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应用发光细菌法测定我国土壤中铜、镍毒性的研究

韦东普  
【摘要】: 随着我国工业化、城镇化、农业和养殖业的发展,重金属铜和镍以肥料、大气沉降、污水灌溉等方式进入农田土壤,导致某些地区农田土壤中金属含量超标,从而影响到生态安全和人类健康。因此,农田土壤中的重金属含量的污染监测是非常必要的。通过化学分析手段虽然可以精确的测定土壤中重金属的全量,但在评价重金属对生物体的有效性(或毒性)方面具有局限性;而生物测试方法可以直接反映土壤中重金属的生物学效应,因此,利用生物测试方法研究土壤中重金属的生物有效性或毒性,可以为农田土壤的生态风险评价和土壤环境质量标准制定提供科学数据。 在生物测试法中,由于动物测试法(如蚯蚓急性毒性试验)和植物测试法(如大麦根伸长和西红柿生长),具有试验周期长等缺点,在实际应用方面受到较多限制,因此,建立快速、灵敏、廉价和容易操作的生物测试方法,对于土壤中重金属污染的监测和风险评价是非常必要的。 由于海水发光细菌在土壤中应用的局限性,本研究利用筛选出的淡水发光细菌-青海弧菌(Vibrio-qinghaiensis sp.-Q67)建立青海弧菌的土壤重金属毒性测定方法。以土壤中重金属的含量和微生物毒性的关系为重点,研究我国不同类型土壤重金属的剂量-效应关系和影响因素,建立适用于我国土壤Cu和Ni的生物毒害的经验预测模型,为铜和镍污染土壤环境质量标准制定和风险评价提供坚实的科学依据和手段。主要结果和结论如下: 1.研究了青海弧菌在土壤急性毒性测定中的影响因素,包括pH对青海弧菌Q67发光的影响,背景溶液的选择,确定了淡水发光细菌测定土壤铜急性毒性最佳条件。结果表明青海弧菌Q67可以应用于pH范围在5.5 ~ 9.0之间的样品;不同的背景溶液中,青海弧菌Q67在高浓度人工土壤溶液中的发光最稳定,且不同背景溶液对Cu的毒性测定影响差异不显著,因此,推荐高浓度人工土壤溶液作为青海弧菌Q67应用于土壤样品毒性测定的背景溶液。 2.在溶液中,H~+(pH5.0 ~ 6.5)、Mg~(2+)和Na~+对Cu的毒性(青海弧菌Q67)有降低的作用。H~+离子活度增加(pH5.0 ~ 6.5)使Cu对青海弧菌Q67的毒性降低了37倍,Mg~(2+)(0 ~ 100 mM)使毒性降低了约4倍。Ca~(2+)和K~+对Cu的毒性没有显著影响。通过WHAM模型计算溶液中Cu的形态,发现仅用Cu~(2+)活度不能解释Cu对青海弧菌Q67的毒性。 3.利用青海弧菌Q67测定了我国17个土壤中Cu和Ni的急性毒性,我国土壤中Cu的EC50在71 ~ 1975 mg Cu/kg之间,不同土壤间最大值和最小值之间的差异28倍;我国土壤中Ni的EC50在59 ~ 4219 mg Ni/kg之间,不同土壤间最大值和最小值之间的差异71倍。说明我国土壤上的Cu对发光菌Q67的毒性的变异范围小于Ni,说明土壤性质对Ni的毒性影响大于Cu。 4.通过我国17种土壤的外源铜和镍的发光菌的毒性试验,及对Cu和Ni毒性和土壤性质进行单一回归和多元回归分析,结果表明土壤pH和CEC是土壤中Cu和Ni毒性的最好预测因子。基于土壤pH值和阳离子交换量的两因子回归方程,log EC50(Cu) = 0.140 + 0.300 soil pH + 0.023 CEC(r~2 = 0.725, p1 0.001, p2 = 0.008),log EC50(Ni) = 1.167 + 0.176 pH + 0.030 CEC(r~2 = 0.514, p1 = 0.016, p2 0.01),能够很好地预测土壤中铜和镍的环境阈值,这对于我国土壤环境中铜和镍的风险评价和环境质量标准制定有着重要意义。


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