1、课程主要内容课程主要内容内容内容p 土壤污染发生的机理、诊断方法及风险评价与管理土壤污染发生的机理、诊断方法及风险评价与管理p 污染土壤物理、化学、生物修复原理与技术污染土壤物理、化学、生物修复原理与技术p 污染土壤修复技术的最新进展污染土壤修复技术的最新进展目的目的 系统掌握污染土壤发生机理、修复的基本原理和技术以及土壤污系统掌握污染土壤发生机理、修复的基本原理和技术以及土壤污染的风险评价染的风险评价课时计划课时计划 绪论（绪论（2 2课时）课时） 第一章第一章 土壤污染发生的机理、诊断及其方法土壤污染发生的机理、诊断及其方法 （4 4课时）课时） 第二章第二章 土壤健康风险评价与管理土壤健
2、康风险评价与管理 （4 4课时）课时） 第三章第三章 污染土壤的物理修复原理与技术污染土壤的物理修复原理与技术 （4 4课时）课时） 第四章第四章 污染土壤的化学修复原理与技术污染土壤的化学修复原理与技术 （4 4课时）课时） 第五章第五章 污染土壤的植物修复原理与技术污染土壤的植物修复原理与技术 （5 5课时）课时） 第六章第六章 污染土壤的生物（微生物）修复原理与技术污染土壤的生物（微生物）修复原理与技术 （5 5课时）课时） 第七章第七章 污染土壤修复生态工程污染土壤修复生态工程 （2 2课时）课时） 第八章第八章 污染土壤修复效果及评价（污染土壤修复效果及评价（2 2课时）课时） 第九
3、章第九章 矿区土壤复垦的原理与技术（矿区土壤复垦的原理与技术（2 2课时）课时） 第十章第十章 污染土壤修复技术问题与展望污染土壤修复技术问题与展望 （2 2课时）课时） 复习（复习（2 2课时）及考试（课时）及考试（2 2课时）课时）一一 土地与土壤环境土地与土壤环境1 1 土地、土壤及土地利用土地、土壤及土地利用土地：土地：指地球表面某一地段内包括土壤、母岩、植被、地貌、水文及近地大气等多种因素在内的自然综合体，土壤及其地下水是其物质核心部分，一般土地的狭义概念只指土壤和地下水土壤土壤：地球陆地表面能够生长绿色植物的疏松层，其厚度从几厘米到2-3米不等;由矿物质、有机质（包括活有机体-土壤
4、生物）、水分和空气四种物质组成，是一个十分复杂的环境系统土地利用：土地利用：指人类根据自身的需要和土地的特性，使土地的某一功能得到体现的经济活动。如耕地、园地、林地、牧草地、城乡居民点、工矿用地、交通用地、水域用地、荒地等2 土壤环境特点土壤环境特点 人类环境要素的组成之一，是环境系统的重要组成部分，而且是最复杂的环境系统组分； 存在着各种胶体体系和多孔体系，通过吸附-解吸、溶解-沉淀、络合/螯合、老化、离子交换以及过滤等过程，对营养物质或污染物产生重要作用，从而起到营养支持作用或产生污染毒害/解毒效应； 土壤环境是绿色植物的生长基地，通过植物的吸收、积累作用，一方面使土壤环境中的污染物质得以
5、下降，另一方面使污染物转移到植物体内，然后可能再以食物链的形式进入人体，从而危及人体健康 土壤环境中生活着的各种微生物和动物，对进入其中的污染物可以进行分解、解毒和转化，因而具备同化、净化污染物的功能，这对自然界的物质循环和人类社会的可持续发展具有重要意义； 土壤环境的自净、解毒能力是有限度的，它不能完全抵抗外来因素的干扰，在一定条件下，土壤也是极其脆弱、易被人类活动损害的环境要素； 土壤污染对人类的危害极大，它不仅直接导致粮食作物的减产，而且还通过地下水途径对水资源构成污染威胁； 土壤一旦被外来污染物所污染，很难彻底治土壤一旦被外来污染物所污染，很难彻底治理，应该防患于未然理，应该防患于未然
6、二二 土壤污染及其来源土壤污染及其来源2.1 2.1 土壤污染的定义（三种）土壤污染的定义（三种） 由于人类活动向土壤添加有害化合物，此时的土壤就受到了污染由于人类活动向土壤添加有害化合物，此时的土壤就受到了污染 以特定的参照数据来加以判断，如以背景值加两倍标准偏差为临界值，若以特定的参照数据来加以判断，如以背景值加两倍标准偏差为临界值，若超过这一数值，即认为该土壤为某元素所污染超过这一数值，即认为该土壤为某元素所污染 加入土壤中的物质给生态系统造成了危害，才能称为土壤污染加入土壤中的物质给生态系统造成了危害，才能称为土壤污染 英国英国EA：contaminated land : any la
7、nd 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) pollution of controlled waters is being,
8、or is likely to be caused. 美国美国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 trapped in the small spaces betwe
9、en soil particles. 当土壤中含有有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累、通过“土壤-植物-人体”或通过“土壤-水-人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度，就是土壤污染 （潘鸿章，孙铁珩等）2.2 2.2 土壤的主要污染物及基本方式土壤的主要污染物及基本方式土壤的主要污染物土壤的主要污染物 Heavy metal （重金属）：（重金属）：Pb, As, Cd, Zn, Cr,Cu organic pollutants (有机污染物）：PAHs, PCBs pathogenic mi
10、croorganism（病源微生物）（病源微生物） radioactive contaminant（放射性污染物）（放射性污染物） Others（其它）（其它）Solids (固相）：固相）： adsorbed or mixed within soil particles Liquids（液相）（液相） ： filling the voids (pores) between soil particles Gaseous (soil gas) （气相）：（气相）： within the air between soil particles 土壤污染物存在形式土壤污染物存在形式1. Antropo
11、genic through human activity includingAccidental spills and leaksFoundry activities and manufacturing processesMining activitiesAgricultural activitiesTransportation activitiesDumping of chemicalsStorage of wastes in landfillsCracked paint chips falling from building walls2. NaturalNatural accumulat
12、ion of compounds in soilNatural production in soil under certain environmental conditions Leaks from sewer lines into subsurface污染物来源：污染物来源：人为源和天然源人为源和天然源土壤污染基本方式土壤污染基本方式直接污染和间接污染直接污染和间接污染 隐蔽性和滞后性 累积性和地域性 不可逆转性（重金属及一些有机物） 治理难而周期长土壤污染的特点土壤污染的特点导致严重的经济损失导致严重的经济损失导致农产品污染超标、品质不断下降导致农产品污染超标、品质不断下降导致大气环境的
13、次生污染导致大气环境的次生污染导致水体富营养化导致水体富营养化对人类健康的危害对人类健康的危害2.4 2.4 土壤环境污染的危害土壤环境污染的危害p In 2005 we estimated that there might be around 300,000 hectares of land affected by industrial activity in England and Wales which may be contaminated. This is approximately two percent of the land area of England and Wales.
14、-Environment Agency, Dealing with contaminated land in England and Walesp 我国受污染的耕地约有亿亩，污灌污灌污染耕地3250万亩，固废堆占地200万亩，合计约占10%的耕地面积重金属超标p As a result nearly 80,000 contaminated sites have been identified in Australia (Naidu et al 2008). In the UK theenvironment agency has estimated over 20,000 sites may b
15、e 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 contaminated sites, and in the US an estimated 400,000 contaminated waste disposal sites (Naidu and Bolan 2008).国内外关于土壤污染的报道国内外关于土壤污染的报道化学品人体健康
16、效应铬皮肤病苯白血病二溴氯丙烷不育症铅不育、流产、神经错乱等氯乙烯血管肉瘤、肝癌石棉肺癌多氯联苯癌土壤化学品污染的人体健康效应土壤化学品污染的人体健康效应三三 污染土壤修复的意义及技术的发展污染土壤修复的意义及技术的发展4.1 4.1 土壤环境污染控制措施土壤环境污染控制措施 首先控制和消除土壤污染源，加强对工业三废的治理，合理施用化肥和农药，同时，还要积极采取各种防治措施和修复手段，才能达到解决土壤环境污染问题的目的 全面控制土壤污染的具体措施 促进土壤污染防治各种法规、准则和标准的制定与修改 建立土壤环境污染、土壤质量变化监测与预警系统、制定土壤污染预防规划，识别、确定污染控制的具体区域
17、强化污水、固体废弃物和其他有毒物质排放的控制 实施污染土地的休闲制度 修复污染土壤 政府的作用4.2 4.2 污染土壤修复的分类污染土壤修复的分类 植物修复、微生物修复、生物修复、化学修复、物理修复、综合修复 原位（In Situ）修复、异位（Ex Situ）修复 原位修复更为经济有效，对污染物就地处置，使之得以降解和减毒，不需要建设昂贵的地面环境工程基础设施和远程运输，操作维护起来比较简单，还可以对深层次污染的土壤进行修复。 异位修复技术的环境风险较低，系统处理的预测性高于原位修复 生物修复技术：主要包括微生物修复技术、植物修复技术、动物（低等）修复技术 化学修复技术 物理修复技术化学修复化
18、学修复原位化学淋洗技术异位化学淋洗技术溶剂浸提技术原位化学氧化修复技术原位化学还原与还原脱氯技术土壤性能改良技术物理修复技术物理修复技术物理分离修复技术土壤蒸汽浸提修复技术固化/稳定化土壤修复技术玻璃化修复技术热力学修复技术热解吸修复技术电动修复技术冰冻修复技术实施步骤实施步骤评估体系评估体系评估内容评估内容1现场实际验证现场实际验证有效性；经济性；安全性有效性；经济性；安全性2多目标评价多目标评价风险降低的程度；技术有效性风险降低的程度；技术有效性提高程度；费用与时间节省程提高程度；费用与时间节省程度；法规遵从程度；公众可接度；法规遵从程度；公众可接受程度受程度3技术实施有效性技术实施有效性
19、评价（基于必需评价（基于必需的关键信息）的关键信息）性能；应用范畴与发展阶段；性能；应用范畴与发展阶段；费用估计可靠性（成本、运行费用估计可靠性（成本、运行与维护费、单位面积修复费与维护费、单位面积修复费用）用）4工程有效性比较工程有效性比较评价（基于各种评价（基于各种资料数据来源资料数据来源其它用户其它用户/案例研究；开发商；案例研究；开发商；本次测试（特定变量、性能评本次测试（特定变量、性能评估、费用预测）估、费用预测）污染土壤修复技术需考虑的信息污染土壤修复技术需考虑的信息本课件用于学生学习本课件用于学生学习严禁上传到其它网上严禁上传到其它网上 土壤环境是否受到污染，其污染程度如土壤环境
20、是否受到污染，其污染程度如何，需要用灵敏和有效的方法诊断。在何，需要用灵敏和有效的方法诊断。在确定土壤环境已经受到污染后，才能考确定土壤环境已经受到污染后，才能考虑选用什么方法进行治理虑选用什么方法进行治理主要内容主要内容土壤污染发生及其动力学 污染土壤诊断及其意义土壤污染生态毒理学诊断污染生态毒理诊断方法一 土壤污染发生及其动力学 1.1 1.1 污染物造成土壤污染的几个主要过程1.1.1 接触阶段 污染物进入土壤的初始阶段，主要的接触形式有3种： 气型接触的污染：工业活动中的烟尘和废气排放物，首先污染大气，然后沉降到地表和土壤，以及汽车尾气的排放、农业农药的使用等等 水型接触的污染 固体型
21、接触的污染1.1.2 1.1.2 反应阶段反应阶段 不同途径进入土壤中的污染物经过吸附-解吸、沉淀-溶解、氧化-还原、络合-解离、降解和积累放大等一系列的化学过程，参与土壤系统功能的表达，影响土壤的原始平衡； 污染物作用过程在改变土壤物理化学性质的同时，本身的形态、毒性、浓度等性质也发生相应的变化，污染物与土壤有机质及其它组分之间的相互作用，在影响各个子系统的正常代谢过程中改变了土壤生态系统整体平衡发展的趋势1.1.3 1.1.3 污染中毒阶段污染中毒阶段 污染物进入土壤并参与到土壤各个组分之间的物理化学反应当中，使土壤及其中的生命组分发生急性中毒或慢性中毒1.1.4 1.1.4 恢复阶段恢复
22、阶段 急性中毒土壤一般很难恢复初始的健康状态，需要人为的力量才能恢复正常的功能表达；慢性中毒的土壤一般可以自然恢复1.2 1.2 土壤污染发生动力学土壤污染发生动力学 土壤污染发生的核心问题就是污染物进入土壤，并在土壤中残留积累以及消解的动态特性 涉及的主要因素有物理、化学和生物学等过程 污染物在土壤中的整个过程就是输入和输出的过程1.3 主要的一些动力学过程迁移-扩散动力学过程 化学污染物进入土壤介质后，在土壤中进行的第一个过程就是扩散迁移。土壤中污染物的扩散推动力一方面是水流和土壤溶液，另一方面由于土壤是一个非均一的带电体系，因此，土壤中离子浓度梯度和电位梯度是离子扩散的主要推动力描述土壤
23、中化学污染物的扩散迁移模型水流模型XkXX)(溶质迁移模型niichcQkStVXCDXt1)()()()(为体积水-土含量；k为水传导率；X为土层厚度；Dh为水分分散系数；C为可溶性污染物（溶质）浓度；S为每单位重土壤吸附的溶质数；Qi代表输入和支出项 一般，污染物进入土壤后在土壤中的迁移和扩散速度缓慢，其速度不仅与土壤理化性质、生物种类和数量、土壤环境条件有关，而且也与污染物种类及其存在的形态有关。由于土壤是由气、液和固相以及还有植物的根系等组成的动态三相体系，因此，污染物在这三相中的运动要比在均相中的运动复杂的多 利用模型解决土壤污染中污染物的迁移有关的问题必需经过的步骤：根据实际情况选
24、择最适宜的模型；通过田间和室内确定模型中的最主要的参数；利用当地取得的数据，对模型进行校正以及模型验证吸附吸附-解吸动力学过程解吸动力学过程 污染物由气相或液相向土壤颗粒表面的扩散或迁移，进而进行吸附；污染物的吸附类型可用不同的吸附等温式描述。吸附等温式中主要的有Langmuir等温式 1/CS=1/（Xm*b*Ce）+1/ XmFreundlich等温式 lg CS=lgKf+1/knag CeTemkin等温式 CS =a+Klg CeCS为吸附量； Ce为平衡浓度；Kf ，n，a，b， Xm，K为常数沉淀-溶解动力学过程 土壤溶液中污染物浓度和活度直接影响到其毒性、有效性和迁移性。 土壤
25、溶液中元素/物质的补给和更新也是主要依靠土壤固相。取决于该元素在固相和液相中的浓度积和离子积。当组成该化合物的离子在溶液中离子积大于浓度积时，反应向化合物的形成方向进行，溶液中离子的浓度下降，直到溶液中的离子积恒等于同样条件下该化合物的浓度积时，才达到沉淀和溶解的平衡描述土壤污染物溶解的动力学过程A（l）+B（l） AB（s）)()(1)()()(BABAABKSf描述土壤污染物沉淀的动力学过程AB（s）A（l）+B（l）)()()()()(BAABBAKss （AB）为化合物活度，A和B分别为平衡溶液中离子的活度；Kf为形成常数，反应的是固相化合物形成的趋势， Kf值越大，该种物质在土壤中就
26、越稳定。当溶液中离子的浓度降到这种物质的饱和溶解度值以下，则反应朝着溶解的方向进行，一直到达沉淀和溶解的平衡状态，为溶度积常数，值越大，溶液中离子的浓度越高，当离子的浓度超过这种物质的饱和溶解度以上时，反应朝着沉淀的方向进行络合络合- -解离动力学过程解离动力学过程当土壤溶液中存在过量的OH-、Cl-、I、NH4+、SO42-、PO43-，络合作用更容易发生污染物在土壤中进行络合反应的同时，伴随着解离反应的发生，用数学模型可以对解离作用进行模拟vvKLMMLd)()()()()(LMMLLMKsdML为络合物；Mv+为游离金属离子， Lv-为游离配位体；Kd为解离常数生物降解动力学过程 在微生
27、物、酶或植物分泌物的作用下，进入土壤介质中的污染物会发生降解作用。根据污染物的性质，一般有机污染物、碳氢化合物、农药等容易在土壤中发生降解作用，而重金属很难完成生物学意义上的降解农药降解模型农药降解模型幂速度模型)()(tckdttdcmc（t）为t时刻农药的残留浓度；k为降解速度常数； m是表观反应级数双曲速度模型)()()(21tcktckdttdck1 、 k2为Michaelis-Menten常数动植物吸收-摄取动力学过程 土壤中污染物被动植物吸收-摄取也是其在土壤环境中重要的污染生态过程。 植物吸收土壤污染物主要是从根系吸收 污染物进入动物体主要途径有皮肤接触、呼吸和消化系统对动植物
28、从土壤中吸收污染物进行定量，可以通过土壤植物系统间的富集因子来表征植物中污染物的浓度cp=fps*csc为污染物浓度，s为土壤；p为植物； fps为土壤-植物系统分配系数动物摄取的污染物剂量为iPSsaDfCTii为植物的种类；D为动物每日的摄入量生物累积-放大动力学过程 生物放大作用是生物体内某种元素或难分解化合物的浓度随生态系统中食物链营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果是使食物链上高营养级生物中某种化合物或元素造成累积，浓度明显超过低营养级及环境中的浓度。对于浮游植物、浮游动物、鱼和更高级的食物链，用下列方程描述vm，i和vm，I-1分别表示食肉者体内和被捕食者的污染物体内负荷，
29、kui为吸收率，W为有机体湿重，C为化学同化效率； ai，i-1为吸收的污染物与摄取的污染物的比值，C i，i-1为专一消费速率，ki为污染物排泄速率miiiimiiiiiiuiimvkWvWCaCWkdtdv11,/1,1,/,1 核酸复性动力学技术和G+C%含量法3 沉积物毒性试验（sediment toxicity test）描述土壤中化学污染物的扩散迁移模型1 土壤环境污染控制措施反应要有一定的稳定时间，同时要快速；急性农药中毒包括误食农药污染的土壤颗粒及污染土壤影响下的地下水或地表水。胆碱脂酶是神经毒性物质如有机磷农药和氨基甲酸酯农药的敏感指标。其中，csoil 和 csoil w的
30、值的大小与农药的分配系数有关，计算方法如下1）分析污染物在土壤环境介质之间分配的机制，在土壤中迁移的路线与方式，伴随迁移发生的转化作用，了解化学物质在土壤环境中的迁移、转化和归宿的主要过程和机制如还存在污染源，对进入土壤环境的农药污染源进行计算多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)等的生物标志物作为表征事物处于险境中的状态或形势的危险,不仅与时空条件以及事件性质有关,而且还与事件的承受者-人或事物紧密相连。在这些变化中，其中一部分污染物被降解，从系统中去除，但也有一部分污染物降解不完全，导致一些中间产物生成，此外，在降解过程中某些物质的形态和性质也可能发生变化，技术实施有效性评价（基于必需
31、的关键信息）暴露标志物(Biomarker of Exposure ):生态毒理检测与检测技术污染物污染物陆地生态系统陆地生态系统生态毒性效应生态毒性效应生物体生物体生物转化、浓缩、积累与放大生物转化、浓缩、积累与放大改变生物个体分布与动力学特征（再改变生物个体分布与动力学特征（再生、移居、补充、死亡）生、移居、补充、死亡）改变生物区系的结构与功能（种类变改变生物区系的结构与功能（种类变异、捕食关系的改变）异、捕食关系的改变）生态系统功能上的改变（光合作用、生态系统功能上的改变（光合作用、养分循环）养分循环）2.1 2.1 污染物对土壤生态系统组成和功能的影响或损害污染物对土壤生态系统组成和功
32、能的影响或损害二、污染土壤诊断及意义2.2 2.2 污染土壤诊断污染土壤诊断 实验室诊断：化学分析方法、毒理学分析方法等实验室诊断：化学分析方法、毒理学分析方法等 田间诊断：场地试验是一种适合的方法，通过这种试田间诊断：场地试验是一种适合的方法，通过这种试验可以发现场地条件或接近场地条件下污染物对各种验可以发现场地条件或接近场地条件下污染物对各种土壤生物的毒害作用土壤生物的毒害作用2.3 2.3 快速诊断与长期诊断快速诊断与长期诊断快速诊断一般通过快速诊断一般通过 急性毒性试验急性毒性试验长期诊断一般通过长期诊断一般通过亚慢性毒性试验和慢性毒性试验亚慢性毒性试验和慢性毒性试验 急性毒性试验急性
33、毒性试验(Acute(AcuteToxicityToxicityTest)Test)是研究化学是研究化学物质大剂量一次染毒或物质大剂量一次染毒或24h24h内多次染毒动物所引起的毒性内多次染毒动物所引起的毒性试验。其目的是在短期内了解该物质的毒性大小和特点试验。其目的是在短期内了解该物质的毒性大小和特点, ,并为进一步开展其他毒性试验提供设计依据。如：哺乳动并为进一步开展其他毒性试验提供设计依据。如：哺乳动物、水生生物（鱼、水蚤、藻类）、蚯蚓等物、水生生物（鱼、水蚤、藻类）、蚯蚓等 人类接触环境污染物时,通常接触水平低于急性中毒剂量或浓度。为了得到更接近实际情况的毒作用资料,需进行亚慢性和慢性
34、毒性试验。 亚慢性毒性试验(Subchronic Toxicity Test)验是在相当于动物生命周期的1/301/20时间内使动物每日或反复多次接触受试物的毒性试验。检测指标：(1)一般综合指标(2)血液及生化检验(3)病理组织学检查 慢性毒性试验(ChronicToxicityTest)：是指以低剂量外来化合物,长期与试验动物接触,观察其对试验动物所产生的生物学效应的试验。我国工业毒物和农药急性分级我国工业毒物和农药急性分级三、土壤污染生态毒理学诊断三、土壤污染生态毒理学诊断 土壤污染生态毒理学的研究内容土壤污染生态毒理学的研究内容 研究污染物对土壤生态系统带来可能危害的剂量研究污染物对土
35、壤生态系统带来可能危害的剂量- -反应关系反应关系，进行污染物毒性和土壤生态安全性评价 阐明污染物在土壤介质中的毒性作用机理及影响其毒性作阐明污染物在土壤介质中的毒性作用机理及影响其毒性作用的相关因素用的相关因素，进行污染物对土壤生态系统危害的早期诊断与预防，为生态风险与安全评价、污染清洁标准的确定提供科学依据 研究土壤中有毒污染物的生态化学行为研究土壤中有毒污染物的生态化学行为，包括污染物在陆地生态系统中的分布、迁移、转化及归宿，模拟条件下的水解、光解以及微生物降解等 研究土壤中有毒污染物的生态毒理诊断指标体系研究土壤中有毒污染物的生态毒理诊断指标体系，包括延续使用水生毒性实验对土壤淋溶过程
36、可能产生的毒性的诊断，陆生生物实验（高等植物毒性试验、蚯蚓毒性试验、微生物毒性试验、直至整体动物试验等），遗传毒性试验（如微核试验等）及生物标记物诊断试验 生态毒理检测与检测技术生态毒理检测与检测技术 污染物含量水平的提高或降低可以很容易被检测出，但是，若要成功建立污染物在生物组织内的浓度与其产生的生理、生态后果的因果关系，就要困难的多 生理检测与检测技术生理检测与检测技术 污染物是否产生生态毒性效应，不一定非要以杀死机体的方法来证明，还可以通过其他的方法和手段表明。如导致生物生长的缓慢、代谢过程障碍、产生行为改变等。3.2 3.2 生态毒理学诊断原理生态毒理学诊断原理生理测定与生态毒理评价的
37、关系生理测定与生态毒理评价的关系 实验室内进行的短期试验结果表明，引起显著生理反应的污染物浓度通常比自然状态下污染点中所测出的浓度高出几个数量级。从而无法得出污染物对生物体作用的长期生态意义。 一般，生理实验所用的动物都是成熟的成年动物，因此，有关污染物对动物幼年早期脆弱阶段的影响状况报道相对较少。3.3 3.3 土壤生态毒理诊断的重要性土壤生态毒理诊断的重要性l 土壤污染生态毒理诊断集合了土壤中不同食物链生物对化学品的整体毒性效应，提供土壤污染的全部信息通过选择敏感代表者作为毒性诊断指标，对土壤污染诊断具有重要补充作用3.4 3.4 以化学方法诊断土壤污染具有局限性以化学方法诊断土壤污染具有
38、局限性l 难以对土壤中各种物质进行全面测定，不可能鉴定土壤中所有物质的潜在毒性效应，也不可能测出污染物的复合污染效应l 难以区别和提取不同暴露路径中(如，孔隙水中、土壤空气中、食物的吸收中、不可提取性残渣中或键合到某些物质中)的污染物质，因此，污染物的有效毒性往往被低估l 无法以量化方式对产物的毒性做出准确评价，因为有些物质量的大小与其毒性大小之间不成正比。l 无法对污染物的代谢毒性进行追踪，检测上也存在困难。 生态毒理学诊断原理主要是依据生物在毒物作用下的生态毒理学诊断原理主要是依据生物在毒物作用下的不良生理、生化反应，所进行的生物学系列试验。不良生理、生化反应，所进行的生物学系列试验。 生
39、物对毒物毒性响应的大小，依据在一定时间内某一生物对毒物毒性响应的大小，依据在一定时间内某一污染物的污染物的剂量剂量- -效应效应关系决定关系决定 效应与反应效应与反应：效应(Effect)表示接触一定剂量化学物质引起机体个体发生的生物学变化。反应(Response)是接触一定剂量化学物质后,表现一定程度某种效应的个体在一个群体中所占的比例 剂量剂量-效应关系效应关系(Dose-effect Relationship)和剂量和剂量-反应关系反应关系(Dose-response Relationship):分别表示不同剂量在个体或群体中表现出来的量效应大小之间的关系,以及不同剂量与质效应发生率之间
40、的关系。剂量反应关系是评价化学物质的毒性和确定安全接触水平的基本依据剂量剂量- -效应效应剂量的确定 引起生物某种程度毒害所需的剂量统称为毒害剂量 剂量是决定毒物对机体造成损害的最主要因素 对于同一种毒物，不同剂量对机体造成的损害程度不同效应效应 效应（effect）：即生物学效应，指机体在接触一定剂量的化学物后引起的生物学改变。生物学效应一般具有强度性质，为量化效应（graded effect）或称计量资料。效应用于叙述在群体中发生改变的强度时，往往用测定值的均数来表示。说说 明明 土壤被污染后，污染物在土壤中的迁移、转化及降解过程经历了一系土壤被污染后，污染物在土壤中的迁移、转化及降解过程
41、经历了一系列物理、化学和生物学变化。在这些变化中，其中一部分污染物被降解，列物理、化学和生物学变化。在这些变化中，其中一部分污染物被降解，从系统中去除，但也有一部分污染物降解不完全，导致一些中间产物生成，从系统中去除，但也有一部分污染物降解不完全，导致一些中间产物生成，此外，在降解过程中某些物质的形态和性质也可能发生变化，此外，在降解过程中某些物质的形态和性质也可能发生变化， 单纯依靠对目标污染物的定性和定量分析不能对土壤是否清洁作出准确判单纯依靠对目标污染物的定性和定量分析不能对土壤是否清洁作出准确判断。断。研究发现，清洁修复后的某些有机污染土壤其毒性反而更强因此土研究发现，清洁修复后的某些
42、有机污染土壤其毒性反而更强因此土壤清洁过程需要生态毒理诊断方法对系统的生态安全性做出判断壤清洁过程需要生态毒理诊断方法对系统的生态安全性做出判断 许多发达国家在土壤清洁技术项目中，明确将土壤生态毒理诊断作为重要许多发达国家在土壤清洁技术项目中，明确将土壤生态毒理诊断作为重要研究内容。研究内容。四四 污染生态毒理诊断方法污染生态毒理诊断方法4.1 4.1 土壤生态毒理诊断方法的基本考虑及准则土壤生态毒理诊断方法的基本考虑及准则土壤生态毒理诊断方法的建立应考虑以下条件 陆地生态系统的生物条件； 敏感生物物种及成长阶段； 土壤理化条件； 生物种间的食物链关系； 生态系统的恢复过程4.2 4.2 方法
43、所考虑的健康土壤特点方法所考虑的健康土壤特点l 可提供植物健康生长；l 土壤本体及土壤淋溶液具有正常的栖息功能(动物、微生物)；l 土壤具有吸收、净化污染物的功能；l 对污染物在土壤中积累及产生的影响具有反馈功能 4.3 4.3 高等植物毒理试验与特殊毒性试验法高等植物毒理试验与特殊毒性试验法 高等植物是生态系统中的基本组成部分利用高等植物是生态系统中的基本组成部分利用其生长状况诊断土壤污染，是土壤诊断的重要其生长状况诊断土壤污染，是土壤诊断的重要方法之一方法之一4.3.1 4.3.1 症状法症状法 生长正常：作物生长及产量不受影响 轻度危害：作物生长期出现轻微受害迹象，植物的生物量及产量下降
44、 严重危害：作物生长期出现明显受害迹象，植物的生物量及产量下降10%以上 致死效应：作物苗期出现显著受害症状，作物生物量明显下降，甚至死亡。4.3.2 4.3.2 生长量法生长量法4.3.3 4.3.3 高等植物毒性诊断试验方法高等植物毒性诊断试验方法l 种子发芽、根伸长抑制等，从污染物的剂量-反应关系，混合污染毒性与土壤营养物质浓度水平，土壤pH值、土壤水传输容量等关系方面，为土壤污染诊断研究提供了依据藻类毒性试验法藻类毒性试验法 藻类作为水生生态系统的初级生产者对生态系统的平衡和稳定起着重要的作用。 单细胞藻类个体小，世代时间以小时计，是一种理想的实验材料。主要用于水生生态系统。目前，也有
45、用于土壤，如土壤淋洗液。蚕豆根尖微核技术蚕豆根尖微核技术 微核的形成有两种途径：一是诱变剂打断DNA分子形成断片，断片由于没有纺锤丝连接，在随后的细胞分裂过程中，无法移向两极而随机分配到子细胞中，不参与形成子核而凝缩成独立于主核之外的微核；二是由纺锤丝毒剂或非整倍体毒剂造成细胞纺锤体功能紊乱和结构伤害，由此产生滞留染色体，在有丝分裂后期不能结合进子核而形成微核。一般认为，染色体畸变是微核产生的主要途径，而染色体畸变是有毒物质在细胞分裂期间影响DNA及染色体的合成与复制所造成的。蚕豆根尖细胞微核技术有广泛的应用，危险化学品毒性检测、水污染监测、环境污染检测等，也逐渐用于土壤污染检测3.3.6 3
46、.3.6 紫露草微核技术紫露草微核技术4.4 4.4 敏感动物指示法敏感动物指示法4.4.1 陆生无脊椎动物试验 p 以陆生无脊椎动物试验评价土壤状况，是将对土壤污染有敏感指示作用的物种暴露于土壤中进行污染诊断目前常用的有环节动物(Enchytraeus crypicus)和弹尾类动物(Folsomia candida)因为这两个物种的世代期都是14天试验毒性终点为1-7天后的致死率及暴露28天后的繁殖状况到目前为止，研究者使用了各种污染土壤(矿物油类、多环芳烃类、TNT及重金属污染土壤)进行上述两类实验4.4.2 4.4.2 蚯蚓毒性试验蚯蚓毒性试验 蚯蚓是生态系统中的一个重要组成部分蚯蚓急
47、性毒性试验方法被列入0ECD（organization for economic cooperation and development）指南，蚯蚓的急性、亚急性和再生试验方法分别被列入国际标准组织(IS0)的方法草案中，作为土壤污染毒理诊断的一项重要指标4.4.3 4.4.3 土壤原生动物毒性试验土壤原生动物毒性试验l 原生动物栖息在土壤颗粒上的水膜中，是与细菌连接的重要链条原生动物有三个基本特征：(1)个体小，为单细胞结构，没有保护性细胞壁；(2)具有与高等动物相同的复杂生理特征和真核生物细胞结构；(3)世代时间仅几小时多代监测可以记录污染物的短期但性毒性效应l 纤毛虫是土壤原生动物中的主
48、要代表4.5 4.5 敏感微生物诊断法敏感微生物诊断法4.5.1 一般的土壤微生物试验 土壤污染可对土壤微生物产生不同影响，如抑制反硝化细菌的活动，减少土壤氮素的损失，影响土壤微生物的正常活动，甚至危及固氮菌、根瘤菌等有益微生物的生存，从而影响土壤正常的功能 常见的土壤微生物方法有土壤呼吸强度测定，土壤氨化作用和硝化作用，土壤中各种单一酶活性测定等4.5.2 4.5.2 细菌诊断：发光菌试验细菌诊断：发光菌试验 明亮发光细菌(Photobacterium phosphoreum)在正常生活状态下，体内荧光素在有氧参与时，经荧光酶的作用会释放出肉眼可见的蓝绿色荧光当受到外界影响时发光过程受到干扰
49、，引起发光菌的发光强度减弱与污染物浓度或毒性作用强度呈剂量-反应线性相关关系该方法可作为评价污染物毒性的指标成套方法一般称为microtox检验。发光菌试验可对土壤淋溶液毒性进行诊断。4.5.3 4.5.3 转基因工程微生物试验转基因工程微生物试验 将转基因工程微生物作为一种新型生物指示物，检测土壤毒性作用或致突变化合物，其方法原理是利用基因密码表达自然土壤细菌群落中不存在的细菌和容易检测到的信息(如生物发光)，检测致突变物质的暴露效应4.6 生物标志物生物标志物概念 生物标志物(Biomarker)是通过测定生物体液、细胞和组织的各种反应，用生物化学、免疫学、遗传学等方法来指示污染物的存在与
50、否及生物个体的反应。 它能够直接以生物体内靶细胞或靶分子为反应终点，十分敏感。检测结果能够说明生物个体内的细胞和组织是否已经暴露于超量的污染物中，环境污染物是否已对生物靶诱发了毒性效应，以及毒性效应是否会对种群、群落、或生态系统引起连锁效应。选择生物标志物原则 具有一定的敏感性，生物标志物的敏感性应高于一般生物检测指标； 反应要有一定的稳定时间，同时要快速； 在分子和生化水平上的效应(效应生物标志物)与高级生物学水平上的效应(如生长、繁殖)联系在一起； 具有一定野外应用价值； 要求选取对受试生物损害较小的指标，技术易于掌握。生物标志物的类型 生物标志物基本上可以分为生化、免疫、遗传等3个方面
