1、題目：土壤中重金屬生物有效性學院：專業：學號：姓名：2017年1月5日土壤中重金屬生物有效性摘要:人類的生產和生活使很多重金屬進入環境，伴隨著環境污染的加劇，土壤中重金屬的含量也在增加。土壤中的重金屬通過食物鏈被運輸并在生物體內富集重金屬對植物和動物的危害不再僅僅與重金屬的總量有關。土壤中可用的重金屬含量逐漸引起人們的注意。土壤中可利用的重金屬受到很多因素的影響，例如土壤物理化學性質，重金屬形態，根際環境，重金屬相互作用等因素。現在有許多方法來評價土壤中重金屬的可利用性，但不同方法的結果不具有很好的可比性，需要進一步的研究。關鍵詞：重金屬；生物有效性；土壤；評價方法Bioavailabilit

2、yofHeavyMetalsinSoilsABSTRACT:Humanactivitiesmakealotofheavymetalsintotheenvironment,withtheintensificationofpollution,thecontentofheavymetalsinthesoilisalsoincreasing.Heavymetalsinthesoilaretransportedandenrichedbythefoodchain.Theharmofheavymetalstoplantsandanimalsisnolongerjustconcernedwiththetota

3、lamountofheavymetals.Theavailablecontentofheavymetalsinthesoilgraduallyattractspeoplesattention.Theavailableheavymetalsinsoilswereaffectedbysoilphysicalandchemicalproperties,heavymetalform,rhizosphereenvironment,andheavymetalinteraction.Therearemanymethodstoevaluatetheavailabilityofheavymetalsinsoil

4、s,buttheresultsofdifferentmethodsarenotcomparable.Therefore,itneedstobefurtherstudied.KEYWORDS:heavymetals;bioavailability;soil;evaluationmethod土壤的重金屬污染是一個相對嚴重的問題。隨著工業化和城市化的發展，人類活動范圍擴大且頻繁，在生產生活中產生了含有重金屬的污水、廢氣或固體廢棄物，如含重金屬農藥和化肥的使用、金礦開采、汽車尾氣的排放、金屬冶煉排放的廢渣和污泥的堆積等過程1。由于土壤重金屬污染具有隱蔽性和積累性等特點，在積累的初期沒有明顯的污染現象，

5、但是一旦重金屬的毒害作用比較明顯的表現出來后，就很難清除徹底。通過食物鏈，重金屬能夠積累到人或動物體內，大部分的重金屬都是都是人體不需要的且對人體會產生危害，并且積累在人體的不同部位損害人體健康，例如，鎘容易積累在人體的腎臟部位，對腎臟有毒害作用，兒童體內血鉛含量高會導致兒童智力發育等2。在重金屬嚴重污染的耕地上面種植出來的作物也表現出了產量降低，品質下降等不良反應3。因此，土壤重金屬污染引起了人們極大的關注。土壤中的重金屬的總量能夠反映改土壤中重金屬的濃度，而且各國制定土壤環境質量標準大都以土壤中重金屬總量為基礎的4，然而在土壤中的重金屬具有多種化學形態，不同形態的重金屬具有不同的形態，同一

6、種重金屬在相同或者不同條件下也會具有不同的形態，不同化學形態的重金屬對生物產生的影響也不大相同，因此相同含量重金屬的土壤環境的生物效應也會有很大的差異。在評價受重金屬污染的土壤過程中，不能單一的依靠土壤重金屬的總量，對于不同形態的重金屬的含量同樣需要考察。Tessier等將重金屬在土壤中的元素形態分為可交換態、碳酸鹽結合態、有機物質結合態、Fe-Mn氧化態和殘留態。生物有效性，或稱為生物利用度，目前的定義還比較混亂，界線不明晰。在藥理學上面，生物有效性在是指生物服用的藥物劑量能夠完成體循環，這解釋了藥物的動力學特性。由定義可以推斷，當利用靜脈注射藥物時，生物利用度則是百分之一百。但是當藥物以其

7、他方式進入生物體內時，例如口服，它的生物有效性因為不完全吸收和首渡效應而降低6】。Kramer】7和Ruby8等人認為土壤中重金屬的生物有效性是指在一定的生理條件下，重金屬經過解吸和活化，然后遷移進入人或動物血液循環系統的那部分元素。一般我們認為重金屬經過三個過程便可對生物產生危害：重金屬在外部環境中的形態；重金屬和生物膜的反應；重金屬在生物體內增加然后產生毒害反應。目前重金屬的生物有效性研究大多著重重金屬在外部環境中的生物有效性，用的評價方法主要有化學評價方法、生物評價方法和以分析加速器為基礎的同步輻射技術。雖然土壤重金屬的生物有效性得到人們的重視并做了廣泛的研究，但是由于土壤中生物本身種類

8、和暴露的環境不一樣等造成土壤重金屬生物有效性評價的結果有著明顯的差異，關于土壤重金屬的生物利用度評價和定量化仍然需要更多的研究。本篇主要討論哪些因素影響了土壤重金屬的有效性和一些關于重金屬有效性的評價方法。1影響土壤重金屬有效性的因素土壤重金屬生物有效性受到金屬元素形態與遷移性的影響，這兩者與重金屬在土壤中的存在形態有密切的關系，也與土壤理化特性例如土壤的機械組成、pH值、有機物質的含量、氧化還原電位等因素有很大的關系。所以，評價土壤重金屬污染程度時，需要綜合考慮各種土壤條件。土壤理化特性土壤質地不同的顆粒組合形成了不同的土壤質地，土壤質地可分為砂土、壤土和黏土三種類型。其土壤特性主要受到成土

9、母質的影響，同時耕種、施肥、灌溉等人類活動也對土壤特性產生不同程度的影響。在礦物風化成土的過程，原生礦物破碎，形成次生礦物，原生礦物中的重金屬一部分保留在原生礦物中，一部分淋溶進入水和土壤中。重金屬含量高的成土母質形成的土壤，其重金屬含量也會偏高9。土壤的持水性能、土壤顆粒的比表面積和土壤空隙等土壤性質主要是由土壤質地決定的。在黏土中，粘粒占的比重相對較大，由于粘粒顆粒非常細小，比表面積大，所以對重金屬元素有一定的吸附作用，比砂土更容易富集重金屬Mitsuhiroio等人通過觀察在氧化還原過程中不同的時間水稻土壤中Cd的形態和溶解態的變化，得出Cd的溶解度可能取決于土壤的持水性能和黏土的含量。

10、土壤pH土壤pH對土壤中重金屬元素的的化學行為有很大的影響。一般情況下，土壤的pH值降低時，會使被使弱結合狀態的重金屬解吸下來，因而提高重金屬的活性，從而促進植物對重金屬的吸收，而pH升高時，土壤溶液中的0H-和CO32-可以和重金屬形成沉淀。任榮富等11研究發現，土壤的pH值可以直接影響生物對重金屬的吸收，當pH值達到5的時候，稻米中的Cd的積累量最高。在一般的生產實踐中，重金屬污染地區的農民在水稻秧苗移栽的前三周會向稻田中施加石灰，然后翻整混勻，來提高土壤的pH，降低水稻田中重金屬的生物有效性。Khaokaew等口2人發現，在pH比較低的時候，一部分的吸附在腐殖酸上Cd會被釋放出來。在pH

11、值大于6時，Cd可以吸附在高嶺土的邊緣位點上。土壤有機質土壤有機質指的是土壤中所有的含碳的有機物質，它是土壤的重要組成部分由各種動植物的殘體、微生物體及其分解和合成的有機物質組成。土壤有機質在土壤中所占的比例比較小，但是對于土壤中重金屬化學行為有著很深遠的影響。FuldaM3和McBride4】等人認為銅與天然有機物結合是控制土壤中銅生物利用度的關鍵因素之一。有研究發現15，當土壤中可溶性有機物增加時，土壤溶液中的Cr、Hg、Cu、As的濃度也會隨著增加。可見，土壤有機質對重金屬移動性有很大的影響，可溶性的土壤有機物可以活化重金屬，而固相有機質可以吸附固定重金屬，降低重金屬的生物有效性。有研究

12、發現利用有機質（三葉草、酒糟）的添加可以改變土壤中砷的功能微生物的豐度和活度，從而影響到砷的形態轉化顯著提高砷的甲基化及揮發。1.2重金屬形態土壤重金屬的存在形態可以在很大程度上影響著它的環境行為，不同形態的重金屬產生的環境效應不同，對生物的毒害作用也不相同。通常情況下，在中性條件下可交換態的重金屬活性最大，最容易被釋放和轉化為其他形態，同時也是最容易被生物吸收利用的；碳酸鹽結合態的重金屬在pH低于7的時候容易發生遷移；鐵錳氧化態的重金屬因為在還原條件下鐵和錳被還原，吸附在上面的一些重金屬離子也被解吸下來；有機結合態的重金屬化學性質穩定，在土壤環境中移動性不強；殘渣態重金屬和土壤中的沉積物牢牢

13、結合16，其生物可利用度最低，一般情況不會對生物產生毒害作用。土壤重金屬之間相互作用一般情況下，在重金屬污染的土壤中會同時存在著兩種或者兩種以上的重金屬，在不同的土壤環境中，一種重金屬元素的改變可能會引起其他重金屬的化學行為的變化。加和作用、拮抗作用和協同作用是土壤中重金屬之間相互作用的三種主要方式。加和作用指的是兩種或兩種以上重金屬共同存在是時的毒性是其單獨存在時毒性的總和的現象；拮抗作用是有一種或幾種重金屬元素具有抑制作物吸收其它重金屬元素的作用；協同作用是兩種或兩種以上的重金屬元素同時作用于土壤中的生物所產生的生物學影響大大超過各自單獨作用的總和。周婷等17人發現，在呈堿性且富含碳酸鈣的

14、土壤中，土壤溶液中Ca2+、Zn2+和Mg2+等陽離子會與Cd2+競爭土壤中的有效吸附位點，因而提高Cd在土壤中的生物有效性。Beate等口8人通過研究不同還原時期水稻土中Cd和Cu的形態，發現土壤溶液中的可還原性S會優先和Cu結合。根際環境根際環境是指與植物的根部有緊密聯系的土壤微環境部分，是植物在生長過程中吸收或分泌物質所形成的其物理、化學、生物學特性不同于土體的、復雜的、動態的微型生態系統。微生物的降解作用、植物吸收和根系活動等使得根和土界面的物理、化學和生物學性質和其他的土壤有比較明顯的差異。這些差別可以影響重金屬在土壤中的形態和活性從而影響其生物有效性。植物在生長過程中會通過根系向土

15、壤中分泌有機物，主要包括分解物、粘膠質、脫落物和滲出物等19。根系分泌物能夠降低根際的pH值20，影響根際重金屬的生物有效性。有研究表明，植物根部可以分泌蘋果酸來絡合根際的重金屬Al，來降低Al對植物的毒害作用Lin等人研究發現，在水稻的根際部分土壤中的Pb的生物有效性顯著增加。生物因素土壤中有動物、植物和微生物，它們在土壤中的活動改變著土壤的理化性質，從而影響土壤中重金屬元素形態和移動性。在重金屬污染的土壤中生存著一些微生物，因為長期生存在重金屬污染的環境中，它們便對有毒害作用的重金屬產生了抗性。一般情況下認為，微生物主要通過胞外沉淀、生物吸附、生物轉化、外排作用和生物積累這些機制來低于重金

16、屬的毒害作用。微生物可以通過這些作用將重金屬吸附或者吸收，還能還原或者氧化重金屬，改變重金屬的形態和活性。俞協治等21人研究了接種蚯蚓的黑麥草生長的土壤中重金屬的生物有效性變化，發現蚯蚓能夠通過提高重金屬的活性間接影響植物對重金屬的吸收。2土壤中重金屬的有效性評價土壤重金屬的污染現象被人們意識到后，土壤中重金屬總量就受到人們廣泛的關注，被應用于各國的土壤環境質量標準中。目前，大部分的相關工作者都意識到了重金屬的總量并不能準確的反應土壤中重金屬污染的情況，需要結合生物對重金屬的利用度來評價污染程度。目前，國內外對重金屬在土壤中有效性評價的方法主要有化學提取法、體外消化法、InVitro法、生物學

17、評價法和以同步輻射X射線熒光光譜法22。化學提取法是目前評價土壤重金屬生物有效性使用的最廣泛的一種替代方法。它是利用不同形態重金屬對生物的可利用度不同，然后利用不同化學試劑對不同的形態的重金屬進行提取，從而獲得不同形態重金屬含量。體外消化法是1996年Mayers等人提出的用于評價生物有效性的生物模擬方法。InVitro法通常包括動物實驗和體外實驗兩種方法24。傳統的動物實驗方法雖然結果可靠，但是實驗周期長費用高，眾多研究表明，體外實驗與動物實驗的結果有較好的相關性25。生物學評價法是按一定標準對某一范圍內的環境質量進行評價和預測，一般方法有種類多樣性指數法、生物指數法和指示生物法三種。指示生

18、物法是指某種生物對環境因素的變化所具有的一定的適應范圍且表現出一定的特點。Liao等人26研究發現非致病綠色熒光蛋白是一種細菌生物傳感器可以高靈敏度地反應土壤中重金屬的污染程度。同步輻射X射線熒光光譜法能夠高度準確的檢測到重金屬元素在生物樣品中的空間分布情況，且制備樣品簡單、不用破壞樣品即可檢測的27。目前，土壤重金屬生物有效性評價的主要使用的方法是對不同形態重金屬的化學提取法oTessier等利用五步連續提取法來提取土壤中的不同形態（可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態）的重金屬。不同化學試劑提取不同的重金屬形態，不同化學試劑所提取的同一種形態的重金屬的含量可比性也

19、很差，化學試劑所提取的重金屬含量與生物體內的有效含量之間的相關性也不太好，需要大量的實驗和數據分析，來尋找較為合適的化學提取劑。通常認為，重金屬的酸溶態、鹽溶態和絡合態這三種狀態是可以被生物直接利用的28，與生物的有效性之間關系緊密，是評價重金屬的生物有效性的重要指標。提取土壤重金屬的過程中，主要用的試劑有稀酸溶液、絡合劑、中性鹽溶液和緩沖溶液。常用的稀酸溶液主要有稀HNO3、稀HC1和冰醋酸；常用的絡合劑有DTPA和EDTA；常用的中性鹽溶液和緩沖溶劑主要有CaCl2、CaNO2、NH4OAc、NaNO3和NH4NO3等。中性溶劑因為pH和土壤比較接近，所以可以很好的模擬土壤環境。在浸提過程

20、中，影響土壤重金屬提取效率的因素很多，包括重金屬種類和形態在土壤中的分布情況、浸提劑的種類、提取時間、提取劑溶液的濃度、震蕩方式30、土壤質地和提取液與土壤的混合比例等。3小結土壤是一種復雜的環境，在研究土壤中的重金屬遷移轉化規律時，必然要考慮諸多因素的影響。對于不同土壤之間的性質和元素組成等方面都會不同，在研究的過程中，基于土壤基本數據的了解，采取合適的方法進行土壤重金屬移動性和有效性的研究。土壤重金屬生物有效性評價方法眾多，關于重金屬提取的案例也很多，且提取結果良莠不齊。在選擇提取方法時，可以做一些預實驗對比幾種選定的浸提方法之間的差異，找到一個相對合適的提取方法。土壤重金屬有效性雖然有很

21、多研究，但是沒有很好的進展，利用以原子加速器為基礎的同步輻射技術，是目前比較有前景的評價方法。土壤重金屬有效性的研究不僅豐富了重金屬元素的地球化學理論知識，也為土壤重金屬修復與治理提供了理論依據。參考文獻王學鋒，楊艷琴土壤-植物系統重金屬形態分析和生物有效性研究進展J.化工環保,2004,24(1):24-28.周國華土壤重金屬生物有效性研究進展J.物探與化探,2014,38(6):1098-1104.尚愛安，劉玉榮,梁重山土壤重金屬的生物有效性研究進展J土壤,2000,2000(6):294-299.李江霞，吳林春，張軍，等生物炭修復土壤重金屬污染的研究進展J.生態環境學報,2015,24(

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