重金属污染土壤的生物学效应

重金属污染土壤的生物学效应

土壤是人类赖以生存的物质基础，是生态系统的重要组成部分。同时土壤也是食物链的一个重要环节，与人的健康息息相关。所谓土壤重金属污染是指由于人类活动，使重金属含量明显高于原有含量，并造成环境质量恶化的现象。重金属是最常见的土壤污染物。重金属进入土壤后，首先对土壤微生物的生理、生化性能及土壤理化性质产生影响，从而影响土壤生态系统结构和功能的稳定性。

1、重金属污染的胁迫作用

重金属进入土壤生态系统后，通过与土壤多介质组分的交互作用，对土壤生态系统构成污染胁迫。土壤环境中过量的金属离子对土壤动物、土壤微生物和植物通过以下各种过程或机制，最终导致极为复杂的生态毒理效应：第一，与生物必需元素的离子发生取代反应；第二，与磷酸基团以及ADP或ATP活性基团反应的亲和力作用；第三，与巯基基团(-SH)发生生物化学反应；第四，改变生物膜的通透性。

土壤重金属污染的遗传毒性很少能够被直接观测到，而且重金属对土壤生物以及植物的大部分细胞和分子毒性至今还未知，虽然土壤环境中存在的重金属对生物体生长发育的不良效应已众所周知。大部分金属盐在特定的浓度下与巯基基团具有亲和性并且能够导致纺锤丝紊乱，因此具有细胞有丝分裂毒性。

土壤环境中重金属盐的毒性效应直接与暴露剂量和时间有关，低浓度暴露下，生物体能够恢复正常。以对细胞分裂的毒性效应的大小，重金属可分为三类：(1)效应极显著的重金属为Cd、Cu、Hg、Cr、Co、Ni和Be等；(2)效应显著的重金属为Zn、A1、Mn、Fe、Se、Sr、Sb、Ca和Ti等；(3)效应相对较弱的重金属为Mg、V、As、Mo、Ba和Pb等。此外，IV和VII族的金属盐导致细胞染色体异常率显著比III族金属盐高。

一些长期暴露于重金属污染土壤上生长的植物，能够对重金属毒性产生一定程度的耐性。植物对土壤环境中重金属的耐性，表现在植物对重金属胁迫的排斥性和耐性两个方面。其一，土壤重金属被植物吸收后又被排出体外是植物对重金

属毒性最普遍的适应性机理，这个过程依赖各种降低重金属吸收的途径：(1)通过沉积在细胞壁组分中；(2)与分泌物螫合等。而对于进入植物细胞内的重金属胁迫，植物的耐性表现在对重金属的解毒能力上，解毒机制包括：(1)产生特异性有机化合物隔离金属离子；(2)利用细胞学分室功能把金属离子排到一些细胞分室中进行储藏；(3)形成金属离子流；(4)有机配合体分泌物的形成。其二，植物防御重金属毒性的机制包括控制根系吸收金属离子以及阻止金属离子的长距离运输；在细胞内，蛋白质如铁蛋白、金属巯蛋白、植物螫合剂和相关的缩氨酸等以及一些低分子量的有机分子如有机酸和氨基酸及其衍生物等参与过量重金属的蓄积与解毒过程，当以上这些防御系统都出现饱和状态时，氧化胁迫防御机制开始激活。自然条件下具有重金属超积累特性的耐性植物是研究土壤一植物系统重金属抗性的基础。而重金属对土壤微生物的毒理效应主要表现在能够抑制微生物活性，如降低酶的活性，重金属Cd能够与碱性磷酸酶的活性位点结合而使其失活，但对C、N的矿化作用影响不大。能够指示土壤重金属污染的微生物效应的主要指标如微生物菌落的生长、群落结构变化以及生物量的变化等，在土壤重金属的污染胁迫下一般都没有显著的效应。

2、重金属在生物体内的行为特征的研究内容

重金属在生物体内的行为特征主要包括吸收、迁移、富集、毒害、解毒和抗性等。在生物体对重金属的吸收和迁移上，研究有关细胞壁和胞外糖对重金属离子的钝化作用以及细胞对重金属离子的排除作用等。在生物体对重金属的富集上，主要有两方面的研究内容，一是传统的重金属沿食物链各营养级特别是高位可食性生物的富集，二是超量积累重金属植物的筛选、应用以及超富集机理的探讨。在毒害方面，研究者从形态、生理生化、细胞和分子水平做了大量的研究工作，主要是剂量——效应关系的研究以及相应模型的建立，并且有从以前的高剂量、短期的急性毒性试验向低剂量、长期的慢性毒性试验转变的趋势，对于致癌、致畸和致突变的研究一直是该领域的重要研究内容。在解毒和抗性方面，主要是细胞活性氧防御酶系、植物螯合素、植物细胞液泡的区间隔离、金属硫蛋白、逆境蛋白、逆境乙烯以及有机酸等的调控作用研究。

3、影响重金属对土壤微生物毒性的因素

微生物对污染物的响应受许多生物和非生物因子的影响。影响微生物敏感性的主要生物因子包括色素、粘液、生理年龄、形态、营养状态、生理适应和遗传适应等，而非生物因子主要有：

3.1重金属性质

3.1.1重金属形态

重金属的化学形态决定其在土壤中的迁移性和对微生物的毒性。对同一种重金属，可溶性盐易为微生物所吸收，从而毒性比不溶性盐大。例如，100mg·kg-1可溶性Cu(CuSO4)促进、1000mg·kg-1不影响、1×104mg·kg-1抑制土壤氨化作用，而高达1×104mg·kg-1的不溶态Cu(CuCO3)则无任何影响。

3.1.2重金属浓度

土壤微生物对低浓度的重金属表现出无反应或有刺激反应，一旦浓度超过微生物耐受限度，抑制作用就会表现出来，而且一般随浓度升高抑制作用增强。如0.005～0 .025 mg·kg-1的Cd、Pb和Zn能促进某些属的固氮作用；而浓度升至0.025～0.125mg·kg-1时，固氮作用被抑制。

3.1.3复合效应

在现实环境中，污染常常是由多种来源、多种性质和类型的众多污染物所造成的。某一污染物的作用方式、程度和物理化学行为受其共存污染物的影响，因而污染物之间可能产生拮抗、加和或协同作用。

3.2环境因素

3.2.1PH

由于pH能影响重金属毒性和有效性的许多方面，即pH能影响重金属与环境中有机和无机成分的络合程度，这些络合物常比自由金属离子的毒性低；pH 能影响金属离子的化学特性，而不同的化学状态会有不同的毒性；微生物的代谢状况受pH值变化的影响；不同的土壤生化过程本身受pH影响的程度不同。因此，土壤pH对重金属毒性有显著影响。

3.2.2氧化还原电位(Eh)

许多重金属元素的化合价取决于环境的氧化还原电位，比如Eh下降会导致Fe3+还原为Fe2+，而同一元素的不同价态对微生物的毒性不同。