轻度污染土壤中镍的生物可利用性及其刺激蚯蚓生殖的Hormesis效应研究

Although a range of levels of soil metals can often be detected by chemical analysis, the total concentrations of these toxic substances may not necessarily be related to the amount of bioavailability and, therefore, the toxicity. Contamination of soils with low-levels of metals is raising increasing concerns recently, but little is known about the bioavailability and ecotoxicity of metals to soil fauna in low-level contaminated soils. Therefore, the evaluation of the exposure, uptake, accumulation and responses of soil invertebrates to low levels of metals in soils may give insights into the processes, mechanisms and effects of long-term exposure of metals. In this project, the oral sealing exposure assessment, gastrointestinal uptake investigation and the body residue analysis of nickel in the earthworm Eisenia fetida are to be carried out to investigate the processes and mechanisms of the ingestion, absorption, transformation, distribution and sequestration of metals in earthworms. A mechanistic model for the prediction of the bioavailability and bioaccessibility of nickel in low-level contaminated soils will be developed. In addition, the hormetic effects of low levels of nickel on the reproduction of earthworms, as well as the responses of the earthworms in reproductive physiology and function such as the production of sperms and germs, will be investigated. Two metal-responsive genes, annetocin gene and metallothionein gene, will be also investigated to address the molecular mechanisms for the hermetic responses of the earthworm to low levels of nickel.

土壤污染物"环境存在≠生物可利用≠毒性效应"。虽然重金属轻度污染的生态系统效应日益受到重视，但有关土壤污染物在低浓度下的生物有效性及其对土壤动物的生态毒理效应还知之甚少，研究低污染水平下土壤动物对重金属的暴露、吸收、聚积和生理反应，对阐明污染物低剂量长期暴露的过程、机理及其生态学效应具有重要的意义。本项目拟通过开展蚯蚓封口暴露试验、肠道吸收模拟试验和污染物机体残留组织特异性检测试验，研究和阐明低浓度镍（Ni）通过蚯蚓皮肤和肠道系统发生穿透、吸收、转运、分配和蓄积的过程与机理，建立可预测土壤中Ni的生物有效性/生物可利用性的机理模型。同时，通过开展蚯蚓生殖生理试验和关联基因的表达反应实验，研究低剂量外源Ni刺激蚯蚓生殖的Hormesis效应及蚯蚓在精子形成、卵子发生等生殖功能上的反应，并通过蚯蚓产卵激素基因和金属硫蛋白家族基因的表达反应研究，阐明低剂量Ni暴露诱发蚯蚓产生兴奋效应的分子机制。

项目围绕轻度污染土壤中镍的生物有效性/生物可利用性和不同类型土壤中低剂量外源镍刺激蚯蚓生殖的Hormesis效应等研究主题，开展了不同类型土壤中低剂量外源镍刺激蚯蚓生殖的毒物兴奋效应定量特征研究、轻度污染土壤中镍的生物有效性及其在蚯蚓组织中的生物富集特性研究，以及不同类型镍盐（硫酸镍、硝酸镍、氯化镍和乙酸镍）的生物有效性及其对蚯蚓的生态毒性与生物富集特性研究。此外，项目还将研究内容从蚯蚓适当扩展到了部分单、双子叶植物，并在污染物类型上增加了铜和镉的研究，开展了不同类型镍盐的生物有效性及其对单子叶植物（大麦、小麦和燕麦）和双子叶植物（黄瓜、生菜和油菜）根伸长的生态毒性研究、不同类型镍盐对玉米生长的毒理效应及生理生化响应机制研究、土壤-植物-蚯蚓微宇宙系统中镉的生物有效性及生态毒性研究，以及不同类型土壤中铜对蚯蚓的生态毒理效应研究等。通过开展本项目研究，阐明了轻度污染土壤中镍的生物有效性/生物可利用性及其主要影响（控制）因素，明确了部分典型土壤中镍刺激蚯蚓生殖产生兴奋效应的定量特征，并探讨了不同类型镍盐对植物生长的Hormesis效应以及铜和镉等重金属对蚯蚓生殖的毒物兴奋效应和生态毒理效应，增进了对低浓度重金属刺激土壤动物（蚯蚓）和植物产生Hormesis效应的机理和规律的认识。项目共发表研究论文10篇，其中SCI论文6篇，部分研究内容参与申报并获得环境保护科学技术奖二等奖1项，培养在职博士研究生1名，硕士研究生4名，完成了预期的考核指标。