蚯蚓及其代謝物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王娜

摘要 土壤重金屬污染頻繁發(fā)生，人們越來越重視重金屬污染土壤的修復(fù)。近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，有許多學(xué)者對蚯蚓修復(fù)重金屬污染土壤進(jìn)行了大量研究。本文對重金屬污染對蚯蚓的毒理性，蚯蚓對重金屬污染土壤的養(yǎng)分循環(huán)、植物生長以及其代謝物對重金屬的影響進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，蚯蚓能夠通過改變重金屬污染土壤的養(yǎng)分循環(huán)并富集重金屬，從而促進(jìn)植物的生長。除此之外，蚯蚓糞在重金屬污染土壤修復(fù)中也有不可估量的作用。

關(guān)鍵詞 蚯蚓；代謝物；重金屬污染；土壤修復(fù)；作用

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）22-0184-02

Abstract Heavy metal pollution occurs frequently in soil.More and more attentions have been paid to the restoration of heavy metal contaminated soil. In recent years，with the development of molecular biology，many scholars have made a lot of research on earthworms repairing heavy metal contaminated soil. In this paper，the heavy metal pollution poison rational of earthworms，influence of earthworms on nutrient cycling in heavy metal contaminated soil and plant growth，influence of its metabolites on heavy metals were discussed.The results showed that earthworms could enrich heavy metals and promote the growth of plants by changing nutrient cycles in soils contaminated by heavy metals. In addition，earthworm feces could also play an inestimable role in remediation of heavy metal contaminated soil.

Key words earthworm；metabolite；heavy metal pollution；soil remediation；effect

近年來，土壤和農(nóng)作物重金屬污染問題日益突出，其主要是由采礦、冶煉、電鍍、染料、工業(yè)生產(chǎn)的帶入以及農(nóng)藥、污灌等不合理的使用導(dǎo)致[1]。土壤重金屬污染一方面體現(xiàn)在土壤的退化，另一方面體現(xiàn)在生態(tài)破壞。除此之外，重金屬還會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體危及人體健康[2]。據(jù)報(bào)道，我國重金屬污染土壤占耕地總面積的1/5[3]，每年因土壤重金屬污染帶來的糧食減產(chǎn)達(dá)1 000萬t以上，被重金屬污染的糧食每年約1 200萬t，年經(jīng)濟(jì)損失超200億元[4]。近年來，華南地區(qū)50 %的農(nóng)田土壤受重金屬Cd、As、Hg的長期污染[5]；長江三角洲農(nóng)田受Cd、Pb、As、Cu、Zn等污染，不僅造成農(nóng)作物嚴(yán)重?fù)p失，而且加劇了人體的健康風(fēng)險(xiǎn)[6]。綜上所述，土壤重金屬污染治理迫在眉睫。

蚯蚓占據(jù)了土壤生物量的60%[7]，是土壤中的主要?jiǎng)游镱惾?，由于蚯蚓在土壤中特殊的作用，近年來用蚯蚓及其代謝物修復(fù)重金屬污染土壤受到眾多研究者的青睞。

1 重金屬污染對蚯蚓的毒理探討

土壤重金屬可與土壤中的礦物質(zhì)相結(jié)合而穩(wěn)定存在，Haimi等[8]研究顯示，土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性、不可逆性，其進(jìn)入土壤后，不易被清除。目前，蚯蚓富集土壤重金屬污染的報(bào)道較多。如趙 麗等[5]研究了蚯蚓體內(nèi)銅的富集及其對蚯蚓的急性毒性，結(jié)果表明，蚯蚓對銅的富集系數(shù)高達(dá)2.55～11.93；除此之外，蚯蚓不僅可以吸收銅，也可通過自身的作用富集銅。Arnold[9]等研究結(jié)果與趙 麗等研究結(jié)果類似，即使土壤中銅的含量很低，蚯蚓也可以對其進(jìn)行富集。王丹丹等[10]將環(huán)毛蚓放入不同濃度梯度的含Zn土壤中，結(jié)果顯示，環(huán)毛蚓吸收了一定量的Zn，但卻未對Zn表現(xiàn)出富集作用（富集系數(shù)均小于1）。然而Lukkari等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中的Cu/Zn濃度在79/139 mg/kg時(shí)，蚯蚓可對Cu、Zn富集。宋玉芳等[12]研究草甸棕壤重金屬對蚯蚓的毒理作用，結(jié)果顯示，Cu、Pb的濃度與蚯蚓的死亡率具有相關(guān)性，即Cu、Pb濃度越高，蚯蚓的生長率越低。伏小勇等[13]研究微小雙胸蚯蚓對Cu、Zn、Pb、Hg污染土壤的富集，結(jié)果顯示，該蚯蚓對Hg富集作用不明顯，且在蚯蚓耐受范圍內(nèi)，微小雙胸蚯蚓對重金屬的富集量與重金屬濃度顯著正相關(guān)。綜上可知，不同種類蚯蚓對重金屬的富集程度不同，且土壤重金屬的濃度對蚯蚓的富集有一定影響。

2 蚯蚓對土壤重金屬污染修復(fù)的研究進(jìn)展

蚯蚓在土壤中的活動(dòng)參與了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，蚯蚓在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)較高的位置，一是蚯蚓通過改變土壤結(jié)構(gòu)、通氣性和透水性使土壤迅速熟化；二是深層土壤中蚯蚓的活動(dòng)驅(qū)動(dòng)了有機(jī)質(zhì)和微生物的傳播，從而促進(jìn)了微生物和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。除此之外，蚯蚓糞特殊的物理結(jié)構(gòu)也可以改善土壤肥力及土壤理化性質(zhì)。近年來，有關(guān)蚯蚓修復(fù)重金屬污染土壤、提高植物產(chǎn)量已被國內(nèi)外大量試驗(yàn)證實(shí)。

2.1 蚯蚓對重金屬污染土壤養(yǎng)分的影響

蚯蚓維持著土壤整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)功能[14]。蚯蚓活動(dòng)能夠疏松土壤，從而促進(jìn)植物殘枝落葉的降解，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的分解和礦化，增加土壤中Ca、P等速效成分，促進(jìn)土壤中硝化細(xì)菌的活動(dòng)。近年來，大量文獻(xiàn)研究顯示，蚯蚓活動(dòng)提高了重金屬污染土壤的養(yǎng)分含量，從而增加土壤有效性。如馮英梅[15]通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，在一定濃度梯度的鉛污染土壤中放入蚯蚓，結(jié)果顯示，加入蚯蚓后土壤CEC有所增加，且土壤中鉛濃度與土壤有機(jī)質(zhì)成顯著正相關(guān)；當(dāng)土壤中鉛濃度為0～300 mg/kg時(shí)，加入蚯蚓后土壤pH值增加；當(dāng)鉛濃度為500 mg/kg時(shí)，加入蚯蚓后土壤pH值降低。吳鵬飛等[16]在海南紅壤添加赤子愛勝蚓，以不同濃度鉛污染土壤為供試土壤，結(jié)果顯示，供試土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效磷含量分別增加。因此，在重金屬污染土壤中添加蚯蚓可不同程度地改變土壤養(yǎng)分。

2.2 蚯蚓對重金屬污染土壤植物生長的影響

植物生長離不開土壤養(yǎng)分的供給，蚯蚓在土壤中的活動(dòng)改變了土壤性質(zhì)及其養(yǎng)分，從而促進(jìn)了植物生長，這一結(jié)論被很多研究證實(shí)。如Yu等[17]研究表明，蚯蚓提高土壤中植物所需養(yǎng)分和重金屬元素的有效性的方式有2種，一是蚯蚓的腸道消化；二是蚯蚓對重金屬的富集。羅艷麗等[18]在種植黑麥草的鎘污染土壤中添加不同數(shù)量的蚯蚓，與空白處理比較，黑麥草的產(chǎn)量明顯增加，當(dāng)添加蚯蚓數(shù)量為30條時(shí)，鎘污染土壤中黑麥草產(chǎn)量增加最大。王丹丹等[19]研究了蚯蚓對污染土壤中黑麥草和印度芥菜吸收累積鋅的影響，結(jié)果表明，蚯蚓活動(dòng)增加了重金屬污染土壤中有效態(tài)Zn，從而促進(jìn)植物對Zn的吸收。俞協(xié)治等[20]以第四紀(jì)紅黏土紅壤和長江沖積物形成的高砂土為供試土壤，分別加入3個(gè)濃度的Cu2+（100、200、400 mg/kg）或Cd2+（5、10、20 mg/kg）模擬土壤污染，結(jié)果表明，蚯蚓活動(dòng)增加了紅壤中有效態(tài)Cu；對高砂土Cu、Cd影響不明顯，同時(shí)在一定濃度范圍內(nèi)，蚯蚓活動(dòng)顯著提高了紅壤和高砂土黑麥草的地上部生物量。潘聲旺等[21]采用室內(nèi)試驗(yàn)，研究了蚯蚓在植物修復(fù)芘污染土壤中的作用，結(jié)果表明，當(dāng)芘濃度在20.24～321.42 mg/kg范圍時(shí)，黑麥草根冠明顯增大，產(chǎn)量明顯提高；添加蚯蚓72 d后，種植黑麥草的土壤中芘的平均去除率高達(dá)74.66 %，較無蚯蚓活動(dòng)的土壤-植物系統(tǒng)（64.55%）提高10.11個(gè)百分點(diǎn)。Yu等[17]在Cd污染土壤中添加蚯蚓和菌根，發(fā)現(xiàn)蚯蚓在一定程度上能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行傳播，并且增加了微生物的活性和數(shù)量，不僅可以促進(jìn)植物根系菌根侵染率，也可增強(qiáng)植物對重金屬吸收的能力。Atiyeh等[22]研究表明，影響重金屬形態(tài)的一個(gè)重要因素是有機(jī)物，土壤中腐殖質(zhì)與有機(jī)酸含量隨著有機(jī)物的降解而增加，而腐殖質(zhì)和有機(jī)酸含量的增加一方面促進(jìn)了植物生長，另一方面對金屬的遷移性有一定影響[23]。

2.3 蚯蚓糞對重金屬污染土壤的影響

蚯蚓糞是一種黑色的、有泥土味的物質(zhì)，其性質(zhì)隨著蚯蚓食入的物質(zhì)及其消化程度而變化，蚯蚓糞粒徑為0.5～3.0 mm，其中1～2 mm 的較多，在潮濕陰暗的地方可相互黏結(jié)形成較大的團(tuán)聚體。蚯蚓糞的化學(xué)成分也較其他的物質(zhì)豐富。陳寶書等[24]在蚯蚓糞成分的研究中指出，蚯蚓糞中有機(jī)質(zhì)含量19.47%～42.20%，腐植酸含量11.7%～25.8%，氮磷鉀總養(yǎng)分>3%。除此之外，蚯蚓糞中還含有許多其他營養(yǎng)成分，粗灰分含量最高達(dá)到74.55%，作為畜禽飼料，是礦物質(zhì)飼料的來源之一。此外，蚯蚓糞中含有6.23%蛋白質(zhì)，還有一些如谷氨酸、天門冬氨酸和纈氨酸等植物所需的氨基酸。胡 佩等[25]研究顯示，蚯蚓糞中有刺激植物生長的生長素，如赤霉素、生長素、細(xì)胞分裂素等，以上這些激素促進(jìn)了植物的新陳代謝，進(jìn)一步提高植物的生長及其品質(zhì)。相關(guān)學(xué)者將蚯蚓糞應(yīng)用在生菜、西紅柿、玉米及烤煙等作物上，研究發(fā)現(xiàn)，施用蚯蚓糞的作物生長表現(xiàn)良好[26]。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，將蚯蚓糞添加至重金屬污染土壤中，相比不添加蚯蚓糞的土壤植物的成活率顯著增高。張燁[27]以阿爾岡金紫花苜蓿為材料，分析了添加蚯蚓糞土壤中紫花苜蓿的生長情況，發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞降低了土壤中重金屬的毒性，使得紫花苜蓿成活率有所提高，這可能是由于蚯蚓糞鈍化了土壤中的重金屬。劉晉波等[28]采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究了蚯蚓糞對油葵修復(fù)菲污染土壤的強(qiáng)化作用，結(jié)果表明，當(dāng)菲濃度在0～200 mg/kg濃度范圍內(nèi)時(shí)，添加蚯蚓糞的菲污染土壤中油葵株高和生物量均有所提高，與不添加蚯蚓糞的處理相比，增長了15.34%，且該土壤中菲的平均去除率高達(dá)57.14%。朱維琴等[29]采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，研究豬糞和蚯蚓糞對Cu2+、Zn2+的吸附、解吸規(guī)律及吸附動(dòng)力學(xué)行為，結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)，豬糞和蚯蚓糞對Cu2+、Zn2+的吸附量與Cu2+、Zn2+濃度成正相關(guān)，且與豬糞相比，蚯蚓糞對Cu2+、Zn2+的吸附固定能力較強(qiáng)。林淑芬等[30]在長江沖積物形成的高砂土中加入200、400、600 mg/kg銅模擬污染土壤，并在該土壤中分別添加15%蚯蚓糞和15%原土，在此處理中分別種植黑麥草和不種植黑麥草試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加蚯蚓糞的處理黑麥草地上部生物量、地下部生物量及根系長度、表面積、體積及根尖數(shù)均增加；且當(dāng)Cu濃度在200 mg/kg時(shí)對黑麥草的促進(jìn)作用最大；除此之外，該研究還表明，蚯蚓糞能促進(jìn)Cu從根系向地上部的運(yùn)移及在地上部的富集。

3 展望

蚯蚓及其代謝物對土壤物理性質(zhì)、土壤微生物環(huán)境都有較好的改良作用；除此之外，還能夠明顯促進(jìn)植物生長。近年來，重金屬污染土壤大面積增加，本文從蚯蚓自身及其代謝物為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蚯蚓及蚯蚓糞能夠改良重金屬污染土壤，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，且這一研究在重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的實(shí)踐。

但是，蚯蚓活動(dòng)也存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，方 婧等[31]通過對流-彌散模型（CDE）擬合研究表明，蚯蚓孔能夠形成明顯的優(yōu)勢流現(xiàn)象，增加了重金屬污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。目前，對蚯蚓糞的研究也多集中在土壤改良或作物增產(chǎn)等方面，但其不合理施用導(dǎo)致的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尚未不明確。因此，開展蚯蚓及其代謝物在改良土壤增加作物產(chǎn)量的同時(shí)深入研究其對環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)是很有必要的。

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