重金屬污染對土壤動物的影響

胡展育

（1.文山學院 生化系，云南 文山 663000；2.文山州生物資源開發研究中心，云南 文山 663000）

土壤是地球表層的重要組成部分，是土壤動物、植物和微生物的重要活動場所。長期生活在地下的土壤動物主要有原生動物、線形動物、環節動物、軟體動物、節肢動物等，它們在分解殘體、改變土壤理化性質、土壤形成與發育、土壤物質遷移與能量轉化等方面有重要的作用［1-2］，同時土壤動物種類多、數量大、活動性差，標本易采集，對環境污染變化反應敏感，是環境監測的重要生物指示種，可為土壤質量評價和環境風險評估提供生物學指標。

1 土壤重金屬污染的內涵

重金屬元素在化學中一般定義為相對密度等于或大于 5.0的金屬，包括 Fe、Mn、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等45種元素。在環境污染研究中，重金屬分為生物毒性顯著的元素和有一定毒性的一般元素，引起土壤重金屬污染的主要元素有Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等 8 種重金屬元素［3］。

土壤重金屬污染是指土壤中重金屬元素不斷進入土壤，致使含量明顯高于土壤本身所具有的含量，從而造成生態系統的破壞和環境質量惡化的現象。土壤重金屬污染的危害取決于重金屬在土壤中的總量和其存在形態及各形態所占的比例，其中重金屬元素以水溶態、交換態的活性毒性最大，殘存態的活性毒性最?。?］。

2 重金屬對土壤動物危害的機理

2.1 重金屬影響土壤動物的酶活性

重金屬主要影響抗氧化酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性，對土壤動物機體酶活性產生誘導和抑制作用，重金屬與受體結合從而改變生物膜通透性和自由基反應［5-6］。目前研究比較多的酶類主要有金屬硫蛋白（MT）、谷丙轉氨酶（GPT）和谷草轉氨酶（GOT）。Wilczek［7］發現迷宮漏斗蛛中的谷胱甘肽過氧化物酶（GPOX和GSTPX）活性與金屬濃度呈正相關，而雄性暗蜘蛛則對谷胱甘肽S－轉移酶（GST）活性較為顯著。金屬硫蛋白是一種富含金屬和半胱氨酸的低分子量蛋白質，能清除自由基、防止衰老，具有調節重金屬和解毒功能；參與體內微量元素代謝，增強機體對應激的適應能力等。MT 含有大量巰基（-SH），可與汞結合而降低汞對機體的損傷［8］，當汞含量達過一定濃度，同時MT分子形成的速率小于汞與MT結合的速率時，MT 的調節能力減弱，多余的汞離子就會與含有巰基、氨基、羧基、磷?；然钚曰鶊F的生物大分子（如酶和核酸等）結合，改變其構象、活性甚至變性［9-10］。Chabicovsky 等［11］在蝸牛（Helix pomatia） 體內用Cu和Cd誘導mRNA 水平，發現肝胰腺和腸作為主要功能結構對Cd積累和 Cd-MT mRNA 起著重要作用，Cd 與MT 結合后能大大降低毒性，Cu的作用卻不明顯。從這些研究結果得出，土壤動物能夠調節酶的活性水平來降低重金屬的毒性影響。

2.2 重金屬影響土壤動物的分子結構

金屬致毒機理在分子水平上有3種類型：一是生物大分子的重要功能受有害金屬的攝入而發生改變；二是有害金屬能取代生物大分子中的必需金屬，使生物大分子喪失活性；三是有害金屬取代原有的金屬離子，使生物大分子活性部位的構象改變， 失去生物活性［12-13］。從重金屬致毒的角度看， 同一金屬離子在不同的條件下可以結合與它相適宜的生物大分子中的不同配位點，使得生物大分子變成螯合物和大環配合物，改變電子結構與空間構型，導致重金屬元素的致毒性。

重金屬還能評估DNA損傷和影響翻譯后蛋白質的修飾等指標，重金屬會引起土壤動物DNA損傷，誘導大量具有活性的自由基產生，DNA鏈受這些活性自由基攻擊后，發生斷裂，若斷裂的DNA 鏈不能及時修復，則會影響DNA的功能，從而引發基因毒性。但生物體必需元素和非必需元素的作用機制略有不同，必需元素Zn參與多種酶催化的生化反應，但當濃度超過動物體內必需的濃度時，可誘導產生大量自由基，從而引發細胞膜的脂質過氧化。鋅指蛋白可以影響翻譯后蛋白質的修飾，如果蛋白質的鋅離子被其它重金屬離子代替后，就不能正常折疊，導致蛋白質的結構和功能發生改變，損傷細胞、擾亂基因表達、信號轉導和DNA修復［14］。

3 重金屬對土壤動物危害的影響

重金屬不能被生物降解，但植物和微生物吸收土壤的重金屬時，不斷在體內富集，土壤動物取食這些植物和微生物后，在食物鏈的放大作用下，就與動物體內的蛋白質及酶相結合，同時又在動物體的某些器官中累積，造成重金屬的慢性中毒。重金屬對動物的毒性影響動物體的生長，使動物體內的組織產生病變，生長受到限制，從而死亡。而個體的死亡會導致動物的數量降低，種類減少，成活率下降，常見種類消失，優勢種類更明顯。

3.1 重金屬對土壤動物個體水平的危害

土壤動物各生理階段，不同的個體大小、尺寸或者體重對重金屬的富集量都不盡相同，產生的毒性也不同。Reinecke 等［13］發現Pb污染對蚯蚓產繭率無影響，但會影響繭的質量而使卵化率降低。Salminen等［14］發現地線蚓（Cognettia sphagnetorum）受Cu污染會影響成體的個體大小，而幼體影響卻較小。Coughtrey 和Martin［15］發現螺旋蝸牛（Helix aspersa）吸收重金屬的含量與其體重呈一種正相關的線性關系。

重金屬污染還能改變酶活性，破壞組織細胞的微結構。郭永燦［16］分別用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察到重金屬污染會引起胃腸道粘膜上皮細胞產生萎縮潰瘍和腫瘤。王振中［17］觀察到蚯蚓受Cd和Pb中毒后，能增加過氧化物同工酶活性，但Cd中毒會減弱脂酶同工酶活性，Pb中毒會增加脂酶同工酶活性。

3.2 重金屬對土壤動物群落水平的危害

重金屬污染會影響土壤動物的種群和群落的結構與功能，隨著重金屬污染的加重，群落結構呈現簡單化和不穩定化，土壤動物的常見種類和稀有種類的數量逐漸減少或死亡，優勢類群減小，但個體數目呈上升的趨勢［18］。孫賢斌［19］指出隨著重金屬污染的加劇，生活在土壤中的土壤動物群落優勢類群與常見類群的種類明顯減少，多樣性指數、均勻性指數、密度類群指數都有減少的趨勢，優勢種類的個體數反而增加。李勁峰等［20］通過對有色金屬冶煉廠附近的土壤進行研究也得到同樣的結果，說明重金屬污染是導致土壤動物數量和類群多樣性減少的主要原因。張永志等［21］通過用Cu污染盆栽試驗中得出，土壤動物多樣性指數、均勻度指數都會隨著污染指數的增大而減小。王振中等［17］研究了重金屬污染對蚯蚓的影響，得出在重金屬污染的土壤由于Cd、As、Zn、Pb的過量累積，導致蚯蚓種類明顯減少。Vandecasteele等［22］發現受重金屬污染的疏酸底泥土壤的蚯蚓數明顯低于沙質平原土壤蚯蚓數量。周煥新［23-24］通過盆栽試驗研究土壤中重金屬As和Pb對土壤動物進行研究，指出隨著As和Pb污染濃度的增大，土壤動物的種類、數量都呈下降的趨勢。

4 土壤動物對重金屬的防御

4.1 土壤動物的解毒策略

有些動物能夠適應被重金屬污染的環境，有其特殊的解毒策略。有研究表明，有些動物能通過消化系統和排泄系統將吸收的重金屬經特殊處理后排出體外，也有的動物能夠通過生活方式，比如蛻皮將一部分重金屬存于舊的表皮而排出體外。Gomot和Pihan［25］通過釋放實驗培育的兩個月大幼體蝸牛（Helix aspersa）監測法國境內重金屬污染的情況，發現蝸牛足部和內臟含有大量的重金屬Cu，但重金屬Cd、Pb和Zn的濃度則存在于體內。蚯蚓通過提高體內的金屬硫蛋白轉錄水平來解除重金屬的污染［26］。Spurgeon等［27］發現Cu不能直接降低溶酶體膜的穩定性，但會通過上調金屬硫蛋白基因的表達來降低溶酶體膜的穩定性。羧肽酶的轉錄水平也會受Cu的影響而表現相似的特性［28］。蚯蚓體內的重金屬解毒有金屬硫蛋白和溶酶體機制［29］，但研究只是通過單方面研究，無法理解兩者間相聯系的解毒機制。

4.2 土壤動物的回避策略

回避反應也能夠使土壤動物免受有毒物的侵害，由于動物具有對不良環境的主動遷移特性，對不良環境進行回避，但不同種類對有毒物作出的反應又有差異。比如蚯蚓（Aporrectodea tuberculata）能夠遷移到沒有Cu、Zn污染的土壤中［30］，盾平懶甲螨（Platynothrus peltifer）、環帶長角長跳（Orchesella cincta）和白符跳（Folsomia candida）會逃離具有Cd污染的生活環境［31］；等足類球鼠婦（Porcellio scaber）會不取食具有Cu污染的食物［32］。這些土壤動物通過選擇不同的棲息環境或者選擇不同的食物來回避重金屬對其生理影響，減少其體內的有害重金屬的富集量。

5 應用

由于土壤動物種類繁多，多樣性豐富，研究難度較大，許多研究方向還處于初步探索階段，研究的類群也集中在蚯蚓這個類群，而對于那些種類多，數量大的類群，比如彈尾目和土壤螨類的研究較少，故試驗結果有待進一步補充和完善。以前對于重金屬污染的治理研究主要集中在植物和微生物上，而對于利用土壤動物對重金屬污染治理研究的較少，其中目前提得較多的是動物修復和應用土壤動物進行環境監測。

動物修復是利用土壤中的某些動物能吸收和富集土壤中某種特定重金屬這一特性，通過土壤里已有的土壤動物或人為投放高密度的動物對土壤重金屬吸收、降解、轉移去除重金屬或都抑制其毒性。動物修復的研究主要集中在蚯蚓上，利用蚯蚓富集重金屬后，通過清除蚯蚓而達到治理目的。雖然對蚯蚓被用來進行土壤修復進行了大量的研究，但在受重金屬污染嚴重的地方，蚯蚓根本就不能存活，達不到治理的目的，用更具有耐受性的其它土壤動物（土壤螨類或者彈尾目昆蟲）來代替蚯蚓進行土壤重金屬的修復就被提出。這些種類雖然對重金屬有很強的富集作用，但對此類土壤動物研究不足，應加強相關方面的研究，從而達到治理的目的。

重金屬的污染對很多類群的土壤動物會產生較大的影響，有些種類可以作為指示生物應用于環境質量監測與評價、礦產資源勘探等方面。

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