城市土壤重金属与环草隆复合污染对蚯蚓的生态效应研究

摘要

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分，也是城市污染物的主要风险受体，是一个典型的复合污染体系。随着快速的城市化发展，城市土壤中重金属和农药污染日益严重，然而有关它们复合污染的研究相对较少。本研究针对城市绿地土壤中典型的重金属和除草剂环草隆，结合室内土壤微宇宙实验、半野外中宇宙实验、野外实际调查研究，研究重金属和环草隆单一、复合污染对蚯蚓生理生化、个体、种群和群落水平的生态效应。进一步采取生态效应综合指数法和证据-权重法评估了复合污染的整体生态效应和生态风险。本研究结果能够为多种污染物复合污染的联合生态效应纳入化学品生态风险评估框架提供理论基础，为土壤复合污染生态风险评估研究的发展提供方法体系。主要研究结果如下:
　　(1)采用人工土壤微宇宙实验评估了环草隆与Cd单一污染对蚯蚓的生理生化和个体水平的生态效应。环草隆显著激活蚯蚓AChE酶活和抑制蚯蚓生长和可溶性蛋白含量;随着Cd浓度的增加，蚯蚓CAT酶活和MDA含量显著上升，而可溶性蛋白含量和溶酶体膜稳定性显著下降;进一步计算生物标记物响应指数，发现了蚯蚓整体生物标记物响应与污染物浓度之间的剂量-效应关系。
　　(2)采用人工土壤微宇宙实验评估了环草隆与Cd复合污染对蚯蚓的生理生化和个体水平的联合效应。复合污染导致蚯蚓的多种生物标记物(AChE、GR、MDA、可溶性蛋白含量和溶酶体膜稳定性)产生显著而不规则的生物响应;蚯蚓生物量在环草隆高浓度处理时下降显著;结合生物标记物响应指数和联合效应指数，复合污染在较低效应水平时表现出明显的拮抗作用，随着效应水平的增加，联合效应逐渐转变为轻微的协同作用。
　　(3)分别采用室内微宇宙和半野外中宇宙原位土壤实验，评估了城市土壤中多种重金属复合污染对蚯蚓生理生化和个体水平的生态效应。蚯蚓重金属累积浓度与土壤重金属总浓度、DTPA-有效浓度存在显著的线性关系;蚯蚓个体水平生物量和生殖能力受到土壤重金属污染程度、pH和土壤有机碳的显著影响;随着土壤重金属含量的增加，蚯蚓生物标记物因受到重金属胁迫而发生改变。
　　(4)采用原位土壤模拟实验，结合多元分析和综合指数法，评估了环草隆与多种重金属复合污染对蚯蚓生物标记物的整体胁迫效应。环草隆与多种重金属复合污染导致蚯蚓生物标记物(AChE、CAT、MDA、可溶性蛋白含量、金属硫蛋白含量、溶酶体膜稳定性)产生显著而不规则的反应;土壤重金属污染程度是影响复合污染联合效应大小的主要因素;AChE和CAT酶活以及溶酶体膜稳定性是复合污染的敏感生物标记物;蚯蚓整体胁迫指数与环草隆浓度、重金属浓度显著相关。
　　(5)采用野外生态调查，评估了北京市公园不同重金属累积水平土壤中蚯蚓的种群和群落生态特征。公园土壤中蚯蚓种群密度和生物量均处于相对较低的水平;威廉腔蚓、微小双胸蚓、舒派腔蚓、加州腔蚓和西土寒宪蚓被视为北京公园蚯蚓的优势物种，主要的生态型为深栖和内栖型;土壤含水量和微生物碳是影响蚯蚓物种组成和多样性最为重要的土壤因子，土壤容重、pH和营养元素氮、磷、钾也同样影响着蚯蚓生态特征;土壤重金属累积水平对蚯蚓生态特征没有显著影响。
　　(6)基于整体生态风险评估基本框架——证据-权重法，整合化学风险、生物累积风险、生物标记物反应风险以及生态系统风险等四条证据链，评估了实际多种重金属复合污染的整体生态风险。相比于传统的土壤风险评估方法，基于土壤化学和生物学特征的定量层次评价框架可以获得更为全面和客观的综合风险信息，为土壤生态系统的监管和治理提供科学依据。