速發(fā)育,而后借光暗迭替,促使其迅速完成細(xì)胞分裂,獲得子細(xì)胞(即幼期暗細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)同步培養(yǎng)。將斜生柵藻同步培養(yǎng)液按照處理數(shù)進(jìn)行等分后,分別和各處理的土壤浸提液混合,繼續(xù)培養(yǎng)。以原清潔土壤的浸提液作為對(duì)照,計(jì)算出各處理

12、的斜生柵藻的相對(duì)光密度增長(zhǎng)率和相對(duì)細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率。光密度測(cè)定采用惠普7550分光光度計(jì),650nm處進(jìn)行測(cè)定。細(xì)胞數(shù)測(cè)定采用血球記數(shù)板法測(cè)定,依下式換算:細(xì)胞數(shù)=5n×104(n為5個(gè)中格內(nèi)細(xì)胞數(shù)。2結(jié)果與分析2.1斜生柵藻的同步培養(yǎng)20世紀(jì)60年代末,日、美、歐各國學(xué)者進(jìn)行了很多有關(guān)藻類同步培養(yǎng)的研究¨,推動(dòng)了藻類生理、生化的迅速發(fā)展。所謂同步培養(yǎng),即使用某些方法使藻類培養(yǎng)物中的大量細(xì)胞個(gè)體,從其生活周期中的某一相同階段出發(fā),步調(diào)一致的依次經(jīng)過和完成各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段,再重新回到原來的階段。根據(jù)生態(tài)毒理實(shí)驗(yàn)的要求,進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)的生物應(yīng)大小、年齡一致,這樣才能使結(jié)果更具有代表性

13、和可比性,因此對(duì)斜生柵藻進(jìn)行了同步培養(yǎng),經(jīng)同步培養(yǎng)后的光密度和細(xì)胞數(shù)如圖1所示。劃翻蕓040O35SO30呈O25邑o20餐O l5最010O時(shí)間(h光密度變化細(xì)胞數(shù)變化圖1斜生柵藻光密度和細(xì)胞數(shù)的變化Fig.1Change of optical densiy(0Dandcell number of Scenedesm“s06Z幻uHs從圖l中看出,在柵藻同步培養(yǎng)的一個(gè)生長(zhǎng)繁殖周期中,在光照期,細(xì)胞數(shù)基本穩(wěn)定,即無形成和釋放子細(xì)胞的過程,但光密度直線增長(zhǎng),這是細(xì)胞生長(zhǎng)期的特征。12h后停止光照,細(xì)胞數(shù)直線上升,而光密度基本穩(wěn)定,這是細(xì)胞分裂后期的特征。光密度和細(xì)胞數(shù)在光照期和黑暗期的這些特征性

14、變化,說明經(jīng)同步培養(yǎng)后,斜生柵藻已經(jīng)達(dá)到同步生長(zhǎng)狀態(tài),為本實(shí)驗(yàn)方法的確立提供了良好的前提條件。2.2單一重金屬污染條件下的土壤毒性對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3、斜生柵藻的影響圖2是3種檢測(cè)指標(biāo)下,4種重金屬cd、Cu、zn 和Pb污染土壤酸浸液毒性對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3和斜生柵藻的影響。從圖中可以看出,重金屬的投加量與明亮發(fā)光桿菌T3的發(fā)光度、斜生柵藻光密度增長(zhǎng)86環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備第6卷水礙業(yè)磐冰懈業(yè)磐元素投加量(mg/kg明亮發(fā)光桿菌T3發(fā)光度增長(zhǎng)率。斜生柵藻光密度增長(zhǎng)率V斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率圖2重金屬污染土壤浸提液對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3和斜生柵藻影響Fig.2Effects of contaminat

15、ed soil extracts on Scenedesmus062iguus and Pot06nc#erium pospDre¨,n率、細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率密切相關(guān)。對(duì)不同檢測(cè)方法進(jìn)行比較,結(jié)果表明斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率作為檢測(cè)指標(biāo)最敏感,其次是光密度增長(zhǎng)率,這和文獻(xiàn)的報(bào)道完全一致,而明亮發(fā)光桿菌T3相對(duì)發(fā)光度敏感性最低。從圖2還可以看出,不同重金屬污染土壤的毒性強(qiáng)度也不同,造成這種現(xiàn)象的原因,一方面在于土壤對(duì)重金屬吸附能力不同,余國營等"1在對(duì)土壤吸附能力的研究中發(fā)現(xiàn)土壤對(duì)Pb的吸附量最大,cd 的吸附量最少,在同樣重金屬投加量的條件下,以游離態(tài)存在的cd離子要高于Pb離子,這

16、就使cd表現(xiàn)出比Pb更強(qiáng)的毒性。同時(shí)土壤本身的理化性質(zhì)(pH、Eh和CEc等都會(huì)影響重金屬的毒性。另一方面不同重金屬對(duì)生物的生理、生化指標(biāo)及種群數(shù)量的影響作用大小不同1。另外,不同的重金屬毒害作用的機(jī)制是不同的,cd主要結(jié)合在藻類的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞的多磷酸體中,導(dǎo)致這些細(xì)胞內(nèi)含物的元素組成發(fā)生離子變化¨。,Cu主要是影響藻類的生長(zhǎng)和光合作用,改變?cè)|(zhì)膜的滲透性¨1,Pb對(duì)藻類的影響主要是在細(xì)胞的葉綠素形成方面¨,所以當(dāng)研究重金屬污染土壤毒性時(shí),既要考慮土壤對(duì)重金屬的吸附特性,又要考慮生物對(duì)不同重金屬的敏感性和毒性作用機(jī)制。2.3復(fù)合重金屬污染條件下的土壤毒性對(duì)明亮發(fā)

17、光桿菌T3、斜生柵藻的影響 第7期李彬等:用水生生物對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行生態(tài)毒理評(píng)價(jià)87表l重金屬復(fù)合污染條件下L9(34正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table1Results of orthogonaI array L9(34under combined pouution condition由于本實(shí)驗(yàn)采用的正交實(shí)驗(yàn)方法,難以具體對(duì)各金屬問的相互作用進(jìn)行判斷,但可以對(duì)復(fù)合污染條件下影響毒性的主要因素進(jìn)行判定,對(duì)確定復(fù)合污染條件下的警戒值還是有重要意義的。在Cd、cu、Pb和zn復(fù)合污染條件下,以斜生柵藻光密度增長(zhǎng)率50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為cd<50 mg/kg、Zn<40mg/kg、

18、Cu<200mg/kg、Pb<1000 mg/kg;以斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為cd50mg/kg、zn40mg/kg、cu 200mg/kg、Pb1000mg/kg;以明亮發(fā)光桿菌T3相對(duì)發(fā)光度50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為cd 100mg/kg、Zn70mg/kg、Cu500mg/kg、Pb 1000mg/kg。3結(jié)論(1首次應(yīng)用斜生柵藻生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn)對(duì)重金屬污染土壤的毒性進(jìn)行診斷,證明此方法是可行的。(2重金屬的投加量與斜生柵藻的增長(zhǎng)率和明 88環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備第6卷亮發(fā)光桿菌T3的發(fā)光率之間有明顯的相關(guān)性,隨土壤重金屬投加量的增加,斜生柵

19、藻的增長(zhǎng)率和明亮發(fā)光桿菌T3的相對(duì)發(fā)光率明顯降低。(3對(duì)3種測(cè)試參數(shù)進(jìn)行比較,證明采用斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率作為毒性檢測(cè)指標(biāo),其敏感性最高。(4復(fù)合污染條件下,由于重金屬的協(xié)同作用,毒性比單一重金屬污染條件下有明顯的增加,4種重金屬的Ec,。值,以斜生柵藻光密度增長(zhǎng)率50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為cd<50mg/kg、zn<40mg/kg、cu<200mg/kg、Pb<1000mg/kg;以斜生柵藻細(xì)胞數(shù)增長(zhǎng)率50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為Cd50mg/kg、zn40mg/kg、Cu200mg/kg、Pb 1000mg/kg;以明亮發(fā)光桿菌T3相對(duì)發(fā)光度50%為標(biāo)準(zhǔn),4種重金屬的臨界值為Cd100mg/kg、zn 70mg/kg、Cu500mg/kg、Pb1000mg/kg。參考文獻(xiàn)學(xué),1983,4(5:3033aqueous model systems and contaminated soils using the bioluminescence test.Ecotoxicology&Environmental Safety,1997, 41(1:1321363GotsisskI.etas0.,ea1.physjological responses of two maRep.Ser.,19