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题名: 土壤污染风险的分子诊断方法研究-以汞和丙溴磷为例
作者: 刘玉荣
学位类别: 博士
答辩日期: 2010
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 贺纪正
关键词: 土壤污染 ; 毒性 ; 诊断 ; 生态效应
中文摘要:       土壤污染是一个日趋严重的生态环境问题。污染物进入土壤生态系统后,会通过多种方式对土壤生物等产生毒害效应,从而影响土壤生态系统的健康和生态稳定性。目前,评价土壤污染的生态效应的一个重要方面就是评价土壤污染物对土壤生物的生态毒性影响。本文以土壤重金属汞(Hg)和有机磷农药丙溴磷(profenofos, PFF)为对象,深入研究了它们进入土壤系统后对土壤动物(跳虫)和微生物(氨氧化菌)的生态毒性效应。本研究主要采用多聚酶链式反应(PCR)、cDNA的合成、实时荧光定量PCR (Real-time PCR)、克隆文库和测序等一系列分子诊断手段,结合传统的生态毒理学研究方法,探讨了土壤Hg和PFF污染对跳虫(hsp70基因)、氨氧化微生物(amoA基因)以及Hg耐性细菌(merA基因)分子水平的影响,同时以跳虫的死亡率、繁殖率、土壤硝化作用、氨氧化菌丰度和群落组成等个体及群落水平的指示指标为参照,较为系统的对比分析了不同评价终点之间的异同,探索用于土壤污染生态风险分析的技术和方法。论文的主要研究结果归纳如下: 1. 土壤Hg污染对跳虫的毒性效应 跳虫的繁殖率、回避行为和hsp70基因的表达水平与土壤Hg浓度之间都存在剂量-效应关系。实验结果表明,基于跳虫繁殖率的半数效应浓度(EC50)值为9.29 mg/kg,而死亡率没有随土壤Hg浓度增加而变化。跳虫的回避行为对土壤Hg污染比较敏感,计算出EC50值为3.88 mg/kg。土壤Hg污染对跳虫hsp70基因的表达水平有显著影响,EC50值为0.42 mg/kg。暴露时间会影响hsp70基因的表达,48 h后表达显著增加,然后趋于平稳。特别地,土壤Hg污染对跳虫hsp70基因表达的最低效应浓度 (LOEC) 值为0.25 mg/kg,而在这个浓度下跳虫个体水平无任何显著变化。因此,hsp70生物标志物可用于Hg污染土壤的早期诊断与预警。 2. 土壤Hg污染对氨氧化菌活性及群落的毒性效应 土壤Hg污染对amoA基因丰度没有显著影响,但是对土壤硝化作用和氨氧化菌的群落组成有明显影响。土壤一周的硝化潜势 (PNR )对Hg污染非常敏感,PNR值和Hg浓度之间存在剂量-效应关系,EC50值为1.59mg/kg。添加Hg改变了土壤氨氧化细菌 (AOB) 的群落组成,但对氨氧化古菌 (AOA) 的群落无明显影响。大多数AOB的群落组成都是Nitrosospira 3a.2簇,约占70%。其中,Nitrosospira 3a.1簇所占的比例随着处理Hg浓度的增加而减少。总之,土壤Hg的添加抑制了土壤硝化作用,并且改变了AOB的群落组成。 3. Hg污染土壤抗Hg细菌多样性研究 农田土壤merA 基因丰度主要受土壤环境因子或者环境因子交互作用的影响。特别地,长期N肥的施入似乎增加了土壤 merA基因丰度。在CK处理中,merA 基因组成主要受土壤Hg含量影响;在N 和 NPK 处理中,merA 基因组成主要受NH4+ 和NO3- 含量影响;在 NPK+OM 中,merA 组成主要受有机质、有效P和有效K含量影响。这些发现有着重要的生态意义,为农田土壤Hg毒性的减少与调控提供了理论依据。 4. 土壤PFF污染对跳虫和氨氧化菌活性和丰度的毒性效应 土壤PFF污染对跳虫各个组织水平和硝化作用都有显著影响。48 h急性毒性LC50值为0.34 mg/kg。基于繁殖率测试的慢性毒性EC50值为0.11 mg/kg。PFF对跳虫乙酰胆碱酯酶 (AChE) 活性有一定影响,EC50值约为0.35 mg/kg。土壤PFF污染对跳虫hsp70基因的表达水平有显著影响,hsp70基因的表达水平和土壤PFF浓度间也存在剂量-效应关系,EC50值为0.23 mg/kg。48 h后hsp70基因的表达水平显著增加,而后趋于平稳。添加的PFF显著抑制土壤的硝化作用,一周的PNR与PFF浓度之间符合合剂量-效应关系,计算得出的EC50值为0.27 mg/kg。PFF对土壤amoA基因丰度无显著影响。 综上所述,本文从分子到个体或群落水平深入研究了土壤Hg 和PFF对跳虫和氨氧化菌的生态毒性效应。取得的结果表明,基于分子水平的土壤污染快速诊断或急性毒性测试技术具有较好的可行性,有必要进一步深入开展,为我国建立系统的污染土壤生态风险分析的技术规程提供有益的思路和借鉴;该结果还可为污染土壤毒性诊断和风险评估提供可靠的数据基础。
英文摘要:
      Soil pollution is one of the major eco-environmental concerns. Some pollutants in soils will exert toxicological effects on soil animals and microorganisms through a variety of ways, and thus impact the health and ecological stability of the soil ecosystem. The ecological risk assessment on contaminated soil is mainly focused on the analysis of ecotoxicological effects of pollutants on soil organisms. In this project, to explore the possibility of establishing technical regulation for soil pollution risk assessment, series of molecular diagnosis techniques were employed, such as polymerase chain reaction (PCR), cDNA synthesis, real-time PCR, cloning and sequencing, to study the ecotoxicological effects of heavy metal and organophosphorus pesticide, using the cases of mercury (Hg) profenofos (PFF), on the soil animal (Folsomia candida) hsp70 gene, microbe (ammonia-oxidizers) amoA gene, and Hg resistant bacteria merA gene. Meanwhile, the results based on the indicators of molecular level were compared with the indicators including mortality and reproduction of F. candida, soil nitrification, abundances and community compositions of ammonia-oxidizers to analyze the differences among the different endpoints systematically. The main results were concluded as follows. 1. Toxicological effects of soil Hg pollution on F. candida.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/35051
Appears in Collections:中澳联合土壤环境研究室_学位论文

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土壤污染风险的分子诊断方法研究-以汞和丙溴磷为例.pdf(1134KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

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刘玉荣. 土壤污染风险的分子诊断方法研究-以汞和丙溴磷为例[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010.
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