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近年来，有关重金属在土壤中形态及其生物有效性和毒性的研究已逐渐成为环境科学领域的研究热点，而土壤重金属生物有效性的研究将为重金属污染土壤的污染诊断评价、修复标准及土壤环境基准制定提供理论依据。土壤重金属的生物有效性受环境和生物体自身的综合影响，涉及到物理、化学及生物学等各个方面。人们逐渐意识到充分考虑重金属化学形态的基础上，土壤环境特征的纳入将能更有效地评估其生态环境风险。
水体环境中由于对水质评价标准的要求不断提高，一种在鱼鳃络合模型GSIM(Gill Surface Interaction Model)和自由离子活度模型FIAM(Free IonActivity Model)基础上发展起来的生物配体模型BLM(Biotic Ligand Model)受到人们重视。生物配体模型BLM充分考虑影响金属生物毒性因素，提出“3C”原则，即浓度(Concentration)、络合(Complexation)和竞争(Competition)。金属的生物毒性取决于自由离子活度(后来发展的模型又考虑了其它的金属形态)，同时共存阳离子(硬度阳离子、H+等)和自由金属离子(Mn+)竞争生物配体BL的作用点位。经过这些作用后自由金属离子(Mn+)和生物配体BL结合形成金属-生物配体络合物(MBL)，MBL跨过生物膜产生生物效应。该模型包括金属形态和金属毒性两个模块，主要借助化学分析手段，利用化学平衡模型(WHAM、CHESS、MINTEQ)并结合数学方程，建立生物配体模型BLM，计算相关金属毒性指标如金属和配体的络合常数K，用于预测重金属对生物的EC50/LC50值。目前已发展得相对成熟并已广泛应用。美国环保署USEPA在对生物配体模型BLM进行评估后，已经决定将其纳入铜水质基准的制定。欧盟、澳大利亚也在积极考虑把生物配体模型BLM用于知道水质纲要。国际铜业协会已资助中国科学家使用BLM测量铜在环境中的毒性以及铜的生物可利用性。当前，土壤重金属污染日趋严重，概念框架发源于水体的生物配体模型BLM对土壤生物及其在土壤环境中的适用性如何尚不清楚。镉作为土壤污染严重且毒性最大的金属元素之一，有必要探讨BLM对土壤生物Cd毒性响应的适用性及其在土壤系统中的应用。
由于土壤与水环境相比，有更复杂的环境条件，这使得生物从土壤中吸收金属有更多的影响因素。本文基于课题组前期的研究基础，以典型土壤动物赤子爱胜蚯蚓Eisenia fetida为受体生物，针对影响土壤重金属生物有效性/毒性的重要环境特征—共存阳离子，系统研究了生物配体模型BLM金属毒性模块理论对模拟土壤溶液和田间土壤中蚯蚓Cd毒性响应的适用性，并进一步探讨了共存阳离子与Cd2+交互作用的内在生物学机制。最后，尝试将定量金属离子性质-活性相关QICAR的理论方法推广至离子-配体作用领域，探讨了基于离子基本性质预测金属和配体的络合常数K(生物配体模型BLM中表征金属毒性的重要指标)的可行性。本文主要研究结果如下：
(1)通过蚯蚓封口实验证实通过真皮吸收是蚯蚓从溶液中吸收重金属的主要途径，确定了表皮是蚯蚓的金属累积和毒性作用位点。生物配体模型BLM的一个基本假设是金属毒性只来自对溶解金属的暴露，而不是溶解和食物暴露相结合产生的毒性效应。研究结果为进一步探讨BLM理论对蚯蚓的适用性提供理论依据。
(2)模拟土壤溶液-短期暴露试验研究表明，Ca2+，Mg2+，H+等共存阳离子显著减缓Cd2+对赤子爱胜蚓Eisenia fetida的急性毒性，且对Cd的吸收有不同程度的抑制作用，Na+和K+效应不明显。基于生物配体模型BLM理论框架，利用化学平衡模型(Visual MINTEQ)并结合数学方程，对Ca2+，Mg2+，H+影响Cd2+蚯蚓毒性程度进行了量化，计算出了反映金属对生物毒性强弱的指标如金属和配体的络合常数KMBL，用于预测Cd对蚯蚓的LC50值。研究表明生物配体模型BLM理论适用于土壤区系主要动物一蚯蚓，结果丰富了陆地系统生物配体模型t-BLM(terrestrial Biotic Ligand Model)毒性数据库，为土壤生物BLM的构建提供了数据支持。
(3)分析蚯蚓亚细胞组分重金属含量发现，蚯蚓体内积累的Cd大部分富集于细胞质中，且Ca-Cd间存在显著竞争效应。含-SH蛋白抑制剂NEM显著抑制蚯蚓对Cd和Zn的吸收，表明蚯蚓能够借助含-SH蛋白实现对Zn和Cd的吸收转运。Ca2+通道抑制剂LaCl3预暴露显著降低Cd在蚯蚓体内的积累，对Zn的积累并无显著影响，表明Ca2+通道参与了蚯蚓对Cd的吸收，但对Zn的吸收贡献很小。结果验证了BLM中关于共存阳离子(Ca2+)参与生物配体BL竞争的理论假设，揭示了Ca-Cd间存在显著竞争效应的内在生物学机制。
(4)人为添加一定量CdCl2的九种农田土壤用于蚯蚓培养实验，研究结果表明，基于BLM概念框架发展的土壤配体模型SLM能够实现对离子与土壤配体SL间作用强弱的量化，并成功用于预测不同类型土壤中Cd的固-液相分配行为。在土壤溶液的大量共存阳离子中H+、Ca2+、Mg2+、Fe2+参与了与Cd2+在土壤固-液界面的竞争吸附过程；而H+与Cd2+在土壤溶液-生物界面(蚯蚓体表金属吸收位点BL)的竞争吸收效应则占主导作用。
(5)探索了离子性质与金属-配体作用间的定量相关，探讨了基于离子基本性质预测金属和配体的络合常数K(生物配体模型BLM中表征金属毒性的的重要指标)的可行性。发现软度指数σp能较好描述金属离子与水生生物间的结合常数K；一级水解常数自然对数的绝对值｜Log KOH｜能较好地描述金属离子与陆生生物之间的K；离子极化力Z2/r则能较好地描述金属离子与土壤矿物间的相互作用；｜Log KOH｜能较好地描述金属离子与有机配体的络合常数K。结果将有助于已有金属BLM的拓展和延伸以及能够预测金属联合毒性的BLM构建，从而为不同金属的污染控制提供理论依据。
综合以上研究结果，本研究系统证明在大量共存阳离子中，Ca2+，Mg+，H+是降低Cd的分配系数及Cd的生物有效性的主控因子；证实了通过真皮吸收是蚯蚓从溶液中吸收重金属的主要途径，确定体表是蚯蚓的金属累积和毒性作用位点；揭示了Ca-Cd在蚯蚓体表生物配体BL上存在竞争效应的内在生物学机制；验证了生物配体模型BLM在模拟土壤溶液和田间土壤中对蚯蚓的适用性；尝试将定量金属离子性质-活性相关QICAR的理论方法推广至离子-配体作用领域，为预测金属离子与不同类型配体间的平衡常数K，甚至构建能预测金属联合毒性的生物配体模型BLM提供了新思路。充分考虑土壤溶液中重金属形态和共存阳离子影响的陆地系统生物配体模型t-BLM将为重金属污染土壤的风险评估和环境质量基准确定提供科学依据和实现手段。