对重金属污染土壤进行生态毒理评价_图文

1、第6卷第7期2O05年7月环境污染治理技术与设备Techniques and Equipment for Environmental PoIIution ControlJuI.2005用水生生物对重金属污染土壤进行生态毒理评价李彬12李培军2王晶2张海荣2(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016摘要应用斜生栅藻(scenedesmus06细uus和明亮发光杆菌T3(Po幻60c御ium础。印horeum急性毒性实验方法对重金属污染土壤的进行生态毒理评价,结果表明,斜生栅藻的生长繁殖率和发光菌的相对发光度与土壤中的重金属含量明显相

2、关,并且随重金属投加量的增加,其生长繁殖率和发光度逐渐降低。对3种测试参数进行比较可知,斜生栅藻细胞数增长率是最敏感的土壤毒性检测指标。土壤的毒性在复合污染的条件下比在单一污染的条件下高很多。本研究的结果可以为污染土壤的优先修复提供理论依据。关键词藻明亮发光杆菌T3土壤毒性中图分类号x502文献标识码A文章编号10089241(200507_0084-05:Ecotoxicol02ical assessment of soiI contaminatedwith heaVy metals using aquatic organismsLi Binl'2Li Peijun2Wang Jin

3、92Zhang Hairon92(1.School of MetaUurgical and Ecological E“gineeri“g,University of Science and Technology Be巧ing,Be玎ing l000832.Institute of Applied Ecology,chinese Academy of sciences,she“yang l10016Abstract Acute toxic0109ical expeTiment was perfomed on soil contaminated with heaVy metals using Js

4、ce,地口协一m船06Z幻uw and f唬o06eriMm po印危oreum for ecotoXicological assessment.The results indicate that the gmwth mte of Sce船dm淞06f幻u珊and luminescence rate of Po06nc把一Mm po印oreMm were positiVely related to the concentm-tions of heavy metals spiked to soil,they decreased with the increasing concentration

5、of heavy metals.The three parameters were compared in this study,the results show cell gro卅h rate of鼢础m泌06Z幻“w was the most sensitiveindex to the soil toxicity.Soil toxicity under combined poUution condition was much higher than that under single p01一lution condition.The results of this study can pr

6、ovide theoretical basis for the remediation of contaminated soiIs.Key words algae;尸o060ceriMm po印oreum;soil;toxicity重金属作为土壤污染的一种主要的污染物,对环境和人类的健康造成严重的危害。只有实现污染土壤的快速诊断,才能更加有效地实现土壤的保护,为污染土壤的预防、治理提供依据,这就要求除了利用理化方法来跟踪监测环境变化外,还需要通过生物法来监测各种污染物的综合毒性和评价它们对生态系统的潜在危害。最初明亮发光杆菌,13和斜生栅藻主要用于水体污染物的毒性检测,以后逐步发展形成了一系列

7、标准的水生生态毒理学实验方法¨。,但将此法用于土壤污染物毒性检测,目前尚无标准的实验方法。因此,将其用于土壤污染毒性诊断,确定土壤毒性的剂量一效应关系,实现土壤毒性的快速诊断,从而为清洁土壤标准的建立提供依据,仍然是人们面临的艰巨任务。本文在实验室条件下,采用人工定量投毒的方法,应用明亮发光杆菌T3和斜生栅藻探讨了单一和复合污染条件下土壤毒性变化,从而为实现土壤毒性的生物诊断提供了理论依据。1材料与方法1.1供试土壤及其人工污染供试土壤采自中国科学院沈阳应用生态研究所十里河生态站表层土壤(020cm,土壤类型为草基金项目:国家自然科学基金资助项目(20277040;中国科学院知识创新

8、项目(Kzcx2一sw416;国家“973”重点研究发展规划项目(G1999011808收稿日期:2004一0218;修订日期:20040527作者简介:李彬(1974,女,硕上,讲师,主要从事污染环境修复和诊断的研究工作。Email:ljbjnmetall.uslb,edu.c”第7期李彬等:用水生生物对重金属污染土壤进行生态毒理评价85甸棕壤。将土壤过20目筛,然后风干,土壤的pH 值为6.22。土壤中重金属背景含量为cd0.122 mg/kg、Cu19.1mg/kg、Pb49.9mg/kg、Zn25.7mg/ kg。用CdCl25H20、CuS04。5H20、Pb(N03、znsO。7H

9、,O分析纯试剂配制标准重金属水溶液。按照一定剂量分别向土壤中投入重金属标准液,投加量分别以纯Cd、Cu、Pb和zn mg/kg干土计算,制成单一重金属污染土壤,每种重金属68个处理浓度,每个处理3个重复。按照正交实验条件同时向土壤中加入4种重金属标准液,制成重金属复合污染土壤,共计9个处理,每个处理3个重复。1.2供试生物及对污染土壤的生态毒理评价明亮发光杆菌T3(Po060cferi“m pospore一“m,购自中国科学院南京土壤所,将明亮发光杆菌T3引入培养基培养,以备测定土壤重金属对明亮发光杆菌T3发光度增长率的影响。采用的培养基为:酵母浸出汁0.5g,胰蛋白胨0.5g,Nacl3g,

10、 Na2HP040.5g,KH2P040.1g,甘油O.3g,蒸馏水loo mL配制而成,pH6.8,120磅灭菌30min。斜生栅藻(Jscenedesm“s o掘q“s购自中国科学院武汉水生生物研究所藻种库,采用水生4号培养基"。,254000Lux对斜生栅藻进行培养,以备测定土壤重金属对斜生栅藻光密度增长率和细胞数增长率的影响。将人工污染的土壤及原清洁土壤放在20恒温条件下保存3d,然后称取40g人工污染的土壤及原清洁土壤放人烧杯中,向烧杯中加入100mL O.1mol/L NHcl,浸提2h,然后过滤浸提液,取滤液20mL,调节pH值为6.6,过滤定容到20mL,向定容后浸提

11、液中加入0.6g NaCl。将土壤浸提液转人生物毒性测定仪测定土壤浸提液对明亮发光杆菌T3发光度的影响,本研究中采用南京土壤研究所研制的GxY.2型生物毒性测定仪测定土壤浸提液对明亮发光杆菌T3作用15min 后发光度。以原清洁土壤的浸提液作为对照,计算出各处理的明亮发光杆菌T3的相对发光度。对于斜生栅藻进行同步培养,采用连续接种的方法H。,使所有的细胞个体处于良好的条件下。在光照期迅速发育,而后借光暗迭替,促使其迅速完成细胞分裂,获得子细胞(即幼期暗细胞,实现同步培养。将斜生栅藻同步培养液按照处理数进行等分后,分别和各处理的土壤浸提液混合,继续培养。以原清洁土壤的浸提液作为对照,计算出各处理

12、的斜生栅藻的相对光密度增长率和相对细胞数增长率。光密度测定采用惠普7550分光光度计,650nm处进行测定。细胞数测定采用血球记数板法测定,依下式换算:细胞数=5n×104(n为5个中格内细胞数。2结果与分析2.1斜生栅藻的同步培养20世纪60年代末,日、美、欧各国学者进行了很多有关藻类同步培养的研究¨,推动了藻类生理、生化的迅速发展。所谓同步培养,即使用某些方法使藻类培养物中的大量细胞个体,从其生活周期中的某一相同阶段出发,步调一致的依次经过和完成各个生长发育阶段,再重新回到原来的阶段。根据生态毒理实验的要求,进行毒性实验的生物应大小、年龄一致,这样才能使结果更具有代表性

13、和可比性,因此对斜生栅藻进行了同步培养,经同步培养后的光密度和细胞数如图1所示。划翻芸040O35SO30呈O25邑o20餐O l5最010O时间(h光密度变化细胞数变化图1斜生栅藻光密度和细胞数的变化Fig.1Change of optical densiy(0Dandcell number of Scenedesm“s06Z幻uHs从图l中看出,在栅藻同步培养的一个生长繁殖周期中,在光照期,细胞数基本稳定,即无形成和释放子细胞的过程,但光密度直线增长,这是细胞生长期的特征。12h后停止光照,细胞数直线上升,而光密度基本稳定,这是细胞分裂后期的特征。光密度和细胞数在光照期和黑暗期的这些特征性

14、变化,说明经同步培养后,斜生栅藻已经达到同步生长状态,为本实验方法的确立提供了良好的前提条件。2.2单一重金属污染条件下的土壤毒性对明亮发光杆菌T3、斜生栅藻的影响图2是3种检测指标下,4种重金属cd、Cu、zn 和Pb污染土壤酸浸液毒性对明亮发光杆菌T3和斜生栅藻的影响。从图中可以看出,重金属的投加量与明亮发光杆菌T3的发光度、斜生栅藻光密度增长86环境污染治理技术与设备第6卷水碍业磐冰懈业磐元素投加量(mg/kg明亮发光杆菌T3发光度增长率。斜生栅藻光密度增长率V斜生栅藻细胞数增长率图2重金属污染土壤浸提液对明亮发光杆菌T3和斜生栅藻影响Fig.2Effects of contaminat

15、ed soil extracts on Scenedesmus062iguus and Pot06nc#erium pospDre¨,n率、细胞数增长率密切相关。对不同检测方法进行比较,结果表明斜生栅藻细胞数增长率作为检测指标最敏感,其次是光密度增长率,这和文献的报道完全一致,而明亮发光杆菌T3相对发光度敏感性最低。从图2还可以看出,不同重金属污染土壤的毒性强度也不同,造成这种现象的原因,一方面在于土壤对重金属吸附能力不同,余国营等"1在对土壤吸附能力的研究中发现土壤对Pb的吸附量最大,cd 的吸附量最少,在同样重金属投加量的条件下,以游离态存在的cd离子要高于Pb离子,这

16、就使cd表现出比Pb更强的毒性。同时土壤本身的理化性质(pH、Eh和CEc等都会影响重金属的毒性。另一方面不同重金属对生物的生理、生化指标及种群数量的影响作用大小不同1。另外,不同的重金属毒害作用的机制是不同的,cd主要结合在藻类的细胞质和细胞的多磷酸体中,导致这些细胞内含物的元素组成发生离子变化¨。,Cu主要是影响藻类的生长和光合作用,改变原生质膜的渗透性¨1,Pb对藻类的影响主要是在细胞的叶绿素形成方面¨,所以当研究重金属污染土壤毒性时,既要考虑土壤对重金属的吸附特性,又要考虑生物对不同重金属的敏感性和毒性作用机制。2.3复合重金属污染条件下的土壤毒性对明亮发

17、光杆菌T3、斜生栅藻的影响 第7期李彬等:用水生生物对重金属污染土壤进行生态毒理评价87表l重金属复合污染条件下L9(34正交实验结果分析Table1Results of orthogonaI array L9(34under combined pouution condition由于本实验采用的正交实验方法,难以具体对各金属问的相互作用进行判断,但可以对复合污染条件下影响毒性的主要因素进行判定,对确定复合污染条件下的警戒值还是有重要意义的。在Cd、cu、Pb和zn复合污染条件下,以斜生栅藻光密度增长率50%为标准,4种重金属的临界值为cd<50 mg/kg、Zn<40mg/kg、

18、Cu<200mg/kg、Pb<1000 mg/kg;以斜生栅藻细胞数增长率50%为标准,4种重金属的临界值为cd50mg/kg、zn40mg/kg、cu 200mg/kg、Pb1000mg/kg;以明亮发光杆菌T3相对发光度50%为标准,4种重金属的临界值为cd 100mg/kg、Zn70mg/kg、Cu500mg/kg、Pb 1000mg/kg。3结论(1首次应用斜生栅藻生长抑制实验对重金属污染土壤的毒性进行诊断,证明此方法是可行的。(2重金属的投加量与斜生栅藻的增长率和明 88环境污染治理技术与设备第6卷亮发光杆菌T3的发光率之间有明显的相关性,随土壤重金属投加量的增加,斜生栅

19、藻的增长率和明亮发光杆菌T3的相对发光率明显降低。(3对3种测试参数进行比较,证明采用斜生栅藻细胞数增长率作为毒性检测指标,其敏感性最高。(4复合污染条件下,由于重金属的协同作用,毒性比单一重金属污染条件下有明显的增加,4种重金属的Ec,。值,以斜生栅藻光密度增长率50%为标准,4种重金属的临界值为cd<50mg/kg、zn<40mg/kg、cu<200mg/kg、Pb<1000mg/kg;以斜生栅藻细胞数增长率50%为标准,4种重金属的临界值为Cd50mg/kg、zn40mg/kg、Cu200mg/kg、Pb 1000mg/kg;以明亮发光杆菌T3相对发光度50%为标准,4种重金属的临界值为Cd100mg/kg、zn 70mg/kg、Cu500mg/kg、Pb1000mg/kg。参考文献学,1983,4(5:3033aqueous model systems and contaminated soils using the bioluminescence test.Ecotoxicology&Environmental Safety,1997, 41(1:1321363GotsisskI.etas0.,ea1.physjological responses of two maRep.Ser.,19