近年来,由于经济的快速发展以及对煤炭的需求急剧增长,中国已成为世界上最大的煤炭生产国和消费国。2019年我国原煤产量达38.5亿吨,占全球年产量的50%左右。虽然国家已大力推广核电、风电、太阳能、天然气等清洁能源的利用,但到目前为止,煤炭仍占我国能源生产总量的69.3%,始终保持第一位。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的一种固体废弃物,占原煤产量的10-30%。据统计,截至2017年,我国煤矸石堆积量已达到70亿吨,其中规模较大的矸石山达1600座,占地约1.5万公顷,每年还会新产生大约1.5-3.0亿吨不能综合利用的煤矸石。山西省拥有丰富的煤炭资源,作为我国主要的煤炭能源产业区,全省煤炭开采产生的煤矸石堆积量超10亿吨,每年仍以5000万吨的速度增加。矸石山在自然堆放过程中极易发生自燃,或经风化和雨水淋溶向周围环境释放污染物(主要为重金属和多环芳烃(PAHs)),造成周边环境生态脆弱,给当地居民带来潜在健康风险。由于煤矸石堆积造成的土壤污染状况复杂,有关煤矸石堆积区土壤污染生态健康风险评估及毒理效应的研究仍非常有限,特别缺乏暴露-效应-机制的系统性探讨。为此,本研究拟分析山西省三个典型煤矸石堆积区周边土壤的污染特征和生态健康风险,探讨其毒性效应及作用机制,为煤矸石堆积区土壤生态健康风险管控提供技术支持和科学依据。1.采矿活动会对周边的土壤环境造成严重污染,现有的研究虽已表明煤矸石堆积区的土壤受到重金属和PAHs的污染,但关于这些组分对生态健康效应贡献的研究仍十分有限。考虑到不同地区、不同堆积特征的矸石山造成的土壤污染物组成结构差别较大,因此,本研究采集了山西省沁源、古交、阳泉三个典型煤矸石堆积区的矸石样本以及矸石山到下游村庄之间不同距离的土壤样本,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析矸石和土样中常见8种重金属(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、V、As和Zn)的含量,利用气相色谱—质谱联用仪(GC-MS)分析矸石和土样中16种优先控制PAHs(Na、AcL、Ac、Fl、BgHiP、Ip、DbAhA、BbFa、pHE、An、Fa、BaA、ChR、Py、BaP和BkFa)的含量。通过理化成分分析发现,沁源、古交、阳泉煤矸石山周边土壤样本中重金属和PAHs含量呈现出随距矸石山距离以及矸石山堆积时间变化的趋势。进一步运用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态危害指数法分别对三个煤矸石堆积区周边土壤中重金属进行生态风险评价,结果表明三个煤矸石堆积区周边土壤受到Cd极重度污染。运用风险商值法和RQTEQ复合模型对土壤中的PAHs进行生态风险评价,结果表明沁源、古交和阳泉矸石山周边土壤中Na、AcL、Ac、Fl、BbFa、pHE、An、Fa、BaA和Py处于中等风险水平,且沁源矸石和1000 m土样、古交矸石以及阳泉矸石中的PAHs已构成低生态风险。健康风险评价结果表明,村庄土壤中重金属的非致癌风险较大,且对儿童的风险明显高于成人。2.煤矸石堆积导致的环境污染问题日益严重,农作物是人类食物链中的第一个营养级,农作物的安全和生产与人类福祉息息相关。在本部分研究中,以玉米(Zea mays L.)为供试植物,将山西省主要种植的七个玉米品种的种子暴露于不同浓度煤矸石堆积区农田土壤浸出液(0、1:27、1:9、1:3和1:1)中,分析种子的萌发率及幼苗生长相关指标,以期考察受煤矸石堆积污染的农田土壤的植物毒性效应。通过对七个玉米品种幼苗各表观形态指标的耐性指数(TI)分析,筛选出适合煤矸石堆积区种植的玉米耐性品种,并探究其耐性机制。结果表明,煤矸石堆积区农田土壤浸出液能够抑制玉米种子萌发以及幼苗和根的生长,且农田土壤浸出液诱导的植物毒性与玉米品种有关。在相同暴露浓度下,耐性玉米品种(大丰30)在生长抑制、活性氧生成(ROS)、脂质过氧化(MDA)和DNA损伤(γ-H2AX)方面表现出比敏感性玉米品种(先玉335)低的毒性症状。此外,耐性玉米品种中抗氧化酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性显著高于敏感性玉米品种,研究结果表明不同玉米品种间抗氧化能力的差异,是导致玉米品种间毒性效应差异的主要原因。3.发育中的神经系统对许多外源性物质非常敏感,环境中的污染物通过干扰神经系统发育的关键过程,如神经细胞增殖、迁移、分化、突触形成、髓鞘形成、凋亡等过程,可导致神经发育毒性,对学习、行为和健康产生不利影响。流行病学研究表明,与非矿区的儿童相比,采矿区的儿童可能会出现认知发育障碍,学习成绩较差的现象。然而,关于煤矸石堆积区村庄附近土壤的神经发育毒性研究确是少见,更缺少对其相关毒性机制的深入探究。在本部分研究中,利用斑马鱼胚胎发育模型,将受精后1 h(1 hpf)的斑马鱼胚胎暴露于不同浓度村庄土壤浸出液(0、1:27、1:9、1:3和1:1)24、48、72 hpf后,利用实时荧光定量反转录酶-聚合酶链式反应技术(qRT-PCR)检测斑马鱼胚胎在不同发育窗口期神经发育相关基因mRNA水平的变化,并借助斑马鱼行为轨迹追踪系统(Danio Vision)监测斑马鱼幼鱼的自发运动,进一步考察煤矸石堆积区村庄土壤浸出液对斑马幼鱼神经行为功能的改变。结果表明,村庄土壤浸出液暴露可以影响斑马鱼早期神经发育的关键过程,主要包括细胞骨架调节(α1-tubulin)、轴突生长(gap43)、神经元髓鞘形成(mbp)和突触形成(sypa、sypb和psd95)的改变,最终导致斑马鱼幼鱼神经行为损伤。4.环境中多种污染物已被证明可能会破坏体内甲状腺激素稳态,而且甲状腺激素系统与早期神经发育密切相关,在细胞水平上已证明,甲状腺激素与神经元的增殖、迁移、突触形成、突触可塑性和髓鞘形成过程有关。流行病学研究表明,在患有(亚临床)甲状腺功能减退症的母亲所生的儿童中发现精神运动发育和视觉空间加工能力受损。关于煤矸石堆积区村庄附近土壤的甲状腺内分泌干扰效应的研究还不多见,更缺少对其相关毒性机制的深入探究。在本部分研究中,将1 hpf斑马鱼胚胎暴露于不同浓度村庄土壤浸出液(0、1:9、1:3和1:1)120 hpf后,发现幼鱼生长发育受阻,死亡率和畸形率呈剂量依赖性增加,心率、孵化率和体长呈剂量依赖性下降。此外,斑马鱼幼鱼中还观察到卵黄囊水肿(YE)、心包水肿(PE)、脊柱弯曲(SC)等致畸现象发生。较高浓度的土壤浸出液可抑制全身三碘甲状腺原氨酸(T3)和甲状腺素(T4)的分泌,并改变下丘脑-垂体-甲状腺(HPT)轴调节基因(crh、trh、tshβ、nis、tg、nkx2.1、pax8、hhex、ttr、dio1、dio2、ugt1ab、tra和trβ),以及与重金属和PAHs暴露相关基因(mt、ahr2和cyp1a)的表达。因此,村庄土壤浸出液可能通过改变HPT轴上相关基因的表达,引起甲状腺内分泌紊乱,最终导致早期发育阶段的斑马鱼幼鱼生长发育受到抑制。同时,煤矸石堆积区村庄附近土壤引起的甲状腺内分泌干扰效应可能与土壤样本中的重金属和PAHs有关。本研究首先分析山西省三个典型煤矸石堆积区土壤污染特征,并建立相应风险评估模型,解析生态健康风险。其次,以玉米为供试植物,研究煤矸石堆积区土壤的植物毒性,并筛选出适合矸石山堆积区种植的耐受性玉米品种,探究其耐受性机制。之后,建立斑马鱼胚胎暴露模型,分别从神经发育和内分泌的角度,探究矸石堆积区污染土壤的毒性效应及作用机制,为煤矸石堆积区土壤生态健康风险管控提供技术支持和科学依据。