跳蟲—土壤污染的晴雨表

土壤中的跳蟲，是土壤污染監(jiān)測(cè)的明星生物。跳蟲的群落、個(gè)體以及分子毒理等生物學(xué)指標(biāo)，均能真實(shí)而又直觀地反映土壤的健康狀況，為土壤污染診斷提供重要的科學(xué)依據(jù)。

眾所周知，細(xì)菌和病毒入侵人體后，人就有可能會(huì)生病。同樣道理，在人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，農(nóng)藥、殺蟲劑以及重金屬等有害物質(zhì)滲入土壤中，土壤也會(huì)“生病”。“生病”的土壤生產(chǎn)出來的糧食，自然也是不健康的。據(jù)報(bào)道，我國中、重度污染的耕地已達(dá)5000萬畝之多。人類活動(dòng)對(duì)土壤造成的污染已空前嚴(yán)重，這不得不引起我們高度警覺。

人生病了可以就醫(yī)，土壤“生病”了，該怎么診斷？有人說，用儀器去測(cè)量一下就可知道土壤里有哪些有害物質(zhì)，含量多少，是什么存在狀態(tài)。當(dāng)然，這是以往最常用的方法，不過它只能告訴我們一個(gè)個(gè)抽象的數(shù)字，我們?nèi)圆恢肋@些有害物質(zhì)對(duì)生物的具體危害是什么。隨著人們對(duì)健康生活的日益關(guān)注，這種簡(jiǎn)單的物理化學(xué)測(cè)定方法顯然已不能滿足現(xiàn)在的需求，有沒有更好的診斷方法呢？

土壤中除了作為基本組分的無機(jī)物外，還有種類繁多的土壤生物，它們?cè)谕寥乐蟹毖苌ⅰＫ^“春江水暖鴨先知”，土壤如果“生病”了，土壤生物作為最直接的接觸者，它們就會(huì)在第一時(shí)間感受到土壤的“病變”。研究人員只需檢測(cè)特定的土壤生物，就可知道土壤是否“生病”以及“病情”如何，這就是目前常用的生物測(cè)試方法。

土壤監(jiān)測(cè)的“明星”生物

哪些生物可以用來進(jìn)行土壤的生物學(xué)測(cè)試呢？理論上，生活在土壤中，與土壤密切接觸的生物均可作為測(cè)試的候選生物。實(shí)際上，蚯蚓、線蟲、跳蟲和西瓜蟲等動(dòng)物是土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中常用的生物，因?yàn)樗鼈冊(cè)谕寥乐蟹植紡V泛，數(shù)量龐大，且與土壤顆粒和空隙水直接接觸。

在這些土壤毒理測(cè)試生物中，跳蟲由于在各種污染土壤中具有顯著的毒理效應(yīng)，于是脫穎而出，被廣泛用于土壤有機(jī)物、農(nóng)藥、重金屬等污染物的毒性測(cè)定和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。早在1997年，跳蟲就被列入國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)生物毒理檢測(cè)程序中，至今已有數(shù)百篇相關(guān)研究報(bào)道。

跳蟲備受青睞還有其他原因，如繁殖快、易飼養(yǎng)以及敏感性高等優(yōu)點(diǎn)。常用來進(jìn)行土壤污染監(jiān)測(cè)的跳蟲——白符蟲兆，在實(shí)驗(yàn)室最適環(huán)境下，20多天即可完成一個(gè)世代（指從卵離開母體到性成熟這個(gè)階段），生命周期短，培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單。2002年，奧地利學(xué)者杰奎琳·艾丁格（Jacqueline Idinger）發(fā)現(xiàn)，跳蟲對(duì)土壤中的殺蟲劑敏感度極高，0.03毫克/公斤的抑菌靈及0.15毫 克/公斤的吡蟲啉就可毒殺半數(shù)跳蟲。

通常，在土壤污染濃度增加和脅迫時(shí)間延長(zhǎng)的情況下，跳蟲群落會(huì)發(fā)生變化，敏感的跳蟲類群會(huì)逐漸減少乃至完全消失，然而污染物對(duì)耐受力強(qiáng)的跳蟲影響較小。例如，意大利學(xué)者發(fā)現(xiàn)一些跳蟲，其體內(nèi)可儲(chǔ)存大量的DDT（一種殺蟲劑，又叫滴滴涕）和PCB（一類環(huán)境污染物，中文名為多氯聯(lián)苯），因而它們可發(fā)展為優(yōu)勢(shì)類群。在分析跳蟲群落變化時(shí)，研究人員首先會(huì)通過分析土壤中耐受類群和敏感類群的種群變化，然后再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，這樣就可以對(duì)土壤受污染的程度作出判斷。因此，跳蟲是土壤污染的優(yōu)良指示生物，其生物學(xué)指標(biāo)能很好地反映出土壤污染的陰晴變化。

如何用跳蟲來監(jiān)測(cè)土壤污染呢？總的說來，主要是依據(jù)跳蟲對(duì)于污染土壤的響應(yīng)作為指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，這可表現(xiàn)在群落、個(gè)體等不同水平上。另外，可根據(jù)不同類群的反應(yīng)，劃分出敏感種類和耐受種類，再來進(jìn)行土壤污染評(píng)價(jià)。俄羅斯莫斯科國立師范大學(xué)庫茲涅佐娃教授為了弄清楚煉銅廠對(duì)于周邊土壤污染的情況，對(duì)俄羅斯一個(gè)煉銅廠周邊土壤中跳蟲的種類和種群動(dòng)態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與距廠區(qū)30公里以外的土壤跳蟲群落相比，在距廠區(qū)1公里范圍內(nèi)的跳蟲種類和種群密度急劇下降，在距廠區(qū)4～7公里范圍的土壤中，跳蟲明顯多于1公里廠區(qū)范圍。筆者所在研究組也對(duì)上海市綠化帶和園林綠地土壤中跳蟲的群落動(dòng)態(tài)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在重金屬污染較輕的長(zhǎng)風(fēng)公園和共青森林公園的土壤中，跳蟲的種類和數(shù)量明顯多于重金屬重度污染的上海焦化廠，而在焦化廠則發(fā)現(xiàn)了對(duì)重金屬耐受性較強(qiáng)的跳蟲種類。

并非所有的監(jiān)測(cè)工作都是在野外完成的，部分工作需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。研究人員回到實(shí)驗(yàn)室里，可依據(jù)ISO和OECD中的標(biāo)準(zhǔn)化程序，測(cè)定跳蟲的生存率、繁殖率和趨避行為等指標(biāo)。簡(jiǎn)單地說，就是將特定跳蟲種類一定齡期一定數(shù)量的個(gè)體，飼養(yǎng)在污染土壤和無污染的對(duì)照土壤中，統(tǒng)計(jì)跳蟲的數(shù)量，然后再分析跳蟲對(duì)污染物的效應(yīng)濃度（EC50）和無效應(yīng)濃度（NOEC）等，從而為土壤污染的評(píng)估提供參考。

跳蟲的分子毒理指標(biāo)

除了以上宏觀的生物學(xué)指標(biāo)外，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，研究人員開始從生化功能和分子機(jī)理等微觀角度深入研究跳蟲對(duì)土壤污染的響應(yīng)機(jī)制。因?yàn)橛卸镜挠袡C(jī)物和重金屬通過跳蟲的食物或體表進(jìn)入其體內(nèi)后，跳蟲需要啟動(dòng)體內(nèi)的解毒功能來應(yīng)對(duì)有害物質(zhì)的傷害，這包括多個(gè)生理和生化過程，如跳蟲通過開啟體內(nèi)一些解毒的基因開關(guān)，產(chǎn)生特定的蛋白質(zhì)，與毒物結(jié)合或降解，甚至將毒物直接排出體外。

這方面有很多研究實(shí)例可以佐證。2007年，荷蘭生物學(xué)家迪克·勒洛夫斯（Dick Roelofs）等人利用分子生物學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，跳蟲一旦生活在含有高濃度鎘的土壤中時(shí)，一方面其外分泌效率大大提高，另一方面，跳蟲會(huì)開啟體內(nèi)一種結(jié)合重金屬蛋白——金屬硫蛋白（mt）編碼基因的開關(guān)，其體內(nèi)可產(chǎn)生大量的這種蛋白，與重金屬結(jié)合，再將重金屬排出體外，降低了鎘對(duì)機(jī)體的傷害，這就是我們所看到的跳蟲在鎘含量極高的土壤中仍能頑強(qiáng)生存下來的原因。

重金屬到底影響跳蟲哪些生理過程？為了回答這個(gè)問題，荷蘭學(xué)者專門定制了含有白符蟲兆5000多個(gè)基因的基因芯片。通過測(cè)試白符蟲兆在重金屬鎘刺激下的基因響應(yīng)情況，他們發(fā)現(xiàn)有上千個(gè)基因參與了對(duì)重金屬的響應(yīng)，如抗生素合成、傷口愈合、止血等基因，這些基因與跳蟲應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻生存環(huán)境息息相關(guān)。而與跳蟲生長(zhǎng)和繁殖密切相關(guān)的基因，如大分子生物合成、糖異生、蛋白質(zhì)翻譯、碳水化合物代謝和脂肪酸降解等基因受到了抑制，從而影響了跳蟲的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，這也是白符蟲兆對(duì)重金屬敏感的內(nèi)在原因。事實(shí)上，這項(xiàng)研究中相關(guān)基因都有作為跳蟲毒理測(cè)試分子指標(biāo)的潛力。目前，比較清楚的是白符蟲兆一些特定的應(yīng)答基因。如2010年日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)白符蟲兆的金屬硫蛋白編碼基因（MTC）與其他生物的金屬硫蛋白基因相比，具有更多的結(jié)合金屬離子結(jié)構(gòu)，其MTC基因受到重金屬鎘誘導(dǎo)而大量表達(dá)MTC蛋白，以應(yīng)對(duì)重金屬的傷害。同年，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究人員也發(fā)現(xiàn)跳蟲的Hsp70基因?qū)磻?yīng)最為敏感，在極低的汞濃度下就有顯著的效應(yīng)，比繁殖率和趨避行為指標(biāo)更加敏感。

隨著研究的深入，研究人員仍在繼續(xù)探尋開發(fā)跳蟲新的毒理學(xué)指標(biāo)。最近，韓國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，白符蟲兆在含有重金屬的土壤生存28天后，其運(yùn)動(dòng)能力明顯下降，在高濃度處理下，個(gè)別個(gè)體甚至失去跳躍能力，因此跳躍行為有望作為一個(gè)早期的土壤毒理學(xué)指標(biāo)加以應(yīng)用，從而盡早發(fā)現(xiàn)和避免土壤污染帶來的傷害。此外，近年的研究中跳蟲的體長(zhǎng)也被作為一個(gè)生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行應(yīng)用。

綜上所述，跳蟲的群落、個(gè)體以及分子毒理等生物學(xué)指標(biāo)，就像一個(gè)個(gè)晴雨表一樣，能夠真實(shí)而直觀地反映出其生活的土壤健康狀況，為土壤污染診斷提供重要的科學(xué)依據(jù)。但是，跳蟲是一個(gè)物種豐富的動(dòng)物類群，不同種類的跳蟲有不同的食性和生活方式，對(duì)土壤有害物質(zhì)的響應(yīng)也不盡相同，因此僅依靠少數(shù)的跳蟲物種進(jìn)行生物學(xué)測(cè)試具有一定的局限性。在今后的研究中，一方面需要篩選更多的符合土壤生物學(xué)測(cè)試的跳蟲物種；另一方面，已有的研究大多是針對(duì)單一污染物的測(cè)試，而實(shí)際的土壤污染往往是多種污染物的混合污染，因此需要重視混合污染物毒性的生物學(xué)測(cè)試研究。

作者簡(jiǎn)介：卜云，男，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所副研究員，主要開展跳蟲系統(tǒng)進(jìn)化和土壤動(dòng)物生態(tài)毒理學(xué)研究。高艷，女，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所副研究員，主要開展原尾蟲和跳蟲系統(tǒng)進(jìn)化以及土壤動(dòng)物生態(tài)毒理學(xué)研究。

小貼士

土壤里有多少跳蟲

跳蟲是一類小型土壤節(jié)肢動(dòng)物，因其能利用腹部的特殊器官——彈器進(jìn)行跳躍而得名。它們是土壤動(dòng)物中的優(yōu)勢(shì)類群，全世界已知有8000多種，我國已發(fā)現(xiàn)400余種。此外，它們?cè)谕寥乐械臄?shù)量也非常龐大，溫帶闊葉林中，跳蟲的密度可達(dá)到100000頭/平方米。它們?cè)谕寥烙袡C(jī)質(zhì)的分解過程中有著不可替代的作用。