土壤有機(jī)物—重金屬復(fù)合污染的生物有效性研究進(jìn)展

李冰　李玉雙

摘要：有機(jī)物-重金屬復(fù)合污染物及其與土壤環(huán)境因子間的作用具有普遍性和多樣性，其生物有效性與單一組分污染不同，單一污染理論常常無法解決復(fù)合污染問題?；谕寥烙袡C(jī)物-重金屬復(fù)合污染的生物有效性研究現(xiàn)狀，從生物有效性變化類型、機(jī)制及影響因素3個方面，綜述土壤有機(jī)物-重金屬復(fù)合污染的生物有效性研究進(jìn)展，并提出該領(lǐng)域研究中的不足和展望。

關(guān)鍵詞：土壤復(fù)合污染；有機(jī)物-重金屬；交互作用；生物有效性

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）18-3405-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.18.002

Abstract： The combined pollutant of organic substance and heavy metals， the interaction between the combined pollutant and soil environmental factors is universal and multifarious， and its bio-availability is different from that of the single component pollution. The single pollution theory usually fail to explain compound pollution phenomenon. Based on status quo of research on the bioavailability of the combined pollutant， from the variation types， mechanism， and influence factors of bio-availability， the research progress on the bio-availability of combined pollution of the soil organic substance and heavy metals was summarized， and the existing deficiencies and research prospects were put forward.

Key words： soil combined pollution； organic substance and heavy metal； interaction； bio-availability

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一方面，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中使用、產(chǎn)生的有毒、有害化學(xué)物質(zhì)種類和數(shù)量逐漸增多，另一方面，由于企業(yè)管理、處理能力等因素，越來越多的人工合成化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致不同類型、功能的土壤受到不同程度的污染。土壤環(huán)境污染現(xiàn)狀不容樂觀，總體上以有機(jī)物污染和重金屬污染為主。有機(jī)污染物主要有農(nóng)藥、多環(huán)芳烴（PAHs）、石油烴等，全國受有機(jī)污染物污染的農(nóng)田達(dá)3 600萬hm2。重金屬主要有鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅和鎳，中國主要城鎮(zhèn)土壤中部分重金屬元素含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的背景值[1]。早期的污染研究主要側(cè)重于一種污染物質(zhì)產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，隨著科研的深入和拓展，研究者認(rèn)識到環(huán)境污染物的有伴生性和綜合性，不同污染物之間可產(chǎn)生聯(lián)合作用，形成復(fù)合污染（Combined Pollution）[2]。有機(jī)物和重金屬在土壤中共存，不同污染物之間和其與環(huán)境因子之間發(fā)生多種相互作用，增加了治理污染的成本及治理的復(fù)雜性。環(huán)境中復(fù)合污染現(xiàn)象常常無法用單一污染理論來解釋。從單一污染物的環(huán)境效應(yīng)出發(fā)制定的評價標(biāo)準(zhǔn)也無法客觀反映復(fù)合污染的環(huán)境質(zhì)量影響，對復(fù)合污染的研究正成為環(huán)境污染研究的方向和熱點，尤以對有機(jī)物-重金屬復(fù)合污染研究居多。土壤污染影響土壤理化性質(zhì)和生態(tài)功能，有害物質(zhì)通過食物鏈的累積、放大效應(yīng)最終進(jìn)入人體，危害人類健康。若以污染物總量為指標(biāo)來評價其生態(tài)風(fēng)險，則會因為污染物存在結(jié)合態(tài)等不易被生物體吸收的部分而高估污染物的環(huán)境效應(yīng)，需要將污染物被生物吸收的性質(zhì)或產(chǎn)生的毒性效應(yīng)作為考察指標(biāo)來指示污染物在環(huán)境中的變化及在生物體內(nèi)的累積程度，即考察生物有效性（Bioavailability）。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了研究，多局限于復(fù)合污染的表觀效應(yīng)，對其交互作用及機(jī)理闡述不足，隨著研究方法的進(jìn)步，復(fù)合污染效應(yīng)和機(jī)理研究也會有較大進(jìn)展[3]。

1 生物有效性變化類型

復(fù)合污染，是指在同一環(huán)境介質(zhì)中，兩種或兩種以上污染物同時存在、共同作用，對環(huán)境介質(zhì)中的非生物因素和生物因素形成干擾或損害的環(huán)境污染現(xiàn)象。依據(jù)污染物的類型可分為有機(jī)復(fù)合污染、無機(jī)復(fù)合污染和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合污染，有機(jī)物-重金屬復(fù)合污染屬于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合污染。生物有效性是指在環(huán)境介質(zhì)中，污染物發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的能力及其被生物體吸收積累量之間的關(guān)系[4]。多種污染物同時存在于同一環(huán)境中，由于污染物具有種類多樣性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，其相互作用的途徑和機(jī)理也非常復(fù)雜。復(fù)合污染物對周圍生物產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不是簡單等同于單一污染組分的生物學(xué)效應(yīng)之和。污染物的交互作用會明顯影響其在生物體內(nèi)的積累以及生物學(xué)層次上的毒性效應(yīng)[5-7]。通過比較復(fù)合污染及各組分單一污染對生物體影響的強(qiáng)弱程度，可以將復(fù)合污染的生物有效性分為3類，分別是生物有效性加強(qiáng)、生物有效性減弱、生物有效性無明顯變化。

1.1 生物有效性加強(qiáng)

由于復(fù)合污染物之間存在協(xié)同作用（Synergistic Effect），導(dǎo)致與生物體同時或先后接觸的兩種或兩種以上污染物質(zhì)，經(jīng)聯(lián)合作用產(chǎn)生的毒性效應(yīng)大于其中所有單一污染組分分別作用的毒性效應(yīng)之和。Kong等[8]的研究結(jié)果表明，在對土壤微生物群落功能影響方面，土霉素與Cu復(fù)合污染顯著大于單一污染物分別污染。劉文霞等[9]研究發(fā)現(xiàn)汞和丁草胺復(fù)合污染明顯增強(qiáng)了對油麥菜的毒性效應(yīng)，增大了對其葉片細(xì)胞膜的破壞程度，兩者產(chǎn)生協(xié)同作用。endprint

1.2 生物有效性減弱

由于復(fù)合污染物之間存在拮抗作用（Antagonistic Effect），導(dǎo)致與生物體同時或先后接觸的兩種或兩種以上污染物質(zhì)，經(jīng)聯(lián)合作用產(chǎn)生的毒性效應(yīng)小于其中所有單一污染組分分別作用的毒性效應(yīng)之和。張蕾等[10]通過相關(guān)毒理試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加濃度為0.2 mg/L的麝香酮、中低濃度的Cd時，兩種污染物表現(xiàn)為拮抗作用。Maqueda等[11]發(fā)現(xiàn)土壤復(fù)合物中的Al、Fe可與草甘膦結(jié)合，多出的空位可吸附Cu（Ⅱ），從而降低毒性。

1.3 生物有效性無明顯變化

復(fù)合污染物之間存在加和作用（Additive Effect），生物體同時或先后接觸的兩種或兩種以上污染物質(zhì)，經(jīng)交互作用產(chǎn)生毒性效應(yīng)與其中所有單一污染組分分別作用的毒性效應(yīng)之和相等。Teisseire等[12]發(fā)現(xiàn)，敵草隆通常與殺真菌劑一起使用，殺真菌劑在環(huán)境中容易釋放出Cu，敵草隆與Cu之間存在相加作用。

2 生物有效性變化機(jī)制

復(fù)合污染物進(jìn)入土壤后會產(chǎn)生一系列環(huán)境行為，導(dǎo)致其在土壤中形成不同的形態(tài)，改變生物體的吸收利用。在復(fù)合污染的生物有效性研究中，有必要認(rèn)識復(fù)合污染物之間交互作用機(jī)理。交互作用的實質(zhì)是一種污染物改變其他共存污染物毒性，一方面是改變污染物的化學(xué)性質(zhì)，即改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)或化合物的組成，另一方面是影響污染物在生物體內(nèi)的代謝過程，干擾擴(kuò)散、排泄、生物轉(zhuǎn)化等[13]。

2.1 復(fù)合污染物在土壤中的物理作用

復(fù)合污染物在土壤中的物理作用主要是指污染物對于生物體內(nèi)或生態(tài)介質(zhì)中活性吸附位點的競爭作用，一種位點結(jié)合能力強(qiáng)的污染物取代另一種處于競爭弱勢的污染物，產(chǎn)生相互制約的效應(yīng)[14，15]，導(dǎo)致復(fù)合污染物的生物有效性發(fā)生變化。有機(jī)物與重金屬之間的吸附過程主要發(fā)生在腐殖質(zhì)部分，吸附是物質(zhì)在土壤/水界面的累積過程，最初是由溶質(zhì)和固相分子間相互作用[13]。Gao等[16]發(fā)現(xiàn)重金屬Pb、Zn、Cu可促進(jìn)菲的土壤吸附，導(dǎo)致其生物吸收性下降。原因可能是重金屬提高了溶解性有機(jī)質(zhì)在土壤表面的吸附強(qiáng)度，一方面導(dǎo)致平衡溶液中的溶解性有機(jī)質(zhì)含量降低，使菲的分配效應(yīng)也隨之下降，另一方面導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，使菲在土壤表面的吸附增強(qiáng)。Cao等[17]指出，生物膜一般都帶有負(fù)電荷，帶正電荷的Cd2+易于吸附到生物膜表面，Cd2+與細(xì)胞膜上的磷酸根、醋酸根等親水基團(tuán)的配合作用使得細(xì)胞膜表面疏水性有所增加，使疏水性的多環(huán)麝香易于靠近細(xì)胞膜從而被植物吸收。白慶中等[18]指出，垃圾填埋降解過程中產(chǎn)生的乙酸、富里酸和多種重金屬共存時，由于競爭吸附使得黏土對重金屬吸附能力普遍小幅度下降，意味著易利用態(tài)重金屬增加，生物有效性增強(qiáng)。

2.2 復(fù)合污染在土壤中的化學(xué)作用

含有-SH、-NH2、-OH、-COOH等活性官能團(tuán)的有機(jī)污染物與重金屬共存時極易形成絡(luò)合物，明顯改變污染物單一存在時在土壤中的形態(tài)分布、化學(xué)行為和生物有效性。土壤環(huán)境中的Cr主要是以Cr3+和Cr6+存在，其中Cr3+毒性較低，穩(wěn)定性較高。和Cr6+可以相互轉(zhuǎn)化。研究表明，有機(jī)污染物如芳香族化合物可以作為Cr6+還原的電子供體，在好氧或厭氧條件下，某些微生物對重金屬Cr6+與芳香化合物具有共脫毒作用，從而降低其毒性效應(yīng)[13]。王帥等[19]發(fā)現(xiàn)Pb對玉米和黑麥草根際土壤中B[α]P的降解具有一定的抑制作用，根際活化作用會增加有效態(tài)Pb，使得Pb的生物毒害作用加強(qiáng)。王米道等[20]研究表明，銅可以減輕草甘膦對小麥的毒性，原因可能是草甘膦與銅相互作用形成了穩(wěn)定、低毒的絡(luò)合物，使草甘膦毒性降低甚至失去活性。

2.3 復(fù)合污染物在土壤中的生物學(xué)作用

2.3.1 對生物膜結(jié)構(gòu)和功能的影響 膜結(jié)構(gòu)是污染物進(jìn)入生物體的過程中優(yōu)先作用的部位，復(fù)合污染物可以引起膜結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能上的擾動，使膜通透性發(fā)生變化從而影響其主動、被動轉(zhuǎn)運能力[21]。Sikkema等[22]研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)脂溶性有機(jī)物如PAHs等優(yōu)先在細(xì)胞膜中停留，與膜上脂溶性化合物作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜流動性增加，對質(zhì)子通透性增高，使重金屬離子更容易進(jìn)入細(xì)胞，影響細(xì)胞的功能。部分有機(jī)污染物會提高重金屬對生物體的毒害作用，增強(qiáng)生物有效性。Moreau等[23]通過羊頭鯉魚對鋅與菲的吸收試驗表明，鋅與菲有拮抗作用，可能是菲改變了溶酶體膜穩(wěn)定性，影響溶酶體對金屬鋅的解毒作用。有研究表明，單一低劑量的熒蒽或重金屬污染對微生物無影響，而復(fù)合污染的毒性明顯增加，原因是熒蒽可以改變細(xì)胞膜的通透性，提高重金屬對微生物的毒性[24]。

2.3.2 對生物體酶（系）的影響 復(fù)合污染物通過改變有關(guān)酶（系）的數(shù)量和活性影響污染物在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和代謝等行為，從而影響其毒性。王帥等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)在玉米和黑麥草根際土壤中，Pb對苯并[α]芘的降解具有抑制作用。原因可能是重金屬離子與微生物蛋白酶分子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)或取代酶活性中心離子而使其失活，對微生物產(chǎn)生毒害作用。王凱[25]的研究表明重金屬取代生物體內(nèi)蛋白酶活性中心功能離子，致其失活，根際促降解過程中PAHs類化合物如苯并[α]芘的分解受到Cd的抑制。Lin等[26]指出，加入重金屬可導(dǎo)致甲基叔丁基醚（MTBE）降解率降低，可能是重金屬吸附進(jìn)入微生物細(xì)胞或在細(xì)胞表面析出，改變了MTBE的活性部位；也有可能是重金屬與MTBE生物降解酶或細(xì)胞代謝酶結(jié)合導(dǎo)致其變性或失活。

2.3.3 對生物體大分子物質(zhì)的影響 復(fù)合污染物可作用于核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)，通過誘導(dǎo)、結(jié)合等生理生化過程，對其正常的結(jié)構(gòu)和功能造成干擾。周啟星等[27]通過乙草胺-Cu復(fù)合污染土壤的16SrRNA片段DGGE指紋圖譜分析表明，高濃度組合急性毒性暴露導(dǎo)致土壤微生物產(chǎn)生突變，特異微生物種類如耐受或降解菌富集。有研究發(fā)現(xiàn)，亞砷酸鈉可加劇甲基甲烷磺酸酯誘發(fā)細(xì)胞DNA雙鏈斷裂，還可對DNA鏈斷裂的再修復(fù)產(chǎn)生抑制[21]。Luekenbach等[28]指出，轉(zhuǎn)運體是生物抵御環(huán)境異生質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)累積的第一道防線，由于多環(huán)麝香具有高疏水性，因而與轉(zhuǎn)運體蛋白的親和力更強(qiáng)，一方面，多環(huán)麝香通過抑制轉(zhuǎn)運體蛋白的活性，使Cd在植物體內(nèi)的累積量增加；另一方面，Cd能夠影響生物體的耐受性，減少異生質(zhì)的外排使佳樂麝香（HHCB）的累積量增大[29]。說明Cd和HHCB復(fù)合污染的生物有效性大于單一污染情況。endprint

3 生物有效性變化影響因素

3.1 污染物因素

3.1.1 污染物種類 復(fù)合污染物各組分種類不同，結(jié)構(gòu)各異，理化性質(zhì)也有差別。重金屬具有不同的電荷和半徑，有機(jī)物在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有多樣性，復(fù)合污染物的生物有效性具有差異。在相同的HHCB平衡濃度下，Cu可以促進(jìn)HHCB在潮土上的吸附，而Cd則抑制HHCB在潮土上的吸附，原因可能是Cd2+半徑較大，水化離子半徑較小，交換能力較強(qiáng)，易于被土壤吸附。Cd2+更易于吸附于土壤表面，占據(jù)土壤吸附點位，使HHCB在土壤表面的吸附減少[27]。Shen等[30]認(rèn)為Zn和苯并[α]芘之間交互作用對脲酶活性的影響表現(xiàn)為拮抗作用，Zn和菲之間則表現(xiàn)為協(xié)同作用。王凱[25]指出高濃度Cd對土壤中苯并[α]芘的降解有明顯抑制作用，加入初始濃度為250 mg/kg的芘則能顯著縮短苯并[α]芘降解半衰期，緩解高濃度Cd對苯并[α]芘降解的抑制。

3.1.2 污染物濃度配比 杜立[31]認(rèn)為低濃度DBP與Cd復(fù)合作用在染毒初期對SOD、POD活性表現(xiàn)為拮抗作用，高濃度DBP與Cd復(fù)合作用則表現(xiàn)為協(xié)同作用。戚與珊等[32]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cu與環(huán)丙沙星復(fù)合時，毒性增強(qiáng)，對小麥根伸長抑制程度增加，表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)；高濃度Cu與環(huán)丙沙星復(fù)合后，其毒性有所緩解，表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。劉愛菊等[33]發(fā)現(xiàn)低劑量Cu的存在可緩解磺胺甲基嘧啶對土壤基礎(chǔ)呼吸及土壤微生物量碳、氮的抑制作用；而高劑量的Cu則加重磺胺甲基嘧啶對這些土壤微生物指標(biāo)的影響。

3.1.3 暴露時間 將時間作為一種脅迫因子考慮在脅迫生態(tài)學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)的研究中，如果忽略染毒時間，則會在環(huán)境風(fēng)險評價中產(chǎn)生偏差[34]。周啟星等[27]分析指出，微生物為適應(yīng)長時間、較小劑量的復(fù)合污染，體內(nèi)或許會發(fā)生可遺傳變異。魏子艷[35]發(fā)現(xiàn)土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和Cu的復(fù)合污染與細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量之間存在明顯的時間-效應(yīng)關(guān)系。

3.2 環(huán)境因素

土壤環(huán)境因子也是影響復(fù)合污染生物有效性的重要因素，不同土壤的理化性質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)、pH、陽離子交換量和土壤質(zhì)地等不同，土壤膠體表面所帶電荷量，土壤顆粒比表面積等也有所差異，通過吸附或形成絡(luò)合物等形式改變污染物在土壤中的特征也不同，從而影響復(fù)合污染物在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、降解以及生物有效性。陳翠紅[21]發(fā)現(xiàn)HHCB在3種不同類型土壤中吸附量順序與土壤有機(jī)質(zhì)含量順序一致，為紅壤<潮土<棕壤，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量與對HHCB的吸附量有關(guān)，而重金屬Cd和Cu的作用規(guī)律一致。莢德安等[36]指出，2，4-D濃度越高，Cu在土壤膠體上的吸附量越大，主要是因為2，4-D的存在顯著增加了平衡液的pH，從而增加了土壤膠體表面所帶的負(fù)電荷量。土壤黏粒含量和陽離子交換量增加，可以減少交換態(tài)Cd和Pb含量[37]。

3.3 生物因素

復(fù)合污染物的生物有效性受生物種類、組織部位等因素的影響。菲、Cd復(fù)合污染對土壤微生物種群數(shù)量的抑制率依次為放線菌<細(xì)菌<真菌[38]。李通等[39]認(rèn)為，低Cu濃度下，環(huán)丙沙星與Cu復(fù)合污染對玉米根伸長和芽伸長表現(xiàn)為拮抗作用，對蘿卜根伸長和芽伸長表現(xiàn)為協(xié)同作用。周啟星等[27]表明，Cu處于低濃度水平時，乙草胺促進(jìn)小麥地下根系吸收Cu，而抑制小麥莖葉組織富集Cu。

4 存在問題及研究展望

對有機(jī)物-重金屬復(fù)合污染生物有效性的深入研究是環(huán)境污染狀況全面、客觀認(rèn)識的需要，對土壤污染生態(tài)風(fēng)險評價和早期預(yù)警具有重要意義，有利于為有關(guān)部門制定環(huán)境管理制度及采取有效修復(fù)技術(shù)合理解決土壤污染問題提供理論基礎(chǔ)。隨著眾多學(xué)者在復(fù)合污染領(lǐng)域的深入，研究取得了較大的進(jìn)展，但由于土壤介質(zhì)與生物活動的復(fù)雜性、污染物性質(zhì)及其相互作用的多樣性，在一些方面仍然存在不足。

1）復(fù)合污染的生物效應(yīng)及生物動力學(xué)模型多是基于模擬獲得，試驗周期較短、試驗條件恒定，難以準(zhǔn)確反映真實環(huán)境變化的多樣性和周期性。應(yīng)加強(qiáng)開展現(xiàn)場試驗研究，對模擬試驗研究結(jié)論進(jìn)行野外試驗驗證，從而獲得更為真實客觀的研究成果。

2）復(fù)合污染在土壤-生物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化研究多停留在宏觀表征階段，應(yīng)充分利用同位素示蹤技術(shù)、熒光標(biāo)記技術(shù)等先進(jìn)的分析技術(shù)對污染物進(jìn)行微觀表征，并結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)方法，在分子水平上揭示復(fù)合污染物的生物有效性及其相關(guān)機(jī)理。

3）土壤復(fù)合污染的生物有效性評價方法較為單一，化學(xué)評價方法操作簡單、分析快速，但結(jié)果與污染物有效態(tài)實際含量存在差異；生物評價方法是評價污染物生物有效性的直接方法，試驗周期長、重現(xiàn)性差。將兩者結(jié)合并采用新型化學(xué)評方價法（被動采樣技術(shù)）可能是復(fù)合污染生物有效性研究的發(fā)展方向。

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