利用综合生物标志物评估多金属和类金属土壤污染带来的生态风险

《Chemosphere》：Using integrated biomarkers to assess ecological risk from multi-metal and metalloid soil contamination

本研究通过植物生物标志物和微生物酶活性指数评估长期重金属污染对土壤生态系统的影响，发现整合植物多生理指标的反应指数（IBR）比早期微生物指标（TEI）更能准确反映重金属生物有效性及生态风险。

　　土壤中的痕量金属和类金属（TMM）污染对生物群落产生负面影响，这种影响往往无法通过单纯的化学分析来全面捕捉。本研究旨在评估两种综合生物指数（总酶活性指数—TEI和综合生物标志物响应—IBR）在长期TMM污染土壤中检测生物毒性效果的有效性。通过在法国前铅-银采矿区Peisey-Nancroix进行的体外生物测试，使用敏感植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）来识别相关的生物标志物并开发关键的生物指数。研究结果表明，TMM污染对土壤微生物功能和植物生长产生了显著的毒性影响，具体表现为TEI的降低和IBR的升高。随后，这些指数在相同地点进行了原位评估，结果发现TEI—尽管被视为土壤退化的早期指标—与长期TMM毒性或铅的迁移性没有明显关联，而IBR—基于植物内源性生物标志物—则与TMM污染程度和生物可利用的铅含量高度相关，尤其是在敏感物种Geranium sylvaticum中表现尤为突出。这一发现表明，IBR可以作为评估慢性污染土壤中生态风险和TMM生物可利用性的可靠替代指标。

人类活动导致的环境污染是生态和人类健康面临的最严重威胁之一，同时也是全球生物多样性丧失的第三大驱动因素。TMM因其对生物体的毒性、在土壤中的持久性以及环境中的扩散性，被列为全球范围内的主要环境问题。TMM通过采矿、冶炼、交通、污水污泥的施用以及肥料的使用等途径进入环境，对土壤质量造成显著损害。特别是在高山地区，由于土壤层薄、缓冲能力弱、地形陡峭以及明显的季节性（如冻融和融雪过程），TMM的持续存在和周期性再迁移可能加剧其对生物群落的影响。尽管已有少数研究关注TMM在敏感山地环境中的命运和影响，但对这类环境中的生态风险评估仍存在不足。特别是，如何在复杂多变的污染背景下有效评估TMM的生物可利用性，成为当前研究的重要课题。

TMM的生物可利用性是指这些污染物中能够被生物体吸收并对其产生影响的那部分。由于TMM的生物可利用性受到土壤化学性质（如水分、pH值、有机质含量、阳离子交换容量等）、环境条件（如海拔、气候）以及生物体自身特性（如吸收能力、敏感性、生物相互作用）的影响，其评估过程存在一定的挑战。通常，TMM的生物可利用性通过测量土壤中生物体的污染浓度来评估，例如蚯蚓、线虫、节肢动物、真菌、细菌和植物等。植物因其易于采样和处理，以及其地上部分的可及性，成为评估TMM迁移性的重要工具。然而，植物对TMM的吸收和累积能力因物种差异、TMM类型及其与土壤特性之间的相互作用而有所不同。因此，为了更全面地评估TMM对土壤功能的影响，需要整合不同生物体的生物标志物信息，以获得更广泛的生态影响视角。

理想的生物标志物应具备早期预警能力，适用于单一或混合污染物的暴露情况，并在不同的环境条件下保持稳健性，从而有效支持生态风险评估。然而，在实际的野外条件下，由于环境和生物的多样性，单独生物标志物的解释往往较为困难。因此，多生物标志物方法（基于选定的生物标志物组合）逐渐受到重视，因为它们能够整合多种生物反应，从而提供更全面的环境质量评估。在这些方法中，土壤微生物的酶活性常被用作早期退化指标，通常通过总酶活性指数（TEI）等指标进行评估。为了补充这种评估，特别是在长期污染场景下，综合生物标志物响应（IBR）指数被提出，该指数通过整合多个生物标志物的响应，以更全面地反映污染的影响。尽管IBR在植物中的应用较为有限，且在涉及长期污染梯度和复杂TMM混合物的实地研究中较少见，但植物作为生物指示物因其易于采样和处理，以及其地上部分的可及性，仍然具有重要的研究价值。因此，有必要验证一套适用于野外的非破坏性植物生物标志物，并确认其在实际环境条件下的相关性。

本研究选择了法国北部阿尔卑斯山脉的Peisey-Nancroix前采矿和冶炼遗址作为研究对象，该地区因长期的土壤污染和已知的TMM空间分布而成为理想的研究地点。通过对该地区不同污染梯度下的土壤进行体外生物测试，评估了两种生物指数（TEI和IBR）的可靠性。微生物反应通过碳氮循环参数和针对碳、氮和磷丰富基质的胞外酶活性进行评估，而植物反应则通过阿拉伯芥的生物富集因子来评估TMM的迁移性，并验证IBR是否能够提供剂量反应关系，从而用于解释实地数据。在完成体外测试后，TEI和IBR指数被应用于该地区的实地评估，以探讨其与污染水平的空间相关性及其在生态风险评估中的适用性。此外，还对铅的可迁移部分进行了分析，以作为评估通常不可迁移TMM物种行为的替代指标。为此，选择了三种本地植物物种，基于其广泛分布和普遍性，以验证其作为土壤污染生物指示物的适宜性。

本研究假设，在长期污染条件下，TEI—作为微生物的早期预警指数—会因微生物群落的适应性和土壤性质的干扰而减弱或脱离总TMM浓度，而基于植物的IBR则能够追踪植物可迁移（生物可利用）的TMM，并更准确地反映生态风险。研究的主要目标包括：（i）通过受控的体外生物测试验证用于计算IBR的生物标志物集合；（ii）将TEI和IBR与Peisey-Nancroix地区的地球化学污染指标和铅的生物可利用性代理指标进行比较；（iii）评估IBR在不同本地植物物种沿污染梯度下的野外适用性。这种从实验室到实地的研究设计为在复杂且长期污染的高山土壤环境中验证植物IBR提供了首次机会，并为生物监测和场地筛选提供了实用的指导。

研究结果显示，TMM污染对土壤生态系统产生了深远的影响，这种影响不仅体现在化学性质的改变上，还表现在生物体功能的退化和生长的抑制。通过体外测试，我们发现TEI与土壤化学质量之间存在明显的反向关系，而IBR则与TMM污染水平和生物可利用的铅含量密切相关。在实地评估中，TEI未能有效反映长期TMM污染的影响，而IBR则在多个植物物种中显示出与污染程度的强相关性。这一发现强调了IBR在评估长期污染土壤中生态风险方面的优越性，尤其是在敏感植物物种中，其能够更准确地反映TMM的生物可利用性。因此，IBR作为一种综合生物标志物指数，可以作为评估土壤污染生态影响的有力工具，特别是在复杂的高山环境中，其能够克服单一生物标志物的局限性，提供更全面的生态风险评估。

此外，研究还发现，TMM的生物可利用性在不同土壤类型和污染梯度中表现出显著的差异。例如，在Peisey-Nancroix地区的土壤中，铅的可迁移部分与总铅含量之间存在明显的联系，这表明铅的迁移性可能受到土壤化学性质的调控。因此，通过分析铅的可迁移部分，可以间接评估其他TMM的生物可利用性，为生态风险评估提供更多的参考依据。这一发现进一步支持了IBR在评估TMM污染生态影响中的应用，因为它能够整合多个生物标志物的响应，从而更全面地反映污染的综合影响。

综上所述，本研究通过结合体外和实地的生物测试，验证了TEI和IBR在评估长期TMM污染土壤中的生态风险和生物可利用性方面的有效性。研究结果表明，IBR在敏感植物物种中表现出更强的相关性，能够更准确地反映TMM污染的生态影响。这一发现为未来的生物监测和生态风险评估提供了重要的科学依据，特别是在高山等敏感环境中，IBR可以作为评估TMM污染和生态风险的可靠工具。同时，研究也强调了在实际应用中，结合多种生物标志物和地球化学指标的重要性，以确保生态风险评估的全面性和准确性。