土壤重金属生物有效性评价方法_图文

1、江西农业学报2009,21(4:129132Acta Agricuhurae Jiangxi土壤重金属生物有效性评价方法黄立章1”,金腊华3,万金保1(1.南昌大学教育部鄢阳湖湖泊生态与生物资源利用实验窒,江西南昌330029;2.江西省水利规划没计院,江西南昌330029;3.暨南大学环境工程系,广东广州510632摘要:土壤重金属污染已成为人们广泛关注的全球性的环境问题之一。重金属生物有效性是衡量重金属元素迁移性、生物可利用性和生态影响的关键参数,在污染土壤风险评估、治理和修复中有着重要的作用。综述了国内外土壤重金属生物有效性评价方法(化学提取法、生物学评价法、体外消化法、In Vitro

2、法、同步加速辐射一全反射X射线荧光技术的研究进展,并对今后的研究进行了展望。关键词:重金属;土壤污染;生物有效性;评价方法中图分类号:X825文献标识码:A文章编号:10018581(2009040129一04Methods of Evaluating Bio-validity of Heavy Metals in SoilHUANG Liz慨1,JIN Lahua3,WAN Jinba01(1.Key Laboratory of Poyang Lake Ecology and BioIjeso叫.傥Utilization,Nanchang University,Ministry of Edu

3、cation,Nan-chang330029.China;2.Jiangxi Provincial Water Comervaney Planning and Designing Institute,Nanchang330029,China;3.Depart-ment of Enviromnental Engineering,Jihan University,Guangzhou510632,CIlinaAbstract:Heavy metal pollution in soil is one of global environmental problems.Heavy metal bioval

4、idi哆,as a keyindex for estimating heavy metal mobility,bioutilization,and the effect on the zoology,is significantin risk assessment,control and rehabilita-tion of polluted soil.This paper briefly comments on the recnt rcseal"ch progresses in the methods of evaluating biovalidity of heavy metal

5、s in the soil,including chemical extraction,biological.method,in vitro digestion method,In Vitro method,SRTXRF method (Synchrotron Radiation Total Reflection Xray FIuoreseenee,and西v髓the prospection of the research in the future.Key words:Heavy metal;Soil pollution;Biovalidity;Evaluativemethod重金属污染已成

6、为全球性的环境问题。土壤重金属污染的潜在危害已引起国内外学者的广泛关注。积累在土壤中的重金属可以多种方式直接或间接地影响人类健康,包括土壤中重金属通过植物吸收进入生物链、土壤重金属通过地表径流或向下淋失污染水源而影响入类健康等。土壤重金属总量作为评估土壤污染的重要指标,广泛应用于各国土壤环境质量标准中,但众多研究结果表明,仅以重金属总量并不能准确评估土壤重金属的潜在环境风险和人类健康风险n21。而重金属的生物有效性信息口J】,既是污染土壤风险评估的重要手段峥1,又是人们对受污染土壤进行治理和修复的基础¨1。而如何确定土壤环境中重金属元素的生物有效性是环境科学领域里的个热点和难点问题。

7、虽然近年来人们已做了广泛和深入的研究,但是对于重金属生物有效性的认识仍十分有限,在研究方法及定量化研究方面尚存在诸多不足。本文就土壤重金属生物有效性的评价方法作一概述,旨在为这一领域的研究提供参考。1化学提取法化学提取法是目前使用最广泛的评价重金属对生物有效性的替代方法"1。它的原理是根据不同形态重金属生物有效性的差异,用不同的化学试剂或者其组合将其分离和测试。但是提取的特定形态的含量并不等同于其生物有效性,它和生物有效性的相关性要通过统计分析来衡量。该法的核心是提取剂的选择,不同提取剂的提取机制不同,对于不同的土壤环境其提取效率也有一定的差异。所以,提取剂的选择不但要考虑提取率,更

8、要分析提取量与植物体吸收量之间的相关程度。目前,常用的化学提取法是单独提取法和连续提取法,由于传统的化学提取法应用与研究都比较多,本文不再赘述。但是最近几年有学者提出利用根际法来评价重金属对生物的有效性,根际法是用低分子量有机酸(乙酸:乳酸:柠檬酸:苹果酸:蚁酸=4:2:l:l:1,总浓度为0.1mol/L来提取有效态重金属并确定其含量的。Feng等(2005年Es,9研究表明:根际法能较好地预测小麦、大麦土壤重金属的生物有效性,它不受土壤pH值和有机质的影响。Vazquez等(2008年u叫推荐根际法来研究酸化的收稿日期:20090119基金项目:江西省水利厅科技资助项目(200611。作者

9、简介:黄立章(1971一,男。江西南昌人,硕士,研究方向:环境修复与水土保持。万方数据130江西农业学报21卷多金属污染土壤中重金属的生物有效性。2生物学评价法生物学评价法是一种最直观的方法,常用的方法主要有植物指示法、微生物指示法和动物指示法。2.1植物指示法植物指示法是近年来发展起来的,是一种判断污染土壤重金属生物有效性的经济、简便且可靠的方法,是利用植物吸收重金属的量来判断重金属污染程度或评价重金属的生物可利用性(刘玉荣等,2003年H¨。植物指示法的首要问题是指示植物的选择。要求用于污染指示的植物既具有一定的吸收重金属的能力,又对重金属有一定的忍耐能力,同时,指示植物吸收重金

10、属的量与环境中重金属的浓度之间还应有一定的可比性。指示植物对重金属的吸收是随土壤/沉积物中重金属可利用性部分的增多而增加的,一般要求对单一重金属离子或多种互不干扰吸收量的重金属离子,这样才能通过分析植物体内重金属的浓度来衡量土壤被污染的程度(刘玉荣等,2003年¨“。目前,欧美多选用黑麦幼苗作为指示植物,黑麦幼苗法是1923年由Neabauer和Schneider提出的,用以测定土壤中营养元素的有效性,它是一种生物试验,而且使用了大量的高等植物幼苗生长在少量的土壤上,因植物根与土壤充分接触,在短时间(14d内耗竭了土壤中的有效养分,所以用它测定土壤中营养元素的有效性比较直接而快速。薛

11、澄泽等(1995年m把它引入土壤重金属cu、zn、Pb、cr和Ni元素生物有效性的研究,取得了良好的效果。孟昭福等(2001年¨引研究发现,小麦测定土壤重金属生物有效性的结果与黑麦接近,而且小麦种子易于得到,可以作为黑麦的较佳替代植物。藻类Ulva sp.、Enteromorpha sp.、Cladophora sp.和Chaetomorpha sp.可作为酸性硫酸盐污染水塘土壤金属元素的生物指示物(Gosavi等,2004年141。2.2微生物指示法目前,一些基于单一菌株(例如发光菌或真菌的荧光性或特异性酶活性的金属有效性测试技术(如Micmplate luminometer被成功

12、应用于污染物的生物有效性评价中,这促进了微生物法的应用和发展。Reither等(2001年m1研究表明:Escherichia coli zntAp: lux和copAp:lux生物传感器可定量监测污染环境样品中重金属的生物有效性。Ivask等(2004年L16j以两种萤火虫荧光酶索细菌组合监测了污染土壤镉和铅的生物有效性,发现镉和铅的生物有效性与土体类型有很大的相关性。Liao等(2006年¨¨的研究表明:非致病的绿色荧光蛋白是一种基于细菌生物传感器,具有高灵敏、价廉、实用的特点,能较好地反映出土壤矿沉积物重金属的生物有效性。2.3动物指示法重金属在生物体内的含量是一个评

13、价重金属生物有效性的理想指标。刘宗平(2005年¨副研究表明:放牧动物可作为环境重金属污染状况的标识,因此可以评价重金属环境污染是否对当地人群造成危害。Alcodo等¨引研究表明:小龙虾(Procambarus clarkia Girard体内重金属的累积状况可以较好地反映湿地重金属的污染状况,因此,可以作为评价湿地重金属生物有效性的指示生物。Straahn等(2005年唧1研究表明:无脊椎动物对重金属的吸收速率比体内重金属量更能表示重金属的生物有效性。由于生态系统中可能受到压力或危害影响的受体种类很多,不同生物受体对各种压力的反应又各不相同,不可能对每种生物或生态受体都进

14、行分析和评价。目前生物学评价法还局限于个体和种群层次上,而选取的一种或几种植物或生物受体是否具有代表性,其受害的情况能否反映整个生态系统的状况目前还难以确定,这导致了评价结果的准确性难以判断。因此,如何选择生物受体、受体的特性、受体的生命和运动过程的利用成为生物学评价法需要解决的关键问题。3体外消化法体外消化法(In Vitro Digestion Method是Mayer等(1996年B¨提出的一种生物模拟方法,运用于土壤/沉积物中重金属的生物有效性评价,与化学方法相比,体外消化法从根本上解决了污染物质的来源闻题。陈俊等(2007年陋1首次运用体外消化法研究了北京市新河污灌区土壤中

15、重金属的生物有效性,结果发现:体外消化法得到的重金属生物有效性成分的含量比利用Tessier形态分析法的高,但cu、Pb、Zn、Cd四种重金属的生物有效性排序是相同的,即Cd>Zn>Pb>Cu,这两种方法提取的重金属含量之间有相关关系。4In Vitro法目前,评估土壤中重金属对人体的生物有效性,通常有2种方法,即动物实验(In Vivo of Animal Test和体外实验(In Vitro of Physiologically Based Extraction Test。动物实验法常用的动物有老鼠(Freeman等,1992年231、兔子(Ruby等,1993年m】、猴

16、子(Freeman等, 1995年汹1和猪(Schroder等,2004年汹】。传统的动物口服毒性实验结果通常认为是相当可靠的,但这种方法的应用受到其相对较长的实验周期和较高的实验费用的限制(Basta等,2000年口“。许多研究均表明,基于生理学的In Vitro实验,与动物实验的结果表现出良好的相关性(Ruby等,1999年】。由于In Vitro方法具有分析结果相对准确、设计简单、试验快速、费用较低、可控性强的优点,被认为是研究重金属生物可给性的重要方法之一。随着In Vitro方法的不断成熟,许多国家逐渐采用这些方法用于污染物污染土壤的风险评价。目前,常用的In Vitro方法有PBE

17、T(Physiologically Based Extraction Test、SBET(Simple Bioavailability Extraction Test和IVG (In Vitro Gastrointestinal等方法。PBET方法是Ruby等万方数据4期黄立章等:±壤重金属生物有效性评价方法13l(1996年陋1提出的,认为用此方法得到的土壤铅等的生物可给性与用In Vitro实验得到的结果有很好的相关性。SBET是一种简单的In Vitro形式,常用来评估砷和重金属对人体的生物有效性(Kim等,2002年旧1。英国地质调查局采用SBET方法用于土壤重金属的风险评价

18、,同时美国环保局近来也支持发展SBET用于重金属污染土壤的风险评价,并认为这项技术的应用有助于减少污染土壤修复的费用。Wang等(2007年pu研究表明:SBET提取的A5、Pb、Zn、Ni和Co含量与HNO,一HCl I-IF提取的重金属总量有显著的正相关性,逐步回归分析结果表明,SBET提取的As、Pb、zn、Ni和Co含量不受土壤结构、pH值和有机质的影响,SBET法适合用于受人为污染土壤的风险评价。Juhasz等(2007年僻1对比研究了In Vivo法和SBET法评估砷污染土壤的生物有效性,结果表明:In Vivo法提取的砷与SBET提取的砷有很好的直线关系,但SBET法评估砷的生物

19、有效性所需要的时间大大缩短、费用更低,适合污染土壤的健康风险评价。IVG法是Rodriguez等(1999年p副提出来用于预测土壤中重金属的生物有效性的方法,认为用此方法得到的土壤砷等生物可给性与用In Vitro实验得到的结果有很好的相关性。5同步加速辐射一全反射X射线荧光技术同步加速辐射一全反射x射线荧光技术(Snehrotmn Radiation Total Reflection Xray Fluorescence.SRTXRF是由Aria等(2007年1提出的一种新的评估土壤/沉积物重金属有效性的方法,该方法测定结果表明,元素V、cr、Co、Cu、Zn和Pb的有效性较高。6前景展望目前

20、,大多数重金属生物有效性评价方法都是通过确定重金属元素在土壤环境中的形态与分布,再将这些形态或分布与生物体中的含量通过统计分析来验证某些形态与生物体的含量的相关性,可以说这完全是一种经验性的评价方法,缺乏元素形态和生物有效性之间的理论基础。而且生物有效性是受生物体本身及其种类决定的,忽略生物体而仅仅依靠单一的化学分析方法评价重金属的生物有效性是难以实现的。此外,土壤性质(阳离子交换量、pH、有机质含量、粘土含量、氧化还原电位等会影响重金属的生物有效性,因此,忽略土壤性质因素来评价重金属的生物有效性是不完整的。近年来,人们对重金属人体生物有效性的研究13益增多,目前的研究多是借助IIl Vitr

21、o法来评价人体直接接触的重金属生物有效性,从生物链和直接接触综合考虑重金属生物有效性的研究还未见报道,很有必要加强这一方面的研究,以便更准确地评估重金属的健康风险。由于目前不同方法评估土壤重金属生物有效性所消耗的时间和费用不尽相同,所要求的仪器设备也相差很大,因此可以考虑单独提取法与SBET法相结合来评价土壤重金属生物有效性。参考文献:1“F L,Shah x Q,珏ang T H,et a1.Evaluation of Plant Availabili-ty of Rare Earth Elements in Softs by Chemical Fractionation and Multi

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41、设计院,江西,南昌,330029, 金腊华,JIN La-hua(暨南大学,环境工程系,广东,广州,510632, 万金保,WAN Jin-bao(南昌大学,教育部鄱阳湖湖泊生态与生物资源利用实验室,江西,南昌,330029刊名:江西农业学报英文刊名:ACTA AGRICULTURAE JIANGXI年,卷(期:2009,21(4被引用次数:0次参考文献(34条1.Li F L.Shan X Q.Zhang T H Evaluation of Plant Availability of Rare Earth Elements in Soils by Chemical Fractionation

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