土壤中低等動物在重金屬污染土壤修復中的研究進展

葉勝蘭　牛巖

摘要：土壤是人類生存發(fā)展的重要自然資源。當今，由于經(jīng)濟發(fā)展、人口增加等造成了嚴重的土壤污染，尤其是重金屬污染問題，而重金屬污染土壤的整治治理問題已成為國內外的熱門課題?？偨Y分析了國內外關于重金屬治理的方法，并對低等動物（蚯蚓）在重金屬污染治理中的重要作用進行了詳細討論。

關鍵詞：低等動物;重金屬;自然資源;環(huán)境問題

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.022

土壤是人類生存不可或缺的重要自然資源，而地球上的土壤層主要存在于陸地表面，是一個有機與無機共存的綜合體;同時，土壤也是外界環(huán)境中不同要素之間產(chǎn)生相互作用的主要場所。因此，土壤、環(huán)境與人類息息相關，三者間既相互影響又相互利用，而近年來隨著環(huán)境問題日益惡化，大量的土壤面臨著嚴重的污染問題，這將同時引起相關資源要素如水體、大氣、生物要素等的污染。土壤環(huán)境一旦被污染，尤其是重金屬污染，其整治修復過程比大氣和水更為困難[1]。從已有的重金屬污染土壤修復技術研究到今天，人們對重金屬污染土壤的修復并未得到一個價廉、效高的方法，而大多科學家目前對生物修復重金屬污染土壤提高了關注度，一方面，生物修復是當前治理重金屬污染土壤的一種全新方法，具有強大的生命力[2];另一方面，生物修復能有效降低修復成本，且達到長效凈化的目的。近年來，國內外對生物技術的研究十分活躍，有些國家已將此技術用于污染土壤的實際修復，并取得了顯著的效果[3]。因此重金屬污染土壤的整治修復問題已然成為當今科生態(tài)、環(huán)境等研工作者競相研究的熱門話題。在門類眾多的修復方法中，以生物方法進行修復是低成本且具有長效作用的修復方法。

1 國內外重用重金屬修復方法研究

目前，國內外已存在大量的重金屬污染土壤的修復方法，常見的有物理修復方法、化學修復方法、生物修復方法以及綜合各類修復方法的多元修復方法。目前，受到眾多關注的是生物方法，具體包括植物、微生物及動物等修復方法。植物修復是指利用具有富集、固化、分解或吸收利用重金屬的植物類對污染土壤進行凈化，此種方法的成效較慢，但不存在二次污染等負面影響。微生物修復是指利用土壤中天然存在的或利用人工特殊培訓的一大類微生物群體對污染土壤中重金屬進行富集或者轉化，從而達到潔凈土壤的目的。但此種方法中人工培育的微生物存在一定的潛在風險.比如其變異、排擠等可能對土壤中原本的微生物造成一定的影響。動物修復主要是利用土壤中的一些低等微生物對重金屬污染土壤進行吸收利用、分解轉化，從而達到去除或降低重金屬的毒害作用，目前主要研究的低等動物是蚯蚓。蚯蚓作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，能存活于重金屬污染土壤，并且具有吸附土壤中重金屬的作用。利用蚯蚓處理修復重金屬污染土壤具有高效、經(jīng)濟、安全等特點。

2 低等動物修復重金屬污染的必要性

目前，土壤重金屬污染的日益加劇對人類的生存和生態(tài)維持構成了嚴重威脅，尤其是復合重金屬污染，因此，污染土壤的生態(tài)安全評價和治理已成為環(huán)境研究領域中的熱門課題之一，受到高度重視。利用生長在污染土壤中的蚯蚓作為指示生物，可以評價和預測土壤污染水平和生態(tài)風險。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓生活在土壤中，是污染物從土壤到食物鏈高營養(yǎng)級轉移的重要環(huán)節(jié)。因此，蚯蚓常被用作化學物質在土壤重金屬實驗的模擬生物來監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和可能發(fā)生的變化，以此評判該土壤的生態(tài)和環(huán)境是否健康。綜合分析，蚯蚓不僅可以作為土壤重金屬污染的重要指示生物，而且對被重金屬污染的土壤具有一定的凈化能力。在自然界中，復合污染是一種普遍存在的現(xiàn)象，而通過低等動物修復具有普遍現(xiàn)實意義。

3 低等動物蚯蚓的修復作用

3.1 蚯蚓在重金屬污染土壤修復過程中的作用

當今已有研究表明，通過蚯蚓活動能顯著影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學、生物學性質的演化，從而改變植物生長和生態(tài)環(huán)境。低等動物蚯蚓在土壤中進行吞食、挖掘以及排泄活動，生產(chǎn)蚓糞和建造洞穴體系，極大地加速了土壤結構的形成，改善了土壤的通透性。蚯蚓吞食土壤和有機物質的過程促使二者充分混合，加速土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機物質分解轉化和養(yǎng)分釋放、轉移進程。由于蚯蚓增加土壤微生物及其他有益土壤動物的數(shù)量和組成，優(yōu)化群落結構，促進活性微生物量的提高，改變土壤酶的活性，同時減少土壤中有害寄生蟲尤其是線蟲的數(shù)量，因此，蚯蚓被認為是健康土壤生態(tài)系統(tǒng)的必要元素之一。此外，蚯蚓有助于植物激素的分泌，能夠改善植物的營養(yǎng)狀況，從而促進作物的生長。

3.2 利用蚯蚓修復重金屬污染土壤的方法研究

蚯蚓對于污染土壤的重金屬脅迫具有較高的耐性是其應用于蚯蚓一植物提取技術、修復污染土壤的基本前提。NAHMANI[4]等總結了大量研究發(fā)現(xiàn)，這種耐性與蚯蚓的生物累積和排泄能力關系密切。蚯蚓的取食、作穴和排泄代謝產(chǎn)物等生命活動過程能夠對土壤重金屬地球化學行為產(chǎn)生直接或者間接的影響，蚓糞的重金屬特征是其最終體現(xiàn)。隨著蚯蚓消化作用的進行，排泄在土表和孔道中的蚓糞往往含有較高的重金屬含量，其不僅影響重金屬在土壤剖面的移動和分布，同時也會產(chǎn)生更多的金屬離子。蚯蚓活動能夠造成土壤重金屬生物有效性的改變，這主要與金屬元素、蚯蚓種類以及試驗條件有關。對于土壤Pb有效性的變化，相關研究[6]顯示，蚯蚓活動可促進DTPA-Pb含量的增加;WEN[7]等人發(fā)現(xiàn)，E.foetida具有增加水溶態(tài)、交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)Pb，但是有減少有機結合態(tài)Pb含量的作用。

3.3 蚯蚓對土壤性質的改變

蚯蚓活動能夠改變土壤的pH值，從而影響土壤重金屬形態(tài)和遷移轉化能力。蚯蚓活動影響土壤有機物分解。由于土壤有機質是影響重金屬形態(tài)的一個重要因素，蚯蚓在降解土壤有機質過程中提高土壤中腐殖質和有機酸含量，從而可能引起金屬的移動性變化。特別是DOC含量的提高很可能是蚯蚓改變土壤重金屬形態(tài)的最主要原因，DOC作為活性小分子有機物對重金屬具有螯合作用，有利于增加重金屬的溶解性，從而提高土壤重金屬生物有效性。蚯蚓取食活動已被證實有助于傳播微生物和增強微生物的活性和數(shù)量，有利于提升植物根系的菌根侵染率，從而增強植物吸收重金屬的能力。蚯蚓在植物根系周圍的取食挖掘活動能夠促進細小根系的生長，從而也有可能增強植物吸收重金屬的能力。但是，也有研究表明，蚯蚓腸道適宜的水分和濕度能夠為某些微生物生長提供良好條件。DRAKE等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓吞食土壤后，腸道內酵母菌比例顯著增高。WEN等人[7]指出，蚓糞中真菌和細菌的生物量與活性顯著增強。DEMPSEYl61報道，蚯蚓活動增加了細菌的量，而減少了真菌的量。在這種貧瘠土壤中，蚯蚓往往取食微生物豐富的土壤顆粒維持自己的生存。因此，污染土壤中的抗性微生物菌種有可能進入蚯蚓腸道，進而參與重金屬的遷移轉化。

3.4 蚯蚓在其他方面的作用

當前，興起了蚯蚓在有機廢棄物方面的管理、可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境整治修復領域中的應用研究。在廢棄有機物堆置處投放蚯蚓，可合理有效地利用蚯蚓本身的特點，完成對有機廢棄物一定程度的清理。成杰明等人[9]在試驗室條件下將蚯蚓應用于人工添加不同Cd2+濃度的土壤，發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動能夠加快黑麥草生長和增加植物根、莖Cd富集量。成杰民等通過在未污染土壤中人工加入3個濃度重金屬Cu2+溶液，發(fā)現(xiàn)了對黑麥草生長促進的同時，增大了紅壤中黑麥草地上部Cu富集總量。白建峰等人采集不同程度As污染農(nóng)田的信息，并接種E.foetida，研究發(fā)現(xiàn)，無論土壤As濃度高低，蚯蚓活動顯著增加了玉米地上部和地下部的生物量;同時，在中、高As土壤中，蚯蚓單獨作用或與秸稈聯(lián)合作用能夠促使玉米地上部和地下部As含量分別達到最高水平，這與自然污染土壤中多金屬同時存在的現(xiàn)象是不同的。一方面，在自然土壤中，多金屬污染物相互之間的協(xié)同或拮抗效應很可能發(fā)生;另一方面，在試驗室條件下，將高金屬濃度含量的液體人工加入土壤，也可能造成土壤本身的生物有效性比自然污染土壤的真實情況更高，蚯蚓活化重金屬量和植物提取金屬量都可能存在一定的差異。因此，為了更真實地反映蚯蚓一植物提取修復技術在重金屬污染土壤中的作用，選擇自然污染土壤和進行田間大尺度試驗研究尤為重要。此外，根據(jù)已有的蚯蚓在有機廢物管理和可持續(xù)農(nóng)田管理中的應用經(jīng)驗，有機物料添加可能是以有機物為食源，是蚯蚓生存和生物修復技術實施的必要條件。有機物料不僅為蚯蚓提供足夠的能量、養(yǎng)分和適宜的生長環(huán)境，同時對重金屬的地球化學特征也有一定程度的影響。

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