基于生物有效性的土壤重金属复合污染毒性机制及预测模型研究

Soil contamination with heavy metals generally occurs as mixtures of different metals. The mixture components may interact with each other, making it difficult to predict the environmental behavior and toxic effects of metal mixtures. Although some progress has been made in understanding mixture toxicity and interactions, there is still no well-established mechanistic model for effectively interpreting and predicting metal mixture toxicity in complex soil system. In this project, we will focus on typical metal mixture combinations (Cd-Cu, Cd-Pb, and Cu-Pb) found in the polluted soils of China. By using model plant, we will investigate the interactions and joint toxicity of metal mixtures in different exposure media (nutrient solution system and soil system) and at different interfaces. Through the calculations of geochemical speciation, the use of stable isotope tracer, the deployment of diffusive gradients in thin-films, and the coupling of toxicity reference model and uptake data, we will unravel the main mechanisms of mixture interactions and the key controlling factors in the presence of diffusional limitation (and equilibrium control). On the basis of the above analysis, biotic ligand model theory will be modified, in combination with the quantitative assessment of labile metal pool, to develop bioavailability-based mechanistic models for predicting metal mixtures toxicity in different exposure media. Our research will provide scientific basis for setting soil quality criteria and risk assessment procedures for soils contaminated with multiple metals.

土壤重金属污染往往表现为复合污染的形式，而且这些污染物之间会发生相互作用，使得复合污染的环境行为和毒性效应难以预测。有关重金属复合污染与交互作用的研究虽取得一定进展，但在复杂土壤体系中，尚未建立能够有效解释并预测金属联合效应的机理模型。本项目拟以我国污染土壤中常见的镉、铜、铅的二元复合污染为研究对象，利用模式植物研究金属混合物在溶液体系和土壤体系（多介质多界面）中的交互作用和毒性特征。借助地球化学形态计算、稳定同位素示踪、梯度扩散薄膜技术及毒性参考模型耦合植物吸收等方法阐明混合物组分在存在传质扩散限制（以及平衡控制）时发生交互作用的主要过程机制及关键影响因子。在此基础上，改进并拓展生物配体模型理论框架，同时结合非稳态金属的定量评估，构建基于生物有效性的机理模型来预测金属混合物在不同环境介质中的联合毒性，为建立多金属复合污染土壤环境质量标准与风险评估体系提供理论依据。

有关重金属复合污染与交互作用的研究虽取得一定进展，但在复杂土壤体系中，尚未建立能够有效解释并预测金属联合效应的机理模型。基于此，本项目分别在溶液体系和土壤体系中开展了一系列基于生物有效性的重金属复合污染毒性机制及预测模型研究。具体为：（1）探讨了主要环境因子pH、Ca和小分子有机酸（NTA）等存在下金属单一和混合暴露对模式植物小麦的毒性效应影响，成功构建了两种基于生物有效性的模型（生物配体模型和静电作用模型），能准确预测不同暴露条件下金属的毒性效应，可以解释76%以上的毒性变化。（2）研究了4种阴离子（氢氧根、硫酸根、碳酸根、磷酸根）对3种典型含氧阴离子型金属（AsO43-, SeO32-, VO43-）毒性的影响，明确了含氧阴离子型金属As、Se、V毒性的主控因子，将共存阴离子的竞争作用纳入定量计算成功构建了适用于阴离子型金属毒性预测的生物配体模型，并进一步对其进行拓展，实现了在复杂暴露介质下对含氧阴离子型金属联合毒性的定量预测。（3）探究了土壤-植物系统中Cu、Zn、As混合物对植物毒性和吸收的影响。结果表明二元混合物组分在暴露水平和吸收水平上均存在着交互作用，且交互作用的类型取决于所选用的剂量表达方式和所使用的参考模型，充分考虑混合物组分在不同水平上的交互作用将有助于准确评估金属混合物对土壤-植物系统的毒性效应。（4）考察了金属及其二元混合物在四种不同土壤中对小麦的毒性影响，所发展的基于热力学平衡的生物配体框架可预测70%左右的混合物毒性效果，而当采用DGT技术测定的土壤中非稳态金属浓度作为剂量表达耦合加和参考模型时，则可以预测80%左右的混合物毒性变化，这表明考虑暴露体系中非稳态金属的，可以更加准确预测不同土壤中混合物的毒性。这些结果为阐释金属元素间交互作用机制、生物有效性及毒性提供新思路，同时也为建立多金属复合污染土壤环境质量标准与风险评估体系提供基础数据和科学依据。