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

推薦單位： 中國(guó)科學(xué)院

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 項(xiàng)目緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)的國(guó)際前沿和我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全與土壤保護(hù)的戰(zhàn)略需求，重點(diǎn)探討土壤污染所導(dǎo)致健康風(fēng)險(xiǎn)的形成過(guò)程和控制原理，主要內(nèi)容及科學(xué)價(jià)值包括：

建立了成組生物毒性測(cè)試和化學(xué)分析相結(jié)合，離體和活體生物測(cè)試相結(jié)合的遺傳毒性評(píng)價(jià)方法，綜合毒性評(píng)估和甄別方法，形成了以潛在健康和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為終點(diǎn)的評(píng)價(jià)框架，為在我國(guó)開展土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管理提供了戰(zhàn)略性技術(shù)儲(chǔ)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(guò)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(jī)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(jìn)了水稻根際過(guò)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(guò)濾作用，揭示根際生物-非生物相互作用對(duì)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(jī)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(jī)污染物生物有效性評(píng)價(jià)的被動(dòng)采樣新方法，為預(yù)測(cè)土壤中污染物的移動(dòng)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(guò)調(diào)控生物有效性和植物體內(nèi)污染物代謝等來(lái)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(jī)理和野外應(yīng)用研究。

項(xiàng)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(wèn)題取得突破:在國(guó)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(guó)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(gè)新領(lǐng)域；水稻根表鐵膜的成果被國(guó)際同行評(píng)價(jià)為:為培育水稻新品種以應(yīng)對(duì)東南亞水稻土砷污染提供了新希望。本項(xiàng)目成果直接帶動(dòng)了澳大利亞和英國(guó)等合作伙伴在該領(lǐng)域的發(fā)展(附件5).

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1、核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：1）區(qū)域性環(huán)境中污染物種類很多，很難對(duì)可能引起毒性的所有污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(diǎn)的效應(yīng)，或生物標(biāo)記方法首先進(jìn)行效應(yīng)篩選，再進(jìn)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(xiǎn)評(píng)價(jià)的一條有效途徑。本項(xiàng)目針對(duì)土壤污染的主要來(lái)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(cè)試相結(jié)合的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，形成了以潛在健康和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為評(píng)價(jià)終點(diǎn)的框架，為我國(guó)開展土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和建立相關(guān)理論體系奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，以所建立的離體成組生物測(cè)試方法成功地開展了區(qū)域尺度的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)分析，解析了區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)入植物的主要門戶，因此根際的化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程深刻影響污染物的生物地球化學(xué)過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外有大量關(guān)于旱地植物根際過(guò)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(xiàng)目針對(duì)水稻根系形成鐵膜這一根際過(guò)程，通過(guò)模擬培養(yǎng)、吸收動(dòng)力學(xué)和基于同步輻射的原位觀測(cè)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(duì)水稻吸收積累砷的影響機(jī)理。我們的研究成果糾正了過(guò)去研究體系中忽視鐵膜所得到的結(jié)論，被國(guó)際學(xué)者認(rèn)為"大大推進(jìn)了水稻根際過(guò)程的研究進(jìn)展"。我們的研究結(jié)果對(duì)開展水稻土污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)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(lái)，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(jī)砷通常具有較低的毒性。過(guò)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(jī)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(jià)砷的還原，長(zhǎng)期以來(lái)缺乏植物體內(nèi)砷還原機(jī)制的認(rèn)識(shí)。我們采用砷超積累植物為對(duì)象，在國(guó)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(guó)際上一些實(shí)驗(yàn)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(gè)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(diǎn)：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(lái)是國(guó)內(nèi)外土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本項(xiàng)目針對(duì)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(jī)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(jī)污染物生物有效性評(píng)價(jià)的被動(dòng)采樣方法，這些成果為定量預(yù)測(cè)土壤中污染物的移動(dòng)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(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)水稻根表鐵膜可以較強(qiáng)地吸附固定砷，鐵膜的存在改變水稻吸收砷的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，是對(duì)過(guò)去沒有考慮鐵膜條件下獲得結(jié)論的重要補(bǔ)充和糾正。2）首次證實(shí)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(guó)際上首次測(cè)定了不同植物體內(nèi)的砷酸還原酶活性，并對(duì)其酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外植物砷代謝的研究進(jìn)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(guò)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(duì)提高修復(fù)效率具有明顯作用。本人對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3和4做出了主要貢獻(xiàn)，本項(xiàng)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(lái)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(duì)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(píng)價(jià)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(jì)關(guān)系，確定致毒因子。用毒性當(dāng)量的劑量－效應(yīng)關(guān)系分析致毒因子的來(lái)源和分布。3）建立了土壤生態(tài)毒理學(xué)診斷和評(píng)價(jià)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(zhǔn)提供參考。本人對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1和2做出了主要貢獻(xiàn)，本項(xiàng)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(guò)程對(duì)土壤中重金屬和有機(jī)污染物生物有效性的影響機(jī)制，建立了評(píng)價(jià)土壤中疏水性有機(jī)污染物和砷的模型，對(duì)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(jī)污染物的結(jié)合位點(diǎn)，在分子水平表征了土壤中重金屬的真實(shí)形態(tài)。3）揭示了菌根真菌可以有效促進(jìn)土壤中多種有機(jī)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(jī)污染物植物吸收和傳輸?shù)奈⒂^機(jī)理。該研究為土壤中有機(jī)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(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2和3做出了主要貢獻(xiàn)，本項(xiàng)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(biāo)志物對(duì)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(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)篩選，利用化學(xué)分析鑒別與評(píng)價(jià)其主要脅迫因子。建立了一套污染土壤風(fēng)險(xiǎn)甄別和診斷的技術(shù)方法。2）采用不同的生物標(biāo)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(jì)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(biāo)志物在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的作用。3）發(fā)展了通過(guò)離體成組生物毒性測(cè)試來(lái)篩選、活體暴露來(lái)確認(rèn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)志物來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法體系。本人對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1做出了主要貢獻(xiàn)，本項(xiàng)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(guò)系列模擬試驗(yàn)，探明了石灰性土壤上重金屬鋅、鎘污染條件下叢枝菌根對(duì)宿主植物產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)的主導(dǎo)機(jī)制。2）通過(guò)系列模擬生物學(xué)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了叢枝菌根真菌對(duì)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(guò)模擬試驗(yàn)明確了叢枝菌根對(duì)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(jìn)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)對(duì)策。本人對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3和4做出了貢獻(xiàn)，本項(xiàng)研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文: 7.