2.土壤生物对环境污染的响应及其适应机制

　　污染物对土壤生物具有毒害作用，但另一方面土壤生物对各类污染物也有一定的抗性和解毒机制。对于重金属而言，土壤生物的解毒及耐性机制包括：(1)泌出、吸附以及细胞外的沉淀作用，如许多微生物通过胞外聚合物将重金属固持在胞外；(2)对过量重金属的区隔化作用，如重金属进入植物细胞后往往聚集在液泡中，而在菌根共生体系中重金属会被固持在根内真菌结构中；(3)细胞内解毒作用，植物或微生物摄入过量重金属离子可诱导金属硫蛋白、植物络合素、谷胱甘肽等物质的大量合成，并与重金属离子相结合，从而减轻重金属毒害，如铜或镉胁迫能够上调丛枝菌根真菌中金属硫蛋白基因(GintMT1)的表达 ；(4)通过氧化、还原、甲基化和去甲基化作用对重金属进行转化，将重金属转化为无毒、低毒或易排出体外的形态。如一些微生物能够将砷甲基化，从而降低砷毒害，同时也帮助植物减轻毒害，有些厌氧微生物可将汞甲基化，再将甲基汞排出细胞外达到解毒作用。

　　一些土壤微生物与植物在长期适应环境过程中形成了协同抵抗重金属机制。例如，在重金属污染环境中，AM 真菌即可通过多种机制对宿主植物起到保护作用。概括起来，AM 真菌主要通过间接和直接两条途径增强植物重金属耐性，间接途径主要通过促进植物对矿质养分(尤其是磷)的吸收，改善植物营养状况，促进植物生长，进而增强植物重金属耐性；直接途径主要指丛枝菌根对重金属环境行为的直接影响，如根外菌丝对重金属的直接固持作用等 。此外，值得注意的是，一些微生物或植物甚至能够在重金属污染下获益，如一些化能自养型砷氧化微生物能够将三价砷氧化为五价砷，并且利用其产生的能量同化二氧化碳，供自身生长。虽然土壤生物消纳重金属的过程及机制已有较多研究，但过去还是以重金属迁移转化的化学过程为主，相关生理及分子机制方面的深入研究相对较少，而这方面的研究对于从本质上认识重金属的地球化学循环过程无疑具有重要意义。

　　对于有机污染物而言，土壤生物在其降解过程中具有不可替代的重要作用。土壤有机污染物的降解关键过程如脱氯、开环、脱氮、氧化及还原等往往在微生物作用下完成。微生物降解有机污染物主要分为两种方式，生长代谢和共代谢。生长代谢是指微生物将有机污染物作为碳源和能源物质加以分解和利用的代谢过程。以多环芳烃为例，微生物在单加氧酶或双加氧酶的催化作用下，将氧加到苯环上，形成 C—O 键，再通过加氢、脱水等作用使 C—C 键断裂，苯环数减少，形成一些中间产物，如邻苯二酚等，这些中间产物进而被微生物利用合成自身生长所需物质 。共代谢则是指微生物能够降解或改变有机污染物化学结构，但并不以此作为碳源和能源而是从其它底物获取碳源和能源的代谢过程，如一些微生物如不动杆菌等能够在以苯为碳源的条件下降解三氯苯酚和四氯苯酚。通常一些高分子多环芳烃及其类似物的降解要依赖共代谢作用，一些持久性难降解有机污染物如多氯联苯等，也能够在特定菌种及合适条件发生脱氯反应。总体来说，土壤生物对有机污染的响应和适应机理研究还比较少，尚待通过分子生物学手段研究微生物解毒基因，针对不同结构的有机物污染，研究其解毒途径及降解产物。

　　对于生物污染而言，研究其在土壤中的传播与演化机制才刚刚起步。土壤颗粒对病原微生物具有较强的吸附作用，同时存在对流-弥散、沥滤等过程，并受到病原微生物自身性质、土壤性质和环境条件等因素的影响。另一方面，不同病原微生物在土壤中的存活状态也不尽相同，并受到诸多因素如土壤 pH、有机质、土壤温度及湿度、离子强度、外界紫外线强度、土著微生物区系以及根际效应等的影响。多数病原微生物进入土壤后会很快消亡，但仍有小部分病原微生物长时间内仍能保持感染活力，如弓蛔虫(Toxocara)在土壤中存活时间达 3—4 年，炭疸杆菌(Bacillus anthracis)在土壤中存活时间甚至长达几十年。土壤病原菌还可以通过污灌、畜禽粪便施用、昆虫传播等多种方式进入到植物体内产生二次污染 。一些抗生素抗性细菌进入土壤后，其携带的抗性基因甚至可通过水平转移传播到土著微生物中，从而对土壤生态系统造成破坏。揭示病原微生物致毒基因在不同土壤生物类群之间的转移机制及毒力基因残留效应，探究抗生素抗性菌及抗性基因和病原微生物的复合污染以及两者相互作用是土壤生物污染研究领域的重点内容。

　　3.污染土壤修复原理与技术

　　研究土壤污染的生态毒理效应及土壤生物对土壤污染的响应与适应机制，一方面能够为建立土壤环境质量标准提供依据，另一方面也为解决土壤污染问题奠定了重要基础。事实上，污染土壤修复原理和技术一直也是土壤学领域的重要研究内容。传统的污染土壤修复主要以客土、土壤淋洗、施加稳定剂等物理化学方法为主。近年来，也有一些新型的环境功能材料应用于污染土壤修复，如近年迅速发展起来的纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron，nZVI)修复技术。nZVI 因其比表面积大、强还原性，且具有量子效应、比表面效应、体积效应等特性，对重金属、无机盐及有机污染物都具有较好的去除效果，逐渐被广泛用于重金属(如六价铬)或有机化合物(多环芳烃等)污染土壤的修复。传统物理化学修复技术对于治理严重污染土壤具有时间短、见效快等优点，但往往伴随着高能耗、高费用、二次污染等风险，因而不适用于大规模污染土壤的修复。相应地，近年来发展起来的利用特定植物或微生物修复污染土壤的生物修复方法因其绿色环保、高效、成本低等优点而受到广泛关注。