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        項目名稱: 土壤-植物系統典型污染物遷移轉化機制與控制原理

        推薦單位: 中國科學院

        項目簡介: 項目緊密結合農業與環境科學的國際前沿和我國農產品安全與土壤保護的戰略需求,重點探討土壤污染所導致健康風險的形成過程和控制原理,主要內容及科學價值包括:

        建立了成組生物毒性測試和化學分析相結合,離體和活體生物測試相結合的遺傳毒性評價方法,綜合毒性評估和甄別方法,形成了以潛在健康和生態風險為終點的評價框架,為在我國開展土壤污染風險評價和風險管理提供了戰略性技術儲備。

        系統研究了砷和多環芳烴等持久性有毒污染物(PTS)在土壤-植物系統中轉移、轉化規律及關鍵影響因素。發現了根際的化學和生物學過程深刻影響砷等污染物向植物的轉移,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理,糾正了傳統研究體系中忽視鐵膜所得到的結論,推進了水稻根際過程的研究;發現菌根菌在PTS從土壤向植物的轉移中發揮了根部過濾作用,揭示根際生物-非生物相互作用對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理,確立了污染物形態與生物有效性相關關系;開展土壤-溶液界面污染物行為的系統研究,建立了土壤有機污染物生物有效性評價的被動采樣新方法,為預測土壤中污染物的移動性和毒性、發展土壤修復技術提供理論基礎。

        研究了通過調控生物有效性和植物體內污染物代謝等來開展污染土壤修復的技術原理研究。利用磷礦粉、骨碳和可資源化的廢棄物等作為修復材料,開展了修復污染土壤機理和野外應用研究。

        項目發表論文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。在若干關鍵科學問題取得突破:在國際上率先證明植物體內砷酸還原酶的存在。論文發表后,國際上才陸續發表砷酸還原酶遺傳與分子生物學的成果,該成果在一定程度上打開了植物砷代謝研究的一個新領域;水稻根表鐵膜的成果被國際同行評價為:為培育水稻新品種以應對東南亞水稻土砷污染提供了新希望。本項目成果直接帶動了澳大利亞和英國等合作伙伴在該領域的發展(附件5).

        主要發現點: 1、核心發現點:1)區域性環境中污染物種類很多,很難對可能引起毒性的所有污染物進行監測,且目前有關不同污染物導致遺傳毒性的劑量-效應關系數據非常缺乏。因此,采用一種或幾種作用于靶位點的效應,或生物標記方法首先進行效應篩選,再進一步確定導致效應的污染物特征,是區域污染風險評價的一條有效途徑。本項目針對土壤污染的主要來源、暴露途徑和關鍵生物受體,建立了系列成組生物毒性和化學分析相結合,離體和活體生物測試相結合的污染風險評價方法,形成了以潛在健康和生態風險為評價終點的框架,為我國開展土壤污染風險評價和建立相關理論體系奠定了基礎。同時,以所建立的離體成組生物測試方法成功地開展了區域尺度的土壤污染風險分析,解析了區域風險因子及其空間分布特征。屬環境毒理學。[代表性論文2、8和9];

        2)土壤-植物界面(根際)是污染物進入植物的主要門戶,因此根際的化學和生物學過程深刻影響污染物的生物地球化學過程。長期以來國內外有大量關于旱地植物根際過程研究成果,但是都不適用于水稻,需要全新的研究思路和技術路線。本項目針對水稻根系形成鐵膜這一根際過程,通過模擬培養、吸收動力學和基于同步輻射的原位觀測技術等系列研究證明了鐵膜是確定土壤-水稻系統中砷遷移轉化的關鍵因子,揭示了鐵膜對水稻吸收積累砷的影響機理。我們的研究成果糾正了過去研究體系中忽視鐵膜所得到的結論,被國際學者認為"大大推進了水稻根際過程的研究進展"。我們的研究結果對開展水稻土污染物遷移轉化機理研究具有引領作用。屬土壤化學。[代表性論文4和7];3)近一二十年來,大量研究表明砷是一種全球性的污染物。砷在植物體內存在形態是決定其毒性的關鍵,有機砷通常具有較低的毒性。過去關于土壤-植物系統中砷的研究主要側重于土壤中砷的吸附解吸和植物吸收的機理,很少有關于其在植物體內的代謝。而砷在植物體內代謝的第一步是五價砷的還原,長期以來缺乏植物體內砷還原機制的認識。我們采用砷超積累植物為對象,在國際上率先證明植物體內砷酸還原酶的存在。我們的論文在Plant Physiology上發表后,國際上一些實驗室才開始陸續發表有關砷酸還原酶遺傳與分子生物學的研究成果,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新領域。屬環境生物學。[代表性論文1、3和10]。

        2、其他重要發現點:決定污染物在土壤-植物系統中傳輸和毒性的關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是國內外土壤學研究的熱點問題之一。本項目針對土壤-溶液界面污染物分配、吸附和形態等開展系統的研究,利用包括同步輻射等技術揭示了污染物與土壤介質相互作用的機理及其污染物的賦存狀態,建立了污染物形態與生物有效性之間的關系,建立了土壤中有機污染物生物有效性評價的被動采樣方法,這些成果為定量預測土壤中污染物的移動性和毒性,發展污染土壤修復技術提供理論基礎。屬土壤化學。[代表性論文5和6]。

        主要完成人: 朱永官

        1)發現了水稻根表鐵膜調控砷吸收積累的機制。研究發現水稻根表鐵膜可以較強地吸附固定砷,鐵膜的存在改變水稻吸收砷的動力學機制,是對過去沒有考慮鐵膜條件下獲得結論的重要補充和糾正。2)首次證實了植物體內砷酸還原酶的存在。借鑒微生物砷酸還原酶的研究方法在國際上首次測定了不同植物體內的砷酸還原酶活性,并對其酶學性質進行了系統分析,推動了國內外植物砷代謝的研究進展。3)發展了鉛污染土壤化學修復的技術原理。土壤添加骨炭、磷礦粉、過磷酸鈣和羥基磷灰石及其混合物可以有效固定土壤鉛,磷礦粉的粒度對提高修復效率具有明顯作用。本人對主要發現點3和4做出了主要貢獻,本項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)發現了稀土微肥是土壤稀土輸入的重要來源。指出稀土元素在北方作物的含量隨外源稀土施入而增加,存在顯著劑量效應關系和輕、重稀土分異;揭示稀土對土壤-植物系統N、P轉化影響,提出了關鍵影響因子和閾值,為稀土農用安全性奠定了基礎。2)評價了污灌土壤遺傳毒性,建立污染與生物效應之間的統計關系,確定致毒因子。用毒性當量的劑量-效應關系分析致毒因子的來源和分布。3)建立了土壤生態毒理學診斷和評價方法。發現北方污灌土壤多環芳烴導致基因損傷,揭示了多環芳烴與蚯蚓基因損傷的劑量-效應關系,為制定土壤多環芳烴類污染基準提供參考。本人對主要發現點1和2做出了主要貢獻,本項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)揭示了根際過程對土壤中重金屬和有機污染物生物有效性的影響機制,建立了評價土壤中疏水性有機污染物和砷的模型,對研究土壤中污染物的生物有效性研究有重要的指導意義。2)應用現代光譜手段研究了土壤中重金屬的微觀結構和有機污染物的結合位點,在分子水平表征了土壤中重金屬的真實形態。3)揭示了菌根真菌可以有效促進土壤中多種有機污染物的降解,增加其在植物根中的累積和抑制其在植物體的傳輸。應用現代光譜示蹤技術揭示了菌根影響有機污染物植物吸收和傳輸的微觀機理。該研究為土壤中有機污染物在食物鏈的調控和污染土壤修復奠定了重要的基礎。本人對主要發現點2和3做出了主要貢獻,本項研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文:6.

        王春霞

        1)利用成組生物標志物對污灌土壤的遺傳毒性、芳烴受體效應、內分泌干擾效應進行風險篩選,利用化學分析鑒別與評價其主要脅迫因子。建立了一套污染土壤風險甄別和診斷的技術方法。2)采用不同的生物標志物描述了京津地區和廣東貴嶼地區表層土壤復合污染狀況,利用地統計學方法探討土壤遺傳毒性、內分泌干擾效應、芳烴效應的空間分布及各效應之間的相互關系,闡述了生物標志物在生態風險評價中的作用。3)發展了通過離體成組生物毒性測試來篩選、活體暴露來確認生態風險脅迫因子的生態毒理學方法;建立了以不同的生物效應標志物來評價區域生態風險的方法體系。本人對主要發現點1做出了主要貢獻,本項研究的工作量占本人工作量的35%。代表性論文:8.

        陳保冬

        1)較早提出應用叢枝菌根真菌修復重金屬污染土壤的學術思想。通過系列模擬試驗,探明了石灰性土壤上重金屬鋅、鎘污染條件下叢枝菌根對宿主植物產生保護效應的主導機制。2)通過系列模擬生物學試驗,系統研究了叢枝菌根真菌對植物吸收鈾以及鈾在植物體內再分配的影響,明確了叢枝菌根在植物固定鈾污染環境中的潛在作用,并探討了菌根技術的應用范圍和途徑。3)通過模擬試驗明確了叢枝菌根對于礦區特殊耐(抗)性植物(包括砷超積累植物蜈蚣草)適應污染環境的重要作用,提出應用叢枝菌根真菌促進礦區生態恢復對策。本人對主要發現點3和4做出了貢獻,本項研究的工作量占本人工作量的50%。代表性論文: 7.

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