砷对蚯蚓掘穴行为与自由基代谢的毒性效应及其对土壤理化性质的影响研究

o Burrowing behavior of the earthworm is of the key factors that affect the soil aeration and soil quality. Pollutants in soils might impact the burrowing behavior of the earthworm, and thus indirectly change the soil physical and chemical properties. Heavy metals pollution in soils has become an important issue in China. Arsenic is one of the main polluted heavy metals. This project will use the 2D terrarium and 3D γ-ray tracing test to study the toxicity of arsenic pollution to the burrowing behavior of the earthworm, and the its possible correlation to the toxicity of free redical metabolism in earthworm caused by arsenic.Then the direct effect on soil physical properties and indrect effect on soil chemical properties caused by arsenic through the toxicity of burrowing behavior will be explored. The results is expected to elucidate the charateristics of the toxic effects of arsenic to earthworm burrowing behavior, including the 2D profile and 3D spatial changes. The correlation between the behavior toxicity and the free radical metabolism will be recovered, trying to know the mechanism of this toxicity from the perspective of free racial change in earthworm body.The effect of arsenic to the soil physical and chemcial properties through the behavior toxicity will be deduced.Beased on these studies, we will explore if the burrowing behavior of earthworm could be used as a new biomarker of soil arsenic pollution, and if it could be applied in assessment of soil arsenic pollution and soil quality. This project is expected to give a new train of thought for the monitoring and assessment of soil pollution.

蚯蚓掘穴行为是决定土壤透气性及土壤质量的重要因素之一，土壤污染物可能对蚯蚓的掘穴行为产生影响，进而间接影响土壤的理化性质。我国农田土壤重金属污染形势严峻，砷是主要的土壤重金属污染元素之一。本项目拟选择对农田污染较广的代表性砷化合物，采用2D terrarium 和3Dγ射线追踪试验来研究土壤砷污染对蚯蚓掘穴行为的毒性，以及可能与之相关的蚯蚓机体内自由基代谢毒性，然后研究这些毒性效应与土壤理化性质的相关性。预期研究结果将阐明土壤砷污染对蚯蚓掘穴行为的毒性作用规律，包括二维土壤剖面（2D）与三维立体空间（3D）的掘穴行为改变特征；从自由基代谢角度分析掘穴行为毒性产生的生化机理；了解砷通过掘穴行为毒性而对土壤理化性质产生的影响。并探讨掘穴行为毒性能否成为反映土壤砷污染的一种新型生物标志物，以及在评价土壤砷污染及土壤质量中的应用价值，为土壤污染监测与评价等提供新的思路。

蚯蚓掘穴行为是决定土壤透气性及土壤质量的重要因素之一。土壤污染物可能对蚯蚓的掘穴行为产生影响，进而间接影响土壤的理化性质。我国农田土壤重金属污染形势严峻，砷是主要的土壤重金属污染元素之一。本项目依照计划任务书，选取了三种典型的砷污染物亚砷酸钠、砷酸氢二钠和洛克沙胂，进行了以下研究。1) 砷对蚯蚓的掘穴行为毒性。探究了早期砷污染对赤子爱胜蚓和白颈腔蚓二维（2D）掘穴行为的影响，以及长期砷胁迫对赤子爱胜蚓2D掘穴行为的影响。研制了透明土壤，并建立了蚯蚓在含砷透明土壤中三维(3D)掘穴活动的可视化连续观测方法。结果表明，早期砷污染土壤中两种蚯蚓的累积掘穴距离随砷浓度升高而增加，而长期砷污染土壤中则相反。在长期砷污染土壤和含砷透明土壤中，赤子爱胜蚓的掘穴行为受到抑制。2) 砷对蚯蚓(此处及后文均指赤子爱胜蚓)体内自由基代谢过程的毒性效应。在土壤中添加不同量的砷，接种蚯蚓，定期取样，测定与自由基代谢过程相关的氧化应激参数。结果表明，蚯蚓体内的活性氧含量和丙二醛生成量随着三种砷浓度的增加而增加；超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性在三种砷胁迫下均降低；谷胱甘肽过氧化物酶的活性和ATP合成能力在砷酸氢二钠和洛克沙胂暴露下降低。首次证实了蚯蚓体内核因子相关因子2(Nrf2)/血红素加氧酶-1(HO-1)信号通路的存在，二者的蛋白表达量与砷暴露浓度及时间呈正相关。3)砷对蚯蚓全蛋白表达的影响。采用双向电泳技术进行研究，共发现36个2倍以上的差异表达蛋白点，鉴定出了其中24个，涉及能量代谢、应激响应、信号转导及调节等功能。其中多数蛋白都直接或间接地与掘穴行为变化相关。4) 砷引起的蚯蚓掘穴行为变化对土壤理化性质的影响。结果表明砷通过影响蚯蚓的活动而使土壤pH值下降；速效磷在亚砷酸钠处理组中增加，但在其他两种砷化合物处理组中下降；氨态氮在三种砷处理组中均下降；硝态氮在亚砷酸钠处理组中升高，另外两种砷处理组中下降。蚯蚓掘穴、自由基代谢及土壤理化性质的多种指标相关性分析表明，这三者之间是相互影响的。砷进入土壤后会使蚯蚓产生氧化应激响应及其他生理生化变化，减弱蚯蚓的掘穴能力，进而影响土壤的理化性质。总之，蚯蚓掘穴行为毒性经进一步研究后有可能成为土壤污染的一种新型生物标志物，在土壤砷污染监测及土壤质量评价等方面具有应用前景。本项目的研究也为其他重金属或化合物的土壤污染监测、评价与治理等提供了新的思路。