1、課程主要內容內容 土壤污染發生的機理、診斷方法及風險評價與管理 污染土壤物理、化學、生物修復原理與技術 污染土壤修復技術的最新進展目的系統掌握污染土壤發生機理、修復的基本原理和技術以及土壤污染的風險評價課時計劃緒論（2課時）第一章土壤污染發生的機理、診斷及其方法 （4課時）第二章 土壤健康風險評價與管理 （4課時）第三章 污染土壤的物理修復原理與技術 （4課時）第四章 污染土壤的化學修復原理與技術 （4課時）第五章 污染土壤的植物修復原理與技術 （5課時）第六章 污染土壤的生物（微生物）修復原理與技術 （5課時）第七章 污染土壤修復生態工程 （2課時）第八章 污染土壤修復效果及評價（2課時）第

2、九章 礦區土壤復墾的原理與技術（2課時）第十章 污染土壤修復技術問題與展望 （2課時） 復習（2課時）及考試（2課時）一 土地與土壤環境1 土地、土壤及土地利用土地：指地球表面某一地段內包括土壤、母巖、植被、地貌、水文及近地大氣等多種因素在內的自然綜合體，土壤及其地下水是其物質核心部分，一般土地的狹義概念只指土壤和地下水土壤：地球陸地表面能夠生長綠色植物的疏松層，其厚度從幾厘米到2-3米不等;由礦物質、有機質（包括活有機體-土壤生物）、水分和空氣四種物質組成，是一個十分復雜的環境系統土地利用：指人類根據自身的需要和土地的特性，使土地的某一功能得到體現的經濟活動。如耕地、園地、林地、牧草地、城鄉

3、居民點、工礦用地、交通用地、水域用地、荒地等2 土壤環境特點人類環境要素的組成之一，是環境系統的重要組成部分，而且是最復雜的環境系統組分；存在著各種膠體體系和多孔體系，通過吸附-解吸、溶解-沉淀、絡合/螯合、老化、離子交換以及過濾等過程，對營養物質或污染物產生重要作用，從而起到營養支持作用或產生污染毒害/解毒效應；土壤環境是綠色植物的生長基地，通過植物的吸收、積累作用，一方面使土壤環境中的污染物質得以下降，另一方面使污染物轉移到植物體內，然后可能再以食物鏈的形式進入人體，從而危及人體健康土壤環境中生活著的各種微生物和動物，對進入其中的污染物可以進行分解、解毒和轉化，因而具備同化、凈化污染物的功

4、能，這對自然界的物質循環和人類社會的可持續發展具有重要意義；土壤環境的自凈、解毒能力是有限度的，它不能完全抵抗外來因素的干擾，在一定條件下，土壤也是極其脆弱、易被人類活動損害的環境要素；土壤污染對人類的危害極大，它不僅直接導致糧食作物的減產，而且還通過地下水途徑對水資源構成污染威脅； 土壤一旦被外來污染物所污染，很難徹底治理，應該防患于未然二 土壤污染及其來源2.1 土壤污染的定義（三種）由于人類活動向土壤添加有害化合物，此時的土壤就受到了污染以特定的參照數據來加以判斷，如以背景值加兩倍標準偏差為臨界值，若超過這一數值，即認為該土壤為某元素所污染加入土壤中的物質給生態系統造成了危害，才能稱為土

5、壤污染英國EA：contaminated land : any land which appears to the local authority in whose area it is situated to be in such a condition, by reason of substances in, on or under the land, that: (a) significant harm is being caused or there is significant possibility of such harm being caused; or (b) polluti

6、on of controlled waters is being, or is likely to be caused.美國EPA：Soil contamination is either solid or liquid hazardous substances mixed with the naturally occurring soil. Usually, contaminants in the soil are physically or chemically attached to soil particles, or, if they are not attached, are tr

7、apped in the small spaces between soil particles. 當土壤中含有有害物質過多，超過土壤的自凈能力，就會引起土壤的組成、結構和功能發生變化，微生物活動受到抑制，有害物質或其分解產物在土壤中逐漸積累、通過“土壤-植物-人體”或通過“土壤-水-人體”間接被人體吸收，達到危害人體健康的程度，就是土壤污染 （潘鴻章，孫鐵珩等）2.2 土壤的主要污染物及基本方式土壤的主要污染物Heavy metal （重金屬）：Pb, As, Cd, Zn, Cr,Cuorganic pollutants (有機污染物）：PAHs, PCBs pathogenic micr

8、oorganism（病源微生物）radioactive contaminant（放射性污染物）Others（其它）Solids (固相）： adsorbed or mixed within soil particles Liquids（液相） ： filling the voids (pores) between soil particles Gaseous (soil gas) （氣相）： within the air between soil particles 土壤污染物存在形式1. Antropogenic through human activity includingAcciden

9、tal spills and leaksFoundry activities and manufacturing processesMining activitiesAgricultural activitiesTransportation activitiesDumping of chemicalsStorage of wastes in landfillsCracked paint chips falling from building walls2. NaturalNatural accumulation of compounds in soilNatural production in

10、 soil under certain environmental conditions Leaks from sewer lines into subsurface污染物來源：人為源和天然源土壤污染基本方式直接污染和間接污染 隱蔽性和滯后性累積性和地域性不可逆轉性（重金屬及一些有機物）治理難而周期長土壤污染的特點導致嚴重的經濟損失導致農產品污染超標、品質不斷下降導致大氣環境的次生污染導致水體富營養化對人類健康的危害2.4 土壤環境污染的危害In 2005 we estimated that there might be around 300,000 hectares of land affe

11、cted by industrial activity in England and Wales which may be contaminated. This is approximately two percent of the land area of England and Wales.-Environment Agency, Dealing with contaminated land in England and Wales我國受污染的耕地約有億畝，污灌污染耕地3250萬畝，固廢堆占地200萬畝，合計約占10%的耕地面積重金屬超標As a result nearly 80,000

12、contaminated sites have been identified in Australia (Naidu et al 2008). In the UK theenvironment agency has estimated over 20,000 sites may be affected, and across Europe an estimated 1.5 million sites may be contaminated (Keatinge and Singleton 2008). In the Asian region there are over 3 million c

13、ontaminated sites, and in the US an estimated 400,000 contaminated waste disposal sites (Naidu and Bolan 2008).國內外關于土壤污染的報道化學品人體健康效應鉻皮膚病苯白血病二溴氯丙烷不育癥鉛不育、流產、神經錯亂等氯乙烯血管肉瘤、肝癌石棉肺癌多氯聯苯癌土壤化學品污染的人體健康效應三 污染土壤修復的意義及技術的發展4.1 土壤環境污染控制措施 首先控制和消除土壤污染源，加強對工業三廢的治理，合理施用化肥和農藥，同時，還要積極采取各種防治措施和修復手段，才能達到解決土壤環境污染問題的目的 全面

14、控制土壤污染的具體措施促進土壤污染防治各種法規、準則和標準的制定與修改建立土壤環境污染、土壤質量變化監測與預警系統、制定土壤污染預防規劃，識別、確定污染控制的具體區域強化污水、固體廢棄物和其他有毒物質排放的控制實施污染土地的休閑制度修復污染土壤政府的作用4.2 污染土壤修復的分類植物修復、微生物修復、生物修復、化學修復、物理修復、綜合修復原位（In Situ）修復、異位（Ex Situ）修復 原位修復更為經濟有效，對污染物就地處置，使之得以降解和減毒，不需要建設昂貴的地面環境工程基礎設施和遠程運輸，操作維護起來比較簡單，還可以對深層次污染的土壤進行修復。 異位修復技術的環境風險較低，系統處理的

15、預測性高于原位修復生物修復技術：主要包括微生物修復技術、植物修復技術、動物（低等）修復技術化學修復技術物理修復技術化學修復原位化學淋洗技術異位化學淋洗技術溶劑浸提技術原位化學氧化修復技術原位化學還原與還原脫氯技術土壤性能改良技術物理修復技術物理分離修復技術土壤蒸汽浸提修復技術固化/穩定化土壤修復技術玻璃化修復技術熱力學修復技術熱解吸修復技術電動修復技術冰凍修復技術實施步驟評估體系評估內容1現場實際驗證有效性；經濟性；安全性2多目標評價風險降低的程度；技術有效性提高程度；費用與時間節省程度；法規遵從程度；公眾可接受程度3技術實施有效性評價（基于必需的關鍵信息）性能；應用范疇與發展階段；費用估計可

16、靠性（成本、運行與維護費、單位面積修復費用）4工程有效性比較評價（基于各種資料數據來源其它用戶/案例研究；開發商；本次測試（特定變量、性能評估、費用預測）污染土壤修復技術需考慮的信息本課件用于學生學習嚴禁上傳到其它網上 土壤環境是否受到污染，其污染程度如何，需要用靈敏和有效的方法診斷。在確定土壤環境已經受到污染后，才能考慮選用什么方法進行治理主要內容土壤污染發生及其動力學 污染土壤診斷及其意義土壤污染生態毒理學診斷污染生態毒理診斷方法一 土壤污染發生及其動力學 1.1 污染物造成土壤污染的幾個主要過程1.1.1 接觸階段 污染物進入土壤的初始階段，主要的接觸形式有3種：氣型接觸的污染：工業活動

17、中的煙塵和廢氣排放物，首先污染大氣，然后沉降到地表和土壤，以及汽車尾氣的排放、農業農藥的使用等等水型接觸的污染固體型接觸的污染1.1.2 反應階段不同途徑進入土壤中的污染物經過吸附-解吸、沉淀-溶解、氧化-還原、絡合-解離、降解和積累放大等一系列的化學過程，參與土壤系統功能的表達，影響土壤的原始平衡；污染物作用過程在改變土壤物理化學性質的同時，本身的形態、毒性、濃度等性質也發生相應的變化，污染物與土壤有機質及其它組分之間的相互作用，在影響各個子系統的正常代謝過程中改變了土壤生態系統整體平衡發展的趨勢1.1.3 污染中毒階段 污染物進入土壤并參與到土壤各個組分之間的物理化學反應當中，使土壤及其中

18、的生命組分發生急性中毒或慢性中毒1.1.4 恢復階段 急性中毒土壤一般很難恢復初始的健康狀態，需要人為的力量才能恢復正常的功能表達；慢性中毒的土壤一般可以自然恢復1.2 土壤污染發生動力學土壤污染發生的核心問題就是污染物進入土壤，并在土壤中殘留積累以及消解的動態特性涉及的主要因素有物理、化學和生物學等過程污染物在土壤中的整個過程就是輸入和輸出的過程1.3 主要的一些動力學過程遷移-擴散動力學過程 化學污染物進入土壤介質后，在土壤中進行的第一個過程就是擴散遷移。土壤中污染物的擴散推動力一方面是水流和土壤溶液，另一方面由于土壤是一個非均一的帶電體系，因此，土壤中離子濃度梯度和電位梯度是離子擴散的主

19、要推動力描述土壤中化學污染物的擴散遷移模型水流模型溶質遷移模型為體積水-土含量；k為水傳導率；X為土層厚度；Dh為水分分散系數；C為可溶性污染物（溶質）濃度；S為每單位重土壤吸附的溶質數；Qi代表輸入和支出項 一般，污染物進入土壤后在土壤中的遷移和擴散速度緩慢，其速度不僅與土壤理化性質、生物種類和數量、土壤環境條件有關，而且也與污染物種類及其存在的形態有關。由于土壤是由氣、液和固相以及還有植物的根系等組成的動態三相體系，因此，污染物在這三相中的運動要比在均相中的運動復雜的多利用模型解決土壤污染中污染物的遷移有關的問題必需經過的步驟：根據實際情況選擇最適宜的模型；通過田間和室內確定模型中的最主要

20、的參數；利用當地取得的數據，對模型進行校正以及模型驗證吸附-解吸動力學過程 污染物由氣相或液相向土壤顆粒表面的擴散或遷移，進而進行吸附；污染物的吸附類型可用不同的吸附等溫式描述。吸附等溫式中主要的有Langmuir等溫式 1/CS=1/（Xm*b*Ce）+1/ XmFreundlich等溫式 lg CS=lgKf+1/knag CeTemkin等溫式 CS =a+Klg CeCS為吸附量； Ce為平衡濃度；Kf ，n，a，b， Xm，K為常數沉淀-溶解動力學過程土壤溶液中污染物濃度和活度直接影響到其毒性、有效性和遷移性。土壤溶液中元素/物質的補給和更新也是主要依靠土壤固相。取決于該元素在固相和

21、液相中的濃度積和離子積。當組成該化合物的離子在溶液中離子積大于濃度積時，反應向化合物的形成方向進行，溶液中離子的濃度下降，直到溶液中的離子積恒等于同樣條件下該化合物的濃度積時，才達到沉淀和溶解的平衡描述土壤污染物溶解的動力學過程A（l）+B（l） AB（s）描述土壤污染物沉淀的動力學過程AB（s）A（l）+B（l） （AB）為化合物活度，A和B分別為平衡溶液中離子的活度；Kf為形成常數，反應的是固相化合物形成的趨勢， Kf值越大，該種物質在土壤中就越穩定。當溶液中離子的濃度降到這種物質的飽和溶解度值以下，則反應朝著溶解的方向進行，一直到達沉淀和溶解的平衡狀態，為溶度積常數，值越大，溶液中離子的

22、濃度越高，當離子的濃度超過這種物質的飽和溶解度以上時，反應朝著沉淀的方向進行絡合-解離動力學過程當土壤溶液中存在過量的OH-、Cl-、I、NH4+、SO42-、PO43-，絡合作用更容易發生污染物在土壤中進行絡合反應的同時，伴隨著解離反應的發生，用數學模型可以對解離作用進行模擬ML為絡合物；Mv+為游離金屬離子， Lv-為游離配位體；Kd為解離常數生物降解動力學過程 在微生物、酶或植物分泌物的作用下，進入土壤介質中的污染物會發生降解作用。根據污染物的性質，一般有機污染物、碳氫化合物、農藥等容易在土壤中發生降解作用，而重金屬很難完成生物學意義上的降解農藥降解模型冪速度模型c（t）為t時刻農藥的殘

23、留濃度；k為降解速度常數； m是表觀反應級數雙曲速度模型k1 、 k2為Michaelis-Menten常數動植物吸收-攝取動力學過程 土壤中污染物被動植物吸收-攝取也是其在土壤環境中重要的污染生態過程。植物吸收土壤污染物主要是從根系吸收污染物進入動物體主要途徑有皮膚接觸、呼吸和消化系統對動植物從土壤中吸收污染物進行定量，可以通過土壤植物系統間的富集因子來表征植物中污染物的濃度cp=fps*csc為污染物濃度，s為土壤；p為植物； fps為土壤-植物系統分配系數動物攝取的污染物劑量為i為植物的種類；D為動物每日的攝入量生物累積-放大動力學過程 生物放大作用是生物體內某種元素或難分解化合物的濃度

24、隨生態系統中食物鏈營養級的提高而逐步增大的現象。生物放大的結果是使食物鏈上高營養級生物中某種化合物或元素造成累積，濃度明顯超過低營養級及環境中的濃度。對于浮游植物、浮游動物、魚和更高級的食物鏈，用下列方程描述vm，i和vm，I-1分別表示食肉者體內和被捕食者的污染物體內負荷，kui為吸收率，W為有機體濕重，C為化學同化效率； ai，i-1為吸收的污染物與攝取的污染物的比值，C i，i-1為專一消費速率，ki為污染物排泄速率1 核酸復性動力學技術和G+C%含量法3 沉積物毒性試驗（sediment toxicity test）描述土壤中化學污染物的擴散遷移模型1 土壤環境污染控制措施反應要有一定

25、的穩定時間，同時要快速；急性農藥中毒包括誤食農藥污染的土壤顆粒及污染土壤影響下的地下水或地表水。膽堿脂酶是神經毒性物質如有機磷農藥和氨基甲酸酯農藥的敏感指標。其中，csoil 和 csoil w的值的大小與農藥的分配系數有關，計算方法如下1）分析污染物在土壤環境介質之間分配的機制，在土壤中遷移的路線與方式，伴隨遷移發生的轉化作用，了解化學物質在土壤環境中的遷移、轉化和歸宿的主要過程和機制如還存在污染源，對進入土壤環境的農藥污染源進行計算多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)等的生物標志物作為表征事物處于險境中的狀態或形勢的危險,不僅與時空條件以及事件性質有關,而且還與事件的承受者-人或事物

26、緊密相連。在這些變化中，其中一部分污染物被降解，從系統中去除，但也有一部分污染物降解不完全，導致一些中間產物生成，此外，在降解過程中某些物質的形態和性質也可能發生變化，技術實施有效性評價（基于必需的關鍵信息）暴露標志物(Biomarker of Exposure ):生態毒理檢測與檢測技術污染物陸地生態系統生態毒性效應生物體生物轉化、濃縮、積累與放大改變生物個體分布與動力學特征（再生、移居、補充、死亡）改變生物區系的結構與功能（種類變異、捕食關系的改變）生態系統功能上的改變（光合作用、養分循環）2.1 污染物對土壤生態系統組成和功能的影響或損害二、污染土壤診斷及意義2.2 污染土壤診斷實驗室診

27、斷：化學分析方法、毒理學分析方法等田間診斷：場地試驗是一種適合的方法，通過這種試驗可以發現場地條件或接近場地條件下污染物對各種土壤生物的毒害作用2.3 快速診斷與長期診斷快速診斷一般通過 急性毒性試驗長期診斷一般通過亞慢性毒性試驗和慢性毒性試驗 急性毒性試驗(AcuteToxicityTest)是研究化學物質大劑量一次染毒或24h內多次染毒動物所引起的毒性試驗。其目的是在短期內了解該物質的毒性大小和特點,并為進一步開展其他毒性試驗提供設計依據。如：哺乳動物、水生生物（魚、水蚤、藻類）、蚯蚓等 人類接觸環境污染物時,通常接觸水平低于急性中毒劑量或濃度。為了得到更接近實際情況的毒作用資料,需進行亞

28、慢性和慢性毒性試驗。亞慢性毒性試驗(Subchronic Toxicity Test)驗是在相當于動物生命周期的1/301/20時間內使動物每日或反復多次接觸受試物的毒性試驗。檢測指標：(1)一般綜合指標(2)血液及生化檢驗(3)病理組織學檢查慢性毒性試驗(ChronicToxicityTest)：是指以低劑量外來化合物,長期與試驗動物接觸,觀察其對試驗動物所產生的生物學效應的試驗。我國工業毒物和農藥急性分級三、土壤污染生態毒理學診斷 土壤污染生態毒理學的研究內容研究污染物對土壤生態系統帶來可能危害的劑量-反應關系，進行污染物毒性和土壤生態安全性評價闡明污染物在土壤介質中的毒性作用機理及影響其

29、毒性作用的相關因素，進行污染物對土壤生態系統危害的早期診斷與預防，為生態風險與安全評價、污染清潔標準的確定提供科學依據研究土壤中有毒污染物的生態化學行為，包括污染物在陸地生態系統中的分布、遷移、轉化及歸宿，模擬條件下的水解、光解以及微生物降解等研究土壤中有毒污染物的生態毒理診斷指標體系，包括延續使用水生毒性實驗對土壤淋溶過程可能產生的毒性的診斷，陸生生物實驗（高等植物毒性試驗、蚯蚓毒性試驗、微生物毒性試驗、直至整體動物試驗等），遺傳毒性試驗（如微核試驗等）及生物標記物診斷試驗生態毒理檢測與檢測技術 污染物含量水平的提高或降低可以很容易被檢測出，但是，若要成功建立污染物在生物組織內的濃度與其產生

30、的生理、生態后果的因果關系，就要困難的多生理檢測與檢測技術 污染物是否產生生態毒性效應，不一定非要以殺死機體的方法來證明，還可以通過其他的方法和手段表明。如導致生物生長的緩慢、代謝過程障礙、產生行為改變等。3.2 生態毒理學診斷原理生理測定與生態毒理評價的關系實驗室內進行的短期試驗結果表明，引起顯著生理反應的污染物濃度通常比自然狀態下污染點中所測出的濃度高出幾個數量級。從而無法得出污染物對生物體作用的長期生態意義。一般，生理實驗所用的動物都是成熟的成年動物，因此，有關污染物對動物幼年早期脆弱階段的影響狀況報道相對較少。3.3 土壤生態毒理診斷的重要性土壤污染生態毒理診斷集合了土壤中不同食物鏈生

31、物對化學品的整體毒性效應，提供土壤污染的全部信息通過選擇敏感代表者作為毒性診斷指標，對土壤污染診斷具有重要補充作用3.4 以化學方法診斷土壤污染具有局限性難以對土壤中各種物質進行全面測定，不可能鑒定土壤中所有物質的潛在毒性效應，也不可能測出污染物的復合污染效應難以區別和提取不同暴露路徑中(如，孔隙水中、土壤空氣中、食物的吸收中、不可提取性殘渣中或鍵合到某些物質中)的污染物質，因此，污染物的有效毒性往往被低估無法以量化方式對產物的毒性做出準確評價，因為有些物質量的大小與其毒性大小之間不成正比。無法對污染物的代謝毒性進行追蹤，檢測上也存在困難。 生態毒理學診斷原理主要是依據生物在毒物作用下的不良生

32、理、生化反應，所進行的生物學系列試驗。 生物對毒物毒性響應的大小，依據在一定時間內某一污染物的劑量-效應關系決定效應與反應：效應(Effect)表示接觸一定劑量化學物質引起機體個體發生的生物學變化。反應(Response)是接觸一定劑量化學物質后,表現一定程度某種效應的個體在一個群體中所占的比例劑量-效應關系(Dose-effect Relationship)和劑量-反應關系(Dose-response Relationship):分別表示不同劑量在個體或群體中表現出來的量效應大小之間的關系,以及不同劑量與質效應發生率之間的關系。劑量反應關系是評價化學物質的毒性和確定安全接觸水平的基本依據劑量

33、-效應劑量的確定引起生物某種程度毒害所需的劑量統稱為毒害劑量劑量是決定毒物對機體造成損害的最主要因素對于同一種毒物，不同劑量對機體造成的損害程度不同效應 效應（effect）：即生物學效應，指機體在接觸一定劑量的化學物后引起的生物學改變。生物學效應一般具有強度性質，為量化效應（graded effect）或稱計量資料。效應用于敘述在群體中發生改變的強度時，往往用測定值的均數來表示。說 明 土壤被污染后，污染物在土壤中的遷移、轉化及降解過程經歷了一系列物理、化學和生物學變化。在這些變化中，其中一部分污染物被降解，從系統中去除，但也有一部分污染物降解不完全，導致一些中間產物生成，此外，在降解過程中

34、某些物質的形態和性質也可能發生變化， 單純依靠對目標污染物的定性和定量分析不能對土壤是否清潔作出準確判斷。研究發現，清潔修復后的某些有機污染土壤其毒性反而更強因此土壤清潔過程需要生態毒理診斷方法對系統的生態安全性做出判斷 許多發達國家在土壤清潔技術項目中，明確將土壤生態毒理診斷作為重要研究內容。四 污染生態毒理診斷方法4.1 土壤生態毒理診斷方法的基本考慮及準則土壤生態毒理診斷方法的建立應考慮以下條件陸地生態系統的生物條件；敏感生物物種及成長階段；土壤理化條件；生物種間的食物鏈關系；生態系統的恢復過程4.2 方法所考慮的健康土壤特點可提供植物健康生長；土壤本體及土壤淋溶液具有正常的棲息功能(動

35、物、微生物)；土壤具有吸收、凈化污染物的功能；對污染物在土壤中積累及產生的影響具有反饋功能 4.3 高等植物毒理試驗與特殊毒性試驗法 高等植物是生態系統中的基本組成部分利用其生長狀況診斷土壤污染，是土壤診斷的重要方法之一4.3.1 癥狀法生長正常：作物生長及產量不受影響輕度危害：作物生長期出現輕微受害跡象，植物的生物量及產量下降嚴重危害：作物生長期出現明顯受害跡象，植物的生物量及產量下降10%以上致死效應：作物苗期出現顯著受害癥狀，作物生物量明顯下降，甚至死亡。4.3.2 生長量法4.3.3 高等植物毒性診斷試驗方法 種子發芽、根伸長抑制等，從污染物的劑量-反應關系，混合污染毒性與土壤營養物質

36、濃度水平，土壤pH值、土壤水傳輸容量等關系方面，為土壤污染診斷研究提供了依據藻類毒性試驗法藻類作為水生生態系統的初級生產者對生態系統的平衡和穩定起著重要的作用。單細胞藻類個體小，世代時間以小時計，是一種理想的實驗材料。主要用于水生生態系統。目前，也有用于土壤，如土壤淋洗液。蠶豆根尖微核技術 微核的形成有兩種途徑：一是誘變劑打斷DNA分子形成斷片，斷片由于沒有紡錘絲連接，在隨后的細胞分裂過程中，無法移向兩極而隨機分配到子細胞中，不參與形成子核而凝縮成獨立于主核之外的微核；二是由紡錘絲毒劑或非整倍體毒劑造成細胞紡錘體功能紊亂和結構傷害，由此產生滯留染色體，在有絲分裂后期不能結合進子核而形成微核。一

37、般認為，染色體畸變是微核產生的主要途徑，而染色體畸變是有毒物質在細胞分裂期間影響DNA及染色體的合成與復制所造成的。蠶豆根尖細胞微核技術有廣泛的應用，危險化學品毒性檢測、水污染監測、環境污染檢測等，也逐漸用于土壤污染檢測3.3.6 紫露草微核技術4.4 敏感動物指示法4.4.1 陸生無脊椎動物試驗 以陸生無脊椎動物試驗評價土壤狀況，是將對土壤污染有敏感指示作用的物種暴露于土壤中進行污染診斷目前常用的有環節動物(Enchytraeus crypicus)和彈尾類動物(Folsomia candida)因為這兩個物種的世代期都是14天試驗毒性終點為1-7天后的致死率及暴露28天后的繁殖狀況到目前為

38、止，研究者使用了各種污染土壤(礦物油類、多環芳烴類、TNT及重金屬污染土壤)進行上述兩類實驗4.4.2 蚯蚓毒性試驗 蚯蚓是生態系統中的一個重要組成部分蚯蚓急性毒性試驗方法被列入0ECD（organization for economic cooperation and development）指南，蚯蚓的急性、亞急性和再生試驗方法分別被列入國際標準組織(IS0)的方法草案中，作為土壤污染毒理診斷的一項重要指標4.4.3 土壤原生動物毒性試驗原生動物棲息在土壤顆粒上的水膜中，是與細菌連接的重要鏈條原生動物有三個基本特征：(1)個體小，為單細胞結構，沒有保護性細胞壁；(2)具有與高等動物相同的復

39、雜生理特征和真核生物細胞結構；(3)世代時間僅幾小時多代監測可以記錄污染物的短期但性毒性效應纖毛蟲是土壤原生動物中的主要代表4.5 敏感微生物診斷法4.5.1 一般的土壤微生物試驗土壤污染可對土壤微生物產生不同影響，如抑制反硝化細菌的活動，減少土壤氮素的損失，影響土壤微生物的正常活動，甚至危及固氮菌、根瘤菌等有益微生物的生存，從而影響土壤正常的功能常見的土壤微生物方法有土壤呼吸強度測定，土壤氨化作用和硝化作用，土壤中各種單一酶活性測定等4.5.2 細菌診斷：發光菌試驗 明亮發光細菌(Photobacterium phosphoreum)在正常生活狀態下，體內熒光素在有氧參與時，經熒光酶的作用會

40、釋放出肉眼可見的藍綠色熒光當受到外界影響時發光過程受到干擾，引起發光菌的發光強度減弱與污染物濃度或毒性作用強度呈劑量-反應線性相關關系該方法可作為評價污染物毒性的指標成套方法一般稱為microtox檢驗。發光菌試驗可對土壤淋溶液毒性進行診斷。4.5.3 轉基因工程微生物試驗 將轉基因工程微生物作為一種新型生物指示物，檢測土壤毒性作用或致突變化合物，其方法原理是利用基因密碼表達自然土壤細菌群落中不存在的細菌和容易檢測到的信息(如生物發光)，檢測致突變物質的暴露效應4.6 生物標志物生物標志物概念生物標志物(Biomarker)是通過測定生物體液、細胞和組織的各種反應，用生物化學、免疫學、遺傳學等

41、方法來指示污染物的存在與否及生物個體的反應。它能夠直接以生物體內靶細胞或靶分子為反應終點，十分敏感。檢測結果能夠說明生物個體內的細胞和組織是否已經暴露于超量的污染物中，環境污染物是否已對生物靶誘發了毒性效應，以及毒性效應是否會對種群、群落、或生態系統引起連鎖效應。選擇生物標志物原則具有一定的敏感性，生物標志物的敏感性應高于一般生物檢測指標； 反應要有一定的穩定時間，同時要快速； 在分子和生化水平上的效應(效應生物標志物)與高級生物學水平上的效應(如生長、繁殖)聯系在一起； 具有一定野外應用價值； 要求選取對受試生物損害較小的指標，技術易于掌握。生物標志物的類型 生物標志物基本上可以分為生化、免

42、疫、遺傳等3個方面 生化系統：一些生化反應與污染物的作用機制極為相似，這些效應在很短的時間內就可發生，對于污染物的反應十分敏感：主要的兩種生物標志物類型是生物酶和特異蛋白質。免疫系統：如巨噬細胞、紅細胞和白細胞。以免疫系統的抵抗力為毒性反應終點，對化學品暴露、生理狀態和疾病情況等，提供綜合性標志物。遺傳系統：如DNA和癌基因等作為生物標志物有不少應用實例。生物標志物的分類 一般根據個體從暴露到疾病發生過程的進行把生物標志物分為暴露標志物、效應標志物和易感性標志物。暴露標志物(Biomarker of Exposure ): 也稱接觸生物標志物，指機體生物材料中外源性物質及其代謝產物(內劑量)，

43、或外源性物質與某些靶分子之間相互作用的產物(生物有效劑量)。內劑量生物標志物包括細胞、組織或體液(如血、尿、糞便、乳汁、汗液、毛發、指甲、唾液)中的毒物及其代謝產物；有效劑量(到達劑量或靶劑量)生物標志物如DNA加合物、蛋白質加合物、DNA-蛋白質交聯物等等。效應生物標志物(Biomarker of Effect) 指機體內能反映生化、生理或其他方面改變的物質。 依照改變程度的不同，效應生物標志物又可分為反映早期生物學效應、結構和(或)功能改變、毒性或疾病3類標志物。機體內能反映早期生化、生理或其他方面改變的物質稱為早期生物學效應生物標志物。如DNA鏈斷裂、癌基因活化、抑癌基因失活等；當外源性

44、物質引起細胞結構或功能改變時，機體內能反映生化、生理或其他方面改變的物質叫做細胞結構和功能改變的生物標志物。如腫瘤生長因子、癌胚抗原等；能反映外源性物質機體毒性的物質。如染色體畸變、姐妹染色單體交換等，稱作毒性生物標志物。土壤被污染后，污染物在土壤中的遷移、轉化及降解過程經歷了一系列物理、化學和生物學變化。DNA 成分多態性圖譜分析暴露評價的步驟：表征暴露的土壤環境；(2)具有與高等動物相同的復雜生理特征和真核生物細胞結構；五、分子生物學技術在污染土壤生態毒理學中的應用其中最突出的就是乙酰膽堿脂酶(AChE)。在植物體內，GSH還可形成(Y-谷氨酰-L-半胱氨酰)n-甘氨酸，n2-7)結構，其

45、合成可被銅、鋅、鉛、銅等金屬促進，是植物重金屬抗性的重要標志物。第一章土壤污染發生的機理、診斷及其方法 （4課時）SF :safety factors研究區界定和信息收集種子發芽、根伸長抑制等，從污染物的劑量-反應關系，混合污染毒性與土壤營養物質濃度水平，土壤pH值、土壤水傳輸容量等關系方面，為土壤污染診斷研究提供了依據3 土壤生態毒理診斷的重要性因此，在重金屬離子進入生物體后產生氧化脅迫后，除抗氧化酶類被誘導表達外，GSH含量也會發生變化。易感性生物標志物(Susceptibility Biomarkers) 指反映機體先天或后天獲得的對接觸外源性物質產生反應能力的指標，與個體免疫功能差異和

46、靶器官有關。幾類主要污染物的生物標志物重金屬的生物標志物 1、金屬硫蛋白(MTs)： MTs為富含半胱氨酸的低分子量蛋白質，具有調節內源性金屬平衡、對重金屬污染物解毒、清除自由基和參與某些應激反應的作用，對于重金屬脅迫具有特異性，其作為重金屬暴露的生物標志物已經得到廣泛的應用。 魚體內的MTs與水環境和體組織中重金屬之間有顯著的相關性。 無脊椎動物體內的MTs與魚體內的不同，但在對重金屬Cd、Cu、Hg、Zn等的暴露中也都可以明顯的檢測到MTs的變化。HamzaChaffai對蛤的原位重金屬暴露研究表明，MTs與所研究的每種重金屬(Cd、Cu和Zn)都存在正的顯著的相關性，并且在考慮所有金屬的

47、多元回歸中發現Cd和Zn與MT的相關很顯著，尤其是Cd。 對于高等動物，尿MT含量還隨腎小管重吸收功能受損加劇而升高。因此，MTs既可以作為重金屬脅迫的暴露標志物又可以作為其效應標志物。 2、抗氧化酶類： 主要有超氧化物歧化酶(S0D)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸專一性過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)。重金屬離子影響或阻斷呼吸鏈、電子傳遞鏈、酶促反應等體內正常生理代謝，導致活性氧自由基增加，從而誘導抗氧化酶類活性增加，故抗氧化酶類也被用作重金屬污染的生物標志物。3、還原性谷胱甘肽(GSH)： GSH可降低羥自由基的形成，GSH-S轉移酶與脂類過氧化物結合利用GSH氧化一些過氧化

48、物(過氧羥酸)；還原性谷胱甘肽在GSH-S轉移酶作用下與毒物結合，降低毒物的毒性。因此，在重金屬離子進入生物體后產生氧化脅迫后，除抗氧化酶類被誘導表達外，GSH含量也會發生變化。在植物體內，GSH還可形成(Y-谷氨酰-L-半胱氨酰)n-甘氨酸，n2-7)結構，其合成可被銅、鋅、鉛、銅等金屬促進，是植物重金屬抗性的重要標志物。4、外周血清轉氨酶： 重金屬元素沉積于動物肝臟會損傷肝臟細胞，使肝臟中轉氨酶釋放進入血液，從而外周血清轉氨酶活性升高。外周血清轉氨酶是肝臟細胞損傷的重要標志，是一種非特異性生物標志物，除重金屬外，有機污染物也會引起其活性的升高。5、免疫標志物： 對免疫功能的抑制可以作為重金

49、屬暴露的效應生物標志物。 很多研究表明，生命非必需的元素如Cd、Pb、Hg的暴露均抑制動物免疫功能，而免疫抑制和生物體抗性的下降之間有很好的相關性。但重金屬也具有免疫刺激作用，從而產生自體免疫響應或自體免疫疾病，如Cd和Hg的慢性暴露可以引起免疫介導的腎小球性腎炎。 有機磷農藥的生物標志物 1、膽堿脂酶(ChE) 膽堿脂酶是神經毒性物質如有機磷農藥和氨基甲酸酯農藥的敏感指標。其中最突出的就是乙酰膽堿脂酶(AChE)。乙酰膽堿脂酶主要參與突觸的信息傳遞，目前已被廣泛用作有機磷農藥極性接觸的效應生物標志物。2、對氧磷酶 對氧磷酶不僅能水解對氧磷，還可水解其它有機磷酸脂、許多芳香族羧酸酯和氨基甲酸脂

50、等，是有機磷農藥生物檢測的易感性生物標志物。3、烷基磷酸脂： 大多數有機磷農藥可在體內代謝成為一種及以上的二烷基磷酸酯。這些產物通常可在接觸后24-48h內在尿中出現，可作為有機磷農藥的生物檢測的暴露標志物。烷基磷酸酯近期和低水平接觸較敏感，但分析復雜。 多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)等的生物標志物 1、混合功能氧化酶(MFO）：混合功能氧化酶的活性誘導劑主要有三類：藥物誘導劑苯巴比妥型；致癌物誘導劑-甲基膽蒽型(主要包括苯并芘等多種PAH)；甾族誘導劑。 2、谷胱甘肽轉移酶(GSTs)：GSTs存在于所有的動物體中，肝臟是脊椎動物體內GSTs的主要存在場所。PAHs、PCBs均可

51、誘導GSTs的表達。哺乳動物以及不同水生動物經PAH處理后肝臟GSTs活性均有顯著升高。 3、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化酶(GPx) PAHs、PCBs在生物體內進行轉化時，還同時產生氧化還原循環，生成大量活性氧，誘導抗氧化防御系統酶的活性。超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化酶等均可作為PAHs、PCBs的防護性效應生物標志物。4、DNA加合物： PAHs、芳基胺等經代謝而產生親電活性產物，與DNA鏈特異位點形成共價加合物。DNA加合物的產生常導致突變的出現和腫瘤的形成，是化學癌變的初始階段。DNA加合物指示了環境中污染物對遺傳物質的影響，對于從本質上評價生物在環境脅迫下的健康以及種

52、群的生態變化具有積極意義。在PAHs的暴露中DNA加合物作為其標志物已經得到很好的建立。 實例：動物生物標志物在土壤污染生態學研究中的應用 應用生物標志物研究的土壤無脊椎動物包括蚯蚓、線蟲、等足類動物、腹足動物、彈尾目昆蟲等主要生物標志物包括溶酶體、脅迫蛋白和金屬硫蛋白等不同的生物標志物常對應于不同供試動物溶酶體：溶酶體生物標志物的供試動物主要是蚯蚓，蚯蚓種類多達3000種以上，在土壤中分布廣泛，是理想的供試動物蚯蚓體腔細胞內的溶酶體能很快的吸收、保持和積累中性紅染料 受到脅迫的蚯蚓，其溶酶體膜的滲透性發生變化，并失去穩定性，染料就逐步泄露到周圍的細胞質中根據中性紅的保持時間NRR(Neutr

53、al Red Retention)可反映土壤污染對蚯蚓的毒害效應在土壤無機污染診斷方面，Reinecke等利用微宇宙實驗裝置添加Pb、Zn和Cd，對蚯蚓溶酶體的NRR進行測定，研究時間歷時3年結果表明，清潔土壤中蚯蚓溶酶體的NRR值為，而Pb、Zn和Cd處理后NRR明顯縮短，分別為、和在有機污染物和農藥方面，Booth等研究了有機磷殺蟲劑對蚯蚓的毒害作用在實驗室和田間條件下，NRR均具有明顯的污染指示作用Eason等的研究表明，某種農藥在濃度為125-2000 mgkg-1時，3周時間內NRR的降低呈現明顯的劑量-反映關系溶酶體生物標志物在土壤污染診斷方面具有如下特點供試生物為蚯蚓，具有來源廣

54、泛、易于管理的優點，在污染生態和毒理監測方面應用廣泛；NRR指標可廣泛應用于土壤有機無機污染診斷該指標時間檢測尺度小，不易受自然氣候條件以及諸多因素變化的影響，具有較為明顯的劑量效應關系，在環境風險評價和土壤監測中具有穩定性和準確性；同其它指標相比，NRR指標對污染物敏感因而可作為早期預警生物標志物熱激蛋白(Heat shock Protein HsP）是由一系列不同分子量的蛋白譜系組成最初發現于果蠅，由于升高溫度的刺激而產生，隨后發現，這類蛋白亦可由化學物質以及組織傷害，病菌感染等諸多因素誘發盡管它不具有特異性，但是作為生物標志物仍受到重視其中較為廣泛利用的生物標志物是Hsp70(66-78

55、kDa)和Hsp60(58-60 kDa)污染物誘發的熱激蛋白，在各類土壤無脊椎動物中的表現各異，但以線蟲作為供試動物較為普遍，土壤中線蟲區系很多，分布廣泛，因而熱激蛋白作為土壤污染診斷的生物標志物具有良好條件Kammenga等研究線蟲體內誘發的HsP60與土壤重金屬污染的關系，發現該指標對土壤重金屬污染具有敏感性，隨著土壤中Cd和Cu濃度的增高，線蟲體內Hbp60含量亦相應增加金屬硫蛋白Berge等發現，在短時間飼養含鎘食物后，蝸牛腸的金屬硫蛋白含量由300gg-1(組織濕重)增加到750gg-1 用蚯蚓作為供試動物的研究發現，在實驗室條件下，Cd的暴露使得蚯蚓體內金屬硫蛋白含量大幅度增加，

56、從而結合了高達65進入體內組織的Cd、金屬硫蛋白以不同的同分異構體形式存在，不同的同分異構體可以反映不同重金屬的脅迫生物標志物技術的優越性可反映污染物暴露的時空變化和歷史情況；可聯系微觀和宏觀效應；直接聯系污染物濃度與效應； 可確定各種暴露途徑之間的差異； 綜合了多種污染物的相互作用； 判定污染物引起的效應對生物個體或生態上的意義； 可對長期生態效應進行短期預測。生物標志物的檢測還是風險評價的有效工具風險評價包括生態風險評價和環境健康風險評價。風險評價的很多過程都與生物標志物有關，尤其是化學物質的危害評價。危害評價是生物毒性評價概念的拓展，它要研究污染物的作用與受體響應之間的關系。生物標志物在

57、一般情況下均可以提供化學物質對靶位置的生物有效劑量，并給出定量的評價結果。在環境健康風險評價中，這些結果往往要比毒性活體實驗中得到的分子劑量結果外推到人體的分子劑量要精確得多。對于新的化學物質的風險評價，由于缺乏各種資料，生物標志物檢測的應用則顯得尤為重要。研究舉例1：鉛的生物標志物是否與尿酸有關（Associations among Lead Dose Biomarkers, Uric Acid, and Renal Function in Korean Lead ，Environmental Health Perspectives Volume 113, Number 1 January

58、2005 ） Weaver 等發現，尿酸和鉛的濃度在比以往所知濃度更低時就可能有腎毒性。 Weaver分析了當前和以往接觸鉛的工人的資料，以確定鉛的生物標志物是否與尿酸有關，以及在調整尿酸后，鉛的劑量和腎臟功能的相關性是否發生改變。資料提示老工人是鉛引起尿酸增高的敏感人群。尿酸可能是但并非唯一是與鉛相關的腎毒性機制。研究舉例2：（Risk potentials for humans of original and remediated PAH-contaminated soils: application of biomarkers of effect，Toxicology, Volume 2

59、05, Issue 3, 15 December 2004, Pages 181-194 ） Roos等對cytochromes P450 (CYP)和 CYP1A1作為土壤中的PAH的生物標志物進行了研究生物標志物的研究方向展望生物標志物的應用：目前人們研究的重點集中在發展生物標志物，而不是生物標志物的應用，并且對生物標志物的理解缺乏統一的標準，使很多標志物都只能停留在發展階段而很難應用于實際問題的解決。復合污染狀況下的生物標志物響應的研究：在實際環境中生物有機體主要暴露于復合污染物而非單個化學物質，通過研究復合污染暴露體系下生物標志物響應，并綜合考慮生物有機體個體大小、生長發育和性別等對標

60、志物響應的影響，將會大大提高標志物在指示實際環境中暴露和效應的準確性和靈敏度，使標志物檢測能更準確地反映實際環境狀況。多指標檢測體系的應用和發展： 生物標志物的生態相關性的闡述：對生物標志物的測定結果與特定環境致變之間的關系進行研究，找出生物標志物的效應與相關種群、群落和生態系統水平效應的直接聯系，是生物標志物研究的重要任務之一標志物測定的規范化：首先，要對標志物的理解具有統一的標準；其二，要開發出規范統一的測定方法，使來自不同實驗室的數據具有可比性；最后，開發出方便檢驗的試劑盒，降低標志物檢測的費用，使之得以推廣應用4.7 其他診斷方法4.7.1 土壤酶學診斷法 許多外來污染物都是代謝酶的抑