項目名稱： 土壤-植物系統(tǒng)典型污染物遷移轉(zhuǎn)化機制與控制原理

推薦單位： 中國科學(xué)院

項目簡介： 項目緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)的國際前沿和我國農(nóng)產(chǎn)品安全與土壤保護的戰(zhàn)略需求，重點探討土壤污染所導(dǎo)致健康風(fēng)險的形成過程和控制原理，主要內(nèi)容及科學(xué)價值包括：

建立了成組生物毒性測試和化學(xué)分析相結(jié)合，離體和活體生物測試相結(jié)合的遺傳毒性評價方法，綜合毒性評估和甄別方法，形成了以潛在健康和生態(tài)風(fēng)險為終點的評價框架，為在我國開展土壤污染風(fēng)險評價和風(fēng)險管理提供了戰(zhàn)略性技術(shù)儲備。

系統(tǒng)研究了砷和多環(huán)芳烴等持久性有毒污染物(PTS)在土壤-植物系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律及關(guān)鍵影響因素。發(fā)現(xiàn)了根際的化學(xué)和生物學(xué)過程深刻影響砷等污染物向植物的轉(zhuǎn)移，尤其是水稻根表鐵膜的重要作用。首次闡述了一種新的影響水稻吸收積累砷的機理，糾正了傳統(tǒng)研究體系中忽視鐵膜所得到的結(jié)論，推進了水稻根際過程的研究；發(fā)現(xiàn)菌根菌在PTS從土壤向植物的轉(zhuǎn)移中發(fā)揮了根部過濾作用，揭示根際生物-非生物相互作用對植物吸收重金屬的重要影響；采用同步輻射等研究了污染物與土壤相互作用的機理，確立了污染物形態(tài)與生物有效性相關(guān)關(guān)系；開展土壤-溶液界面污染物行為的系統(tǒng)研究，建立了土壤有機污染物生物有效性評價的被動采樣新方法，為預(yù)測土壤中污染物的移動性和毒性、發(fā)展土壤修復(fù)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

研究了通過調(diào)控生物有效性和植物體內(nèi)污染物代謝等來開展污染土壤修復(fù)的技術(shù)原理研究。利用磷礦粉、骨碳和可資源化的廢棄物等作為修復(fù)材料，開展了修復(fù)污染土壤機理和野外應(yīng)用研究。

項目發(fā)表論文177篇(SCI:132篇)，被引用827次。SCI論文被引用646次, 平均引用率4.89。在若干關(guān)鍵科學(xué)問題取得突破:在國際上率先證明植物體內(nèi)砷酸還原酶的存在。論文發(fā)表后，國際上才陸續(xù)發(fā)表砷酸還原酶遺傳與分子生物學(xué)的成果，該成果在一定程度上打開了植物砷代謝研究的一個新領(lǐng)域；水稻根表鐵膜的成果被國際同行評價為:為培育水稻新品種以應(yīng)對東南亞水稻土砷污染提供了新希望。本項目成果直接帶動了澳大利亞和英國等合作伙伴在該領(lǐng)域的發(fā)展(附件5).

主要發(fā)現(xiàn)點： 1、核心發(fā)現(xiàn)點：1）區(qū)域性環(huán)境中污染物種類很多，很難對可能引起毒性的所有污染物進行監(jiān)測，且目前有關(guān)不同污染物導(dǎo)致遺傳毒性的劑量－效應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)非常缺乏。因此，采用一種或幾種作用于靶位點的效應(yīng)，或生物標記方法首先進行效應(yīng)篩選，再進一步確定導(dǎo)致效應(yīng)的污染物特征，是區(qū)域污染風(fēng)險評價的一條有效途徑。本項目針對土壤污染的主要來源、暴露途徑和關(guān)鍵生物受體，建立了系列成組生物毒性和化學(xué)分析相結(jié)合，離體和活體生物測試相結(jié)合的污染風(fēng)險評價方法，形成了以潛在健康和生態(tài)風(fēng)險為評價終點的框架，為我國開展土壤污染風(fēng)險評價和建立相關(guān)理論體系奠定了基礎(chǔ)。同時，以所建立的離體成組生物測試方法成功地開展了區(qū)域尺度的土壤污染風(fēng)險分析，解析了區(qū)域風(fēng)險因子及其空間分布特征。屬環(huán)境毒理學(xué)。[代表性論文2、8和9]；

2）土壤-植物界面（根際）是污染物進入植物的主要門戶，因此根際的化學(xué)和生物學(xué)過程深刻影響污染物的生物地球化學(xué)過程。長期以來國內(nèi)外有大量關(guān)于旱地植物根際過程研究成果，但是都不適用于水稻，需要全新的研究思路和技術(shù)路線。本項目針對水稻根系形成鐵膜這一根際過程，通過模擬培養(yǎng)、吸收動力學(xué)和基于同步輻射的原位觀測技術(shù)等系列研究證明了鐵膜是確定土壤-水稻系統(tǒng)中砷遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子，揭示了鐵膜對水稻吸收積累砷的影響機理。我們的研究成果糾正了過去研究體系中忽視鐵膜所得到的結(jié)論，被國際學(xué)者認為"大大推進了水稻根際過程的研究進展"。我們的研究結(jié)果對開展水稻土污染物遷移轉(zhuǎn)化機理研究具有引領(lǐng)作用。屬土壤化學(xué)。[代表性論文4和7]；3）近一二十年來，大量研究表明砷是一種全球性的污染物。砷在植物體內(nèi)存在形態(tài)是決定其毒性的關(guān)鍵，有機砷通常具有較低的毒性。過去關(guān)于土壤-植物系統(tǒng)中砷的研究主要側(cè)重于土壤中砷的吸附解吸和植物吸收的機理，很少有關(guān)于其在植物體內(nèi)的代謝。而砷在植物體內(nèi)代謝的第一步是五價砷的還原，長期以來缺乏植物體內(nèi)砷還原機制的認識。我們采用砷超積累植物為對象，在國際上率先證明植物體內(nèi)砷酸還原酶的存在。我們的論文在Plant Physiology上發(fā)表后，國際上一些實驗室才開始陸續(xù)發(fā)表有關(guān)砷酸還原酶遺傳與分子生物學(xué)的研究成果，我們的研究成果在一定程度上打開了植物砷代謝研究的一個新領(lǐng)域。屬環(huán)境生物學(xué)。[代表性論文1、3和10]。

2、其他重要發(fā)現(xiàn)點：決定污染物在土壤-植物系統(tǒng)中傳輸和毒性的關(guān)鍵因子不是污染物的總量，而是其生物有效性。因此，土壤中污染物生物有效性的研究一直以來是國內(nèi)外土壤學(xué)研究的熱點問題之一。本項目針對土壤-溶液界面污染物分配、吸附和形態(tài)等開展系統(tǒng)的研究，利用包括同步輻射等技術(shù)揭示了污染物與土壤介質(zhì)相互作用的機理及其污染物的賦存狀態(tài)，建立了污染物形態(tài)與生物有效性之間的關(guān)系，建立了土壤中有機污染物生物有效性評價的被動采樣方法，這些成果為定量預(yù)測土壤中污染物的移動性和毒性，發(fā)展污染土壤修復(fù)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。屬土壤化學(xué)。[代表性論文5和6]。

主要完成人： 朱永官

1）發(fā)現(xiàn)了水稻根表鐵膜調(diào)控砷吸收積累的機制。研究發(fā)現(xiàn)水稻根表鐵膜可以較強地吸附固定砷，鐵膜的存在改變水稻吸收砷的動力學(xué)機制，是對過去沒有考慮鐵膜條件下獲得結(jié)論的重要補充和糾正。2）首次證實了植物體內(nèi)砷酸還原酶的存在。借鑒微生物砷酸還原酶的研究方法在國際上首次測定了不同植物體內(nèi)的砷酸還原酶活性，并對其酶學(xué)性質(zhì)進行了系統(tǒng)分析，推動了國內(nèi)外植物砷代謝的研究進展。3）發(fā)展了鉛污染土壤化學(xué)修復(fù)的技術(shù)原理。土壤添加骨炭、磷礦粉、過磷酸鈣和羥基磷灰石及其混合物可以有效固定土壤鉛，磷礦粉的粒度對提高修復(fù)效率具有明顯作用。本人對主要發(fā)現(xiàn)點3和4做出了主要貢獻，本項研究的工作量占本人工作量的80%。代表性論文:1,2,3,4,10.

王子健

1）發(fā)現(xiàn)了稀土微肥是土壤稀土輸入的重要來源。指出稀土元素在北方作物的含量隨外源稀土施入而增加，存在顯著劑量效應(yīng)關(guān)系和輕、重稀土分異；揭示稀土對土壤－植物系統(tǒng)N、P轉(zhuǎn)化影響，提出了關(guān)鍵影響因子和閾值，為稀土農(nóng)用安全性奠定了基礎(chǔ)。2）評價了污灌土壤遺傳毒性，建立污染與生物效應(yīng)之間的統(tǒng)計關(guān)系，確定致毒因子。用毒性當量的劑量－效應(yīng)關(guān)系分析致毒因子的來源和分布。3）建立了土壤生態(tài)毒理學(xué)診斷和評價方法。發(fā)現(xiàn)北方污灌土壤多環(huán)芳烴導(dǎo)致基因損傷，揭示了多環(huán)芳烴與蚯蚓基因損傷的劑量-效應(yīng)關(guān)系，為制定土壤多環(huán)芳烴類污染基準提供參考。本人對主要發(fā)現(xiàn)點1和2做出了主要貢獻，本項研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文:5,9,8.

張淑貞

1）揭示了根際過程對土壤中重金屬和有機污染物生物有效性的影響機制，建立了評價土壤中疏水性有機污染物和砷的模型，對研究土壤中污染物的生物有效性研究有重要的指導(dǎo)意義。2）應(yīng)用現(xiàn)代光譜手段研究了土壤中重金屬的微觀結(jié)構(gòu)和有機污染物的結(jié)合位點，在分子水平表征了土壤中重金屬的真實形態(tài)。3）揭示了菌根真菌可以有效促進土壤中多種有機污染物的降解，增加其在植物根中的累積和抑制其在植物體的傳輸。應(yīng)用現(xiàn)代光譜示蹤技術(shù)揭示了菌根影響有機污染物植物吸收和傳輸?shù)奈⒂^機理。該研究為土壤中有機污染物在食物鏈的調(diào)控和污染土壤修復(fù)奠定了重要的基礎(chǔ)。本人對主要發(fā)現(xiàn)點2和3做出了主要貢獻，本項研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文:6.

王春霞

1）利用成組生物標志物對污灌土壤的遺傳毒性、芳烴受體效應(yīng)、內(nèi)分泌干擾效應(yīng)進行風(fēng)險篩選，利用化學(xué)分析鑒別與評價其主要脅迫因子。建立了一套污染土壤風(fēng)險甄別和診斷的技術(shù)方法。2）采用不同的生物標志物描述了京津地區(qū)和廣東貴嶼地區(qū)表層土壤復(fù)合污染狀況，利用地統(tǒng)計學(xué)方法探討土壤遺傳毒性、內(nèi)分泌干擾效應(yīng)、芳烴效應(yīng)的空間分布及各效應(yīng)之間的相互關(guān)系，闡述了生物標志物在生態(tài)風(fēng)險評價中的作用。3）發(fā)展了通過離體成組生物毒性測試來篩選、活體暴露來確認生態(tài)風(fēng)險脅迫因子的生態(tài)毒理學(xué)方法；建立了以不同的生物效應(yīng)標志物來評價區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的方法體系。本人對主要發(fā)現(xiàn)點1做出了主要貢獻，本項研究的工作量占本人工作量的35%。代表性論文:8.

陳保冬

1）較早提出應(yīng)用叢枝菌根真菌修復(fù)重金屬污染土壤的學(xué)術(shù)思想。通過系列模擬試驗，探明了石灰性土壤上重金屬鋅、鎘污染條件下叢枝菌根對宿主植物產(chǎn)生保護效應(yīng)的主導(dǎo)機制。2）通過系列模擬生物學(xué)試驗，系統(tǒng)研究了叢枝菌根真菌對植物吸收鈾以及鈾在植物體內(nèi)再分配的影響，明確了叢枝菌根在植物固定鈾污染環(huán)境中的潛在作用，并探討了菌根技術(shù)的應(yīng)用范圍和途徑。3）通過模擬試驗明確了叢枝菌根對于礦區(qū)特殊耐（抗）性植物（包括砷超積累植物蜈蚣草）適應(yīng)污染環(huán)境的重要作用，提出應(yīng)用叢枝菌根真菌促進礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)對策。本人對主要發(fā)現(xiàn)點3和4做出了貢獻，本項研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文: 7.