土壤修復(fù)原理與技術(shù)優(yōu)秀PPT文檔課件

1、課程主要內(nèi)容內(nèi)容 土壤污染發(fā)生的機(jī)理、診斷方法及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理 污染土壤物理、化學(xué)、生物修復(fù)原理與技術(shù) 污染土壤修復(fù)技術(shù)的最新進(jìn)展目的系統(tǒng)掌握污染土壤發(fā)生機(jī)理、修復(fù)的基本原理和技術(shù)以及土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)課時(shí)計(jì)劃緒論（2課時(shí)）第一章土壤污染發(fā)生的機(jī)理、診斷及其方法 （4課時(shí)）第二章 土壤健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理 （4課時(shí)）第三章 污染土壤的物理修復(fù)原理與技術(shù) （4課時(shí)）第四章 污染土壤的化學(xué)修復(fù)原理與技術(shù) （4課時(shí)）第五章 污染土壤的植物修復(fù)原理與技術(shù) （5課時(shí)）第六章 污染土壤的生物（微生物）修復(fù)原理與技術(shù) （5課時(shí)）第七章 污染土壤修復(fù)生態(tài)工程 （2課時(shí)）第八章 污染土壤修復(fù)效果及評(píng)價(jià)（2課時(shí)）第

2、九章 礦區(qū)土壤復(fù)墾的原理與技術(shù)（2課時(shí)）第十章 污染土壤修復(fù)技術(shù)問題與展望 （2課時(shí)） 復(fù)習(xí)（2課時(shí)）及考試（2課時(shí)）一 土地與土壤環(huán)境1 土地、土壤及土地利用土地：指地球表面某一地段內(nèi)包括土壤、母巖、植被、地貌、水文及近地大氣等多種因素在內(nèi)的自然綜合體，土壤及其地下水是其物質(zhì)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(zhǎng)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(zhì)、有機(jī)質(zhì)（包括活有機(jī)體-土壤生物）、水分和空氣四種物質(zhì)組成，是一個(gè)十分復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)土地利用：指人類根據(jù)自身的需要和土地的特性，使土地的某一功能得到體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。如耕地、園地、林地、牧草地、城鄉(xiāng)

3、居民點(diǎn)、工礦用地、交通用地、水域用地、荒地等2 土壤環(huán)境特點(diǎn)人類環(huán)境要素的組成之一，是環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，而且是最復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)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(luò)合/螯合、老化、離子交換以及過濾等過程，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或污染物產(chǎn)生重要作用，從而起到營(yíng)養(yǎng)支持作用或產(chǎn)生污染毒害/解毒效應(yīng)；土壤環(huán)境是綠色植物的生長(zhǎng)基地，通過植物的吸收、積累作用，一方面使土壤環(huán)境中的污染物質(zhì)得以下降，另一方面使污染物轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后可能再以食物鏈的形式進(jìn)入人體，從而危及人體健康土壤環(huán)境中生活著的各種微生物和動(dòng)物，對(duì)進(jìn)入其中的污染物可以進(jìn)行分解、解毒和轉(zhuǎn)化，因而具備同化、凈化污染物的功

4、能，這對(duì)自然界的物質(zhì)循環(huán)和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義；土壤環(huán)境的自凈、解毒能力是有限度的，它不能完全抵抗外來(lái)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(dòng)損害的環(huán)境要素；土壤污染對(duì)人類的危害極大，它不僅直接導(dǎo)致糧食作物的減產(chǎn)，而且還通過地下水途徑對(duì)水資源構(gòu)成污染威脅； 土壤一旦被外來(lái)污染物所污染，很難徹底治理，應(yīng)該防患于未然二 土壤污染及其來(lái)源2.1 土壤污染的定義（三種）由于人類活動(dòng)向土壤添加有害化合物，此時(shí)的土壤就受到了污染以特定的參照數(shù)據(jù)來(lái)加以判斷，如以背景值加兩倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為臨界值，若超過這一數(shù)值，即認(rèn)為該土壤為某元素所污染加入土壤中的物質(zhì)給生態(tài)系統(tǒng)造成了危害，才能稱為土

5、壤污染英國(guó)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(guó)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(dāng)土壤中含有有害物質(zhì)過多，超過土壤的自凈能力，就會(huì)引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，微生物活動(dòng)受到抑制，有害物質(zhì)或其分解產(chǎn)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(dá)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(jī)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(lái)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(zhuǎn)性（重金屬及一些有機(jī)物）治理難而周期長(zhǎng)土壤污染的特點(diǎn)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品污染超標(biāo)、品質(zhì)不斷下降導(dǎo)致大氣環(huán)境的次生污染導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)人類健康的危害2.4 土壤環(huán)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(guó)受污染的耕地約有億畝，污灌污染耕地3250萬(wàn)畝，固廢堆占地200萬(wàn)畝，合計(jì)約占10%的耕地面積重金屬超標(biāo)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(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤污染的報(bào)道化學(xué)品人體健康效應(yīng)鉻皮膚病苯白血病二溴氯丙烷不育癥鉛不育、流產(chǎn)、神經(jīng)錯(cuò)亂等氯乙烯血管肉瘤、肝癌石棉肺癌多氯聯(lián)苯癌土壤化學(xué)品污染的人體健康效應(yīng)三 污染土壤修復(fù)的意義及技術(shù)的發(fā)展4.1 土壤環(huán)境污染控制措施 首先控制和消除土壤污染源，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)三廢的治理，合理施用化肥和農(nóng)藥，同時(shí)，還要積極采取各種防治措施和修復(fù)手段，才能達(dá)到解決土壤環(huán)境污染問題的目的 全面

14、控制土壤污染的具體措施促進(jìn)土壤污染防治各種法規(guī)、準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)的制定與修改建立土壤環(huán)境污染、土壤質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)、制定土壤污染預(yù)防規(guī)劃，識(shí)別、確定污染控制的具體區(qū)域強(qiáng)化污水、固體廢棄物和其他有毒物質(zhì)排放的控制實(shí)施污染土地的休閑制度修復(fù)污染土壤政府的作用4.2 污染土壤修復(fù)的分類植物修復(fù)、微生物修復(fù)、生物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)、綜合修復(fù)原位（In Situ）修復(fù)、異位（Ex Situ）修復(fù) 原位修復(fù)更為經(jīng)濟(jì)有效，對(duì)污染物就地處置，使之得以降解和減毒，不需要建設(shè)昂貴的地面環(huán)境工程基礎(chǔ)設(shè)施和遠(yuǎn)程運(yùn)輸，操作維護(hù)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，還可以對(duì)深層次污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。 異位修復(fù)技術(shù)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低，系統(tǒng)處理的

15、預(yù)測(cè)性高于原位修復(fù)生物修復(fù)技術(shù)：主要包括微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、動(dòng)物（低等）修復(fù)技術(shù)化學(xué)修復(fù)技術(shù)物理修復(fù)技術(shù)化學(xué)修復(fù)原位化學(xué)淋洗技術(shù)異位化學(xué)淋洗技術(shù)溶劑浸提技術(shù)原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)原位化學(xué)還原與還原脫氯技術(shù)土壤性能改良技術(shù)物理修復(fù)技術(shù)物理分離修復(fù)技術(shù)土壤蒸汽浸提修復(fù)技術(shù)固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù)玻璃化修復(fù)技術(shù)熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)熱解吸修復(fù)技術(shù)電動(dòng)修復(fù)技術(shù)冰凍修復(fù)技術(shù)實(shí)施步驟評(píng)估體系評(píng)估內(nèi)容1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證有效性；經(jīng)濟(jì)性；安全性2多目標(biāo)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)降低的程度；技術(shù)有效性提高程度；費(fèi)用與時(shí)間節(jié)省程度；法規(guī)遵從程度；公眾可接受程度3技術(shù)實(shí)施有效性評(píng)價(jià)（基于必需的關(guān)鍵信息）性能；應(yīng)用范疇與發(fā)展階段；費(fèi)用估計(jì)可

16、靠性（成本、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)、單位面積修復(fù)費(fèi)用）4工程有效性比較評(píng)價(jià)（基于各種資料數(shù)據(jù)來(lái)源其它用戶/案例研究；開發(fā)商；本次測(cè)試（特定變量、性能評(píng)估、費(fèi)用預(yù)測(cè)）污染土壤修復(fù)技術(shù)需考慮的信息本課件用于學(xué)生學(xué)習(xí)嚴(yán)禁上傳到其它網(wǎng)上 土壤環(huán)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(huán)境已經(jīng)受到污染后，才能考慮選用什么方法進(jìn)行治理主要內(nèi)容土壤污染發(fā)生及其動(dòng)力學(xué) 污染土壤診斷及其意義土壤污染生態(tài)毒理學(xué)診斷污染生態(tài)毒理診斷方法一 土壤污染發(fā)生及其動(dòng)力學(xué) 1.1 污染物造成土壤污染的幾個(gè)主要過程1.1.1 接觸階段 污染物進(jìn)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(yè)活動(dòng)

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(nóng)業(yè)農(nóng)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(yīng)階段不同途徑進(jìn)入土壤中的污染物經(jīng)過吸附-解吸、沉淀-溶解、氧化-還原、絡(luò)合-解離、降解和積累放大等一系列的化學(xué)過程，參與土壤系統(tǒng)功能的表達(dá)，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(xué)性質(zhì)的同時(shí)，本身的形態(tài)、毒性、濃度等性質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)的變化，污染物與土壤有機(jī)質(zhì)及其它組分之間的相互作用，在影響各個(gè)子系統(tǒng)的正常代謝過程中改變了土壤生態(tài)系統(tǒng)整體平衡發(fā)展的趨勢(shì)1.1.3 污染中毒階段 污染物進(jìn)入土壤并參與到土壤各個(gè)組分之間的物理化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中，使土壤及其中

18、的生命組分發(fā)生急性中毒或慢性中毒1.1.4 恢復(fù)階段 急性中毒土壤一般很難恢復(fù)初始的健康狀態(tài)，需要人為的力量才能恢復(fù)正常的功能表達(dá)；慢性中毒的土壤一般可以自然恢復(fù)1.2 土壤污染發(fā)生動(dòng)力學(xué)土壤污染發(fā)生的核心問題就是污染物進(jìn)入土壤，并在土壤中殘留積累以及消解的動(dòng)態(tài)特性涉及的主要因素有物理、化學(xué)和生物學(xué)等過程污染物在土壤中的整個(gè)過程就是輸入和輸出的過程1.3 主要的一些動(dòng)力學(xué)過程遷移-擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過程 化學(xué)污染物進(jìn)入土壤介質(zhì)后，在土壤中進(jìn)行的第一個(gè)過程就是擴(kuò)散遷移。土壤中污染物的擴(kuò)散推動(dòng)力一方面是水流和土壤溶液，另一方面由于土壤是一個(gè)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(kuò)散的主

19、要推動(dòng)力描述土壤中化學(xué)污染物的擴(kuò)散遷移模型水流模型溶質(zhì)遷移模型為體積水-土含量；k為水傳導(dǎo)率；X為土層厚度；Dh為水分分散系數(shù)；C為可溶性污染物（溶質(zhì)）濃度；S為每單位重土壤吸附的溶質(zhì)數(shù)；Qi代表輸入和支出項(xiàng) 一般，污染物進(jìn)入土壤后在土壤中的遷移和擴(kuò)散速度緩慢，其速度不僅與土壤理化性質(zhì)、生物種類和數(shù)量、土壤環(huán)境條件有關(guān)，而且也與污染物種類及其存在的形態(tài)有關(guān)。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(dòng)態(tài)三相體系，因此，污染物在這三相中的運(yùn)動(dòng)要比在均相中的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的多利用模型解決土壤污染中污染物的遷移有關(guān)的問題必需經(jīng)過的步驟：根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的模型；通過田間和室內(nèi)確定模型中的最主要

20、的參數(shù)；利用當(dāng)?shù)厝〉玫臄?shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行校正以及模型驗(yàn)證吸附-解吸動(dòng)力學(xué)過程 污染物由氣相或液相向土壤顆粒表面的擴(kuò)散或遷移，進(jìn)而進(jìn)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(shù)沉淀-溶解動(dòng)力學(xué)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(zhì)的補(bǔ)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(dāng)組成該化合物的離子在溶液中離子積大于濃度積時(shí)，反應(yīng)向化合物的形成方向進(jìn)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(shí)，才達(dá)到沉淀和溶解的平衡描述土壤污染物溶解的動(dòng)力學(xué)過程A（l）+B（l） AB（s）描述土壤污染物沉淀的動(dòng)力學(xué)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(shù)，反應(yīng)的是固相化合物形成的趨勢(shì)， Kf值越大，該種物質(zhì)在土壤中就越穩(wěn)定。當(dāng)溶液中離子的濃度降到這種物質(zhì)的飽和溶解度值以下，則反應(yīng)朝著溶解的方向進(jìn)行，一直到達(dá)沉淀和溶解的平衡狀態(tài)，為溶度積常數(shù)，值越大，溶液中離子的

22、濃度越高，當(dāng)離子的濃度超過這種物質(zhì)的飽和溶解度以上時(shí)，反應(yīng)朝著沉淀的方向進(jìn)行絡(luò)合-解離動(dòng)力學(xué)過程當(dāng)土壤溶液中存在過量的OH-、Cl-、I、NH4+、SO42-、PO43-，絡(luò)合作用更容易發(fā)生污染物在土壤中進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)的同時(shí)，伴隨著解離反應(yīng)的發(fā)生，用數(shù)學(xué)模型可以對(duì)解離作用進(jìn)行模擬ML為絡(luò)合物；Mv+為游離金屬離子， Lv-為游離配位體；Kd為解離常數(shù)生物降解動(dòng)力學(xué)過程 在微生物、酶或植物分泌物的作用下，進(jìn)入土壤介質(zhì)中的污染物會(huì)發(fā)生降解作用。根據(jù)污染物的性質(zhì)，一般有機(jī)污染物、碳?xì)浠衔?、農(nóng)藥等容易在土壤中發(fā)生降解作用，而重金屬很難完成生物學(xué)意義上的降解農(nóng)藥降解模型冪速度模型c（t）為t時(shí)刻農(nóng)藥的殘

23、留濃度；k為降解速度常數(shù)； m是表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)雙曲速度模型k1 、 k2為Michaelis-Menten常數(shù)動(dòng)植物吸收-攝取動(dòng)力學(xué)過程 土壤中污染物被動(dòng)植物吸收-攝取也是其在土壤環(huán)境中重要的污染生態(tài)過程。植物吸收土壤污染物主要是從根系吸收污染物進(jìn)入動(dòng)物體主要途徑有皮膚接觸、呼吸和消化系統(tǒng)對(duì)動(dòng)植物從土壤中吸收污染物進(jìn)行定量，可以通過土壤植物系統(tǒng)間的富集因子來(lái)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(tǒng)分配系數(shù)動(dòng)物攝取的污染物劑量為i為植物的種類；D為動(dòng)物每日的攝入量生物累積-放大動(dòng)力學(xué)過程 生物放大作用是生物體內(nèi)某種元素或難分解化合物的濃度

24、隨生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐步增大的現(xiàn)象。生物放大的結(jié)果是使食物鏈上高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物中某種化合物或元素造成累積，濃度明顯超過低營(yíng)養(yǎng)級(jí)及環(huán)境中的濃度。對(duì)于浮游植物、浮游動(dòng)物、魚和更高級(jí)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(nèi)和被捕食者的污染物體內(nèi)負(fù)荷，kui為吸收率，W為有機(jī)體濕重，C為化學(xué)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(fèi)速率，ki為污染物排泄速率1 核酸復(fù)性動(dòng)力學(xué)技術(shù)和G+C%含量法3 沉積物毒性試驗(yàn)（sediment toxicity test）描述土壤中化學(xué)污染物的擴(kuò)散遷移模型1 土壤環(huán)境污染控制措施反應(yīng)要有一定

25、的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)要快速；急性農(nóng)藥中毒包括誤食農(nóng)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(jīng)毒性物質(zhì)如有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥的敏感指標(biāo)。其中，csoil 和 csoil w的值的大小與農(nóng)藥的分配系數(shù)有關(guān)，計(jì)算方法如下1）分析污染物在土壤環(huán)境介質(zhì)之間分配的機(jī)制，在土壤中遷移的路線與方式，伴隨遷移發(fā)生的轉(zhuǎn)化作用，了解化學(xué)物質(zhì)在土壤環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿的主要過程和機(jī)制如還存在污染源，對(duì)進(jìn)入土壤環(huán)境的農(nóng)藥污染源進(jìn)行計(jì)算多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等的生物標(biāo)志物作為表征事物處于險(xiǎn)境中的狀態(tài)或形勢(shì)的危險(xiǎn),不僅與時(shí)空條件以及事件性質(zhì)有關(guān),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(tǒng)中去除，但也有一部分污染物降解不完全，導(dǎo)致一些中間產(chǎn)物生成，此外，在降解過程中某些物質(zhì)的形態(tài)和性質(zhì)也可能發(fā)生變化，技術(shù)實(shí)施有效性評(píng)價(jià)（基于必需的關(guān)鍵信息）暴露標(biāo)志物(Biomarker of Exposure ):生態(tài)毒理檢測(cè)與檢測(cè)技術(shù)污染物陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)毒性效應(yīng)生物體生物轉(zhuǎn)化、濃縮、積累與放大改變生物個(gè)體分布與動(dòng)力學(xué)特征（再生、移居、補(bǔ)充、死亡）改變生物區(qū)系的結(jié)構(gòu)與功能（種類變異、捕食關(guān)系的改變）生態(tài)系統(tǒng)功能上的改變（光合作用、養(yǎng)分循環(huán)）2.1 污染物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室診

27、斷：化學(xué)分析方法、毒理學(xué)分析方法等田間診斷：場(chǎng)地試驗(yàn)是一種適合的方法，通過這種試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地條件或接近場(chǎng)地條件下污染物對(duì)各種土壤生物的毒害作用2.3 快速診斷與長(zhǎng)期診斷快速診斷一般通過 急性毒性試驗(yàn)長(zhǎng)期診斷一般通過亞慢性毒性試驗(yàn)和慢性毒性試驗(yàn) 急性毒性試驗(yàn)(AcuteToxicityTest)是研究化學(xué)物質(zhì)大劑量一次染毒或24h內(nèi)多次染毒動(dòng)物所引起的毒性試驗(yàn)。其目的是在短期內(nèi)了解該物質(zhì)的毒性大小和特點(diǎn),并為進(jìn)一步開展其他毒性試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。如：哺乳動(dòng)物、水生生物（魚、水蚤、藻類）、蚯蚓等 人類接觸環(huán)境污染物時(shí),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(shí)際情況的毒作用資料,需進(jìn)行亞

28、慢性和慢性毒性試驗(yàn)。亞慢性毒性試驗(yàn)(Subchronic Toxicity Test)驗(yàn)是在相當(dāng)于動(dòng)物生命周期的1/301/20時(shí)間內(nèi)使動(dòng)物每日或反復(fù)多次接觸受試物的毒性試驗(yàn)。檢測(cè)指標(biāo)：(1)一般綜合指標(biāo)(2)血液及生化檢驗(yàn)(3)病理組織學(xué)檢查慢性毒性試驗(yàn)(ChronicToxicityTest)：是指以低劑量外來(lái)化合物,長(zhǎng)期與試驗(yàn)動(dòng)物接觸,觀察其對(duì)試驗(yàn)動(dòng)物所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)。我國(guó)工業(yè)毒物和農(nóng)藥急性分級(jí)三、土壤污染生態(tài)毒理學(xué)診斷 土壤污染生態(tài)毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容研究污染物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)可能危害的劑量-反應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行污染物毒性和土壤生態(tài)安全性評(píng)價(jià)闡明污染物在土壤介質(zhì)中的毒性作用機(jī)理及影響其

29、毒性作用的相關(guān)因素，進(jìn)行污染物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)危害的早期診斷與預(yù)防，為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與安全評(píng)價(jià)、污染清潔標(biāo)準(zhǔn)的確定提供科學(xué)依據(jù)研究土壤中有毒污染物的生態(tài)化學(xué)行為，包括污染物在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的分布、遷移、轉(zhuǎn)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(tài)毒理診斷指標(biāo)體系，包括延續(xù)使用水生毒性實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤淋溶過程可能產(chǎn)生的毒性的診斷，陸生生物實(shí)驗(yàn)（高等植物毒性試驗(yàn)、蚯蚓毒性試驗(yàn)、微生物毒性試驗(yàn)、直至整體動(dòng)物試驗(yàn)等），遺傳毒性試驗(yàn)（如微核試驗(yàn)等）及生物標(biāo)記物診斷試驗(yàn)生態(tài)毒理檢測(cè)與檢測(cè)技術(shù) 污染物含量水平的提高或降低可以很容易被檢測(cè)出，但是，若要成功建立污染物在生物組織內(nèi)的濃度與其產(chǎn)生

30、的生理、生態(tài)后果的因果關(guān)系，就要困難的多生理檢測(cè)與檢測(cè)技術(shù) 污染物是否產(chǎn)生生態(tài)毒性效應(yīng)，不一定非要以殺死機(jī)體的方法來(lái)證明，還可以通過其他的方法和手段表明。如導(dǎo)致生物生長(zhǎng)的緩慢、代謝過程障礙、產(chǎn)生行為改變等。3.2 生態(tài)毒理學(xué)診斷原理生理測(cè)定與生態(tài)毒理評(píng)價(jià)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的短期試驗(yàn)結(jié)果表明，引起顯著生理反應(yīng)的污染物濃度通常比自然狀態(tài)下污染點(diǎn)中所測(cè)出的濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。從而無(wú)法得出污染物對(duì)生物體作用的長(zhǎng)期生態(tài)意義。一般，生理實(shí)驗(yàn)所用的動(dòng)物都是成熟的成年動(dòng)物，因此，有關(guān)污染物對(duì)動(dòng)物幼年早期脆弱階段的影響狀況報(bào)道相對(duì)較少。3.3 土壤生態(tài)毒理診斷的重要性土壤污染生態(tài)毒理診斷集合了土壤中不同食物鏈生

31、物對(duì)化學(xué)品的整體毒性效應(yīng)，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(biāo)，對(duì)土壤污染診斷具有重要補(bǔ)充作用3.4 以化學(xué)方法診斷土壤污染具有局限性難以對(duì)土壤中各種物質(zhì)進(jìn)行全面測(cè)定，不可能鑒定土壤中所有物質(zhì)的潛在毒性效應(yīng)，也不可能測(cè)出污染物的復(fù)合污染效應(yīng)難以區(qū)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?jiān)谢蜴I合到某些物質(zhì)中)的污染物質(zhì)，因此，污染物的有效毒性往往被低估無(wú)法以量化方式對(duì)產(chǎn)物的毒性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，因?yàn)橛行┪镔|(zhì)量的大小與其毒性大小之間不成正比。無(wú)法對(duì)污染物的代謝毒性進(jìn)行追蹤，檢測(cè)上也存在困難。 生態(tài)毒理學(xué)診斷原理主要是依據(jù)生物在毒物作用下的不良生

32、理、生化反應(yīng)，所進(jìn)行的生物學(xué)系列試驗(yàn)。 生物對(duì)毒物毒性響應(yīng)的大小，依據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)某一污染物的劑量-效應(yīng)關(guān)系決定效應(yīng)與反應(yīng)：效應(yīng)(Effect)表示接觸一定劑量化學(xué)物質(zhì)引起機(jī)體個(gè)體發(fā)生的生物學(xué)變化。反應(yīng)(Response)是接觸一定劑量化學(xué)物質(zhì)后,表現(xiàn)一定程度某種效應(yīng)的個(gè)體在一個(gè)群體中所占的比例劑量-效應(yīng)關(guān)系(Dose-effect Relationship)和劑量-反應(yīng)關(guān)系(Dose-response Relationship):分別表示不同劑量在個(gè)體或群體中表現(xiàn)出來(lái)的量效應(yīng)大小之間的關(guān)系,以及不同劑量與質(zhì)效應(yīng)發(fā)生率之間的關(guān)系。劑量反應(yīng)關(guān)系是評(píng)價(jià)化學(xué)物質(zhì)的毒性和確定安全接觸水平的基本依據(jù)劑量

33、-效應(yīng)劑量的確定引起生物某種程度毒害所需的劑量統(tǒng)稱為毒害劑量劑量是決定毒物對(duì)機(jī)體造成損害的最主要因素對(duì)于同一種毒物，不同劑量對(duì)機(jī)體造成的損害程度不同效應(yīng) 效應(yīng)（effect）：即生物學(xué)效應(yīng)，指機(jī)體在接觸一定劑量的化學(xué)物后引起的生物學(xué)改變。生物學(xué)效應(yīng)一般具有強(qiáng)度性質(zhì)，為量化效應(yīng)（graded effect）或稱計(jì)量資料。效應(yīng)用于敘述在群體中發(fā)生改變的強(qiáng)度時(shí)，往往用測(cè)定值的均數(shù)來(lái)表示。說 明 土壤被污染后，污染物在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化及降解過程經(jīng)歷了一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)變化。在這些變化中，其中一部分污染物被降解，從系統(tǒng)中去除，但也有一部分污染物降解不完全，導(dǎo)致一些中間產(chǎn)物生成，此外，在降解過程中

34、某些物質(zhì)的形態(tài)和性質(zhì)也可能發(fā)生變化， 單純依靠對(duì)目標(biāo)污染物的定性和定量分析不能對(duì)土壤是否清潔作出準(zhǔn)確判斷。研究發(fā)現(xiàn)，清潔修復(fù)后的某些有機(jī)污染土壤其毒性反而更強(qiáng)因此土壤清潔過程需要生態(tài)毒理診斷方法對(duì)系統(tǒng)的生態(tài)安全性做出判斷 許多發(fā)達(dá)國(guó)家在土壤清潔技術(shù)項(xiàng)目中，明確將土壤生態(tài)毒理診斷作為重要研究?jī)?nèi)容。四 污染生態(tài)毒理診斷方法4.1 土壤生態(tài)毒理診斷方法的基本考慮及準(zhǔn)則土壤生態(tài)毒理診斷方法的建立應(yīng)考慮以下條件陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物條件；敏感生物物種及成長(zhǎng)階段；土壤理化條件；生物種間的食物鏈關(guān)系；生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程4.2 方法所考慮的健康土壤特點(diǎn)可提供植物健康生長(zhǎng)；土壤本體及土壤淋溶液具有正常的棲息功能(動(dòng)

35、物、微生物)；土壤具有吸收、凈化污染物的功能；對(duì)污染物在土壤中積累及產(chǎn)生的影響具有反饋功能 4.3 高等植物毒理試驗(yàn)與特殊毒性試驗(yàn)法 高等植物是生態(tài)系統(tǒng)中的基本組成部分利用其生長(zhǎng)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(zhǎng)正常：作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量不受影響輕度危害：作物生長(zhǎng)期出現(xiàn)輕微受害跡象，植物的生物量及產(chǎn)量下降嚴(yán)重危害：作物生長(zhǎng)期出現(xiàn)明顯受害跡象，植物的生物量及產(chǎn)量下降10%以上致死效應(yīng)：作物苗期出現(xiàn)顯著受害癥狀，作物生物量明顯下降，甚至死亡。4.3.2 生長(zhǎng)量法4.3.3 高等植物毒性診斷試驗(yàn)方法 種子發(fā)芽、根伸長(zhǎng)抑制等，從污染物的劑量-反應(yīng)關(guān)系，混合污染毒性與土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

36、濃度水平，土壤pH值、土壤水傳輸容量等關(guān)系方面，為土壤污染診斷研究提供了依據(jù)藻類毒性試驗(yàn)法藻類作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定起著重要的作用。單細(xì)胞藻類個(gè)體小，世代時(shí)間以小時(shí)計(jì)，是一種理想的實(shí)驗(yàn)材料。主要用于水生生態(tài)系統(tǒng)。目前，也有用于土壤，如土壤淋洗液。蠶豆根尖微核技術(shù) 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(xì)胞分裂過程中，無(wú)法移向兩極而隨機(jī)分配到子細(xì)胞中，不參與形成子核而凝縮成獨(dú)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(xì)胞紡錘體功能紊亂和結(jié)構(gòu)傷害，由此產(chǎn)生滯留染色體，在有絲分裂后期不能結(jié)合進(jìn)子核而形成微核。一

37、般認(rèn)為，染色體畸變是微核產(chǎn)生的主要途徑，而染色體畸變是有毒物質(zhì)在細(xì)胞分裂期間影響DNA及染色體的合成與復(fù)制所造成的。蠶豆根尖細(xì)胞微核技術(shù)有廣泛的應(yīng)用，危險(xiǎn)化學(xué)品毒性檢測(cè)、水污染監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)等，也逐漸用于土壤污染檢測(cè)3.3.6 紫露草微核技術(shù)4.4 敏感動(dòng)物指示法4.4.1 陸生無(wú)脊椎動(dòng)物試驗(yàn) 以陸生無(wú)脊椎動(dòng)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)土壤狀況，是將對(duì)土壤污染有敏感指示作用的物種暴露于土壤中進(jìn)行污染診斷目前常用的有環(huán)節(jié)動(dòng)物(Enchytraeus crypicus)和彈尾類動(dòng)物(Folsomia candida)因?yàn)檫@兩個(gè)物種的世代期都是14天試驗(yàn)毒性終點(diǎn)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(huán)芳烴類、TNT及重金屬污染土壤)進(jìn)行上述兩類實(shí)驗(yàn)4.4.2 蚯蚓毒性試驗(yàn) 蚯蚓是生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分蚯蚓急性毒性試驗(yàn)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(yàn)方法分別被列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(IS0)的方法草案中，作為土壤污染毒理診斷的一項(xiàng)重要指標(biāo)4.4.3 土壤原生動(dòng)物毒性試驗(yàn)原生動(dòng)物棲息在土壤顆粒上的水膜中，是與細(xì)菌連接的重要鏈條原生動(dòng)物有三個(gè)基本特征：(1)個(gè)體小，為單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，沒有保護(hù)性細(xì)胞壁；(2)具有與高等動(dòng)物相同的復(fù)

39、雜生理特征和真核生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)；(3)世代時(shí)間僅幾小時(shí)多代監(jiān)測(cè)可以記錄污染物的短期但性毒性效應(yīng)纖毛蟲是土壤原生動(dòng)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(yàn)土壤污染可對(duì)土壤微生物產(chǎn)生不同影響，如抑制反硝化細(xì)菌的活動(dòng)，減少土壤氮素的損失，影響土壤微生物的正常活動(dòng)，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(qiáng)度測(cè)定，土壤氨化作用和硝化作用，土壤中各種單一酶活性測(cè)定等4.5.2 細(xì)菌診斷：發(fā)光菌試驗(yàn) 明亮發(fā)光細(xì)菌(Photobacterium phosphoreum)在正常生活狀態(tài)下，體內(nèi)熒光素在有氧參與時(shí)，經(jīng)熒光酶的作用會(huì)

40、釋放出肉眼可見的藍(lán)綠色熒光當(dāng)受到外界影響時(shí)發(fā)光過程受到干擾，引起發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度減弱與污染物濃度或毒性作用強(qiáng)度呈劑量-反應(yīng)線性相關(guān)關(guān)系該方法可作為評(píng)價(jià)污染物毒性的指標(biāo)成套方法一般稱為microtox檢驗(yàn)。發(fā)光菌試驗(yàn)可對(duì)土壤淋溶液毒性進(jìn)行診斷。4.5.3 轉(zhuǎn)基因工程微生物試驗(yàn) 將轉(zhuǎn)基因工程微生物作為一種新型生物指示物，檢測(cè)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(dá)自然土壤細(xì)菌群落中不存在的細(xì)菌和容易檢測(cè)到的信息(如生物發(fā)光)，檢測(cè)致突變物質(zhì)的暴露效應(yīng)4.6 生物標(biāo)志物生物標(biāo)志物概念生物標(biāo)志物(Biomarker)是通過測(cè)定生物體液、細(xì)胞和組織的各種反應(yīng)，用生物化學(xué)、免疫學(xué)、遺傳學(xué)等

41、方法來(lái)指示污染物的存在與否及生物個(gè)體的反應(yīng)。它能夠直接以生物體內(nèi)靶細(xì)胞或靶分子為反應(yīng)終點(diǎn)，十分敏感。檢測(cè)結(jié)果能夠說明生物個(gè)體內(nèi)的細(xì)胞和組織是否已經(jīng)暴露于超量的污染物中，環(huán)境污染物是否已對(duì)生物靶誘發(fā)了毒性效應(yīng)，以及毒性效應(yīng)是否會(huì)對(duì)種群、群落、或生態(tài)系統(tǒng)引起連鎖效應(yīng)。選擇生物標(biāo)志物原則具有一定的敏感性，生物標(biāo)志物的敏感性應(yīng)高于一般生物檢測(cè)指標(biāo)； 反應(yīng)要有一定的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)要快速； 在分子和生化水平上的效應(yīng)(效應(yīng)生物標(biāo)志物)與高級(jí)生物學(xué)水平上的效應(yīng)(如生長(zhǎng)、繁殖)聯(lián)系在一起； 具有一定野外應(yīng)用價(jià)值； 要求選取對(duì)受試生物損害較小的指標(biāo)，技術(shù)易于掌握。生物標(biāo)志物的類型 生物標(biāo)志物基本上可以分為生化、免

42、疫、遺傳等3個(gè)方面 生化系統(tǒng)：一些生化反應(yīng)與污染物的作用機(jī)制極為相似，這些效應(yīng)在很短的時(shí)間內(nèi)就可發(fā)生，對(duì)于污染物的反應(yīng)十分敏感：主要的兩種生物標(biāo)志物類型是生物酶和特異蛋白質(zhì)。免疫系統(tǒng)：如巨噬細(xì)胞、紅細(xì)胞和白細(xì)胞。以免疫系統(tǒng)的抵抗力為毒性反應(yīng)終點(diǎn)，對(duì)化學(xué)品暴露、生理狀態(tài)和疾病情況等，提供綜合性標(biāo)志物。遺傳系統(tǒng)：如DNA和癌基因等作為生物標(biāo)志物有不少應(yīng)用實(shí)例。生物標(biāo)志物的分類 一般根據(jù)個(gè)體從暴露到疾病發(fā)生過程的進(jìn)行把生物標(biāo)志物分為暴露標(biāo)志物、效應(yīng)標(biāo)志物和易感性標(biāo)志物。暴露標(biāo)志物(Biomarker of Exposure ): 也稱接觸生物標(biāo)志物，指機(jī)體生物材料中外源性物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物(內(nèi)劑量)，

43、或外源性物質(zhì)與某些靶分子之間相互作用的產(chǎn)物(生物有效劑量)。內(nèi)劑量生物標(biāo)志物包括細(xì)胞、組織或體液(如血、尿、糞便、乳汁、汗液、毛發(fā)、指甲、唾液)中的毒物及其代謝產(chǎn)物；有效劑量(到達(dá)劑量或靶劑量)生物標(biāo)志物如DNA加合物、蛋白質(zhì)加合物、DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物等等。效應(yīng)生物標(biāo)志物(Biomarker of Effect) 指機(jī)體內(nèi)能反映生化、生理或其他方面改變的物質(zhì)。 依照改變程度的不同，效應(yīng)生物標(biāo)志物又可分為反映早期生物學(xué)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)和(或)功能改變、毒性或疾病3類標(biāo)志物。機(jī)體內(nèi)能反映早期生化、生理或其他方面改變的物質(zhì)稱為早期生物學(xué)效應(yīng)生物標(biāo)志物。如DNA鏈斷裂、癌基因活化、抑癌基因失活等；當(dāng)外源性

44、物質(zhì)引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)或功能改變時(shí)，機(jī)體內(nèi)能反映生化、生理或其他方面改變的物質(zhì)叫做細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能改變的生物標(biāo)志物。如腫瘤生長(zhǎng)因子、癌胚抗原等；能反映外源性物質(zhì)機(jī)體毒性的物質(zhì)。如染色體畸變、姐妹染色單體交換等，稱作毒性生物標(biāo)志物。土壤被污染后，污染物在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化及降解過程經(jīng)歷了一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)變化。DNA 成分多態(tài)性圖譜分析暴露評(píng)價(jià)的步驟：表征暴露的土壤環(huán)境；(2)具有與高等動(dòng)物相同的復(fù)雜生理特征和真核生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)；五、分子生物學(xué)技術(shù)在污染土壤生態(tài)毒理學(xué)中的應(yīng)用其中最突出的就是乙酰膽堿脂酶(AChE)。在植物體內(nèi)，GSH還可形成(Y-谷氨酰-L-半胱氨酰)n-甘氨酸，n2-7)結(jié)構(gòu)，其

45、合成可被銅、鋅、鉛、銅等金屬促進(jìn)，是植物重金屬抗性的重要標(biāo)志物。第一章土壤污染發(fā)生的機(jī)理、診斷及其方法 （4課時(shí)）SF :safety factors研究區(qū)界定和信息收集種子發(fā)芽、根伸長(zhǎng)抑制等，從污染物的劑量-反應(yīng)關(guān)系，混合污染毒性與土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度水平，土壤pH值、土壤水傳輸容量等關(guān)系方面，為土壤污染診斷研究提供了依據(jù)3 土壤生態(tài)毒理診斷的重要性因此，在重金屬離子進(jìn)入生物體后產(chǎn)生氧化脅迫后，除抗氧化酶類被誘導(dǎo)表達(dá)外，GSH含量也會(huì)發(fā)生變化。易感性生物標(biāo)志物(Susceptibility Biomarkers) 指反映機(jī)體先天或后天獲得的對(duì)接觸外源性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)能力的指標(biāo)，與個(gè)體免疫功能差異和

46、靶器官有關(guān)。幾類主要污染物的生物標(biāo)志物重金屬的生物標(biāo)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(zhì)，具有調(diào)節(jié)內(nèi)源性金屬平衡、對(duì)重金屬污染物解毒、清除自由基和參與某些應(yīng)激反應(yīng)的作用，對(duì)于重金屬脅迫具有特異性，其作為重金屬暴露的生物標(biāo)志物已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 魚體內(nèi)的MTs與水環(huán)境和體組織中重金屬之間有顯著的相關(guān)性。 無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)的MTs與魚體內(nèi)的不同，但在對(duì)重金屬Cd、Cu、Hg、Zn等的暴露中也都可以明顯的檢測(cè)到MTs的變化。HamzaChaffai對(duì)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(guān)性，并且在考慮所有金屬的

47、多元回歸中發(fā)現(xiàn)Cd和Zn與MT的相關(guān)很顯著，尤其是Cd。 對(duì)于高等動(dòng)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(biāo)志物又可以作為其效應(yīng)標(biāo)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(yīng)等體內(nèi)正常生理代謝，導(dǎo)致活性氧自由基增加，從而誘導(dǎo)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(biāo)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(zhuǎn)移酶與脂類過氧化物結(jié)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(zhuǎn)移酶作用下與毒物結(jié)合，降低毒物的毒性。因此，在重金屬離子進(jìn)入生物體后產(chǎn)生氧化脅迫后，除抗氧化酶類被誘導(dǎo)表達(dá)外，GSH含量也會(huì)發(fā)生變化。在植物體內(nèi)，GSH還可形成(Y-谷氨酰-L-半胱氨酰)n-甘氨酸，n2-7)結(jié)構(gòu)，其合成可被銅、鋅、鉛、銅等金屬促進(jìn)，是植物重金屬抗性的重要標(biāo)志物。4、外周血清轉(zhuǎn)氨酶： 重金屬元素沉積于動(dòng)物肝臟會(huì)損傷肝臟細(xì)胞，使肝臟中轉(zhuǎn)氨酶釋放進(jìn)入血液，從而外周血清轉(zhuǎn)氨酶活性升高。外周血清轉(zhuǎn)氨酶是肝臟細(xì)胞損傷的重要標(biāo)志，是一種非特異性生物標(biāo)志物，除重金屬外，有機(jī)污染物也會(huì)引起其活性的升高。5、免疫標(biāo)志物： 對(duì)免疫功能的抑制可以作為重金

49、屬暴露的效應(yīng)生物標(biāo)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(dòng)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(guān)性。但重金屬也具有免疫刺激作用，從而產(chǎn)生自體免疫響應(yīng)或自體免疫疾病，如Cd和Hg的慢性暴露可以引起免疫介導(dǎo)的腎小球性腎炎。 有機(jī)磷農(nóng)藥的生物標(biāo)志物 1、膽堿脂酶(ChE) 膽堿脂酶是神經(jīng)毒性物質(zhì)如有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥的敏感指標(biāo)。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(jī)磷農(nóng)藥極性接觸的效應(yīng)生物標(biāo)志物。2、對(duì)氧磷酶 對(duì)氧磷酶不僅能水解對(duì)氧磷，還可水解其它有機(jī)磷酸脂、許多芳香族羧酸酯和氨基甲酸脂

50、等，是有機(jī)磷農(nóng)藥生物檢測(cè)的易感性生物標(biāo)志物。3、烷基磷酸脂： 大多數(shù)有機(jī)磷農(nóng)藥可在體內(nèi)代謝成為一種及以上的二烷基磷酸酯。這些產(chǎn)物通?？稍诮佑|后24-48h內(nèi)在尿中出現(xiàn)，可作為有機(jī)磷農(nóng)藥的生物檢測(cè)的暴露標(biāo)志物。烷基磷酸酯近期和低水平接觸較敏感，但分析復(fù)雜。 多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等的生物標(biāo)志物 1、混合功能氧化酶(MFO）：混合功能氧化酶的活性誘導(dǎo)劑主要有三類：藥物誘導(dǎo)劑苯巴比妥型；致癌物誘導(dǎo)劑-甲基膽蒽型(主要包括苯并芘等多種PAH)；甾族誘導(dǎo)劑。 2、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GSTs)：GSTs存在于所有的動(dòng)物體中，肝臟是脊椎動(dòng)物體內(nèi)GSTs的主要存在場(chǎng)所。PAHs、PCBs均可

51、誘導(dǎo)GSTs的表達(dá)。哺乳動(dòng)物以及不同水生動(dòng)物經(jīng)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(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，還同時(shí)產(chǎn)生氧化還原循環(huán)，生成大量活性氧，誘導(dǎo)抗氧化防御系統(tǒng)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(hù)性效應(yīng)生物標(biāo)志物。4、DNA加合物： PAHs、芳基胺等經(jīng)代謝而產(chǎn)生親電活性產(chǎn)物，與DNA鏈特異位點(diǎn)形成共價(jià)加合物。DNA加合物的產(chǎn)生常導(dǎo)致突變的出現(xiàn)和腫瘤的形成，是化學(xué)癌變的初始階段。DNA加合物指示了環(huán)境中污染物對(duì)遺傳物質(zhì)的影響，對(duì)于從本質(zhì)上評(píng)價(jià)生物在環(huán)境脅迫下的健康以及種

52、群的生態(tài)變化具有積極意義。在PAHs的暴露中DNA加合物作為其標(biāo)志物已經(jīng)得到很好的建立。 實(shí)例：動(dòng)物生物標(biāo)志物在土壤污染生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用 應(yīng)用生物標(biāo)志物研究的土壤無(wú)脊椎動(dòng)物包括蚯蚓、線蟲、等足類動(dòng)物、腹足動(dòng)物、彈尾目昆蟲等主要生物標(biāo)志物包括溶酶體、脅迫蛋白和金屬硫蛋白等不同的生物標(biāo)志物常對(duì)應(yīng)于不同供試動(dòng)物溶酶體：溶酶體生物標(biāo)志物的供試動(dòng)物主要是蚯蚓，蚯蚓種類多達(dá)3000種以上，在土壤中分布廣泛，是理想的供試動(dòng)物蚯蚓體腔細(xì)胞內(nèi)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(fā)生變化，并失去穩(wěn)定性，染料就逐步泄露到周圍的細(xì)胞質(zhì)中根據(jù)中性紅的保持時(shí)間NRR(Neutr

53、al Red Retention)可反映土壤污染對(duì)蚯蚓的毒害效應(yīng)在土壤無(wú)機(jī)污染診斷方面，Reinecke等利用微宇宙實(shí)驗(yàn)裝置添加Pb、Zn和Cd，對(duì)蚯蚓溶酶體的NRR進(jìn)行測(cè)定，研究時(shí)間歷時(shí)3年結(jié)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(jī)污染物和農(nóng)藥方面，Booth等研究了有機(jī)磷殺蟲劑對(duì)蚯蚓的毒害作用在實(shí)驗(yàn)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(nóng)藥在濃度為125-2000 mgkg-1時(shí)，3周時(shí)間內(nèi)NRR的降低呈現(xiàn)明顯的劑量-反映關(guān)系溶酶體生物標(biāo)志物在土壤污染診斷方面具有如下特點(diǎn)供試生物為蚯蚓，具有來(lái)源廣

54、泛、易于管理的優(yōu)點(diǎn)，在污染生態(tài)和毒理監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛；NRR指標(biāo)可廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)無(wú)機(jī)污染診斷該指標(biāo)時(shí)間檢測(cè)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(yīng)關(guān)系，在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和土壤監(jiān)測(cè)中具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；同其它指標(biāo)相比，NRR指標(biāo)對(duì)污染物敏感因而可作為早期預(yù)警生物標(biāo)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(fā)現(xiàn)于果蠅，由于升高溫度的刺激而產(chǎn)生，隨后發(fā)現(xiàn)，這類蛋白亦可由化學(xué)物質(zhì)以及組織傷害，病菌感染等諸多因素誘發(fā)盡管它不具有特異性，但是作為生物標(biāo)志物仍受到重視其中較為廣泛利用的生物標(biāo)志物是Hsp70(66-78

55、kDa)和Hsp60(58-60 kDa)污染物誘發(fā)的熱激蛋白，在各類土壤無(wú)脊椎動(dòng)物中的表現(xiàn)各異，但以線蟲作為供試動(dòng)物較為普遍，土壤中線蟲區(qū)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(biāo)志物具有良好條件Kammenga等研究線蟲體內(nèi)誘發(fā)的HsP60與土壤重金屬污染的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)對(duì)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(nèi)Hbp60含量亦相應(yīng)增加金屬硫蛋白Berge等發(fā)現(xiàn)，在短時(shí)間飼養(yǎng)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(dòng)物的研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，Cd的暴露使得蚯蚓體內(nèi)金屬硫蛋白含量大幅度增加，

56、從而結(jié)合了高達(dá)65進(jìn)入體內(nèi)組織的Cd、金屬硫蛋白以不同的同分異構(gòu)體形式存在，不同的同分異構(gòu)體可以反映不同重金屬的脅迫生物標(biāo)志物技術(shù)的優(yōu)越性可反映污染物暴露的時(shí)空變化和歷史情況；可聯(lián)系微觀和宏觀效應(yīng)；直接聯(lián)系污染物濃度與效應(yīng)； 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(yīng)對(duì)生物個(gè)體或生態(tài)上的意義； 可對(duì)長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)。生物標(biāo)志物的檢測(cè)還是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有效工具風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)包括生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的很多過程都與生物標(biāo)志物有關(guān)，尤其是化學(xué)物質(zhì)的危害評(píng)價(jià)。危害評(píng)價(jià)是生物毒性評(píng)價(jià)概念的拓展，它要研究污染物的作用與受體響應(yīng)之間的關(guān)系。生物標(biāo)志物在

57、一般情況下均可以提供化學(xué)物質(zhì)對(duì)靶位置的生物有效劑量，并給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。在環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，這些結(jié)果往往要比毒性活體實(shí)驗(yàn)中得到的分子劑量結(jié)果外推到人體的分子劑量要精確得多。對(duì)于新的化學(xué)物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，由于缺乏各種資料，生物標(biāo)志物檢測(cè)的應(yīng)用則顯得尤為重要。研究舉例1：鉛的生物標(biāo)志物是否與尿酸有關(guān)（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(fā)現(xiàn)，尿酸和鉛的濃度在比以往所知濃度更低時(shí)就可能有腎毒性。 Weaver分析了當(dāng)前和以往接觸鉛的工人的資料，以確定鉛的生物標(biāo)志物是否與尿酸有關(guān)，以及在調(diào)整尿酸后，鉛的劑量和腎臟功能的相關(guān)性是否發(fā)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(guān)的腎毒性機(jī)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(duì)cytochromes P450 (CYP)和 CYP1A1作為土壤中的PAH的生物標(biāo)志物進(jìn)行了研究生物標(biāo)志物的研究方向展望生物標(biāo)志物的應(yīng)用：目前人們研究的重點(diǎn)集中在發(fā)展生物標(biāo)志物，而不是生物標(biāo)志物的應(yīng)用，并且對(duì)生物標(biāo)志物的理解缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使很多標(biāo)志物都只能停留在發(fā)展階段而很難應(yīng)用于實(shí)際問題的解決。復(fù)合污染狀況下的生物標(biāo)志物響應(yīng)的研究：在實(shí)際環(huán)境中生物有機(jī)體主要暴露于復(fù)合污染物而非單個(gè)化學(xué)物質(zhì)，通過研究復(fù)合污染暴露體系下生物標(biāo)志物響應(yīng)，并綜合考慮生物有機(jī)體個(gè)體大小、生長(zhǎng)發(fā)育和性別等對(duì)標(biāo)

60、志物響應(yīng)的影響，將會(huì)大大提高標(biāo)志物在指示實(shí)際環(huán)境中暴露和效應(yīng)的準(zhǔn)確性和靈敏度，使標(biāo)志物檢測(cè)能更準(zhǔn)確地反映實(shí)際環(huán)境狀況。多指標(biāo)檢測(cè)體系的應(yīng)用和發(fā)展： 生物標(biāo)志物的生態(tài)相關(guān)性的闡述：對(duì)生物標(biāo)志物的測(cè)定結(jié)果與特定環(huán)境致變之間的關(guān)系進(jìn)行研究，找出生物標(biāo)志物的效應(yīng)與相關(guān)種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)水平效應(yīng)的直接聯(lián)系，是生物標(biāo)志物研究的重要任務(wù)之一標(biāo)志物測(cè)定的規(guī)范化：首先，要對(duì)標(biāo)志物的理解具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；其二，要開發(fā)出規(guī)范統(tǒng)一的測(cè)定方法，使來(lái)自不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)具有可比性；最后，開發(fā)出方便檢驗(yàn)的試劑盒，降低標(biāo)志物檢測(cè)的費(fèi)用，使之得以推廣應(yīng)用4.7 其他診斷方法4.7.1 土壤酶學(xué)診斷法 許多外來(lái)污染物都是代謝酶的抑