蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)變化及其與化學(xué)生物學(xué)性質(zhì)變化的關(guān)系

周 波, 唐晶磊, 代金君, 許 歡, 楊小雪, 陳旭飛, 張 池, 戴 軍

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部華南耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 2 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲用植物研究所, 廣州 510640 3 萊蕪市疾病預(yù)防控制中心, 萊蕪 271100

蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)變化及其與化學(xué)生物學(xué)性質(zhì)變化的關(guān)系

周 波1,2, 唐晶磊3, 代金君1, 許 歡1, 楊小雪1, 陳旭飛1, 張 池1, 戴 軍1,*

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部華南耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 2 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲用植物研究所, 廣州 510640 3 萊蕪市疾病預(yù)防控制中心, 萊蕪 271100

城市污泥處理是一項(xiàng)世界性難題,污泥農(nóng)業(yè)利用是其最簡(jiǎn)單有效的資源化利用方式之一,但污泥中較高的重金屬含量限制了其實(shí)際推廣應(yīng)用,利用蚯蚓-超富集植物聯(lián)合修復(fù)污泥重金屬的方法已引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。以新鮮城市脫水污泥為研究對(duì)象,接種赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafetida)進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),系統(tǒng)研究蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)的變化,及其與污泥氧化還原條件、化學(xué)和微生物性質(zhì)變化的關(guān)系,以期為蚯蚓-超富集植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在污泥重金屬處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明,試驗(yàn)前期蚯蚓在污泥中能正常生長(zhǎng)和存活,前20 d總生物量增加了52%。蚯蚓可以顯著促進(jìn)污泥中的Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬?gòu)臍堅(jiān)鼞B(tài)和鐵錳態(tài)等穩(wěn)定形態(tài)向交換態(tài)和水溶態(tài)等有效形態(tài)轉(zhuǎn)化。還可以顯著降低污泥中還原性物質(zhì)的含量,減緩pH值下降速度,降低總有機(jī)碳含量,促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,減少污泥微生物的數(shù)量并增加其種群活性。蚯蚓作用下,污泥中重金屬的活化程度與還原性物質(zhì)的含量呈顯著負(fù)相關(guān),而與微生物種群的活性呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)。綜上所述,蚯蚓可以促進(jìn)污泥重金屬的活化,并改善污泥的肥力條件,為修復(fù)植物在污泥中的正常生長(zhǎng)和對(duì)重金屬離子的快速吸收提供有利條件。

污泥; 蚯蚓; 重金屬

污泥是城市污水處理的產(chǎn)物,含有大量有機(jī)成分和氮磷鉀等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分,但同時(shí)也含有大量重金屬以及病原微生物,而且其數(shù)量巨大并會(huì)產(chǎn)生惡臭氣體,影響生態(tài)環(huán)境和人類健康,城市污泥處置已成為一個(gè)世界性的難題[1]。傳統(tǒng)的污泥處置方法包括填埋、焚燒和農(nóng)用等,填埋浪費(fèi)大量土地并容易產(chǎn)生滲濾污染,而焚燒則需要消耗大量能源并易導(dǎo)致空氣污染[2]。因此,在我國(guó)土地和能源緊缺的背景下,污泥農(nóng)用是一種較有前景的處置方式。研究表明,污泥不經(jīng)任何處理直接農(nóng)用,會(huì)降低土壤微生物活性,影響植物生長(zhǎng),并且污泥中的重金屬也會(huì)造成二次環(huán)境污染[3]。有研究者提出利用蚯蚓堆置處理污泥,蚯蚓可以促進(jìn)污泥中的有機(jī)質(zhì)分解,提高有效礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的含量,增加重金屬的生物有效性,結(jié)合植物修復(fù)技術(shù)具有用于修復(fù)污泥中重金屬污染的潛力[4]。利用蚯蚓的活動(dòng)改善污泥的理化性狀為修復(fù)植物的正常生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)的肥力條件,增加修復(fù)植物的生物量,同時(shí)提高重金屬的生物有效性,從而促進(jìn)修復(fù)植物對(duì)重金屬的吸收,最終降低污泥重金屬的含量[5-7]。也有研究者發(fā)現(xiàn)蚯蚓在控制污泥微生物數(shù)量的同時(shí),可以增強(qiáng)微生物的活性[8-9]。然而,蚯蚓作用對(duì)污泥中不同重金屬形態(tài)的影響,對(duì)氧化還原條件、化學(xué)和微生物性質(zhì)的影響,以及在蚯蚓作用下重金屬形態(tài)和理化、微生物特征之間內(nèi)在關(guān)系的系統(tǒng)研究較少。

為此,本研究以新鮮城市脫水污泥為研究對(duì)象,接種赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafetida)進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),系統(tǒng)研究蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)的變化,及其與污泥氧化還原條件、化學(xué)和微生物性質(zhì)變化的關(guān)系,以期為蚯蚓-超富集植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在污泥重金屬處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試污泥為取自東莞市虎門污水處理廠的新鮮脫水污泥,廢水來(lái)源主要是城市生活污水及工業(yè)廢水,污泥含水量約為70%,基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試蚯蚓為實(shí)驗(yàn)室自行培養(yǎng)的赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafetida),挑選單條鮮重0.35 g左右的健壯蚯蚓進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 污泥基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分蚯蚓處理組和同條件不加蚯蚓對(duì)照組,每組3個(gè)重復(fù)。取相當(dāng)于400 g干重的新鮮污泥裝入直徑15 cm高20 cm的圓形塑料花盆中,底部和上口均放置35目孔徑的塑料紗網(wǎng)防止蚯蚓逃逸。蚯蚓處理組每盆接種20條單重在(0.35±0.03) g的健壯蚯蚓,總重量為7 g左右,重復(fù)間無(wú)顯著差異,并記錄蚯蚓總重。所有處理均置于室內(nèi),用黑色遮陰網(wǎng)遮光,室溫維持(25±1) ℃,并采用稱重法每天補(bǔ)充蒸餾水維持污泥含水量在60%—70%。試驗(yàn)維持80 d,每20 d檢查1次蚯蚓處理組蚯蚓的數(shù)量和生物量,將蚯蚓計(jì)數(shù),并用蒸餾水漂洗干凈,用吸水紙輕輕擦干稱重,然后將所有蚯蚓重新接種回原污泥中。同時(shí)將對(duì)照組進(jìn)行翻堆,保持和蚯蚓處理組的一致性。原始污泥和試驗(yàn)結(jié)束后的污泥,均一部分冷藏于4 ℃冰箱,用于分析測(cè)試氧化還原狀況及微生物特征的相關(guān)指標(biāo)；另一部分風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)篩,用于測(cè)試重金屬形態(tài)和基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

1.3 樣品測(cè)定方法

不同化學(xué)形態(tài)重金屬含量的測(cè)定參考BCR(European Community Bureau of Reference,BCR歐洲共同體參考局)連續(xù)浸提法[10],用蒸餾水(固液比1∶40)浸提為水溶態(tài)；繼續(xù)用0.11 mol/L醋酸(固液比1∶40)浸提為交換態(tài)；繼續(xù)用0.5 mol/L的鹽酸羥胺(固液比1∶40)浸提為鐵錳態(tài)；繼續(xù)用30%的H2O2消化殘?jiān)械挠袡C(jī)質(zhì)后,用1 mol/L的醋酸銨(固液比1∶50)浸提為有機(jī)態(tài)；剩余殘?jiān)娓珊笥萌嵯蠓y(cè)定重金屬為殘?jiān)鼞B(tài)。

氧化還原物質(zhì)的量可以反映氧化還原的數(shù)量因素,除影響重金屬形態(tài)外,對(duì)污泥營(yíng)養(yǎng)狀況和修復(fù)植物的生長(zhǎng)具有重要作用。游離氧化鐵的測(cè)定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法,非晶質(zhì)氧化鐵采用酸性草酸銨溶液提取法,絡(luò)合態(tài)鐵采用焦磷酸鈉提取法。還原性物質(zhì)總量的測(cè)定采用硫酸鋁浸提-重鉻酸鉀氧化法,活性還原性物質(zhì)采用高錳酸鉀滴定法,亞鐵含量采用鄰菲羅啉比色法,活性有機(jī)還原性物質(zhì)為活性還原性物質(zhì)與亞鐵含量的差[11]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用方差和多重比較分析不同處理間重金屬形態(tài)和化學(xué)及生物學(xué)指標(biāo)的差異。采用主成分分析(Principal Components Analysis)借助ADE-4 軟件,將多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的變量進(jìn)行綜合分析,利用二維空間載荷圖和得分圖反映分析結(jié)果,并應(yīng)用置換檢驗(yàn)(Permutation test)比較不同處理間污泥綜合屬性特征的差異水平。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件(SAS 8.0 Software,SAS Institute Inc.)和 ADE-4多元數(shù)據(jù)分析軟件[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓在污泥中的生長(zhǎng)情況

試驗(yàn)期間,蚯蚓處理組的蚯蚓數(shù)量在前20 d基本不變,20 d之后呈逐漸下降趨勢(shì)(圖1),到第80天時(shí)蚯蚓全部消失。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中,蚯蚓的活性正常,但沒(méi)有蚓繭和幼蚓產(chǎn)生?？偵锪亢蛦误w重均在第20天時(shí)達(dá)到最大值,分別為10.66 g和0.55 g,總生物量增加了52%,之后呈逐漸下降趨勢(shì)(圖1)。

圖1 蚯蚓數(shù)量和生物量變化Fig.1 Changes of earthworm number and biomass

2.2 蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)的變化

本試驗(yàn)中蚯蚓處理未降低污泥中重金屬的總含量,但對(duì)部分重金屬的化學(xué)形態(tài)具有顯著影響。6種重金屬中Cu、Zn、Cd、Ni的殘?jiān)鼞B(tài)所占重金屬總量的比例下降,交換態(tài)和水溶態(tài)比例上升,與之相反的是,Pb和Cr的殘?jiān)鼞B(tài)比例增加,交換態(tài)和水溶態(tài)比例降低(圖2)。

圖2 污泥重金屬形態(tài)變化Fig.2 Variations of speciation of six heavy metals of sludge

各重金屬形態(tài)變化幅度較大的主要包括：Cu在蚯蚓處理組和對(duì)照組中的殘?jiān)鼞B(tài)所占總量的比例分別從11%下降到3%和4%,有機(jī)態(tài)比例都從53%下降為27%,鐵錳態(tài)比例則從18%升高到38%和34%,交換態(tài)從18%升高到30%和33%,下降和上升的幅度都達(dá)到顯著水平,但是蚯蚓處理組和對(duì)照組的差異不顯著(P> 0.05)；Zn、Cd、Ni的殘?jiān)鼞B(tài)、有機(jī)態(tài)和交換態(tài)單獨(dú)的變化幅度都不顯著,而它們的鐵錳態(tài)比例均顯著下降,水溶態(tài)比例均顯著上升,與Cu的結(jié)果類似,蚯蚓組的下降和上升幅度均大于對(duì)照組,但均未達(dá)顯著水平。此外,在蚯蚓處理中Pb和Cr均表現(xiàn)出與上述重金屬不同的規(guī)律。Pb、Cr在蚯蚓組和對(duì)照組中所有形態(tài)的變化幅度均未達(dá)顯著水平。

對(duì)重金屬各化學(xué)形態(tài)含量的變化情況進(jìn)行綜合分析(圖3),由圖3a可見(jiàn),蚯蚓作用對(duì)重金屬化學(xué)形態(tài)的綜合影響效果達(dá)到了顯著程度(P=0.0351),蚯蚓處理組顯著向第一主成分的負(fù)方向偏移。由圖3b可知,第一主成分的負(fù)方向主要代表的是水溶態(tài)和交換態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni等的信息。由此可見(jiàn),蚯蚓作用顯著促進(jìn)了Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬向水溶態(tài)和交換態(tài)等形態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖3 各處理污泥重金屬形態(tài)的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of sludge heavy metal speciation in treatments

2.3 蚯蚓作用下污泥化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化

污泥氧化還原性物質(zhì)的變化情況如表2所示。氧化性物質(zhì)和還原性物質(zhì)的量可以表征氧化還原的數(shù)量因素,特別是后者能在很大程度上影響各種離子的有效性、土壤養(yǎng)分及植物生長(zhǎng)。本研究中測(cè)定的3種污泥氧化性物質(zhì)的含量,蚯蚓組與對(duì)照組均差異不顯著(P> 0.05),蚯蚓作用對(duì)污泥氧化性物質(zhì)的含量均未產(chǎn)生顯著影響。但蚯蚓處理組的還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)和活性有機(jī)還原性物質(zhì)的含量均顯著低于對(duì)照組,蚯蚓作用可以顯著降低除亞鐵外的其余3種還原性物質(zhì)的含量。

表3為部分與污泥肥力相關(guān)的化學(xué)性質(zhì)的變化情況,蚯蚓組的pH值顯著高于對(duì)照組,但二者均顯著低于原始污泥,蚯蚓作用減緩了pH值的降低速度。由于蚯蚓自身的新陳代謝消耗了部分有機(jī)養(yǎng)分,蚯蚓組總有機(jī)碳和富里酸的含量均顯著低于對(duì)照組。蚯蚓組銨態(tài)氮的含量顯著低于對(duì)照組,而硝態(tài)氮的含量則顯著高于對(duì)照組,蚯蚓作用顯著降低了對(duì)作物具有毒害作用的銨態(tài)氮的含量,并顯著升高了作物可以吸收利用的硝態(tài)氮的含量。蚯蚓組和對(duì)照組中其它種類礦質(zhì)養(yǎng)分的差異未達(dá)到顯著水平。

表4為污泥部分生物學(xué)性質(zhì)的變化情況,蚯蚓處理組的過(guò)氧化氫酶活性顯著升高,這反映出該組污泥中微生物的活性有所增強(qiáng),而轉(zhuǎn)化酶和熒光素二乙酸酯酶的活性顯著降低,這主要與污泥中有機(jī)碳含量和微生物數(shù)量降低有關(guān)。蚯蚓處理組的微生物量碳含量顯著低于對(duì)照組,而代謝熵則顯著高于對(duì)照組,這也說(shuō)明了蚯蚓處理降低了微生物的數(shù)量,但是微生物的活性增強(qiáng)了。可培養(yǎng)微生物中真菌和放線菌數(shù)量的顯著降低也在一定程度上反映出了微生物數(shù)量的下降。

表2 污泥氧化和還原性物質(zhì)的變化

對(duì)蚯蚓作用下污泥化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化情況進(jìn)行綜合分析(圖4)發(fā)現(xiàn),蚯蚓作用對(duì)污泥和化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合影響達(dá)到顯著水平(P=0.0022),與對(duì)照組相比蚯蚓處理組偏向于第一和第二主成分的正方向(圖4)。由圖4結(jié)合表2—表4分析可知,第一主成分正方向主要是硝態(tài)氮和代謝熵較高,而銨態(tài)氮、還原性物質(zhì)的量和微生物數(shù)量較低的方向,第二主成分的正方向則主要是pH值較高的方向。綜上所述,蚯蚓作用顯著降低了還原性物質(zhì)的含量,減緩了pH值的下降速度,減少了有機(jī)碳和銨態(tài)氮的含量,同時(shí)增加了硝態(tài)氮的含量。降低了反映微生物數(shù)量的相關(guān)指標(biāo)值,但升高了與其活性相關(guān)的指標(biāo)值。

表3 污泥部分化學(xué)性質(zhì)變化

表4 污泥部分生物學(xué)性質(zhì)變化

圖4 各處理污泥化學(xué)及生物學(xué)屬性的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of sludge chemical and biological properties in treatments

2.4 重金屬形態(tài)與化學(xué)和生物學(xué)屬性的相關(guān)分析

將在蚯蚓作用下污泥中發(fā)生顯著變化的重金屬形態(tài)與化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析(表5)。交換態(tài)和水溶態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni與3種還原性物質(zhì)的含量均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,并多數(shù)都達(dá)到了顯著或極顯著的水平；多數(shù)交換態(tài)和水溶態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni與pH值均呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān),除交換態(tài)Zn外,與有機(jī)碳、銨態(tài)氮均呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān),而與硝態(tài)氮均呈顯著或極顯著的正相關(guān)；交換態(tài)和水溶態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni均與表征微生物活性的代謝熵、過(guò)氧化氫酶呈正相關(guān),而與表征微生物數(shù)量的微生物量碳、真菌、轉(zhuǎn)化酶、熒光素二乙酸酯酶等指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān),并且上述相關(guān)多數(shù)達(dá)到顯著或極顯著水平。

3 討論

在本試驗(yàn)條件下,蚯蚓在污泥中可以正常存活和生長(zhǎng),前期總生物量顯著升高(圖1),但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),蚯蚓可利用的營(yíng)養(yǎng)成分含量下降,營(yíng)養(yǎng)限制使其數(shù)量和生物量都逐漸下降[14],因此,在利用蚯蚓處理污泥過(guò)程中應(yīng)注意處理時(shí)間的選擇,并可補(bǔ)充適量有機(jī)物料。

本研究結(jié)果顯示,蚯蚓作用可以促進(jìn)Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬向交換態(tài)和水溶態(tài)轉(zhuǎn)化,但對(duì)Pb、Cr化學(xué)形態(tài)的影響較小(圖2),并且蚯蚓對(duì)重金屬形態(tài)影響的綜合效果達(dá)到顯著水平(P= 0.0351,圖3)。本研究結(jié)果說(shuō)明蚯蚓具有活化污泥中Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬的作用,這與Sizmur 等人的研究結(jié)果一致[15-16]。然而,在本試驗(yàn)中蚯蚓對(duì)Pb、Cr等重金屬的形態(tài)未產(chǎn)生顯著影響,這說(shuō)明Pb、Cr等重金屬在污泥中形態(tài)較為穩(wěn)定,不容易被活化,Wang等[17]在對(duì)污泥重金屬形態(tài)的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。

本研究結(jié)果還顯示,蚯蚓處理組的還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)和有機(jī)還原性物質(zhì)的量都顯著下降(表2),這說(shuō)明蚯蚓作用可以顯著降低污泥中還原性物質(zhì)的量,促進(jìn)污泥從還原態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)變。還原性物質(zhì)含量的下降可以減少污泥對(duì)重金屬離子的專性吸附,促進(jìn)其活化[18]。本研究中,還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)和有機(jī)還原性物質(zhì)的量與Cu、Zn、Cd、Ni的水溶態(tài)、交換態(tài)含量多數(shù)呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5),也進(jìn)一步說(shuō)明蚯蚓作用可能會(huì)通過(guò)降低污泥中還原性物質(zhì)的量,改變其氧化還原狀態(tài),進(jìn)而促進(jìn)重金屬活化。此外,還原性物質(zhì)含量下降,更有利于修復(fù)植物在污泥中的生長(zhǎng)[19],這也是蚯蚓應(yīng)用于污泥重金屬治理中的一個(gè)重要作用。

表5 蚯蚓作用下顯著變化的重金屬形態(tài)與化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析

Kocik等人在研究蚯蚓對(duì)污泥的影響時(shí)未觀測(cè)到pH值的顯著變化[20],而本研究中,蚯蚓處理組的pH值顯著高于對(duì)照組(表3),蚯蚓作用促進(jìn)pH值趨向于中性。蚯蚓處理組總有機(jī)碳和富里酸的含量顯著降低,這主要與蚯蚓自身代謝有關(guān),也進(jìn)一步說(shuō)明在處理過(guò)程中適量補(bǔ)充有機(jī)物料的重要性[21]。此外,蚯蚓處理組的銨態(tài)氮含量顯著降低,而硝態(tài)氮含量則顯著升高(表3),這可能與蚯蚓促進(jìn)有機(jī)氮的礦化和銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化有關(guān)[22],這說(shuō)明蚯蚓作用可以促進(jìn)污泥中的銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,這對(duì)修復(fù)植物在污泥中的生長(zhǎng)有利。水溶態(tài)和交換態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni與pH值多數(shù)具有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5),酸性環(huán)境更利于重金屬活化,蚯蚓作用會(huì)促進(jìn)pH值趨于中性,但本試驗(yàn)中蚯蚓處理組和對(duì)照組的污泥pH值均介于5.20—5.62之間,pH值的改變幅度較小,故其對(duì)重金屬形態(tài)的影響也比較微弱。此外,蚯蚓顯著促進(jìn)硝態(tài)氮含量升高,而硝態(tài)氮與水溶態(tài)和交換態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni也多數(shù)具有顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系(表5),蚯蚓是否會(huì)通過(guò)硝態(tài)氮的改變影響重金屬形態(tài),還有待進(jìn)一步研究。

在本研究中,蚯蚓處理組的過(guò)氧化氫酶和代謝熵顯著升高,而微生物量碳、轉(zhuǎn)化酶、熒光素二乙酸酯酶、真菌和放線菌數(shù)量都顯著下降(表4),這說(shuō)明蚯蚓作用增加了微生物的活性,但是減少了微生物的數(shù)量。可能是因?yàn)轵球緯?huì)吞食某些微生物[23],這也與wani等[24]和Aira等[25]研究的蚯蚓對(duì)微生物種群的影響結(jié)果一致。蚯蚓作用改變了微生物種群結(jié)構(gòu),使其趨于年輕化[26],同時(shí)微生物數(shù)量減少,營(yíng)養(yǎng)來(lái)源相對(duì)充足,因而剩余微生物的活性反而增強(qiáng)[27]。而過(guò)氧化氫酶、代謝熵與水溶態(tài)和交換態(tài)Cu、Zn、Cd、Ni多數(shù)呈顯著或極顯著的正相關(guān)(表5),說(shuō)明蚯蚓作用增強(qiáng)了微生物的活性,進(jìn)而促進(jìn)了重金屬的活化。

4 結(jié)論

試驗(yàn)前期蚯蚓在污泥中能正常生長(zhǎng)和存活,前20 d總生物量增加了52%。蚯蚓可以顯著促進(jìn)污泥中的Cu、Zn、Cd、Ni等重金屬?gòu)臍堅(jiān)鼞B(tài)、有機(jī)態(tài)和鐵錳態(tài)等穩(wěn)定形態(tài)向交換態(tài)和水溶態(tài)等有效形態(tài)轉(zhuǎn)化(P= 0.0351)。還可以顯著降低污泥中還原性物質(zhì)的含量,減緩pH值下降速度,降低總有機(jī)碳含量,促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,減少污泥微生物的數(shù)量并增加其種群活性(P= 0.0022)。蚯蚓作用下,污泥中重金屬的活化程度與還原性物質(zhì)的含量呈顯著負(fù)相關(guān),而與微生物種群的活性呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)。綜上所述,蚯蚓可以促進(jìn)污泥重金屬的活化,并改善污泥的肥力條件,為修復(fù)植物在污泥中的正常生長(zhǎng)和對(duì)重金屬離子的快速吸收提供有利條件。

致謝：感謝李志安研究員對(duì)本文寫作的幫助。

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Remediating effluent sludge with earthworms: changes in heavy metal speciation and associated chemical and biological properties

ZHOU Bo1,2, TANG Jinglei3, DAI Jinjun1, XU Huan1, YANG Xiaoxue1, CHEN Xufei1, ZHANG Chi1, DAI Jun1,*

1KeyLaboratoryoftheMinistryofAgricultureforSouthChinaFarmlandConservation,GuangdongProvinceKeyLaboratoryofLanduseandconsolidation,CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2DringkablePlantsResearchInstitute,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences,Guangzhou510640,China3LaiwuCityCenterforDiseaseControlandPrevention,Laiwu271100,China

The disposal of effluent sludge is a difficult problem throughout the world. Agricultural utilization of sludge as resources is one option. However, high levels of heavy metals pose difficulties in the safe use of sludge. To reduce the heavy metal content of sludge, a technique combining remediation with earthworms and hyperaccumulators has been suggested to be effective and is drawing the attention of scientists in the field. Therefore, an experiment was conducted to evaluate effect of earthworms on heavy metals in sludge. In the experiment, sludge was collected from a wastewater treatment plant in Dongguan, and 400g (dry weight) fresh sludge was put in a plastic pot. The earthwormEiseniafetidawas used. Twenty healthy earthworms were added to each replicate pot. Each earthworm weighed about (0.35±0.03)g, with total earthworm weight about 7g per pot. Control pots with no earthworms were set up too. Sludge measurements were made, including heavy metal speciation, redox conditions, chemical properties, enzymatic and microbial properties. The results showed that the earthwormEiseniafetidacould survive well and grow in the sludge. By the 20thday, the earthworm weights were approximately 0.55g each (10.66g per pot). In the treatments with earthworms, the amount of Cu, Zn, Cd, and Ni in the form of residue, organic, and Fe-Mn bound metals significantly decreased, and those in the forms of exchangeable and water soluble metals significantly increased. However, earthworms had no significant effect on the speciation of Pb and Cr. The earthworms also significantly reduced the amount of total reductive substance, active reductive substance and active organic reductive substance, but had no significant effect on the ferrous iron (Fe2+), free iron oxide (Fe2O3), amorphous iron (Fe2O3) and complex iron (Fe) content. The pH of sludge with earthworms (pH = 5.62) was significantly higher than that of the control group (pH = 5.20) by the 80thday, but both groups had significantly lower pH than the original sludge (pH = 6.49). The total organic carbon and fulvic acid content were reduced by earthworms, and earthworms promoted the conversion of ammonium nitrogen to nitrate nitrogen. Metabolic quotient and catalase were significantly increased, while microbial biomass carbon, invertase, and fluorescein diacetate enzymes were significantly reduced in the earthworm treated sludge. These findings suggest that earthworms reduced the number of microorganisms in the sludge, while increasing microbial activity. With the addition of earthworms, the activation of heavy metals in sludge had a significant negative correlation with reductive substance content, but had a significant positive correlation with microbial activity. In summary, earthworms could facilitate the activation of heavy metals in sludge, and improve its fertility. Thus, addition of earthworms to sludge could provide favorable conditions for the growth of hyperaccumulators, other plants, and the uptake of heavy metals from sludge.

sludge; earthworm; heavy metal

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20124404110022); 國(guó)家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41201305); 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2011A090200038)

2014-02-11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201402110233

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jundai@scau.edu.cn

周波, 唐晶磊, 代金君, 許歡, 楊小雪, 陳旭飛, 張池, 戴軍.蚯蚓作用下污泥重金屬形態(tài)變化及其與化學(xué)生物學(xué)性質(zhì)變化的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6269-6279.

Zhou B, Tang J L, Dai J J, Xu H, Yang X X, Chen X F, Zhang C, Dai J.Remediating effluent sludge with earthworms: changes in heavy metal speciation and associated chemical and biological properties.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6269-6279.