蚯蚓處理對土壤中重金屬生物可利用性的影響

胡 安，朱維琴，陳 林，賈秀英

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

蚯蚓處理對土壤中重金屬生物可利用性的影響

胡 安，朱維琴，陳 林，賈秀英

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

隨著對蚯蚓生態(tài)功能的深度挖掘，近年來開發(fā)出一種新型的污染物、廢棄物處理處置技術(shù)：蚯蚓堆置處理技術(shù).文章從蚯蚓生態(tài)型差異、土壤類型、重金屬類型差異、pH值以及可溶性有機碳變化4個方面論述此技術(shù)對土壤中重金屬生物可利用性的影響，以期為今后研究工作提供參考.

蚯蚓；生物可利用性；蚯蚓品系；土壤類型；重金屬特異性

蚯蚓是土壤中的主要動物類群，它們可促進有機物質(zhì)的分解與礦化，加速土壤中N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升植物生物量，是維持土壤肥力的重要生物[1-2].此外，通過協(xié)同共生作用，蚯蚓也能影響土壤中的微生物和其它無脊椎動物[3-4].由于在有機質(zhì)分解和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程中的重要作用，及其易辨別、易采樣、分布廣等特性，蚯蚓是極佳的土壤污染指示生物(重金屬污染)[5].此外，眾多研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓對重金屬具有一定的耐受性且其體內(nèi)黃體組織中的黃色細胞能夠富集重金屬[6-9]，因此，蚯蚓逐漸成為固廢處理和重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的模式生物或輔助生物[10-11].

目前關(guān)于蚯蚓處理對土壤重金屬生物可利用性(metals bioavailability)影響的研究報道甚多(見表1)：大多數(shù)研究結(jié)果顯示，蚯蚓處理能夠提高重金屬生物可利用性[12-17]；但也有研究報道，蚯蚓處理降低了重金屬生物可利用性[11, 18-20].文章擬從下述四方面探討蚯蚓處理對重金屬生物可利用性的影響：①蚯蚓生態(tài)型差異；②土壤類型；③重金屬類型差異；④pH值、可溶性有機碳變化.

1 蚯蚓生態(tài)型差異

根據(jù)蚯蚓特化的適應(yīng)能力和生態(tài)功能將蚯蚓劃歸為3類：表層種(epigeic)、深層種(anecic)、內(nèi)層種(endogeic).表層種中應(yīng)用最廣泛的是赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)[11, 15-16, 19]，赤子愛勝蚓繁殖率高，成熟周期短(約8周)，易于實驗室批量培養(yǎng)，多個國際標準毒性試驗也都將其列為參比蚓，這可能是其廣受使用的原因之一.其次是粉正蚓(Lumbricusrubellus)[21-22]和赤子韋內(nèi)塔(Eiseniaveneta)[23].在眾多有關(guān)表層種處理對重金屬生物可利用性影響的研究中，除Liu等[12]、Fujii等[19]、Udovic等[21]的研究結(jié)果外，其余研究結(jié)果大都揭示蚯蚓處理能夠提高重金屬生物可利用性(見表1).

深層種一般在土壤中挖掘垂直洞穴，洞穴內(nèi)壁附著黏液、細菌及自身排泄物，它們多以有機殘落物為食并將蚓糞排于地表，溫帶地區(qū)此類蚯蚓生物量占整個蚯蚓生物量的比重達80%以上[24].目前，圍繞深層種蚯蚓展開的研究主要集中于陸正蚓(Lumbricusterrestris)和環(huán)毛蚓(pheretimagenus).歐洲地區(qū)對陸正蚓(Lumbricusterrestris)開展的研究較多[6, 17, 22, 25]，這些研究結(jié)果一致顯示陸正蚓(Lumbricusterrestris)處理可提高重金屬生物可利用性(見表1)；而有關(guān)環(huán)毛蚓(pheretimagenus)的研究主要集中在亞洲地區(qū)，這可能是由于地域限制所致，Yu等[12]、Ma等[14]、Wang等[26]都研究了環(huán)毛蚓(pheretimagenus)對植物吸收重金屬的影響效應(yīng)，結(jié)果表明環(huán)毛蚓(pheretimagenus)可顯著提高植物對重金屬的萃取能力；Cheng等[13]就環(huán)毛蚓(pheretimagenus)對土壤中Zn形態(tài)的影響進行了研究，其結(jié)果也表明環(huán)毛蚓(pheretimagenus)可提高Zn的生物可利用性.可見，不同于表層種，多數(shù)深層種均能提高重金屬的生物可利用性.

表1 蚯蚓處理對土壤中重金屬生物可利用性的影響Tab.1 Effects of earthworms activity on the bioavailability of heavy metals in soil

內(nèi)層種一般棲于礦物土中，通常挖掘橫向洞穴，以混合于土壤中的有機質(zhì)為食.由于內(nèi)層種樣本采集不便、實驗室不易培養(yǎng)，其在研究中應(yīng)用得相對較少.Coeurdassier等[4]研究了Aporrectodeatuberculata對土壤中其他無脊椎動物的影響，發(fā)現(xiàn)其可促進蝸牛對Zn、Cd和Cu的吸收；Udovic等[27]研究揭示Octolasiontyrtaeum能提高Pb礦土中Pb的生物可利用性；而Lukkari等[20]研究揭示Aporrectodeacaliginosa可降低土壤中Cu和Zn的生物可利用性；Zorn等[18]對比研究2種不同的內(nèi)層種Aporrectodeacaliginosa和Allolobophoachlorotica，發(fā)現(xiàn)Aporrectodeacaliginosa可顯著降低Zn的生物可利用性，而Allolobophoachlorotica對Zn生物可利用性的影響并不顯著.

綜上可見，深層種大都能夠提高重金屬的生物可利用性，而表層種與內(nèi)層種并未顯現(xiàn)出一致趨勢.此外，蚯蚓的生活史、遺傳特性及其暴露時間亦會改變重金屬的生物可利用性，例如，Lukkari等[20]研究發(fā)現(xiàn)前期有過重金屬暴露史的Aporrectodeacaliginosa較之沒有暴露史的Aporrectodeacaliginosa更能降低土壤中Cu和Zn的生物可利用性.因此，除了開展各生態(tài)種間的對比研究外，亦應(yīng)重視蚯蚓暴露史這一重要因子.

2 土壤類型

針對外源添加重金屬的人工土壤(簡稱模擬土壤)研究表明，蚯蚓處理對模擬土壤重金屬生物可利用性的影響不一.例如，Zorn等[18]與Lukkari等[20]研究顯示蚯蚓處理能夠降低模擬土壤中重金屬生物可利用性；Liu等[11]研究顯示蚯蚓處理未顯著改變模擬土壤中重金屬生物可利用性；而Yu等[12]和Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓處理均可提高模擬土壤中重金屬生物可利用性.此外，F(xiàn)ujii等[19]對比研究了受Cu污染田土與模擬土壤，發(fā)現(xiàn)蚯蚓處理能夠降低模擬土壤中重金屬生物可利用性，而受Cu污染田土中重金屬的生物可利用性未發(fā)生顯著變化.與自然土壤相比，利用模擬土壤可控制重金屬暴露濃度，且能進行單一重金屬的暴露，但其不能反映土壤的真實狀況，且模擬土壤中重金屬生物可利用性一般都會偏高[19].因此，若利用模擬土壤作為實驗基質(zhì)，則對于蚯蚓處理提高植物重金屬萃取效率的相關(guān)研究結(jié)果需謹慎解讀[12-13, 26].

總之，利用自然土壤作為實驗基質(zhì)時，蚯蚓處理一般都可提高土壤中重金屬的生物可利用性，而模擬土壤中的研究結(jié)果各一(見表1).為此，除繼續(xù)探究不同基質(zhì)間的處理差異外，另一重點就是要研究蚓糞中重金屬生物可利用性的變化，從而排除土壤老化[19]這一因素的干擾.

3 重金屬類型差異

重金屬元素可廣義地劃分為必需元素和非必需元素.所謂必需元素是指生物體新陳代謝過程中必不可少的元素，如Cu和Zn等；非必需元素則是指生物體生長發(fā)育代謝過程中不需要的元素，如重金屬Cd和Pb等及準金屬(metalloid) As[17].有報道指出，蚯蚓對于不同類型金屬元素具有不同的適應(yīng)性反應(yīng)，且蚓體能夠調(diào)控必需元素，實現(xiàn)吸收與排泄的動態(tài)平衡，最終達到內(nèi)穩(wěn)態(tài)[20]；而非必需元素則可能通過與有機配體結(jié)合或隱遁于無機基質(zhì)內(nèi)實現(xiàn)脫毒[28].此外，不同重金屬在土壤中具有不同的賦存形態(tài)，且與土壤結(jié)合強度也不一樣，較之其它元素，Cu更多地與土壤中的有機質(zhì)絡(luò)合形成較穩(wěn)定的腐殖質(zhì)-金屬絡(luò)合物[6].Lukkari等[20]認為Cu與土壤的結(jié)合強度要高于Zn；而Zn則多以離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)形式存在；Pb主要以Fe-Mn氧化物等還原態(tài)形式存在[25]；而土壤中有機和無機膠體對Cd的吸附能力較弱，故Cd移動性相對較強[4].因此，重金屬類型差異及其不同的結(jié)合機制可能導(dǎo)致不同的影響效應(yīng)，例如，Coeurdassier等[4]報道棕色污染土經(jīng)Aporrectodeacaliginosa處理后，蝸牛體內(nèi)Cu、Zn濃度顯著提高，而Pb濃度未出現(xiàn)明顯變化.Sizmur等[23]報道金屬礦土經(jīng)赤子韋內(nèi)塔(Eiseniaveneta)處理后，水提取態(tài)Pb濃度明顯增高，而水提取態(tài)Zn濃度呈下降趨勢；Devliegher等[1]報道陸正蚓(Lumbricusterrestris)能夠顯著提高土壤中Cu有效態(tài)濃度, 但未改變Zn的有效態(tài)濃度.

4 pH值和可溶性有機碳變化

pH值是影響土壤溶液中重金屬濃度的重要因子[29].有研究表明，蚯蚓可通過降低土壤pH值而增加重金屬的生物可利用性[6, 12].然而，亦有研究指出由于蚯蚓皮膚黏液及鈣腺分泌，蚯蚓處理可提高土壤pH值，但重金屬生物可利用性仍然得到提高[14-15]，這表明pH值變化并不足以揭示蚯蚓處理對重金屬生物可利用性的影響效應(yīng).Steenbergen等[30]和Arnold等[31]研究表明，可溶性有機碳可通過絡(luò)合反應(yīng)或離子交換機制對重金屬生物可利用性產(chǎn)生重大影響.Businelli等[32]在經(jīng)蚯蚓處理后的土壤中檢測到腐殖酸的存在，這一證據(jù)揭示蚯蚓處理具有腐殖化作用，而腐殖酸可明顯提高植物體對重金屬的利用率[33].亦有研究指出土壤經(jīng)蚯蚓處理后可促進植物體對重金屬的吸收，這可能是由于蚯蚓促成的金屬-有機物螯合物釋出的直接作用結(jié)果[26-27].Wen等[15]研究發(fā)現(xiàn)，赤子愛勝蚓能夠提高土壤中可溶性有機碳(dissolved organic carbon)的含量，且DOC含量與水提取態(tài)重金屬濃度(Zn、Cu、Cr、Cd和Pb)呈顯著相關(guān)性.另有研究[34]報道DOC含量與水提取態(tài)稀土元素(Y、La、Ce、Pr和Nd)也呈正相關(guān).此外，Wang等[26]研究亦發(fā)現(xiàn)環(huán)毛蚓(pheretimagenus)處理提高了土壤中Cu的生物可利用性，同時檢測到DOC含量呈相應(yīng)增加趨勢.綜上，pH值和土壤中DOC含量的變化對土壤重金屬的生物可利用性具有重要意義.

5 建議和展望

有關(guān)蚯蚓處理影響重金屬生物可利用性的研究將會是持續(xù)熱點.影響重金屬生物可利用性的因素眾多，今后應(yīng)特別注意以下幾點：①實驗基質(zhì)宜挑選真實的重金屬污染土或污泥等廢棄物，不宜使用模擬土壤，因為重金屬在基質(zhì)中存留的時間不一，其形態(tài)特性也可能不一.②不同品種、不同生態(tài)型蚯蚓吸收富集重金屬的能力及穩(wěn)態(tài)時間不一致，實驗應(yīng)探明每種蚯蚓的最佳處理周期，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探究重金屬生物可利用性的變化.③測定重金屬生物可利用性時應(yīng)更多地借助生物方法，如利用植物或土壤中無脊椎動物等來判定重金屬生物可利用性的變化.④關(guān)注蚓糞中重金屬生物可利用性的變化，以明確蚯蚓本身對重金屬生物可利用性的直接影響.

[1] Devliegher W, Verstraete W. The effect ofLumbricusterrestrison soil in relation to plant growth: Effects of nutrient-enrichment processes (NEP) and gut-associated processes (GAP)[J]. Soil Biol Biochem,1997,29(3/4):341-346.

[2] Kocik A, Truchan M, Rozen A. Application of willows (Salixviminalis) and earthworms (Eiseniafetida) in sewage sludge treatment[J]. Eur J Soil Biol,2007,43(S1):327-331.

[3] Lavelle P. Diversity of soil fauna and ecosystem function[J]. Biol Int,1996,33:3-16.

[4] Coeurdassier M, Scheifler R, Vaufleury A,etal. Earthworms influence metal transfer from soil to snails[J]. Appl Soil Ecol,2007,35(2):302-310.

[5] Li Mei, Liu Zhengtao, Xu Yun,etal. Comparative effects of Cd and Pb on biochemical response and DNA damage in the earthwormEiseniafetida(Annelida,Oligochaeta)[J]. Chemosphere,2009,74(5):621-625.

[6] Klzllkaya R. Cu and Zn accumulation in earthwormLumbricusterrestrisL. in sewage sludge amended soil and fractions of Cu and Zn in casts and surrounding soil[J]. Ecol Eng,2004,22(2):141-151.

[7] Li Lingxiangyu, Xu Zhenlan, Wu Jianyang,etal. Bioaccumulation of heavy metals in the earthwormEiseniafetidain relation to bioavailable metal concentrations in pig manure[J]. Bioresource Technol,2010,101(10):3430-3436.

[8] Dai J, Becquer T, Rouiller J H,etal. Heavy metal accumulation by two earthworm species and its relationship to total and DTPA-extractable metals in soils[J]. Soil Boil Biochem,2004,36(1):91-98.

[9] Fischer E, Molnar L. Environmental aspects of the chloragogenous tissue of earthworms[J]. Soil Biol Biochem,1992,24(12):1723-1727.

[10] Suthar S. Pilot-scale vermireactors for sewage sludge stabilization and metal remediation process: Comparison with small-scale vermireactors[J]. Ecol Eng,2010,36(5):703-712.

[11] Liu Xiaoli, Hu Chengxiao, Zhang Shuzhen. Effects of earthworm activity on fertility and heavy metal bioavailability in sewage sludge[J]. Environ Int,2005,31(6):874-879.

[12] Yu Xiezhi, Cheng Jieming, Wong M H. Earthworm-mycorrhiza interaction on Cd uptake and growth of ryegrass[J]. Soil Boil Biochem,2005,37(2):195-201.

[13] Cheng Jieming, Wong M H. Effects of earthworms on Zn fractionation in soils[J]. Biol Fertil Soils,2002,36(1):72-78.

[14] Ma Y, Dickinson N M, Wong M H. Toxicity of Pb/Zn mine tailings to the earthwormPheretimaand the effects of burrowing on metal availability[J]. Biol Fertil Soils,2002,36(1):79-86.

[15] Wen Bei, Hu Xiaoyu, Liu Ying,etal. The role of earthworms (Eiseniafetida) in influencing bioavailability of heavy metals in soils[J]. Biol Fertil Soils,2004,40(3):181-187.

[16] Ruiz E, Rodríguez L, Alonso-Azcárate J. Effects of earthworms on metal uptake of heavy metals from polluted mine soils by different crop plants[J]. Chemosphere,2009,75(8):1035-1041.

[17] Sizmur T, Roe P B, Watts M J,etal. Impact of the earthwormLumbricusterrestris(L.) on As, Cu, Pb and Zn mobility and speciation in contaminated soils[J]. Environ Pollut,2011,159(3):742-748.

[18] Zorn M I, Gestel C V, Eijsackers H. The effect of two endogeic earthworm species on zinc distribution and availability in artificial soil columns[J]. Soil Biol Biochem,2005,37:917-925.

[19] Fujii Y, Kaneko N. The effect of earthworms on copper fractionation of freshly and long-term polluted soils[J]. Ecotox Environ Safe,2009,72(6):1754-1759.

[20] Lukkari T, Teno S, Vaisanen A,etal. Effects of earthworms on decomposition and metal availability in contaminated soil: Microcosm studies of populations with different exposure histories[J]. Soil Biol Biochem,2006,38(2):359-370.

[21] Udovic M, Lestan D. The effect of earthworms on the fractionation and bioavailability of heavy metals before and after soil remediation[J]. Environ Pollut,2007,148(2):663-668.

[22] Zorn M I, Van Gestel C V, Eijsackers H. The effect ofLumbricusrubellusandLumbricusterrestrison zinc distribution and availability in artificial soil columns[J]. Biol Fertili Soils,2005,41(3):212-215.

[23] Sizmur T, Hodson M E. The impact ofEiseniavenetaon As, Cu, Pb and Zn uptake by ryegrass (LoliumperenneL.)[J]. Mineral Mag,2008,72(1):495-499.

[24] Binet F, Curmi P. Structural effects ofLumbricusterrestris(oligochaeta:lumbricidae) on the soil-organic matter system: Micromorphological observations and autoradiographs[J]. Soil Biol Biochem,1992,24(12):1519-1523.

[25] Ruiz E, Alonso-Azcárate J, Rodríguez L.LumbricusterrestrisL. activity increases the availability of metals and their accumulation in maize and barley[J]. Environ Pollut,2011,159(3):722-728.

[26] Wang Dandan, Li Huixin, Wei Zhenggui,etal. Effect of earthworms on the phytoremediation of zinc-polluted soil by ryegrass and Indian mustard[J]. Biol Fertil Soils,2006,43(1):120-123.

[27] Udovic M, Plavc Z, Lestan D. The effect of earthworms on the fractionation, mobility and bioavailability of Pb, Zn and Cd before and after soil leaching with EDTA[J]. Chemosphere,2007,70(1):126-134.

[28] Spurgeon D J, Hopkin S P. Comparisons of metal accumulation and excretion kinetics in earthworms (Eiseniafetida) exposed to contaminated field and laboratory soils[J]. Appl Soil Ecol,1999,11(2/3):227-243.

[29] Sauve S, Hendershot W, Allen H E. Solid-solution partitioning of metals in contaminated soils: dependence on pH, total metal burden, and organic matter[J]. Environ Sci Technol,2000,34(7):1125-1131.

[30] Steenbergen N T, Iaccino F, Winkel M D,etal. Development of a biotic ligand model and a regression model predicting acute Cu toxicity to the earthwormAporrectodeacaliginosa[J]. Environ Sci Technol,2005,39(15):5694-5702.

[31] Arnold R E, Hodson M E, Comber S,etal. Effect of organic complexation on the toxicity of Cu to the earthwormEiseniafetida[J]. Appl Geochem,2007,22(11):2397-2405.

[32] Businelli M, Perucci P, Patumi M,etal. Chemical composition and enzymic activity of some worm casts[J]. Plant and Soil,1984,80:417-422.

[33] Evangelou M, Daghan H, Schaeffer A. The influence of humic acids on the phytoextraction of cadmium from soil[J]. Chemosphere,2004,57(3):207-213.

[34] Wen Bei, Liu Ying, Hu Xiaoyu,etal. Effect of earthworms (Eiseniafetida) on the fractionation and bioavailability of rare earth elements in nine Chinese soils[J]. Chemosphere,2006,63(7):1179-1186.

EffectsofEarthwormDisposalontheBioavailabilityofHeavyMetalsinSoil

HU An, ZHU Wei-qin, CHEN Lin, JIA Xiu-ying

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Vermicomposting, which was a disposal technology for waste and contaminants, was recently developed along with the deep exploitation of earthworm ecological functions. The paper exposed the effects of the technology on the bioavailability of heavy metals in soil from four different perspectives of earthworm ecological differences, soil categories, heavy metal category differences as well as the change of pH and dissolved organic carbon (DOC), the results can provide references for future work.

earthworm; bioavailability; earthworm species; soil categories; heavy metal specificity

2012-01-03

杭州市重點實驗室項目(20090233T14)；浙江省自然科學(xué)基金項目(Y306160).

賈秀英(1966—)，女，教授，主要從事環(huán)境毒理學(xué)研究.E-mail:xy_jia@163.com

11.3969/j.issn.1674-232X.2012.04.016

X53

A

1674-232X(2012)04-0369-05