生態(tài)毒性測試在土壤修復效果評價中應用的研究進展

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(同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 2000921)

1 引言

如今,由工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、采礦活動排放的廢棄物，不合理地使用化肥和農(nóng)藥以及污水灌溉導致的土壤污染問題已經(jīng)受到了越來越多的公眾關注[1-2]。我國已有333萬公頃的耕地因受到嚴重污染而無法使用[3]。受污染的土壤需要經(jīng)過合理修復處理后才能繼續(xù)有效的利用，在實施土壤修復方案后，還需要進行后續(xù)觀察和評價，以確保達到修復目標，滿足相應土地利用的要求。評價修復效果不僅是整個修復工程的重要組成部分，還可為修復后土壤的管理和再利用提供依據(jù)和指導[4]。許多可以有效降低土壤中污染物濃度的方法，已得到了廣泛的研究和應用[5]；然而修復效果評價的研究還比較分散，有待進一步深入。

2 土壤修復效果評價現(xiàn)狀

目前土壤修復的評估工作主要從土壤的理化性質(zhì)、污染物的含量(總量和形態(tài))以及浸出特性三個方面來開展[6]，但這些方法存在著諸如無法對土壤污染的削減狀況進行全面表征、無法反映污染物對生物的毒性效應、無法對污染物的代謝毒性進行追蹤等的局限性[7]。隨著近些年土壤生態(tài)毒理學這一毒理學中最年輕分支的發(fā)展[8]，生態(tài)毒性測試展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢而被越來越多地運用到了土壤修復效果的評價中來。本文不僅系統(tǒng)地總結和討論了近年來生態(tài)毒性測試方法在土壤修復效果評估中應用的探索和嘗試，而且還討論了方法的限制性及其現(xiàn)實用的差距，最后將對實際評價的局限性和今后的研究需要做出總結。

3 陸生生物毒性測試法

3.1 土壤植物法

植物作為生產(chǎn)者，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植物毒性試驗在土壤修復效果評價中的應用是以土壤中有害物質(zhì)的變化以及植物生長條件為基礎的，污染物的濃度、分布和形態(tài)是影響種子萌發(fā)和植株生長的關鍵。一般來說，植物越容易接觸和吸收到污染物，污染物的毒性就越強，植物生長就會受到相應的影響，植物器官內(nèi)殘留積累的污染物也會增加。在修復過程中，污染物的去除通常伴隨著土壤性質(zhì)(pH，CEC、土壤肥力、滯留能力等)的變化，而這同樣會對植物的生長產(chǎn)生影響。因此，考察植物生理、生態(tài)、生長狀況對污染土壤的反應以及植物器官內(nèi)殘留積累的污染物成為了從生態(tài)毒理學角度評價土壤修復效果的重要方法之一[9]。

為了保證實驗的有效性，如何篩選出重復性好、敏感和易于馴化使用的植物種子是方法的關鍵，同時還應針對不同實驗需求，選取考察植物不同的生長期。由于植物生態(tài)毒理學研究起步較早，已有相對成熟的測試方法，根據(jù)其測試終點主要可以分為3類：根伸長實驗、種子發(fā)芽實驗和植物幼苗生長實驗。其中根伸長和種子發(fā)芽的急性毒性實驗，操作簡便，實驗周期較短，為4～8天，主要考察受試土壤對植物胚胎發(fā)育的影響；而生長實驗多以繁殖為測試終點，盡管國際標準方法(ISO22030)中采用了如燕麥和蕪青這樣生長周期較短的植物，但花費時間仍較長，為3～8周，相應的，相較于發(fā)芽和根伸長實驗，生長實驗更為可靠和全面。

近些年掀起了納米材料在土壤修復領域應用的熱潮，國內(nèi)外諸多研究都采用了植物毒性法評價污染土壤的修復效果。Wang Yu等人利用甘藍型油菜和大白菜的8日根伸長實驗對羧甲基纖維素鈉穩(wěn)定化納米零價鐵修復的鉻污染土壤進行植物毒性測試，從植物的生長狀況和Cr的攝入量驗證了材料對污染土壤的修復效果[10]。Jin[11]等人也使用納米羥基磷灰石固定土壤中的鉛，實驗表明，該修復方法提高了黑麥草的生物量，提高了黑麥草從土壤中去除鉛的效果。但也不是所有的修復措施都能減少植物毒性，D.Rede等人[12]利用EPA的標準發(fā)芽實驗，檢驗出芬頓氧化法和綠色納米零價鐵進行土壤的修復時會使萵筍發(fā)芽率降低45%，根伸長抑制率達80%。也有一些研究在毒性測試方法上做了一些大膽的嘗試，Santini等人[13]觀察到植被對鋁土尾礦土壤的自發(fā)侵蝕，并將其作為礦區(qū)土壤修復過程的指標。但由于植被侵蝕過程耗時較長(超過30年)，因此該評價方法不適合一般的修復案例，但有利于對生態(tài)影響的長期研究。

3.2 土壤動物法

土壤動物毒性試驗研究了修復后土壤仍存在的不利因素對土壤動物群形態(tài)、生理、行為的影響。對于土壤污染，蚯蚓因其與土壤的密切接觸且具有數(shù)量多，分布廣泛，易于采樣，對土壤的變化敏感等諸多優(yōu)點被廣泛用作試驗物種[14-15]。除蚯蚓外，其他動物物種如螨蟲、等足類、線蟲和原生動物也具有很好的土壤生態(tài)毒性評估潛力[16]。

土壤動物毒性實驗研究的生理指標有存活、繁殖、生長、發(fā)育和行為等。通常使用的土壤生態(tài)毒性測試方法主要有三種：急性毒性實驗，繁殖實驗以及回避行為實驗。急性毒性測試實驗周期短，但靈敏度較低，繁殖實驗雖能彌補靈敏度上的缺點但測試周期過長為1～2個月，回避行為實驗時間最短一般只有兩天，且靈敏度與繁殖實驗相近[17]。

Chang等利用蚯蚓的急性毒性實驗對鉛污染土壤修復前后進行生態(tài)毒性評價，結果表明修復后的土壤對蚯蚓存在明顯的毒性效應[18]。在有機堆肥修復重金屬污染土壤的實驗中，Gonzalez等人[14]利用蚯蚓評價土壤修復效果，在有機堆肥添加量超過25%時，改良土壤中可給金屬濃度和電導率顯著提升，導致所有蚯蚓在未稀釋的土壤中死亡，繁殖受到了完全抑制。這些結果表明，動物毒性試驗是評估土壤修復的有效工具。

4 土壤微生物法

微生物毒性是指微生物暴露于不利因素后對其生理過程和生態(tài)功能或特性產(chǎn)生的不利影響。當土壤被污染后，土壤的基本理化性質(zhì)發(fā)生了改變，也將對土壤微生物產(chǎn)生不同影響[19]。與植物和動物的毒性試驗相比，土壤的微生物毒性試驗更受到了廣大研究者的關注：一方面，土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有多種重要的生態(tài)功能，在能量流動、養(yǎng)分轉化和元素循環(huán)中起著重要的作用[20]，和土壤的肥力與污染物的濃度也密切相關；另一方面，微生物毒性試驗簡單、快速、廉價，僅需要很少量的樣品就能引起生理變化[21]。因此，可以把土壤微生物學的參數(shù)作為評定污染土壤修復效果的指標。

一般來說，土壤污染物的毒性由于修復處理而降低，其對微生物的脅迫和影響也會得到緩解，從而會導致微生物的生物量增加，微生物的呼吸強度增加以及微生物群落結構多樣性的提高[22]。因此，土壤微生物毒性測試評價修復效果時一般以微生物群落水平上的生物量、活性和多樣性等為觀測指標。此外，微生物活性還可以用呼吸、硝化、氨化和固氮作用等來衡量，而土壤酶作為微生物各項生命活動的標志物也被廣泛地運用于土壤質(zhì)量的評價。如脫氫酶與土壤微生物的氧化能力相關，通常用來指示土壤微生物存活狀況[23]；過氧化氫酶可以反映土壤微生物的抗氧化能力[24]，而脲酶在微生物的硝化行為中起著重要作用，同樣也可用來指示微生物總量[25]。目前對于土壤酶的研究，無論是土壤的前處理、土壤滅菌、分析條件，還是在表達土壤酶活性單位方面，都有待進一步完善。因此，規(guī)范土壤酶活性的測定方法成為研究中急需解決的問題。

Kaplan等人[26]利用鐵砂進行原位修復，控制微量金屬的污染。微生物多樣性和呼吸活性在有效修復后增加，這表明監(jiān)測土壤微生物群落及其活性可以作為評價污染土壤修復有效性的工具。Y.Sun等人[27]在應用天然海泡石對鎘進行穩(wěn)定處理后，對修復后酸性土壤中的微生物群落進行了評估，結果顯示修復處理顯著影響了微生物種群。例如，在1.25 mg/kg的鎘水平下，海泡石處理后的土壤細菌數(shù)量增加了71.1%～232.9%。此外，他們的結果還表明，細菌是土壤中最敏感的物種，其次是放線菌和真菌，這些微生物在土壤團聚體的形成和對植物的生長促進中起著重要的作用。海泡石處理后，微生物群落數(shù)量增加，生物多樣性增加，表明土壤的功能有一定的恢復。Gong[28]采用生物刺激與改性芬頓氧化相結合的方法對風化的石油污染土壤進行修復。在他的研究中，雖然石油烴的總量有了很大的減少，但是由于H2O2和自由基引起的細胞壁解體，在氧化過程后的第6周，微生物的總量急劇減少。

5 水生生物毒性測試法

水生生態(tài)毒性測試法具有檢測水中多種毒性物質(zhì)相互作用的綜合效應，以水生生物的毒性效應指示污染物生態(tài)風險的能力，由于其具有快速、簡便、費用低的特點，一直以來被廣泛運用于標準化學品、農(nóng)藥的風險識別、工業(yè)廢水監(jiān)測等領域。隨著土壤生態(tài)毒理學的發(fā)展，一些研究人員嘗試把相對成熟的水生生態(tài)毒性測試方法運用到土壤生態(tài)毒性診斷上來[29]，隨著研究成果的豐富使得水生生物毒性測試法進行土壤修復效果的評價成為可能。

水生生物毒性測試的一般選取土壤浸提液或者土壤和水組成的混合液作為暴露介質(zhì)，既能用來評價修復后的污染土壤對水環(huán)境影響的風險，也可用來評價土壤孔隙水暴露導致的生物毒性效應[30]。常用的測試生物有發(fā)光細菌、藻類、溞類等，也有部分研究人員，采用魚類胚胎的急性毒性實驗檢測土壤的污染狀況。發(fā)光細菌的光輸出與其代謝活性成正比例關系，干擾其代謝的毒物會抑制其發(fā)光。該方法具有快速、花費少、可自動化分析等優(yōu)點，但由于其對暴露介質(zhì)的pH及鹽度的要求嚴格，僅適合用于土壤毒性的初步篩查。藻類作為生產(chǎn)者，與高等植物相比，具有繁殖迅速、易于培養(yǎng)等優(yōu)點，藻類毒性測試一般以生長為測試終點，生長狀況通過測定藻類細胞數(shù)量來表征。溞類毒性測試中最常用的溞類是大型溞，測試終點包括運動、存活和繁殖等。

宋曉威等[31]分別利用了大型溞，斜生柵藻以及費舍爾弧菌對蘇南某電鍍廠遺留場地進行了生態(tài)毒性測試，結果表明水生生態(tài)毒性測試方法具有快速實用、可行可靠的優(yōu)點，和物理化學評價指標相結合可以快速、直觀、綜合的評價場地的污染狀況。Lourenco.J[32]等人利于斑馬魚急性毒性實驗對修復后的鈾礦尾礦進行修復效果評價，結果表明修復手段一定程度上減小了尾礦土壤對斑馬魚胚胎的毒性效應，但對胚胎影響最顯著的因素還是浸提液的pH，也反應了水生生態(tài)毒性測試對受試土壤要求苛刻的局限性。

6 結論

目前場地修復驗收時主要的修復評估指標都存在一些不足：污染物殘余總量及浸出特性雖然直觀且操作簡便，但反應的土壤狀況較為片面，評價誤差大；風險評估法雖較上述方法更能全面預測修復后土壤的影響，但有時主觀性太強。本文已經(jīng)詳細敘述了各種生態(tài)毒性測試在土壤修復效果評價中應用的優(yōu)點和局限性，在近些年的修復效果相關的研究中，植物法以其在土壤實驗中成熟的測試手段和土地主要的期望利用類型而被最多的選為修復效果的評價方法，在實際土壤修復項目的運用中，需要針對不同的修復技術、土壤本身的理化特性以及土地利用類型，選取合適的測試方法搭配使用，構建起全面而且可信的評價體系。

7 研究展望

現(xiàn)階段，采用上述生態(tài)毒性測試的評價方法進行污染土壤的修復效果評價仍存在一定的局限性。首先，缺少土壤修復標準以及修復技術的標準，使得監(jiān)管機構難以對修復項目做出評判；第二，目前的評價方法大多集中在單一方面，缺乏綜合評估體系，研究人員只針對污染物含量、土壤生態(tài)風險的變化進行了部分探究，由此而來的評估結果可能不具有說服力，不利于項目的管理和修復效果的提高。此外，在實際的土壤修復項目中，由于評價案例不足，面對復雜的實際情況，更難運用上述方法進行有效評價。土壤修復也同時需要考慮工程困難、經(jīng)濟問題和社會問題?；谶@些不足和挑戰(zhàn)，未來的研究建議如下:

(1)鼓勵開展建立土壤修復技術標準的研究。同時，也需要對污染物分析方法和生態(tài)毒性測試方法進行標準化的研究。

(2)健全和規(guī)范土壤修復效果評價體系。探究修復評價中各因素(土壤理化性質(zhì)、生態(tài)毒性效應、健康風險)之間的關系，針對不同種類的污染土壤、不同的土地利用類型，驗證現(xiàn)存體系中指標及其權重的科學性、合理性。

(3)實際情況下的測試方法、檢測技術和經(jīng)濟因素的協(xié)調(diào)需要進一步研究，建立切實可行的評價方法的篩選機制。