土壤中砷形态对砷-PFOA复合污染的蚯蚓联合毒性影响及机制研究

Combined pollution of heavy metals and organic pollutants is a typical type of multiple contamination in soil. Previous studies mainly focus on the combination of one species of heavy metals and organic pollutants, while lack of systematic study on different metal species. Arsenic (metalloid) exists in different chemical species in soil, including arsenite [As(III)], arsenate [As(V)], monomethylarsonate [MMA(V)], dimethylarsinate [(DMA(V)], etc. As the properties, environmental behavior, bioaccumulation and toxicity of different arsenic species vary greatly, different types of combined toxic effects may be produced due to the interaction between arsenic species and organic pollutants. In this project, we will simulate the combined pollution of the four different arsenic species and perfluoroocatanate acid (PFOA) in soil, respectively. The earthworm Eisenia fetida will be selected as indicator organism. The primary objective of this project is to conduct research on the toxic effects of mono- and multiple-contamination of arsenic species and PFOA to the earthworm. Meanwhile, the bioaccumulation and metabolic processes of arsenic species and PFOA in earthworms will also be studied. Then the toxicity mechanism of multiple-contamination of arsenic species and PFOA will be explored and the model of the joint toxicity will be built. The ultimate objective of this project is to verify the effects of arsenic species to As-PFOA combined pollution as well as its mechanism in the earthworm. The achievements of this project will not only provide theoretical value to the study of the mode and mechanism of combined pollution of different heavy metal species and typical perfluorochemicals, but also provide scientific basis for the assessment, pollution prevention and remediation of As-PFOA multiple contaminated soils.

重金属-有机污染物复合污染是典型的土壤复合污染类型，之前的相关研究多注重单一形态的重金属与有机污染物复合，缺乏系统区分不同金属形态的研究。砷（类重金属）在土壤中能以三价砷、五价砷、一甲基砷和二甲基砷等形态存在，由于不同形态砷的性质、环境行为、富集效应和生物毒性有较大差异，其与有机污染物的交互作用可能产生不同类型的联合毒性效应。本项目模拟土壤中不同形态砷与全氟辛酸（PFOA）分别构成复合污染，以赤子爱胜蚓为试验物种，系统研究不同形态砷与PFOA单一及复合污染对蚯蚓产生的毒性效应，结合不同形态砷与PFOA在蚯蚓体内的生物富集和代谢过程研究，建立不同形态砷与PFOA复合污染的联合作用模型，明晰土壤中砷形态对砷-PFOA复合污染的蚯蚓联合毒性影响及机制。本项目对于不同形态重金属和典型全氟化合物的复合污染模式和机制研究具有重要的理论意义，并为土壤中砷-PFOA复合污染的评价、防治与修复提供科学依据。

砷在土壤中能以三价砷（As(III)）、五价砷（As(V)）、一甲基砷（MMA）、二甲基砷（DMA）等形态存在，由于不同形态砷的性质、环境行为、富集效应和生物毒性有较大差异，其与全氟辛酸（PFOA）的交互作用可能产生不同类型的联合毒性效应。本项目以赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）为模式生物，通过室内模拟土壤生境，系统研究了四种不同形态砷与PFOA的单一及复合污染对蚯蚓产生的毒性效应，以及在蚯蚓体内的生物富集和转化规律，建立了不同形态砷与PFOA复合污染对蚯蚓的联合作用模型，明晰了土壤中砷形态对砷-PFOA复合污染的联合毒性影响及相关机制，研究成果为不同形态的砷与PFOA的土壤复合污染评价、防治与修复提供了重要的科学依据。取得的主要研究结果如下：.（1）四种形态砷与PFOA对赤子爱胜蚓的急性毒性和综合毒性的大小顺序为As(III)＞As(V)＞PFOA＞MMA和DMA，两种有机砷彼此间的综合毒性差异较小。在相同污染水平下，无机砷比PFOA和有机砷更易在蚯蚓体内富集，并导致蚯蚓体内不同水平的多种生物标志物产生更为显著的毒性响应。蚯蚓可将富集的砷由高毒性的无机砷转化为低毒性的有机砷，最终转化为更复杂的有机砷化合物排出体外，从而实现对砷的生物转化和解毒代谢过程；同时，蚯蚓生物体内还存在有机砷的去甲基化过程，导致生成毒性较大的无机砷，蓄积后也可引发毒性响应。.（2）四种形态砷与PFOA的复合污染能够增强赤子爱胜蚓对各形态砷的生物富集，同时减弱了其对PFOA的富集，并抑制了蚯蚓体内砷的生物转化过程，包括无机砷的生物甲基化和有机砷的去甲基化过程，进而对蚯蚓体内敏感生物标志物的毒性响应产生不同程度影响，主要表现在体重增长率下降、抗氧化酶活性变化、氧化应激损伤、金属硫蛋白诱导合成、体腔细胞溶酶体膜损伤等方面。.（3）土壤中不同的砷形态对砷-PFOA复合污染的蚯蚓联合毒性的影响结果不同。其中，As(III)、As(V)与PFOA构成复合污染的联合毒性效应为协同作用，而MMA、DMA与PFOA构成复合污染的联合毒性效应为拮抗作用。其机制主要是通过对复合污染体系中各污染物的生物富集和转化过程的影响，诱导蚯蚓体内的敏感生物标志物指标产生不同程度的毒性响应，最终导致无机砷-PFOA与有机砷-PFOA的复合污染体系产生彼此相反的联合毒性作用类型。