土壤生物與土壤污染研究前沿與展望
?導讀
土壤污染已成為危及生態系統穩定、農產品質量安全和人體健康的突出環境問題之一。重金屬、有機污染化合物、病原菌及抗性基因等各類污染物大量進入土壤后，對土壤生物系統造成毒害作用，影響到土壤生態功能;另一方面，土壤生物如細菌、真菌、土壤動物等在一定程度上能夠適應土壤污染，深刻影響著污染物在土壤中的遷移轉化過程，在土壤污染修復中具有潛在重要作用。
作者從土壤污染的生態毒理效應、土壤生物對土壤污染的響應與適應機制、污染土壤修復原理與技術等三方面綜述了土壤生物與土壤污染相關研究前沿，展望了重點研究方向。
?背景
隨著社會經濟發展，人類生產活動對自然環境產生越來越廣泛深刻的影響，土壤污染已成為危及生態系統穩定、農產品質量安全和人體健康的突出環境問題之一。
按照污染物屬性土壤污染可區分為無機污染、有機污染以及生物污染等。土壤無機污染以重金屬或類金屬(如鎘、砷、汞、銅、鉛、鉻)污染為主。值得注意的是，近年來隨著納米技術和納米材料的大規模應用，大量的人工納米顆粒物如納米金屬氧化物、含碳納米顆粒物及量子點(一種由有限數目的原子組成且三個維度尺寸均在納米數量級的新型納米材料料，因其獨特的物理化學性質在生命科學、材料等領域得到廣泛應用)等進入到土壤中，其生態安全性和潛在健康風險也日益受到關注。土壤有機污染以六六六、滴滴涕、多氯聯苯、多環芳烴等有機化合物污染為主，而近年來一些新興有機污染物，如全氟化合物、多溴聯苯醚、短鏈氯化石蠟、五氯苯等也逐漸引起關注。土壤生物污染則是指病原體和有害生物種群從外界侵入土壤，破壞土壤生態系統平衡，引起土壤質量下降的現象。土壤中往往含有一些病原微生物，如果大量繁衍，將會破壞原有土壤生態平衡。同時，很多外源病原微生物(如大腸桿菌、沙門氏菌、脊髓灰質炎病毒等)隨著生活污水、污泥或畜禽糞便等進入土壤，也造成土壤生物污染。近年來因抗生素的濫用而導致抗生素抗性基因(Antibioticresistancegenes，ARGs)的環境擴散和積累也被歸為生物污染，并已成為全世界關注的一個環境問題。
各種污染物進入土壤環境后會對土壤生態系統造成深刻影響。一方面污染物往往具有致毒作用，會直接影響土壤生物活性，改變土壤生物系統結構，進而影響土壤生態功能;另一方面，土壤生物通過一系列代謝途徑消納、轉化或富集污染物，影響污染物的環境行為和歸趨。系統深入研究土壤生物與土壤污染物之間的相互作用及其機制，不僅對于全面認識土壤污染的生態效應，以及土壤生物對土壤污染的適應策略具有重要意義，同時也是發展污染土壤生物修復技術的重要基礎。
土壤生物與土壤污染研究前沿
土壤污染會影響土壤生物系統的結構和功能，而土壤生物則對土壤污染產生適應、反饋調控以及消解清除作用，對兩者相互作用的研究有利于發展土壤生物修復技術。
基于土壤污染與土壤生物的相互作用(圖1)，相關科學研究主要分為三個方面:(1)土壤污染的生態毒理效應;(2)土壤生物對土壤污染的響應與適應機制;(3)污染土壤修復原理與技術。
1.土壤污染的生態毒理效應
土壤污染的生態毒理效應研究主要是考察污染物對生物個體生理、生物種群、群落結構乃至生態系統結構和功能的影響。當前的研究多集中在生物個體層次，如以典型模式生物個體或細胞為考察對象，通過死亡率和生長發育相關指標(如無脊椎動物的繁殖率、產卵率以及植物的種子發芽、根伸長抑制和生物量等)來反映污染物的毒性效應，或采用基因組學及蛋白組學等研究有毒污染物的毒性機制，在基因、細胞和個體水平上揭示典型污染物和生物相互作用的位點及其作用方式，以及采用代謝組學等手段解析有毒污染物對生物代謝過程影響的機理和調控途徑。針對生物個體毒理效應的研究被廣泛用來評價單一污染物或復合污染物的直接毒性，但由于這類研究不能反映土壤中物種間的相互作用，對物種敏感性差異考慮不足，因而在將污染物毒性外推到種群或群落水平時具有很多局限性。顯而易見，生物個體的變化必然會引起種群數量改變，使種群衰落直至滅亡，從種群/群落乃至生態系統水平探討土壤污染的生態毒理效應，研究其所致的生態毒理效應演化過程，正逐漸形成生態毒理學新的學科增長點。
近年來有學者提出利用多物種測試系統來構建簡化的土壤食物網，從而在一定程度上反映物種間相互作用。陸生微宇宙(Microcosm)系統被認為是最接近自然生態系統的試驗系統，一般由處理后的土壤(采集并過篩)或是未經擾動的土體(Soilcore)及引入的多種物種組成，能夠在生態系統水平上模擬研究污染物的遷移轉化和歸趨，以及評價污染物對生態系統整體結構和功能的影響。不過，由于微宇宙中生物群落結構比較復雜，對毒物反應的終點不夠明確，使得微宇宙中觀測到結果往往不易解釋，試驗可再現性也有待加強。
相對而言，針對群落水平的毒性研究，以微生物為評價對象在技術上是最容易實現的。土壤微生物在生態系統中具有特殊的生態地位，對元素的生物地球循環具有不可替代的重要作用，因而選擇具有代表性的土壤微生物作為受體測試環境污染的生態效應已成為近年生態毒理研究領域的熱點。
重金屬是土壤中最為常見的污染物。無論是對生物體必需還是非必需的重金屬元素，達到一定濃度時都會損壞生物細胞膜、改變生物酶活性、影響細胞內正常的生理功能、并破壞生物體的DNA結構。譬如，Hg2+、Cd2+、Ag+等生物體非必需元素能與巰基基團(-SH)結合，進而抑制生物體的酶活性，Cr與S，以及As與P在結構上類似導致這些元素很容易取代生物體內的必需元素而導致生理功能紊亂。土壤中的微生物數量龐大并具有高的比表面積，為重金屬與微生物細胞壁的相互作用提供了廣闊場所，而微生物細胞膜具有的網狀負電荷也使得其更易從周圍環境中積累金屬離子，且這種傳輸不能區分必需元素還是有毒重金屬。已有大量研究報道了土壤重金屬污染對微生物生物量、土壤呼吸、底物利用、氮轉化、酶活性以及微生物多樣性的影響。例如，Chander等研究發現受重金屬脅迫的土壤微生物需要消耗更多能量，導致對底物的利用效率降低，引起土壤微生物生物量的降低;Gans等研究發現在原始土壤樣品中存在超過100萬種不同的細菌基因組，而重金屬污染會降低其99.9%的多樣性。Singh等研究也發現在重金屬長期脅迫下，土壤微生物群落多樣性顯著降低，并導致一些特定功能如對污染物的礦化能力喪失。
對外源有機污染物而言，土壤微生物是有機污染物降解的主要驅動力，然而有機污染物也深刻影響著土壤微生物的生長、豐度及降解能力。很多研究發現有機污染物能顯著抑制微生物的生長和生理活動，如敵草隆的降解產物對亞硝酸細菌和硝酸細菌有抑制作用，苯氧淡酸類除草劑可通過影響寄主植物而抑制共生固氮菌的生長和活動，2，4-D和甲基氯苯氧乙酸對土壤中藍細菌的光合作用有毒性作用。不過，也有研究發現，有機污染物脅迫下功能微生物類群的豐度會相應提高，并且在某些環境中，其豐度與有機污染物的濃度成正比。當這些功能微生物再次受到有機污染物脅迫時，因經過前期的適應過程，其生長速率明顯增加。這些研究結果的差異可能與有機污染物的類型和土壤中污染物濃度水平有關。此外，有研究發現有機物存在時還會改變重金屬移動性及土壤微生物活性，例如溴代阻燃劑BDE209的適當加入會加速Pb轉化為更穩定的形態進而對土壤微生物的生物量、呼吸和代謝產生不同影響。
對于新型污染物抗性基因而言，其可隨畜禽糞便進入土壤系統，并可能將抗性基因轉移到土著微生物中。抗生素選擇壓力也會誘導抗性基因的產生，有報道土壤重復施加含磺胺嘧啶的豬糞后，sul1和sul2兩種抗性基因的豐度顯著增加。同時，由于抗生素進入土壤后能直接殺死土壤中某些微生物或抑制相關微生物的生長，因而能改變微生物群落結構及微生物活性。Haller等研究發現磺胺類(磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑)和四環素類(土霉素)抗生素明顯抑制了土壤細菌和放線菌生長，使土壤微生物生物量明顯下降，但土壤真菌生物量增加。Hammesfahr等也證實磺胺嘧啶污染的糞便使土壤細菌/真菌比例下降。Boleas等則發現土壤中四環素濃度達到1mg/kg即可顯著抑制土壤脫氫酶和磷酸酶的活性。最近研究發現，即使施用不含抗生素的有機肥，也可以顯著富集土壤中抗生素抗性微生物和抗性基因，其原因是土壤養分的投入可以改變土壤微生物群落結構，特別是一些通常含有抗性基因的微生物類群，如假單胞桿菌等。
盡管有關污染物對土壤生物的影響已有大量研究報道，但目前還非常缺乏真正意義上的土壤污染生態毒理學研究:很少有研究考慮物種間的相互作用，更少有真正在生態系統層次開展的研究。此外，自然條件下土壤污染通常是多種污染物共存的復合污染，但已有研究多以單種或單類污染物作為研究對象，考察其在環境介質中的遷移轉化過程，但很少考慮復合污染的生態效應。客觀地講，在群落水平乃至生態系統水平開展毒性測試還存在很多難點，如在戶外自然光照和降雨條件下進行的中宇宙測試，與真實環境高度接近，但由于測試系統中的組分是動態變化和相互依賴的，這種復雜性使得建立污染物和群落變化間的劑量-效應關系非常困難，同時成本較高導致實驗重復少，也限制了實際應用。今后還需進一步發展針對多物種的半野外測試方法來評價群落/生態系統水平的效應。
2.土壤生物對環境污染的響應及其適應機制
污染物對土壤生物具有毒害作用，但另一方面土壤生物對各類污染物也有一定的抗性和解毒機制。對于重金屬而言，土壤生物的解毒及耐性機制包括:(1)泌出、吸附以及細胞外的沉淀作用，如許多微生物通過胞外聚合物將重金屬固持在胞外;(2)對過量重金屬的區隔化作用，如重金屬進入植物細胞后往往聚集在液泡中，而在菌根共生體系中重金屬會被固持在根內真菌結構中;(3)細胞內解毒作用，植物或微生物攝入過量重金屬離子可誘導金屬硫蛋白、植物絡合素、谷胱甘肽等物質的大量合成，并與重金屬離子相結合，從而減輕重金屬毒害，如銅或鎘脅迫能夠上調叢枝菌根真菌中金屬硫蛋白基因(GintMT1)的表達;(4)通過氧化、還原、甲基化和去甲基化作用對重金屬進行轉化，將重金屬轉化為無毒、低毒或易排出體外的形態。如一些微生物能夠將砷甲基化，從而降低砷毒害，同時也幫助植物減輕毒害，有些厭氧微生物可將汞甲基化，再將甲基汞排出細胞外達到解毒作用。
一些土壤微生物與植物在長期適應環境過程中形成了協同抵抗重金屬機制。例如，在重金屬污染環境中，AM真菌即可通過多種機制對宿主植物起到保護作用。概括起來，AM真菌主要通過間接和直接兩條途徑增強植物重金屬耐性，間接途徑主要通過促進植物對礦質養分(尤其是磷)的吸收，改善植物營養狀況，促進植物生長，進而增強植物重金屬耐性;直接途徑主要指叢枝菌根對重金屬環境行為的直接影響，如根外菌絲對重金屬的直接固持作用等。此外，值得注意的是，一些微生物或植物甚至能夠在重金屬污染下獲益，如一些化能自養型砷氧化微生物能夠將三價砷氧化為五價砷，并且利用其產生的能量同化二氧化碳，供自身生長。雖然土壤生物消納重金屬的過程及機制已有較多研究，但過去還是以重金屬遷移轉化的化學過程為主，相關生理及分子機制方面的深入研究相對較少，而這方面的研究對于從本質上認識重金屬的地球化學循環過程無疑具有重要意義。
對于有機污染物而言，土壤生物在其降解過程中具有不可替代的重要作用。土壤有機污染物的降解關鍵過程如脫氯、開環、脫氮、氧化及還原等往往在微生物作用下完成。微生物降解有機污染物主要分為兩種方式，生長代謝和共代謝。生長代謝是指微生物將有機污染物作為碳源和能源物質加以分解和利用的代謝過程。以多環芳烴為例，微生物在單加氧酶或雙加氧酶的催化作用下，將氧加到苯環上，形成C—O鍵，再通過加氫、脫水等作用使C—C鍵斷裂，苯環數減少，形成一些中間產物，如鄰苯二酚等，這些中間產物進而被微生物利用合成自身生長所需物質。共代謝則是指微生物能夠降解或改變有機污染物化學結構，但并不以此作為碳源和能源而是從其它底物獲取碳源和能源的代謝過程，如一些微生物如不動桿菌等能夠在以苯為碳源的條件下降解三氯苯酚和四氯苯酚。通常一些高分子多環芳烴及其類似物的降解要依賴共代謝作用，一些持久性難降解有機污染物如多氯聯苯等，也能夠在特定菌種及合適條件發生脫氯反應。總體來說，土壤生物對有機污染的響應和適應機理研究還比較少，尚待通過分子生物學手段研究微生物解毒基因，針對不同結構的有機物污染，研究其解毒途徑及降解產物。
對于生物污染而言，研究其在土壤中的傳播與演化機制才剛剛起步。土壤顆粒對病原微生物具有較強的吸附作用，同時存在對流-彌散、瀝濾等過程，并受到病原微生物自身性質、土壤性質和環境條件等因素的影響。另一方面，不同病原微生物在土壤中的存活狀態也不盡相同，并受到諸多因素如土壤pH、有機質、土壤溫度及濕度、離子強度、外界紫外線強度、土著微生物區系以及根際效應等的影響。多數病原微生物進入土壤后會很快消亡，但仍有小部分病原微生物長時間內仍能保持感染活力，如弓蛔蟲(Toxocara)在土壤中存活時間達3—4年，炭疸桿菌(Bacillusanthracis)在土壤中存活時間甚至長達幾十年。土壤病原菌還可以通過污灌、畜禽糞便施用、昆蟲傳播等多種方式進入到植物體內產生二次污染。一些抗生素抗性細菌進入土壤后，其攜帶的抗性基因甚至可通過水平轉移傳播到土著微生物中，從而對土壤生態系統造成破壞。揭示病原微生物致毒基因在不同土壤生物類群之間的轉移機制及毒力基因殘留效應，探究抗生素抗性菌及抗性基因和病原微生物的復合污染以及兩者相互作用是土壤生物污染研究領域的重點內容。
3.污染土壤修復原理與技術
研究土壤污染的生態毒理效應及土壤生物對土壤污染的響應與適應機制，一方面能夠為建立土壤環境質量標準提供依據，另一方面也為解決土壤污染問題奠定了重要基礎。事實上，污染土壤修復原理和技術一直也是土壤學領域的重要研究內容。傳統的污染土壤修復主要以客土、土壤淋洗、施加穩定劑等物理化學方法為主。近年來，也有一些新型的環境功能材料應用于污染土壤修復，如近年迅速發展起來的納米零價鐵(Nanoscalezero-valentiron，nZVI)修復技術。nZVI因其比表面積大、強還原性，且具有量子效應、比表面效應、體積效應等特性，對重金屬、無機鹽及有機污染物都具有較好的去除效果，逐漸被廣泛用于重金屬(如六價鉻)或有機化合物(多環芳烴等)污染土壤的修復。傳統物理化學修復技術對于治理嚴重污染土壤具有時間短、見效快等優點，但往往伴隨著高能耗、高費用、二次污染等風險，因而不適用于大規模污染土壤的修復。相應地，近年來發展起來的利用特定植物或微生物修復污染土壤的生物修復方法因其綠色環保、高效、成本低等優點而受到廣泛關注。
在概念上，生物修復是指利用生物的代謝活動及其代謝產物富集、降解或固定土壤中的污染物，從而恢復被污染土壤的生產或景觀價值的一個受控或自發進行的生物學過程(圖2)。生物修復主要以植物修復和微生物修復為主。對于不同類型的污染物，其修復方法往往不同。對于重金屬來說，其結構簡單，性質較為穩定，因而常常采取植物萃取和植物固定方法進行修復。植物萃取主要是利用超積累植物吸收、富集重金屬，從而減少乃至清除土壤中的重金屬，如利用砷超積累植物蜈蚣草進行砷污染土壤的修復。植物固定則主要利用特定耐性植物將污染物固定在根際或根系中以降低重金屬可遷移性，如利用一些礦區中天然存在的耐性植物修復重金屬污染土壤。
此外，也可利用某些具有特殊功能的微生物類群的代謝活動來降低重金屬活性及毒性以達到土壤修復的目的(即微生物修復)，如利用六價鉻還原細菌高效還原土壤中六價鉻以降低鉻毒性從而修復鉻污染土壤。對于有機污染物而言，其結構和性質較為復雜，且生物降解難易程度不同，因而要根據污染物的特性選取適宜的修復方法。土壤中多數有機污染物能夠被微生物降解轉化，最終變成無害形態。土壤微生物轉化有機污染物主要涉及氧化還原、水解、集團轉移、酯化、縮合、氨化等過程，且分為生長代謝和共代謝途徑兩種類型。基于土壤微生物能夠降解有機污染物的特性，微生物修復已成為土壤有機污染修復的主要技術。此外，一些植物也能夠吸收轉運有機物，并將小分子有機物通過葉片揮發至大氣當中(植物揮發)，而一些難揮發性有機物能夠通過酶促反應被無害化降解(植物降解)，一些難降解有機污染物也能夠被特定植物吸收累積(植物富集)。因而，利用植物修復有機污染土壤也具有一定應用前景。
值得注意的是，自然環境中植物與微生物之間往往具有密切的相互作用，不僅影響著彼此的污染耐受性，同時也對污染物遷移轉化產生重要影響。將植物修復和微生物修復技術有機結合起來，對于提高生物修復效率具有重要意義。例如，通過菌根共生體系通常能夠增強植物對污染土壤的耐受性并促進植物修復。在實際情況下，由于污染土壤往往存在復合污染、物理結構不良、水土保持能力弱等限制性因素，導致單一修復措施無法實現，因而需要根據實際情形將生物修復與物理化學修復有機結合，以獲得最佳修復效果。此外，對于需要持續生產的農業用地或林地而言，可考慮生產與修復相結合的方式，如利用一些高生物量的能源植物進行修復，在達到污染土壤修復目的的同時產生一定的經濟效益。
未來研究動向分析
基于國內外土壤污染與土壤生物研究前沿動態和我國土壤污染基本狀況，這一研究領域的關鍵科學問題可凝練為:(1)土壤污染如何影響土壤生物群落結構與功能?(2)土壤消納污染物的生物學機理?(3)生物污染在土壤中的傳播與演化機制?圍繞這些問題，以下幾方面將成為未來研究的重點方向。
1土壤污染背景下微生物群落結構和多樣性的演變及生態效應
過去有關土壤污染的生態效應研究主要在細胞和生物個體水平開展，研究對象主要是動物和植物，但隨著微生物分子生態學的發展，越來越多的研究開始關注土壤污染對微生物群落的影響，包括在功能基因、功能群乃至在土壤生態系統水平研究不同污染物及復合污染對土壤微生物多樣性和功能的影響及其機制，重點是將生物多樣性(群落結構)與相關生態功能/過程結合起來進行研究，從生物多樣性和生態系統穩定性(抵抗力和恢復力)的關系角度理解土壤污染對土壤生態系統影響機制。
隨著分子生物學及生物信息學的迅速發展，利用高通量測序、核酸雜交技術、DNA指紋圖譜技術和基因芯片等分子生物學方法來分析土壤微生物多樣性和群落結構，以及應用宏基因組學、宏蛋白組學及代謝組學等系統生物學的方法研究土壤微生物活性及功能的演變規律已成為土壤生物學領域的趨勢。這些新方法的應用會大大促進我們對土壤污染與土壤生物系統相互作用的全面認識，有助于理解在土壤污染脅迫下土壤生物群落結構及功能的演變規律及響應適應過程。在上述研究的基礎上，未來應加強基于長期定位實驗的研究，也就是結合現代組學技術、大數據科學和模型等手段在較長的時間尺度上認識土壤生物系統在土壤污染脅迫下的演變規律和機制。將來土壤生態毒理學研究應更多地拓展到實際環境，從更大的時間和空間尺度上進行研究，考察的對象應從土壤生物群落層次上升到食物網層次，同時要將生物多樣性演變與生態功能變化聯系起來，從而進一步提高研究的科學性和實用性。
2土壤污染的生物轉化和清除機制
土壤生物可通過氧化、還原和甲基化等過程直接改變重金屬化學形態，或通過改變鐵、硫等元素的氧化還原狀態、分泌有機絡合物、細胞壁吸附和固定等過程影響重金屬的生物有效性。土壤生物同樣可以通過特異性或非特異性酶脫毒系統，或通過一些特定的代謝途徑降解有機污染物。通過野外調查及傳統室內模擬試驗，發現并分離特定功能微生物，進一步通過同位素示蹤技術、原位熒光雜交技術、電子顯微技術，以及近年來迅速發展起來的同步輻射技術(如X射線熒光微分析技術(XRF)和X射線吸收精細結構分析技術(XAFS))、次生離子質譜技術，可深層次揭示污染物遷移轉化的界面化學過程。
另一方面，生物體內的生理代謝及分子調控過程是驅動污染物化學轉化的內在動力，未來的研究也需要將分子生物學技術(如實時熒光定量PCR、基因克隆及功能驗證、蛋白質結構解析、穩定性同位素核酸探針DNA/RNA-SIP等技術)與先進的物理化學技術(如高精度質譜、電鏡分析及同步輻射等技術)相結合，從分子層次上深入探索土壤生物介導的污染物轉化機制，為土壤污染的生物修復奠定基礎。此外，一些污染物的生物代謝及消納過程往往與生物自身代謝過程相耦合，如微生物驅動的有機污染物降解可以耦合鐵還原、硝酸鹽還原、硫酸鹽還原及甲烷產生過程，這些耦合作用在元素生物地球化學循環過程中扮演著重要的角色。具體研究過程中，需要綜合考慮生物自身的代謝過程及污染物的轉化特點，全面理解污染物在生物體內的代謝過程及調控機制。
3病原菌和抗生素抗性基因在土壤中的分布規律與傳播機制
病原菌和抗生素抗性菌及抗性基因一方面會通過土壤-空氣、土壤-植物、或土壤-地下水途徑直接進入人體，危害人體健康，另一方面則會造成農作物病害，抑制農作物的生長發育，造成農業減產或農產品品質降低。
因而，進行土壤病原菌及抗生素抗性基因污染防御及治理迫在眉睫。系統深入研究病原菌和抗生素抗性菌及抗性基因在土壤中的分布傳播過程與機制是進行污染治理的前提。
土壤中存在大量的抗生素產生菌和同化菌，是天然的抗性基因儲庫，而抗生素的大規模生產和使用則進一步加速了土著抗性微生物和抗性基因的擴散，增加了抗生素耐藥性的發生頻率。目前研究者通過實時熒光定量PCR、宏基因組以及高通量測序等現代分子生物學技術探究了不同土壤類型中抗性基因的分布規律，在遠古凍土和不受人類活動影響的土壤中發現了多樣性很高的抗性基因，發現在未受抗生素污染的農業和草地土壤中抗性基因結構由微生物群落組成決定，證明了土壤中抗性基因的自然廣泛存在，同時也揭示了中水灌溉土壤、施用禽畜糞便土壤等典型污染土壤中抗性基因富集的現象。
基于已有關于土壤生物污染現狀的調查，進一步的研究應圍繞抗性基因污染的來源、遷移轉化機制及生態風險展開:(1)建立土壤抗性基因與潛在宿主菌之間的關系，明晰污染來源;(2)探究不同類型土壤環境中抗性基因發生水平轉移的實際頻率;(3)結合實驗室模擬及長期實地監測，研究病原菌及抗生素抗性菌及抗性基因在土壤中的遷移過程，重點解析其通過植物吸收進入食物鏈以及通過地下水淋洗進入水環境的風險;(4)評估抗性基因在土壤微生物和致病菌之間的交叉轉移，探究土壤抗性基因庫的潛在生態風險。
4基于活體微生物的土壤污染監測技術
傳統的化學分析方法監測土壤污染的優點是能夠精確測定污染物的濃度和形態，但卻往往不能確切反映污染物的生物毒性強弱。化學分析本身不能反映生物暴露污染物的途徑和環境條件的影響(即缺乏生態相關性)，也不能區別急性毒性和慢性毒性(即缺乏時間相關性)。以活的生物體或群體來測試化學物質毒性效應的生物監測方法能夠有效克服化學分析方法的缺點，反映環境污染對生物產生的綜合效應或專性效應，以及污染物在土壤中的動態轉化，因而越來越受到重視。根據測試對象的類型，土壤生物監測主要分為三大類，即基于個體或組織層次的生物監測，基于功能基因或基因組學層次的生物監測，以及基于群落水平的抵抗力和恢復力測試。
目前研究的重點是通過“組學”研究方法不斷發展新型生物標志物(包括功能基因)、生物芯片和新型全細胞專性的生物傳感器。污染物進入土壤后形態會發生一系列變化，如何確定具體是哪種形態致毒是今后的研究熱點和難點。比如，通過基因重組和突變等手段發展能夠區分無機砷和有機砷的全細胞微生物傳感器，可以原位監測砷形態在轉化過程。在生物監測中測試終點的選擇需要綜合考慮生態相關性、暴露途徑、敏感性、管理目標及終點可測性等因素，根據具體情況選擇適宜的指標。
5污染土壤生物修復原理與技術
污染土壤生物修復已有一定理論基礎，但實踐應用方面還有很長的路要走，許多技術瓶頸尚待突破。對于不同污染情形，往往需要構建不同的修復技術體系，如針對某一特定污染種類，選用專性耐受的植物和微生物種類，或利用轉基因技術修飾改造植物或微生物，使之適應污染土壤并發揮修復功效。同時，需要對特定功能的微生物或植物的污染物耐受及轉化機制進行深入研究，明確其分子機理和遺傳穩定性，并在此基礎上發展基于功能基因的生物技術。在實際應用中，需要特別考慮生物的環境適應性問題，明確微生物修復污染土壤的適用條件和范圍，研究提高修復效率的關鍵參數及工程設計。現有的生物修復技術多以基礎理論研究為主，而相關的技術推廣及實踐應用方面研究較為稀少。今后研究需要更加關注生物修復技術的實地應用，使其逐漸成熟和完善。
作為土壤生物與土壤污染相關基礎研究的應用目標，污染土壤生物修復技術勢必越來越受到關注。而為了實現這一應用目標，則需要進一步系統深入地研究土壤污染對土壤生物的生態毒理效應，揭示土壤生物對土壤污染物的適應及消納機制。在以往研究工作基礎上，借助于研究方法技術的發展，未來的土壤生物與土壤污染研究，將向微觀和宏觀兩個方向拓展，微觀方向將不斷深入至基因、分子乃至信號水平，宏觀方向則向生態系統水平推進。傳統單因素的研究將轉變為雙因素和多因素研究，結構或功能隔離研究將轉向結構功能關系研究，離散的時間和空間節點觀察，將轉向空間分異和時間動態特征，乃至時空演變特征系統研究。總體上，至廣大、至精微、多因素、多尺度的研究已經成為顯而易見的學科發展趨勢。
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