跳蟲—土壤污染的晴雨表

土壤中的跳蟲，是土壤污染監測的明星生物。跳蟲的群落、個體以及分子毒理等生物學指標，均能真實而又直觀地反映土壤的健康狀況，為土壤污染診斷提供重要的科學依據。

眾所周知，細菌和病毒入侵人體后，人就有可能會生病。同樣道理，在人類工農業生產活動中，農藥、殺蟲劑以及重金屬等有害物質滲入土壤中，土壤也會“生病”。“生病”的土壤生產出來的糧食，自然也是不健康的。據報道，我國中、重度污染的耕地已達5000萬畝之多。人類活動對土壤造成的污染已空前嚴重，這不得不引起我們高度警覺。

人生病了可以就醫，土壤“生病”了，該怎么診斷？有人說，用儀器去測量一下就可知道土壤里有哪些有害物質，含量多少，是什么存在狀態。當然，這是以往最常用的方法，不過它只能告訴我們一個個抽象的數字，我們仍不知道這些有害物質對生物的具體危害是什么。隨著人們對健康生活的日益關注，這種簡單的物理化學測定方法顯然已不能滿足現在的需求，有沒有更好的診斷方法呢？

土壤中除了作為基本組分的無機物外，還有種類繁多的土壤生物，它們在土壤中繁衍生息。所謂“春江水暖鴨先知”，土壤如果“生病”了，土壤生物作為最直接的接觸者，它們就會在第一時間感受到土壤的“病變”。研究人員只需檢測特定的土壤生物，就可知道土壤是否“生病”以及“病情”如何，這就是目前常用的生物測試方法。

土壤監測的“明星”生物

哪些生物可以用來進行土壤的生物學測試呢？理論上，生活在土壤中，與土壤密切接觸的生物均可作為測試的候選生物。實際上，蚯蚓、線蟲、跳蟲和西瓜蟲等動物是土壤生態風險評價中常用的生物，因為它們在土壤中分布廣泛，數量龐大，且與土壤顆粒和空隙水直接接觸。

在這些土壤毒理測試生物中，跳蟲由于在各種污染土壤中具有顯著的毒理效應，于是脫穎而出，被廣泛用于土壤有機物、農藥、重金屬等污染物的毒性測定和生態風險評估。早在1997年，跳蟲就被列入國際標準化組織（ISO）檢測化學物質生物毒理檢測程序中，至今已有數百篇相關研究報道。

跳蟲備受青睞還有其他原因，如繁殖快、易飼養以及敏感性高等優點。常用來進行土壤污染監測的跳蟲——白符蟲兆，在實驗室最適環境下，20多天即可完成一個世代（指從卵離開母體到性成熟這個階段），生命周期短，培養條件簡單。2002年，奧地利學者杰奎琳·艾丁格（Jacqueline Idinger）發現，跳蟲對土壤中的殺蟲劑敏感度極高，0.03毫克/公斤的抑菌靈及0.15毫 克/公斤的吡蟲啉就可毒殺半數跳蟲。

通常，在土壤污染濃度增加和脅迫時間延長的情況下，跳蟲群落會發生變化，敏感的跳蟲類群會逐漸減少乃至完全消失，然而污染物對耐受力強的跳蟲影響較小。例如，意大利學者發現一些跳蟲，其體內可儲存大量的DDT（一種殺蟲劑，又叫滴滴涕）和PCB（一類環境污染物，中文名為多氯聯苯），因而它們可發展為優勢類群。在分析跳蟲群落變化時，研究人員首先會通過分析土壤中耐受類群和敏感類群的種群變化，然后再進行關聯分析，這樣就可以對土壤受污染的程度作出判斷。因此，跳蟲是土壤污染的優良指示生物，其生物學指標能很好地反映出土壤污染的陰晴變化。

如何用跳蟲來監測土壤污染呢？總的說來，主要是依據跳蟲對于污染土壤的響應作為指標進行檢測，這可表現在群落、個體等不同水平上。另外，可根據不同類群的反應，劃分出敏感種類和耐受種類，再來進行土壤污染評價。俄羅斯莫斯科國立師范大學庫茲涅佐娃教授為了弄清楚煉銅廠對于周邊土壤污染的情況，對俄羅斯一個煉銅廠周邊土壤中跳蟲的種類和種群動態進行長期監測，結果發現，與距廠區30公里以外的土壤跳蟲群落相比，在距廠區1公里范圍內的跳蟲種類和種群密度急劇下降，在距廠區4～7公里范圍的土壤中，跳蟲明顯多于1公里廠區范圍。筆者所在研究組也對上海市綠化帶和園林綠地土壤中跳蟲的群落動態進行了長期監測，發現在重金屬污染較輕的長風公園和共青森林公園的土壤中，跳蟲的種類和數量明顯多于重金屬重度污染的上海焦化廠，而在焦化廠則發現了對重金屬耐受性較強的跳蟲種類。

并非所有的監測工作都是在野外完成的，部分工作需要在實驗室內完成。研究人員回到實驗室里，可依據ISO和OECD中的標準化程序，測定跳蟲的生存率、繁殖率和趨避行為等指標。簡單地說，就是將特定跳蟲種類一定齡期一定數量的個體，飼養在污染土壤和無污染的對照土壤中，統計跳蟲的數量，然后再分析跳蟲對污染物的效應濃度（EC50）和無效應濃度（NOEC）等，從而為土壤污染的評估提供參考。

跳蟲的分子毒理指標

除了以上宏觀的生物學指標外，隨著分子生物學的發展，研究人員開始從生化功能和分子機理等微觀角度深入研究跳蟲對土壤污染的響應機制。因為有毒的有機物和重金屬通過跳蟲的食物或體表進入其體內后，跳蟲需要啟動體內的解毒功能來應對有害物質的傷害，這包括多個生理和生化過程，如跳蟲通過開啟體內一些解毒的基因開關，產生特定的蛋白質，與毒物結合或降解，甚至將毒物直接排出體外。

這方面有很多研究實例可以佐證。2007年，荷蘭生物學家迪克·勒洛夫斯（Dick Roelofs）等人利用分子生物學方法發現，跳蟲一旦生活在含有高濃度鎘的土壤中時，一方面其外分泌效率大大提高，另一方面，跳蟲會開啟體內一種結合重金屬蛋白——金屬硫蛋白（mt）編碼基因的開關，其體內可產生大量的這種蛋白，與重金屬結合，再將重金屬排出體外，降低了鎘對機體的傷害，這就是我們所看到的跳蟲在鎘含量極高的土壤中仍能頑強生存下來的原因。

重金屬到底影響跳蟲哪些生理過程？為了回答這個問題，荷蘭學者專門定制了含有白符蟲兆5000多個基因的基因芯片。通過測試白符蟲兆在重金屬鎘刺激下的基因響應情況，他們發現有上千個基因參與了對重金屬的響應，如抗生素合成、傷口愈合、止血等基因，這些基因與跳蟲應對嚴峻生存環境息息相關。而與跳蟲生長和繁殖密切相關的基因，如大分子生物合成、糖異生、蛋白質翻譯、碳水化合物代謝和脂肪酸降解等基因受到了抑制，從而影響了跳蟲的生長發育和繁殖，這也是白符蟲兆對重金屬敏感的內在原因。事實上，這項研究中相關基因都有作為跳蟲毒理測試分子指標的潛力。目前，比較清楚的是白符蟲兆一些特定的應答基因。如2010年日本學者發現白符蟲兆的金屬硫蛋白編碼基因（MTC）與其他生物的金屬硫蛋白基因相比，具有更多的結合金屬離子結構，其MTC基因受到重金屬鎘誘導而大量表達MTC蛋白，以應對重金屬的傷害。同年，中國科學院生態環境研究中心研究人員也發現跳蟲的Hsp70基因對汞反應最為敏感，在極低的汞濃度下就有顯著的效應，比繁殖率和趨避行為指標更加敏感。

隨著研究的深入，研究人員仍在繼續探尋開發跳蟲新的毒理學指標。最近，韓國學者發現，白符蟲兆在含有重金屬的土壤生存28天后，其運動能力明顯下降，在高濃度處理下，個別個體甚至失去跳躍能力，因此跳躍行為有望作為一個早期的土壤毒理學指標加以應用，從而盡早發現和避免土壤污染帶來的傷害。此外，近年的研究中跳蟲的體長也被作為一個生物學指標進行應用。

綜上所述，跳蟲的群落、個體以及分子毒理等生物學指標，就像一個個晴雨表一樣，能夠真實而直觀地反映出其生活的土壤健康狀況，為土壤污染診斷提供重要的科學依據。但是，跳蟲是一個物種豐富的動物類群，不同種類的跳蟲有不同的食性和生活方式，對土壤有害物質的響應也不盡相同，因此僅依靠少數的跳蟲物種進行生物學測試具有一定的局限性。在今后的研究中，一方面需要篩選更多的符合土壤生物學測試的跳蟲物種；另一方面，已有的研究大多是針對單一污染物的測試，而實際的土壤污染往往是多種污染物的混合污染，因此需要重視混合污染物毒性的生物學測試研究。

作者簡介：卜云，男，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所副研究員，主要開展跳蟲系統進化和土壤動物生態毒理學研究。高艷，女，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所副研究員，主要開展原尾蟲和跳蟲系統進化以及土壤動物生態毒理學研究。

小貼士

土壤里有多少跳蟲

跳蟲是一類小型土壤節肢動物，因其能利用腹部的特殊器官——彈器進行跳躍而得名。它們是土壤動物中的優勢類群，全世界已知有8000多種，我國已發現400余種。此外，它們在土壤中的數量也非常龐大，溫帶闊葉林中，跳蟲的密度可達到100000頭/平方米。它們在土壤有機質的分解過程中有著不可替代的作用。