西南地区是我国低温有色金属成矿的重要区域，是汞、铊、锑、砷、镉、硒等对人体健康毒害极强的有害元素的高地质背景区。区内矿产资源开发导致矿山土壤和水体环境有害元素复合污染问题十分突出，危及长江、珠江和三江流域的生态安全。其中，汞、砷、铊、镉、硒、锑、氟等环境污染与人体健康危害影响已是西南地区乃至我国特有的重大环境问题，引起了国内外学者的高度关注。长期以来，针对该区域有害元素的表生活化和迁移的地球化学过程、作用机理及其健康危害效应的综合研究相当缺乏，极大限制了对西南地区有害元素污染防治和预警措施的制定和实施。

本项目深入研究了西南典型矿山环境特色有害元素As-Hg-Tl-Se-Sb-Cd－F的污染过程特征，揭示了其表生生物地球化学循环响应过程与作用机制，初步查明了其关键环境暴露途径，评价了其人体健康危害效应。以上研究成果，为正确认识西南地区矿山环境有害元素的生物地球化学循环及其演化规律奠定了基础，为解决西南地区突出存在的地方病问题提供了理论依据和技术支撑。本项目研究迄今已发表SCI收录论文51篇（2005-2009年期间发表30篇），SCI他人引用152次（2005-2009年SCI他人引用50次）。评估期间，主持翻译了Elsvier出版社《Essentials of Medical Geology-Impacts of the Natural Environment on Human Health》一书，由科学出版社出版，全书133.8万字。

主要研究成果：

1、西南地区高硒地质背景区硒的富集机制、微生物作用效应

（1）发现自然硒和硒超富集植物：在湖北恩施渔塘坝的富硒碳质岩、废弃石煤堆中发现了罕见的自然硒、水硒铁石等系列硒矿物，阐明了自然硒形成的多成因机制，进而在该地区的农田土壤中发现了自然硒，并以自然硒作为指示矿物，揭示了恩施地区爆发性硒中毒的发生途径，解释了恩施地区人群爆发性硒中毒的发生机制，指出该区存在急性和慢性硒中毒的类型，为地方政府防治硒中毒发生的措施制定提供了科学依据。发现了醉鱼草、黄花蒿等10种含硒＞100mg/kg的富硒植物。当地仍在发生的家畜硒中毒和过去在鱼塘坝大规模爆发的人群硒中毒事件都可能与人畜采食这些富硒植物有关。筛选出了一种新的硒的超富集植物—遏蓝菜（Thlaspi arvense L.），其在在自然生长条件下，富集硒可高达1427 mg/kg，填补了我国从未发现硒超富集植物的空白，也是国际上首次发现的一种新的硒超富集植物。超富集植物遏蓝菜的发现将为研究硒在植物中的吸收、转化、富集机理以及提取有效抗癌硒化物和修复硒污染生态环境提供新的材料。

（2）发现硒的生物矿化证据：在湖北恩施地区特高硒碳质泥岩中筛选出耐受高硒(耐受 200 mM Se⁴⁺， 1000 mM Se⁶⁺)的2株变形菌和2株放线菌，这些菌株均能够将Se⁴⁺还原为球状的纳米元素硒，并在1株放线菌表面形成元素硒的矿化壳。在富硒碳质硅质岩中还发现了自然界中罕见的铜硒化物细菌化石，揭示了该微生物形态硒或硒化物微体化石的细菌成因。上述研究为细菌与岩石的相互作用、极端环境营养物的吸收和代谢、生物冶炼与修复技术及地质微生物学等方面的新认识提供了重要的参照体系和科学依据。

（3）建立了硒含量和硒同位素分析测试方法：建立了地质与环境样品中总硒测定的快速分析方法，优化了黑色岩系与土壤样品中硒的七步连续化学提取技术。建立了⁷⁴Se-⁷⁷Se双稀释剂高精度硒同位素的分析方法，并系统测定了中国西南黑色岩系中的硒同位素比值，发现了25.57‰的d^82/76Se变化范围，重新构建了地质环境中硒同位素的变化范围，确认了恩施渔塘坝富硒碳质岩层局部地段硒异常富集为原地富硒岩层风化与淋滤所致，阐明了硒的来源与异常富集的地球化学机制。

以上新发现，极大地丰富了对硒的环境地球化学及其健康效应的新认识，部分研究成果在《Science of Total Environment》、《Chinese Journal of Analytical Chemistry》等刊物上发表。

2、西南地区高镉地质背景区镉的表生富集特性及环境健康效应

（1）揭示了镉的表生富集特性：在西南地区，镉的富集主要集中于铅锌矿化带和黑色岩系地层带，表生环境中富集有特高镉含量，为国际上罕见报告。铅锌矿区的自然风化过程及采矿活动，极易导致镉在表生环境中富集，而菱锌矿是表生环境中高镉的主要富集载体。采矿冶炼活动，Cd极易向大气释放，通过干湿沉降造成土壤和农作物严重的镉污染。

（2）提出了三峡库区燃煤型氟中毒地方病是由氟和镉协同致病的新观点：率先发现并研究了三峡库区燃煤型氟中毒地方病区镉的表生富集特性，发现三峡库区燃煤型氟中毒地区土壤具有明显的地带性高镉地球化学异常，来源于富镉黑色泥页岩和煤炭（石煤）的风化作用及采煤活动。富镉土壤中，残渣态含量低（3％），而镉的生物有效态含量高（占总量的36％），有利于镉在农作物中富集，导致病区人群通过室内高镉燃煤使用和富镉农作物食用等途径的镉暴露水平高。因此，我们提出了三峡库区燃煤型氟中毒地方病并不是传统上认为由氟中毒引起的单一病因、而是由氟和镉协同致病的新观点。该研究认识，不但丰富了对镉的表生地球化学循环的认识，也对三峡库区燃煤型地氟病的致病机理取得了新认识，对三峡库区燃煤型地氟病区地方病防治具有积极的科学指导意义。

（3）发现了镉的超富 植物：在铅锌矿区筛发现了三种镉超富集植物，即条裂萎陵菜（Potentilla lancinata Card. In Lecomte）、辣子草（Galinsoga parviflora Cav.）和南黄堇（Corydalis davidii），为土壤镉污染生态修复提供了新种质资源。

以上新发现，较大地丰富了对镉的环境地球化学及其健康效应的新认识，部分研究成果在《Chemosphere》、《Atmospheric Environment》、《Environmental International》、《Science of Total Environment》等刊物上发表。

3、西南地区高铊地质背景区铊的表生富集过程特性及效应

（1）发现铊在农作物中具有优先富集的特性：研究发现铊在农作物（蔬菜合编谷物类）中具有优于其他毒害元素（As、Hg、Cu、Pb、Zn、Cd等）富集的特性，在农作物中的富集可达1-2个数量级，是耕作土壤中铊含量的数十倍。其中，甘蓝（卷心菜）对铊具有超富集特性，其最高富集含量可达1200 ppm。富含铊的农作物摄入是高铊地质背景区人群暴露铊的最主要途径。通过人群尿样检测，是甄别人群铊暴露水平的快捷途径。

（2）揭示了甘蓝超富集铊的生物地球化学机理：甘蓝叶、根及茎对铊的吸收存在着明显差异，在面临土壤铊胁迫时，叶是主要的铊储存部位，而根和茎主要起到了转运作用。高达92%的铊存在于甘蓝叶细胞液组分中，表明细胞液组分是铊在甘蓝叶细胞中的一个重要储存部位，在甘蓝面对高铊胁迫时，其叶细胞器组分中铊含量始终维持很低的含量。甘蓝对铊的解毒机制很可能就是通过在细胞内的区隔化作用(compartmentalization)，把进入体内的铊结合到细胞液组分以及细胞壁上，从而减少了铊对重要细胞器官的损伤。铊在甘蓝叶各亚细胞组分中的分配与常量元素存在密切关系。在甘蓝叶细胞内，Tl⁺往细胞液组分中的传输很有可能是通过Na⁺/K⁺/2Cl^–联合传输机制、Ca²⁺活化的钾离子通道以及一些需Mg²⁺或Mn²⁺的K⁺活化酶完成的。需要Mn²⁺参与的K⁺活化酶可能对于铊往细胞器中的转移起到了主导作用。在细胞壁中，很可能Ca²⁺活化的K⁺通道或者是某些特定的需要Mn²⁺的K⁺活化酶对铊的迁移或固定起了影响作用。

（3）发现了微生物－铊相互作用的新证据：在铊矿区土壤和沉积物中筛选出9株铊高耐受性菌株，为木霉属（Trichoderma）和青霉属（Penicillium）。吸附实验表明，微生物菌株对铊的吸附效率在4.63～16.89%，且随着环境中铊浓度的上升而降低。常量元素和铊的关系呈显著正相关性。富集实验表明，九株菌株对铊的富集量随着铊处理浓度上升而降低，其影响趋势与对生物量的影响趋势基本一致，最高可达到7189 mg/kg，最大富集系数为7.2。絮凝实验表明，铊高耐受性菌株絮凝活性可达57%，对矿区废水中铊的去除率可达70%，为铊环境污染生态修复提供了新种植资源。亚细胞水平上的铊分布研究表明，铊的富集优先顺序为：细胞质>细胞壁>细胞器。亚细胞水平的区隔化作用是微生物对铊的主要耐受机制，细胞质是赋存铊的主要场所（54～79 %）。结合各亚细胞组分中常量元素与铊之间的相关性认为，Tl⁺主要是通过细胞壁的Na⁺ -K⁺ ATPase和K⁺ -电位门通道进入细胞内的从而影响细胞的正常代谢的，而Ca²⁺的活化更有助于这一过程。

（4）揭示了铊在土壤-植物界面间的铊同位素（e^205/203Tl）分馏特征：率先开展了表生环境中铊同位素分馏效应研究。研究结果表明，铊在表生环境中存在明显的分馏。其中，铊的原生矿物（红铊矿，TlAsS）中，Tl同位素分馏值e为-3.28，通过风化作用进入表生介质（土壤和溪流沉积物）中，Tl同位素产生了明显的分馏，e为＋0.5－＋0.6。土壤中的铊通过根际吸收作用进入甘蓝体后，铊同位素又产生了显著分馏，在甘蓝根部，铊同位素分馏值e为-2.51，在茎部为-3.05，在叶中为-5.13，并且表现出随铊在甘蓝根部、茎部和叶组织中的含量升高，铊同位素分馏明显偏负，即更富集²⁰³Tl。以上所获得的表生环境样品中铊同位素分馏特征，深化了铊的表生地球化学循环的认识，也为研究铊表生活化、迁移和富集过程提供了新信息。

以上研究成果，为铊的环境地球化学及其健康效应研究提供了新认识和新研究手段。以上部分研究成果已在《Applied Geochemistry》、《WIT Transactions on Ecology and the Environment》上发表。

4、锑的地球化学过程及影响效应

（1）干湿交替条件是矿山环境中Sb释放迁移的主要动因：锑矿是中国的优势矿产资源，主要分布在西南地区，但矿区环境中锑的表生迁移和富集特性研究较少。本项目研究发现，含Sb、As硫化物的氧化是Sb进入表生环境中重要途径，与水接触特点密切相关；完全水浸时Sb的释放并不强，矿渣浸滤前后的水中Sb含量变化很小，而干湿交替的条件最有利于Sb的释放，浸滤后的水中Sb含量剧增，干湿条件的交替是最有利于矿渣中Sb的释放和迁移扩散。Sb、As释放进入地表水后主要呈溶解态存在，与水体中SO₄^2-含量具有很强的正相关相似性，在河流中不易衰减。

（2）锑主要在植物根部富集：锑在土壤-植物界面的迁移表现出根部富集而难以向茎叶转移的特性。研究发现土荆芥(Chenopodium ambrosioides Linn.)是Sb的潜在超富集植物，鬼针草(Bidens pilosa Linn.)、一年蓬(Erigeron annuus (Linn.) Pers.)、佛甲草(Sedum lineare Thun)、凹叶景天(Sedum emarginatum Migo)、灰灰菜(Chenopodium album Linn.)和鼠麹草(Gnaphalium affine D. Don)也能大量富集Sb，可列为矿区Sb污染土壤修复的可选择物种。这些具有潜在Sb超富集植物和超耐受性植物特征的植物将对污染土壤治理和修复具有重要的实践意义。

以上研究成果在《Journal of Environmental Monitoring》、《Geothermics》等刊物上发表。

5、西南地区地方性氟中毒的新认识

在前期研究基础上，进一步深化了对西南地区氟中毒氟来源的认识，提出导致氟中毒的氟主要来自拌烧煤粉的黏土，论证了黏土高氟的原因和当地使用高氟粘土的必然性。这一新的见解在提出之初不为地方病防治机构所接受，现在已经成为共识。鉴于西南地区数以千万人计的氟中毒的防治一直难以见效，这一新的研究成果受到广泛关注，众多媒体在显要位置报道了这一成果，其中包括中国科学院、贵州省政府、科技部、科学与发展网络、新浪网、人民网等网络和平面媒体。

提出了三峡库区燃煤型氟中毒地方病并不是传统上认为由氟中毒引起的单一病因、而是由氟和镉协同致病的新观点，对三峡库区燃煤型地方病区的致病机理取得了新认识，对三峡库区燃煤型地氟病区地方病防治具有积极的科学指导意义。

以上研究成果在《Environmental Geochemistry and Health》、《Chemosphere》等刊物上发表。

成果特色：

1、聚焦西南地区突出存在的地方病问题，学术特色明显

深入研究了硒、铊、镉、氟等毒害元素的表生富集过程特性：（1）揭示了恩施地区爆发性硒中毒是人为使用富硒石煤所致及其发生机制，（2）提出了三峡库区燃煤型氟中毒地方病并不是传统上认为由氟中毒引起的单一病因、而是由氟和镉双重致病的新观点，（3）提出导致西南地区氟中毒的氟主要来自拌烧煤粉的黏土新观点；（4）揭示了铊污染地区人群暴露铊的主要途径是通过富含铊的农作物摄入，通过人群尿样检测，是甄别人群铊暴露水平的快捷途径。以上研究，在国内外同期相关有害元素研究中具有鲜明的源－过程－效应的研究特色，较大地深化了对典型有害重金属元素表生地球化学循环的认识，也为解决西南地区突出存在的地方病问题提供了重要理论依据和技术支撑。2009年由香港理工大学 李向东 博士组织的Special Issue on Metal Pollution in China – The Science of Total Environment，本项目组有5名成员受邀提交了研究论文。

2、有新发现

（1）在富硒区农田土壤中发现了罕见的自然硒。

（2）在特高硒碳质泥岩中发现了耐受高硒并且能够将Se⁴⁺还原为球状的纳米元素硒的4株菌株以及三维立体的罕见铜硒化物细菌化石。

（3）在铊矿区土壤和沉积物中发现了9株铊高耐受性（1000 ppm Tl）菌株，其对矿区废水中铊的去除率高达70%。

（4）发现了镉超富集植物3种、硒和锑超富集植物各1种。

3、建立了新分析测试技术方法

（1）建立了地质与环境样品中总硒测定的快速分析方法。

（2）建立了高精度硒同位素（d^82/76Se）分析方法。

（3）建立了高精度铊同位素（e^205/203Tl）分析方法。

4、提出了新科学问题