線蟲對采煤礦區(qū)水環(huán)境和土壤環(huán)境質(zhì)量評價的作用

耿文敬，張 鑫，郭肖穎，齊 俊,4，朱 江

(1 安徽省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽 合肥 230031； 2 安徽農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,安徽 合肥 230036；3 合肥學院 生物食品與環(huán)境學院,安徽 合肥 230601； 4 合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

淮北礦區(qū)擁有豐富的煤炭資源，煤炭開采歷史久遠，為區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展做出了突出貢獻，但長期掠奪式的礦產(chǎn)開發(fā)形成了典型的采煤塌陷區(qū)。在塌陷區(qū)內(nèi)，由煤炭開采、堆放和使用而產(chǎn)生的污染元素會通過多種途徑遷移和轉(zhuǎn)化進入周邊水質(zhì)和土壤，并通過食物鏈在動植物和人體內(nèi)富集，給礦區(qū)人們的生產(chǎn)生活和身體健康帶來潛在的威脅[1-3]。近年來，煤礦開采引起的地表沉陷、地下水污染和土壤重金屬超標等一系列生態(tài)環(huán)境問題受到了廣泛關注。要解決這些礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，首先應該對礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量進行科學有效的評價。有學者通過測定礦區(qū)水質(zhì)的營養(yǎng)元素含量，結(jié)合單因子指數(shù)法評價礦區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量[4]。有學者測定了礦區(qū)土壤的重金屬含量，并通過單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法揭示礦區(qū)土壤重金屬污染特征及評價生態(tài)風險[5-6]。當前針對淮北礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究多集中于地下水的養(yǎng)分含量、土壤重金屬含量等，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境生物安全性監(jiān)測的報道相對較少[7-8]。這些評價監(jiān)測方法一般僅用污染物質(zhì)的濃度值來評估礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量，難以靈敏地反映出淮北礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中生物調(diào)控的細微變化[9]。因此，建立一種科學的生物評價方法，更加靈敏有效地反映礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，對于淮北礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測預警尤為重要。

土壤線蟲作為土壤中最豐富的后生動物，存在于任何土壤環(huán)境中，處于土壤食物網(wǎng)的中心位置[3,10]。土壤線蟲的群落組成可以反映當?shù)赝寥赖慕】禒顩r、污染狀況、有機物質(zhì)的輸入狀況及自然和外界干擾程度等[11-13]。秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans作為土壤線蟲的一種，是一種國際公認的模式生物，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實驗室培養(yǎng)、生長周期短的優(yōu)勢，且具有60%～80%的人類同源基因，常被應用于環(huán)境評價、生態(tài)毒理、生命科學等各個領域[14-15]。本文以安徽淮北采煤礦區(qū)為研究對象，通過活體秀麗隱桿線蟲對礦區(qū)水環(huán)境的響應來指示礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，以及通過土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)來指示礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，以期為淮北采煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生物學監(jiān)測提供科學有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計及樣品采集

取樣地點設在安徽省淮北市杜集區(qū)沈莊煤礦和石臺煤礦，均是安徽淮北典型的采煤塌陷區(qū)，沈莊煤礦已有多年開采歷史，而石臺煤礦開采時間相對較短。采樣共設7個樣點，分別是CK：對照區(qū)，1：距離沈莊礦井100 m的礦區(qū)，2：距離沈莊礦井 1 500 m的礦區(qū)，3：距離沈莊礦井 3 000 m的礦區(qū)，4：距離石臺礦井100 m的礦區(qū)，5：距離石臺礦井 1 500 m的礦區(qū)，6：距離石臺礦井 3 000 m的礦區(qū)(圖1)。采集礦區(qū)附近的水塘水環(huán)境樣品和農(nóng)田土壤樣品。水環(huán)境樣品分別記為WCK、W1、W2、W3、W4、W5、W6，取自 0～30 cm 水層。土壤樣品分別記為 SCK、S1、S2、S3、S4、S5、S6，取自 0～20 cm耕層土壤。采樣時均為晴天，每個樣點按照“S”形取樣法采集5個點的樣品并混勻成1個樣品，每個采樣點共取回約2 kg 土樣和 1 000 mL 水樣，放在4 ℃冰箱保存。

圖1 采樣點分布示意圖Fig. 1 Distribution of sampling site

1.2 試驗方法

1.2.1 秀麗隱桿線蟲的暴露試驗 在進行礦區(qū)水環(huán)境檢測時，選用的秀麗隱桿線蟲品系為N2 Bristol野生型。礦區(qū)水環(huán)境樣品用0.22 μm的微孔濾膜過濾后用于秀麗隱桿線蟲的培養(yǎng)。每個樣品做3次重復，主要檢測秀麗隱桿線蟲的半數(shù)致死時間、體長、產(chǎn)卵數(shù)、細胞凋亡等發(fā)育指標，檢測方法參照文獻[16-18]。

1.2.2 土壤線蟲的分離鑒定 土壤線蟲采用高效、常用的蔗糖離心漂浮法[19]分離。稱取50 g鮮土，加入0.8 g·mL-1蔗糖溶液進行離心浮選，分離的線蟲經(jīng)24 h饑餓處理后，用TAF固定液(體積分數(shù)為40%的甲醛溶液 7 mL、三乙醇胺 2 mL、蒸餾水 91 mL)固定，在生物顯微鏡下進行線蟲屬的鑒定和計數(shù)。每個樣品做3次重復。根據(jù)線蟲頭部、尾部的形態(tài)學特征和取食特性將其劃分為4個營養(yǎng)類群：植物寄生線蟲、食細菌線蟲、食真菌線蟲和雜食/捕食線蟲[20-21]，具體分類檢索方法參見《中國土壤動物檢索圖鑒》[22]。

1.2.4 理化性質(zhì)檢測 水中重金屬銅、鋅、鉻、砷的含量采用電感耦合等離子-質(zhì)譜法(安捷倫科技有限公司Agilent8800電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)測定，氟化物采用離子色譜法(美國戴安公司ICS-1100離子色譜儀)測定。土壤中重金屬銅、鉛、鋅、鉻、鎘、砷、汞含量采用原子分光光度法(日本日立公司Z-2000原子吸收分光光度計)測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0軟件進行方差分析及主成分分析，用LSD新復極差法進行顯著性檢驗，圖表采用 Microsoft Excel 2010 生成。

2 結(jié)果與分析

2.1 秀麗隱桿線蟲發(fā)育指標對淮北礦區(qū)水環(huán)境的響應

2.1.1 礦區(qū)水環(huán)境對線蟲壽命和存活率的影響通過對采取的水樣進行秀麗隱桿線蟲暴露試驗，測得秀麗隱桿線蟲的半數(shù)致死時間和存活率結(jié)果如圖2所示。圖2A顯示，與WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和 W6的線蟲半數(shù)致死時間分別顯著降低了34.58%、30.18%、23.04%、25.68%、20.93%和15.63%(P＜0.05)，表明采煤礦區(qū)水環(huán)境顯著降低了線蟲的半數(shù)致死時間。圖2B顯示，礦區(qū)水環(huán)境樣品中秀麗隱桿線蟲線蟲存活時間為 18～26 d，其中 W1、W2、W3、W4、W5和W6的秀麗隱桿線蟲的存活率曲線較WCK明顯左移，表明采煤礦區(qū)水環(huán)境降低了線蟲的存活率；可能隨著煤礦開采時間的增加，礦區(qū)水環(huán)境中產(chǎn)生了更多的有害成分[23]，從而對線蟲產(chǎn)生更大的毒性。

圖2 礦區(qū)水環(huán)境對秀麗隱桿線蟲半數(shù)致死時間和存活率的影響Fig. 2 Influence of mining area water environment on lethal time of 50% and survival rate of Caenorhabditis elegans

2.1.2 礦區(qū)水環(huán)境對線蟲體長的影響 同步化的秀麗隱桿線蟲從L1期開始暴露于不同的水環(huán)境，72 h后取出測量體長，結(jié)果如圖3所示。與WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和 W6的線蟲體長分別顯著降低了62.86%、57.87%、53.68%、58.14%、52.27%和36.23%(P＜0.05)。從開采年限上看，W1與W4的線蟲體長存在顯著差異，W1比W4顯著降低了11.28%(P＜0.05)。從采樣點離礦井距離上來看，沈莊礦點W1、W2、W3及石臺礦點W4、W5、W6之間的秀麗隱桿線蟲體長存在顯著差異 (P＜0.05)，其中 W2、W3的體長分別為W1的1.13倍和1.25倍，W5、W6的體長分別為W4的1.14倍和1.52倍，表明與礦井距離越近，對線蟲體長的抑制作用越強。

圖3 礦區(qū)水環(huán)境對秀麗隱桿線蟲體長的影響Fig. 3 Effects of mining area water environment on body length of Caenorhabditis elegans

2.1.3 礦區(qū)水環(huán)境對線蟲產(chǎn)卵的影響 線蟲暴露于礦區(qū)水環(huán)境對產(chǎn)卵數(shù)影響的結(jié)果如圖4所示。與 WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和W6的線蟲產(chǎn)卵數(shù)分別顯著降低了56.70%、51.38%、46.72%、50.58%、45.60% 和 39.00%(P＜0.05)。從開采年限上看，W1的線蟲產(chǎn)卵數(shù)較W4顯著降低了12.37%(P＜0.05)，表明煤礦開采時間越長，線蟲后代產(chǎn)卵數(shù)目越少。從采樣點離礦井距離上來看，沈莊礦點W1、W2、W3及石臺礦點W4、W5、W6之間的產(chǎn)卵數(shù)目存在顯著差異(P＜0.05)，其中，W2、W3的體長分別為 W1的1.12倍和1.23倍，W5、W6的體長分別為W4的1.10倍和1.23倍，表明與礦井距離越近，線蟲后代產(chǎn)卵數(shù)目越少。

圖4 礦區(qū)水環(huán)境對秀麗隱桿線蟲產(chǎn)卵數(shù)的影響Fig. 4 Effects of mining area water environment on the number of eggs laid by Caenorhabditis elegans

2.1.4 礦區(qū)水環(huán)境對線蟲生殖細胞凋亡的影響 線蟲的生殖腺是一個非常敏感的組織模型，試驗選用線蟲生殖細胞凋亡作為檢測終點，探究礦區(qū)周邊不同水環(huán)境對線蟲生殖發(fā)育的影響。將同步化的L1期線蟲暴露于不同水體72 h后，檢測線蟲1條性腺臂的細胞凋亡數(shù)目，結(jié)果如圖5所示。與WCK(生殖細胞凋亡數(shù)目為3.37)相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品W1、W2、W3的線蟲生殖細胞凋亡數(shù)目分別顯著增加了 44.34%、33.03%、18.96%(P＜0.05)。從開采年限上看，W1的線蟲生殖細胞凋亡數(shù)目比W4顯著增加了12.37%(P＜0.05)，表明煤礦開采時間的增加會誘導線蟲生殖細胞凋亡數(shù)目顯著增加。從采樣點離礦井距離上來看，沈莊礦點W1、W2與W3之間存在顯著差異(P＜0.05)，表明距離礦井越近，生殖細胞凋亡數(shù)目越多。

圖5 礦區(qū)水環(huán)境誘導的秀麗隱桿線蟲生殖細胞凋亡Fig. 5 The apoptosis of Caenorhabditis elegans germ cells induced by mining area water environment

2.1.5 線蟲發(fā)育指標與礦區(qū)水環(huán)境中污染元素的關系 由于采煤礦區(qū)環(huán)境常有重金屬污染的風險，而秀麗隱桿線蟲生長發(fā)育與其有明顯的關聯(lián)[24]，因此我們對水樣的污染元素含量做了檢測，結(jié)果見表1。地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB 3838—2002 Ⅱ類水標準[25]規(guī)定，地表水環(huán)境中銅、鋅、鉻、砷、氟的標準限值分別為 1.0、1.0、0.05、0.05、1.0 mg·L-1。由表1可以看出，礦區(qū)水環(huán)境樣品中銅質(zhì)量濃度為 0.43～1.45 μg·L-1，鋅質(zhì)量濃度為 0.23～5.01 μg·L-1，鉻質(zhì)量濃度為11.12～22.77 μg·L-1，砷質(zhì)量濃度為 5.36～15.85 μg·L-1，氟質(zhì)量濃度為 0.73～2.20 μg·L-1。由此可以發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷區(qū)水環(huán)境中銅、鋅、鉻、砷、氟含量遠低于標準 GB 3838—2002 Ⅱ類水標準[25]限值。其中，W1、W2、W3、W4、W5、W6的銅含量分別是 WCK的36.25、26.50、19.50、29.75、17.75、10.75倍，鉻含量分別是 WCK的 3.23、2.39、1.78、2.35、1.66、1.58倍，砷含量分別是WCK的8.95、5.39、4.10、6.54、3.03、3.49倍，氟含量分別是 WCK的 5.79、4.13、3.32、3.50、2.82、1.92倍。

表1 礦區(qū)水樣主要污染元素的含量1)Table 1 Contents of the major pollutant elements in water samples of mining area ρ/(μg·L-1)

將水樣污染元素的含量與秀麗隱桿線蟲生長發(fā)育指標做相關性分析得到表2，由表2可以看出，水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟含量與秀麗隱桿線蟲的半數(shù)致死時間、體長、產(chǎn)卵數(shù)目呈顯著負相關關系，與線蟲生殖細胞凋亡數(shù)目呈顯著正相關關系。

表2 秀麗隱桿線蟲發(fā)育指標與水環(huán)境中污染元素含量的相關性分析1)Table 2 Correlation analyses of Caenorhabditis elegans growth and development indexes and pollution element contents in water environment

礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟的含量差異較大，結(jié)合相關性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水環(huán)境對秀麗隱桿線蟲發(fā)育的抑制作用可能與銅、鉻、砷、氟含量密切相關，礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟含量的增加對秀麗隱桿線蟲的發(fā)育造成了一定的影響。

2.2 土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)對淮北礦區(qū)土壤環(huán)境的響應

2.2.1 礦區(qū)土壤環(huán)境對土壤線蟲營養(yǎng)類群的影響 對不同礦區(qū)土壤的線蟲群落結(jié)構(gòu)進行分析，共鑒定出 19 個屬 (表3)，SCK、S1、S2、S3、S4、S5、S6分別鑒定出 18、15、16、15、16、16、16個屬。礦區(qū)土壤樣品 S1、S2、S3、S4、S5、S6鑒定出的線蟲屬數(shù)均低于SCK，表明采煤礦區(qū)的土壤環(huán)境能夠降低土壤線蟲屬的數(shù)目。圖6顯示，不同礦區(qū)土壤樣地的線蟲優(yōu)勢類群均為植物寄生線蟲。土壤線蟲個體數(shù)目占線蟲群落個體總數(shù)10%以上的為優(yōu)勢線蟲屬，SCK的優(yōu)勢屬為短體屬，礦區(qū)土壤樣品S1的優(yōu)勢屬為螺旋屬，S2的優(yōu)勢屬為螺旋屬、矮化屬、短體屬和絲尾墊刃屬，S3的優(yōu)勢屬為螺旋屬、矮化屬和墊刃屬，S4的優(yōu)勢屬為螺旋屬、矮化屬和短體屬，S5的優(yōu)勢屬為螺旋屬、矮化屬和短體屬，S6的優(yōu)勢屬為螺旋屬和矮化屬。

表3 不同類群的土壤線蟲占比Table 3 The proportions of different soil nematode genera %

圖6 不同營養(yǎng)類群的土壤線蟲占比Fig. 6 The proportions of different soil nematode trophic groups

與 SCK相比，S1、S2、S3、S4、S5、S6的植物寄生線蟲相對豐度分別增加了42.36%、25.77%、28.55%、19.86%、21.03%、12.34%；而食細菌線蟲相對豐度明顯低于 SCK，S1、S2、S3、S4、S5的食細菌線蟲相對豐度較SCK分別減少了51.96%、54.21%、55.17%、47.58%、23.12%。從開采年限看，與S4相比，S1的植物寄生線蟲相對豐度增加了18.77%；從采樣點離礦井距離來看，石臺礦點S4、S5、S6的食細菌線蟲相對豐度存在明顯差異，S5、S6的食細菌線蟲相對豐度較S4分別增加了46.68%、112.45%。上述結(jié)果表明，采煤礦區(qū)土壤中線蟲屬的數(shù)目減少，植物寄生線蟲相對豐度增加。

2.2.2 礦區(qū)土壤環(huán)境對土壤線蟲生態(tài)指數(shù)的影響 礦區(qū)不同樣地的土壤線蟲生態(tài)指數(shù)測定結(jié)果見表4，由表4可以發(fā)現(xiàn)，與SCK相比，礦區(qū)土壤樣品 S1、S2、S3、S4、S5、S6的香農(nóng)多樣性指數(shù) (H′)、瓦斯樂斯卡指數(shù)(WI)顯著低于SCK，而植物寄生線蟲成熟度指數(shù)(PPI)顯著高于SCK(P＜0.05)，其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6的香農(nóng)多樣性指數(shù)較 SCK分別降低了36.84%、8.50%、5.67%、11.74%、8.91%、6.88%，瓦斯樂斯卡指數(shù)較SCK分別降低了67.27%、63.64%、63.64%、61.82%、52.73%、20.00%，植物寄生線蟲成熟度指數(shù)較SCK分別增加了48.77%、24.69%、20.99%、24.07%、24.69%、15.43%；表明采煤礦區(qū)土壤的線蟲群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，土壤健康狀況變差。

表4 礦區(qū)土壤樣品中線蟲的生態(tài)指數(shù)1)Table 4 The ecological indices of nematode in soil samples of mining area

從開采年限上看，與S1相比，S4的香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲成熟度指數(shù)顯著增加，優(yōu)勢度指數(shù)和植物寄生線蟲成熟度指數(shù)顯著降低(P＜0.05)，表明采礦時間的增加會降低土壤質(zhì)量，其中S4的香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲成熟度指數(shù)分別為S1的1.40、1.17、1.42、2.50倍，而優(yōu)勢度指數(shù)比S1降低了68.29%，植物寄生線蟲成熟度指數(shù)降低了16.60%；表明采礦時間的增加使土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，土壤健康狀況變差。

從采樣點與礦井距離來看，沈莊礦點S1、S2、S3的植物寄生線蟲成熟度指數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，距離礦井越遠，植物寄生線蟲成熟度指數(shù)越??；石臺礦點S4、S5、S6的瓦斯樂斯卡指數(shù)和自由生活線蟲成熟度指數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，距離礦井越遠，瓦斯樂斯卡指數(shù)越大，自由生活線蟲成熟度指數(shù)越小。結(jié)果表明隨著采樣點與礦井距離的增加，土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強，土壤質(zhì)量更好。

2.2.3 土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)與礦區(qū)土壤中主要污染元素的關系 由于采煤礦區(qū)土壤環(huán)境常有重金屬污染的風險，而土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)與其有明顯的相關性[26]，因此我們對土樣主要重金屬含量做了檢測，結(jié)果見表5。土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB 15618—1995國家二級標準[27]規(guī)定，土壤環(huán)境中鉻、銅、鋅、鉛、鎘、砷、汞的標準限值分別為 200、100、250、300、0.30、30、0.50 mg·kg-1。由表5可以看出，礦區(qū)土壤樣品中鉻質(zhì)量分數(shù)為 45.84～54.24 mg·kg-1，銅質(zhì)量分數(shù)為 17.91～23.62 mg·kg-1，鋅質(zhì)量分數(shù)為 50.99～60.58 mg·kg-1，鉛質(zhì)量分數(shù)為 15.78～23.77 mg·kg-1，鎘質(zhì)量分數(shù)為 0.10～0.19 mg·kg-1，砷質(zhì)量分數(shù)為9.28～16.35 mg·kg-1，汞質(zhì)量分數(shù)為 0.09～0.28 mg·kg-1。其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6的鉻含量較 SCK分別提高了30.79%、19.51%、10.66%、25.03%、10.54%、16.88%，銅含量較SCK分別提高了59.38%、38.19%、29.82%、28.07%、44.67%、20.85%，鋅含量較SCK分別提高了44.00%、37.60%、25.12%、31.00%、26.72%、21.20%；表明礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅的含量差異較大。

表5 土壤樣品中主要污染元素含量1)Table 5 Contents of major pollutant elements in soil samples w/(mg·kg-1)

將礦區(qū)土壤樣品重金屬含量與土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的相關指標做相關性分析得到表6，由表6可以看出，土壤樣品中鉻含量與香農(nóng)多樣性指數(shù)顯著負相關，與植物寄生線蟲成熟度指數(shù)顯著正相關(P＜0.05)；銅含量與食真菌線蟲相對豐度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂斯卡指數(shù)、自由生活線蟲成熟度指數(shù)顯著負相關(P＜0.05)，與植物寄生線蟲相對豐度、植物寄生線蟲成熟度指數(shù)極顯著正相關(P＜0.01)；鋅含量與食真菌線蟲相對豐度、瓦斯樂斯卡指數(shù)顯著、極顯著負相關 (P＜0.05、P＜0.01)，與植物寄生線蟲相對豐度、植物寄生線蟲成熟度指數(shù)極顯著正相關(P＜0.01)；鉛含量與香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)顯著負相關(P＜0.05)，與優(yōu)勢度指數(shù)、植物寄生線蟲成熟度指數(shù)顯著正相關(P＜0.05)。

表6 土壤線蟲生態(tài)指標與土壤環(huán)境中污染元素含量的相關性分析1)Table 6 Correlation analysis of soil nematode ecological indexes and pollution element contents in soil environment

結(jié)合表5、表6結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的變化可能與鉻、銅、鋅含量的差異密切相關，礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅含量的增加對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成了一定的損害。

3 討論與結(jié)論

3.1 線蟲發(fā)育指標對礦區(qū)水環(huán)境的響應

秀麗隱桿線蟲是一種國際公認的模式生物，結(jié)構(gòu)簡單，具有60%～80%的人類同源基因，一直應用于相關的毒理學試驗，被當做是生物安全性測試的一個組成部分[28]。吉宗慧等[29]研究顯示，高濃度的硫化汞會在一定程度上抑制線蟲的生長發(fā)育；郭肖穎等[16]研究顯示，隨著鐵礦區(qū)水環(huán)境中重金屬含量的增加，線蟲生殖生長發(fā)育的毒性也會增大。上述結(jié)果表明，秀麗隱桿線蟲暴露在含重金屬的水環(huán)境中，會對線蟲的生長發(fā)育造成不同程度的損害。本研究模式生物秀麗隱桿線蟲的水環(huán)境暴露試驗結(jié)果顯示，采煤礦區(qū)的水環(huán)境會降低線蟲壽命和存活率、減少線蟲體長、降低后代產(chǎn)卵數(shù)，同時誘導線蟲生殖細胞凋亡，且煤礦開采時間越長，采樣點離礦井越近，對線蟲發(fā)育指標的抑制作用越顯著。

水中污染元素含量的檢測結(jié)果揭示，礦區(qū)水質(zhì)各項污染元素含量均符合國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838—2002 Ⅱ類水標準[25]，表明采煤塌陷區(qū)水環(huán)境質(zhì)量達到了集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)的水質(zhì)要求，這與蔡月等[30]研究結(jié)果相一致。另一方面，雖然試驗所取水環(huán)境樣品都符合GB3838—2002 Ⅱ類水標準[25]，但由于水中污染元素的種類和含量不同，對線蟲生長、生殖發(fā)育的影響也不同，煤礦開采時間越長，采樣點離礦井越近，線蟲生長發(fā)育受到的抑制作用越大。相關性分析結(jié)果顯示，秀麗隱桿線蟲的發(fā)育抑制作用可能與礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟的含量密切相關，表明活體秀麗隱桿線蟲對礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測預警效果更靈敏，更能反映礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的細微變化。

3.2 線蟲群落結(jié)構(gòu)對礦區(qū)土壤環(huán)境的響應

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤線蟲是一類十分活躍的生物，對于土壤有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分循環(huán)和土壤理化性狀的改善等都具有十分重要的作用，在土壤生態(tài)鏈中占有重要地位[31]。土壤線蟲的群落組成可以反映當?shù)赝寥赖慕】禒顩r、污染狀況、有機物質(zhì)的輸入狀況及自然和外界干擾的程度等[11-13]。隨著對土壤線蟲生態(tài)多樣性研究的深入，土壤線蟲常作為生物多樣性的指示因子評價土壤的健康狀況和土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[32-33]。華建峰等[34]研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)土壤中砷濃度的增加會降低土壤線蟲群落的環(huán)境質(zhì)量，土壤線蟲食物網(wǎng)受到的外界干擾顯著增大。高雅等[35]研究發(fā)現(xiàn)，煤礦開采會減少土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的多樣性，降低穩(wěn)定性。本文土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，采煤礦區(qū)土壤環(huán)境會降低土壤線蟲屬的數(shù)目，增加土壤中有害線蟲植物寄生線蟲的相對豐度，同時土壤線蟲香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲成熟度指數(shù)顯著降低，優(yōu)勢度指數(shù)和植物寄生線蟲成熟度指數(shù)顯著增加，表明礦區(qū)環(huán)境降低了土壤線蟲物種多樣性和線蟲群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤健康狀況顯著變差。煤礦開采時間越長，采樣點離礦井越近，對土壤線蟲的影響愈大。

土壤中污染元素含量的分析結(jié)果揭示，礦區(qū)土壤各項污染元素含量符合土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB 15 618—1995國家二級標準[27]，土壤狀況總體良好，土壤指標符合保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護人體健康的土壤需求，這與孫浩等[36]對淮北礦區(qū)土壤重金屬環(huán)境評價的結(jié)果一致。另一方面，雖然所取土壤樣品都符合GB 15 618—1995土壤二級標準[27]，但由于土壤重金屬的種類和含量不同，線蟲群落結(jié)構(gòu)對其的響應也不同，煤礦開采時間越長，采樣點離礦井越近，土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的多樣性和穩(wěn)定性越低，土壤健康狀況越差。相關性分析結(jié)果顯示，土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的變化可能與礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅的含量密切相關。表明土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的變化對礦區(qū)土壤環(huán)境的監(jiān)測預警更靈敏，更能反映礦區(qū)土壤環(huán)境的細微變化。

綜上所述，采煤礦區(qū)水環(huán)境使秀麗隱桿線蟲壽命和成活率降低、體長變短、產(chǎn)卵數(shù)減少，同時誘導線蟲生殖細胞凋亡，且煤礦開采時間越長，采樣點距離礦井愈近，對線蟲發(fā)育指標的抑制作用越顯著。采煤礦區(qū)土壤環(huán)境使土壤線蟲屬的數(shù)目減少，植物寄生線蟲的相對豐度增加，同時線蟲香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂斯卡指數(shù)和自由生活線蟲成熟度指數(shù)顯著降低，植物寄生線蟲成熟度指數(shù)顯著提高；表明礦區(qū)環(huán)境降低了土壤質(zhì)量，且煤礦開采時間越長，采樣點距離礦井愈近，對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響越大。因此，秀麗隱桿線蟲發(fā)育指標對水環(huán)境的響應，以及土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)對土壤環(huán)境的響應，可以很好地指示出淮北采煤礦區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量。