蚯蚓對土壤污染的修復(fù)作用

姚 巍

(陜西省天然林保護(hù)工程管理中心，陜西 西安 710082)

蚯蚓是一種分布非常廣泛的土壤動物，其生物量占據(jù)土壤動物生物總量的60%～80%，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。蚯蚓通過取食、消化、作穴等一系列生命活動，將有機(jī)殘體與礦質(zhì)土壤混合，加速有機(jī)物的腐解過程，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)殘體向土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化[2-3]，并生物量累積和排泄使土壤中的重金屬離子Pb，Cr濃度降低[4]。蚓糞因具有比表面積大、排水性高、持水量大和通氣性好的特點(diǎn)[5]不僅是優(yōu)良的肥料[6-7]，而且吸附廢水中的Cu2+等金屬離子[8]。

總結(jié)和分析國內(nèi)外有關(guān)蚯蚓的研究成果，旨在充分發(fā)揮蚯蚓在環(huán)境的作用。

1 蚯蚓糞便

1.1 蚯蚓糞便是優(yōu)質(zhì)肥料

蚯蚓的糞便是蚯蚓代謝的產(chǎn)物，其不僅增加土壤通透性及土壤肥效，也有利于促進(jìn)作物根系的生長，同時其糞便也可為植物的生長提供充足的養(yǎng)分，是一種很好的土壤養(yǎng)料[7]。在有機(jī)物腐解過程中，尤其是蚯蚓腸道內(nèi)較高的酶活性，能夠?qū)⒁恍╇y分解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為較易利用的有機(jī)物，并隨蚓糞排出體外，便于微生物更好地利用[9]，進(jìn)而提高有機(jī)質(zhì)的腐解速度[10-11]。盡管目前對蚯蚓的利用研究較多，但對土壤中重要的常量元素，尤其是鈣鎂離子含量對蚯蚓分解有機(jī)物質(zhì)能力影響的研究相對較少，而且目前對蚯蚓消化酶的研究主要是纖維素酶和分解其它多糖的酶，而與氮、磷循環(huán)關(guān)系密切的蛋白酶、磷酸酶的研究很少。

1.2 蚯蚓糞是重金屬污染土壤的修復(fù)劑

蚯蚓糞是蚯蚓生物降解有機(jī)廢物的產(chǎn)物[5]，其具有比表面積大、排水性高、持水量大和通氣性好的特點(diǎn)，且含有大量微量元素和有機(jī)菌群，并且蚯蚓可通過鈣腺分泌過剩的碳酸鹽，調(diào)節(jié)體內(nèi)的酸堿平衡，從而使蚓糞的pH值趨于中性，然后排出體外。蚯蚓糞具有很好的供肥、保肥以及改善土壤板結(jié)的能力[6,12]。已有研究表明，蚯蚓糞作為一種土壤改良劑和新型有機(jī)肥，在濱海鹽堿地、紅壤的土壤改良[13]，以及生菜、西紅柿、玉米、烤煙等作物育苗及生長上表現(xiàn)出良好效果[14]。陳小錦[15]研究發(fā)現(xiàn)，適量的蚯蚓糞可以促進(jìn)不結(jié)球白菜幼苗的根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，有助于其生長。同時也有研究表明施入適量蚯蚓糞可以明顯增加玉米根系分泌物含量，改善玉米根際區(qū)域的微生態(tài)環(huán)境[16]。劉晉波等[17]在研究蚯蚓糞對油葵修復(fù)菲污染土壤時也得到同樣的結(jié)果，蚯蚓糞不僅有利于植物生長，也有助于強(qiáng)化油葵對菲的富集。蚓糞不僅可以作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，也可作為除臭劑，蚓糞具有較高孔隙率和比表面積，可高效吸附臭氣，而且蚓糞中大量的微生物也具有吸收凈化功能，韓立軍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞中添加30%蚓糞即可有效降低氨氣、硫化氫的釋放量。除此之外，蚯蚓糞還可作為吸附劑和強(qiáng)化劑。郭海艷等[8]將蚯蚓糞制成生物炭吸附廢水中的Cu2+，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞生物炭對Cu2+的吸附在24 h內(nèi)達(dá)到吸附平衡，且其吸附動力學(xué)很好地符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，吸附熱力學(xué)更好地符合Freundlich吸附等溫模型，并結(jié)合傅立葉紅外光譜分析表明該吸附過程是以化學(xué)吸附為主，證明蚯蚓糞可用作吸附劑。在陳楠等[19]的研究還表明，蚯蚓糞中含有的氨基酸和微量元素可增強(qiáng)植物抗病害的能力。

綜上，蚯蚓糞不僅可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，還可改善土壤根際酶活性以及可作為吸附劑和強(qiáng)化劑。

2 蚯蚓對土壤污染的修復(fù)

由于近年來工廠礦區(qū)的不合理排污以及農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥化肥的大量使用，使得土壤中的重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，不僅使土壤肥力退化，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，而且水環(huán)境也遭到破壞，并且其通過食物鏈在人和生物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人類的生命和健康[20]。由于重金屬污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點(diǎn)[1]，因此，土壤重金屬污染與治理一直是國際上學(xué)術(shù)界所研究關(guān)注的。而蚯蚓作為大型土壤動物，在重金屬污染土壤修復(fù)中具有重要的作用，一方面體現(xiàn)在蚯蚓自身對重金屬的耐性及富集吸收，另一方面則可歸結(jié)為蚯蚓活動對土壤重金屬的活化作用[1]。

2.1 蚯蚓對重金屬的耐性與富集作用

相關(guān)研究表明，蚯蚓對重金屬有一定的耐性和富集能力。Nahmani等[4]總結(jié)了大量研究表明：這種耐性與蚯蚓的生物量累積和排泄能力關(guān)系密切；蚯蚓對重金屬的富集主要通過其生命活動如取食、挖掘、吞噬、體內(nèi)酶分泌、排泄等影響土壤中外源污染物的遷移轉(zhuǎn)化和形態(tài)分布，進(jìn)而在食物鏈中傳遞及生物放大[21]。

金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，蚯蚓種的不同及馴養(yǎng)時間的長短，均會對最終的污染物富集作用產(chǎn)生不同影響[22-23]。有些蚯蚓種類能存活于重金屬污染土壤(包括一些金屬礦區(qū))中，并能在體內(nèi)富集一定量的重金屬而不受傷害或傷害較輕[24]，在蚯蚓的忍受范圍內(nèi)，當(dāng)蚯蚓吸收的重金屬積累到一定程度就會通過糞便和分泌物排出；如果蚯蚓吸收的重金屬超過了它的忍受范圍，則會直接毒害蚯蚓。據(jù)寇永綱等[22]的研究表明蚯蚓對鉛有較強(qiáng)的富集作用，且蚯蚓體內(nèi)的鉛富集量隨鉛濃度的增加而增加；單位質(zhì)量蚯蚓培養(yǎng)期內(nèi)吸收鉛量與鉛濃度梯度表現(xiàn)出極顯著性差異，說明蚯蚓可以作為檢測重金屬污染土壤中鉛的重要生物指標(biāo)，蚯蚓可用于修復(fù)土壤鉛污染；楊生權(quán)[25]在對土壤吸附鉛的研究中也得出蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用具有增加土壤對鉛吸附量的趨勢。根據(jù)伏小勇等人[26]的研究結(jié)果表明，蚯蚓對各種重金屬的富集量隨著培養(yǎng)時間的增加而變化，并且對不同重金屬出現(xiàn)最大富集量的時間也是不同的，蚯蚓對Cu, Pb的富集量要早于對Zn的富集量而達(dá)到最大值；與Cu, Zn, Pb的富集量相比，蚯蚓對Hg沒有明顯的富集作用，且對Hg的最大富集量時間不明顯。相關(guān)研究表明在蚯蚓對重金屬的耐受濃度范圍內(nèi)，其對重金屬的富集量隨著重金屬濃度的增加而增加，且蚯蚓對重金屬的吸收順序?yàn)椋篫n>Cu>Pb>Hg；在倪少仁[27]的研究中也得到了同樣的結(jié)果，蚯蚓對Cu, Zn, Pb, Hg有一定的耐性和富集能力。但蚯蚓對不同重金屬的忍耐和富集能力是有選擇性的，從而推測影響蚯蚓對重金屬富集作用的主要原因可能是體內(nèi)酶的作用，不同重金屬可以從多方面干擾了動物機(jī)體內(nèi)的生理生化功能。

2.2 蚯蚓對重金屬的活化作用

蚯蚓通過一系列的生命活動不僅可以富集重金屬，還可通過分泌代謝產(chǎn)物及調(diào)控蚓觸圈微生物的數(shù)量及活性從而間接活化重金屬；以及利用其消化管壁兩側(cè)的鈣腺分泌的碳酸鹽和代謝過程產(chǎn)生的酶類、生長素及含羧基、氨基等的膠粘物質(zhì)，分解、螯合、沉淀部分重金屬，活化基質(zhì)中的重金屬[28]。

重金屬在進(jìn)入土壤后，將通過沉淀、老化、專性吸附等物理、化學(xué)過程成為難溶態(tài)，而能被植物吸收并積累的主要是溶解態(tài)和易溶態(tài)的有效態(tài)重金屬[29]。因此,重金屬的生物有效性往往是植物修復(fù)土壤污染效率的限制因素。據(jù)馮鳳玲等[20]研究表明在重金屬污染土壤中，蚯蚓活動能提高植物生物量和土壤中的重金屬的生物有效性。據(jù)大量研究表明，經(jīng)過蚯蚓活動后的土壤具有較高的有效態(tài)Zn含量。同樣也有大量實(shí)驗(yàn)證明蚯蚓的活動顯著提高了有機(jī)結(jié)合態(tài)Cu含量和紅壤中DTPA提取態(tài)Cu的含量[30]，高沙土中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu的含量、黃泥土中離子交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cu的含量[31]；在張冬明等[32]的研究中指出，蚯蚓的活動能顯著提高土壤交換態(tài)及無定形氧化鐵結(jié)合態(tài)Pb含量；在袁紹春等人[33]的研究中表明有機(jī)質(zhì)可對重金屬的形態(tài)產(chǎn)生一定影響，蚯蚓處理降低了污泥有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)的快速分解可大幅提高污泥有效態(tài)重金屬的含量。重金屬有效性的提高凸顯了蚯蚓對土壤重金屬活化作用，這也是蚯蚓應(yīng)用于蚯蚓-植物提取技術(shù)體系修復(fù)污染土壤的必要保證。

但目前也有相關(guān)研究提出蚯蚓堆肥可降低城市污泥中重金屬的生物有效性，提高污泥農(nóng)用安全性。據(jù)王振興等人[34]研究表明蚯蚓處理大幅降低了重金屬Cu, Zn, Ni, Pb可氧化態(tài)含量，總體上降低了重金屬Cu, Ni, Pb的生物有效性。同時相關(guān)研究表明蚯蚓堆肥可提高污泥中腐殖酸的含量[35]，腐殖酸與重金屬結(jié)合可使重金屬有效態(tài)含量逐步降低[36]。蚯蚓處理降低污泥有效態(tài)重金屬含量，從而降低污泥重金屬生物有效性及生態(tài)毒性。

3 蚯蚓與微生物的協(xié)同作用

蚯蚓在吞食土壤及有機(jī)質(zhì)的過程中會同時攝食大量的微生物進(jìn)入腸道，雖然蚯蚓攝食不同環(huán)境基質(zhì)中的有機(jī)物，但是其腸道中的微生物種類組成相差不大，以變形菌的數(shù)量最多，其次是擬桿菌、放線菌和厚壁菌[37]。蚯蚓作為土壤有機(jī)質(zhì)和微生物的“攪拌機(jī)”和“傳播器”，對提高土壤中微生物的活力以及有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率起重要作用。相關(guān)研究表明在不同環(huán)境中引入適量蚯蚓，基質(zhì)中好氧微生物的數(shù)量都有所增加[38]，蚯蚓與好氧微生物的協(xié)同作用加速了有機(jī)質(zhì)的生物降解過程[39]，在此分解過程中，大塊有機(jī)物經(jīng)過蚯蚓砂囊磨碎后，其表面積的增加便于微生物對其快速轉(zhuǎn)化，而經(jīng)過微生物的處理后又會反過來有效地促進(jìn)蚯蚓對有機(jī)物的吸收利用。蚯蚓通過挖掘、吞食、排泄作用，與所在環(huán)境中的植物、微生物及其他土壤動物相互影響[40]，這種聯(lián)合作用對有機(jī)質(zhì)的分解以及礦物營養(yǎng)的釋放起著非常重要的作用。在蚯蚓的腸道中，蚯蚓與微生物之間形成共生互利關(guān)系，在蚯蚓-微生物共生系統(tǒng)中，蚯蚓主要起調(diào)控作用[41]，通過腸道消化，加速污染物的降解，影響系統(tǒng)中微生物數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu)[42]。蚯蚓的活動直接影響基質(zhì)或蚓觸圈，也間接使微生物活性得以增加，這些過程促使有機(jī)質(zhì)含量的降低；而且微生物與蚯蚓互作形成一個高效的生態(tài)處置系統(tǒng)，促使有機(jī)質(zhì)分解加快。

4 展望

蚯蚓作為土壤環(huán)境中最常見的大型無脊椎動物，通過在土壤中的生物活動，對土壤重金屬活性產(chǎn)生著重要的影響，蚯蚓對土壤重金屬污染修復(fù)有著極好的促進(jìn)作用，同時也可與微生物協(xié)同作用促進(jìn)作物根系的生長，而且其糞便也能為植物的生長提供充足的養(yǎng)分，可作為一種很好的有機(jī)肥。如何提高蚯蚓的消化酶活性，從而使蚯蚓發(fā)揮更大的作用是以后該領(lǐng)域的主要努力方向。今后在提高蚯蚓消化酶活性領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：改善蚯蚓的生活環(huán)境，深入研究環(huán)境中各類元素的含量對蚯蚓消化酶活性的影響，建立其與蚯蚓消化酶活性的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，進(jìn)而以最適的劑量養(yǎng)殖蚯蚓，從而使其作用最大化。