蚯蚓對煤礦區(qū)土壤重金屬的富集研究

樊 平 侯 樂＊ 李 芳，3 牛蓓蓓 李新舉 楊云輝 李大為

（1、山東省濱州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 濱州256600 2、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安271000 3、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，山東 泰安271000 4、山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南250013 5、山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東 濟南250103）

蚯蚓普遍分布在陸地圈中各部分的生態(tài)系統(tǒng)中，約占土壤生物總數(shù)的59%～79%，在陸地圈生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，能夠加速土質(zhì)中營養(yǎng)循環(huán)利用和改良土質(zhì)結(jié)構(gòu)等[1]。蚯蚓可以通過體表皮膚來吸收土壤中的重金屬元素，也可以通過吞食土壤讓重金屬在腸道中吸收[2]，蚯蚓是公認(rèn)的大陸圈中土壤動物的象征，并已被海內(nèi)外大批學(xué)者用作土壤環(huán)境評估的生物學(xué)指標(biāo)來反映土壤的污染水平[3]。本研究使用煤礦區(qū)實地采集的土壤樣品來養(yǎng)殖蚯蚓，通過實驗?zāi)M蚯蚓在研究區(qū)土壤中的生存環(huán)境，來探究蚯蚓隨培養(yǎng)時間變化而出現(xiàn)的富集規(guī)律以及蚯蚓對重金屬的富集能力，為討論蚯蚓作為煤礦區(qū)土壤重金屬的生物指示的可行性提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蚯蚓養(yǎng)殖實驗設(shè)計

首先將取自研究區(qū)的20 個土樣在實驗室里挑出大塊石子，并分別裝入20 個500mL 的玻璃燒杯中，每杯按照800g 土樣的重量放入，并噴灑一些去離子水，將每個燒杯外壁借助記號筆做好標(biāo)記，然后每個燒杯中放入15 條赤子愛勝蚓，用透明塑料薄膜和皮筋封住杯口以防蚯蚓爬出，再用解剖針在塑料透明薄膜上戳幾個小洞，確保良好的透氣性，最后將它們放置在光照培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)為（20±1）℃，保證在12 小時光照，12 小時黑暗中培養(yǎng)，要注意按期噴灑少量的去離子水，維持土壤環(huán)境的潮濕。本研究的實驗周期設(shè)定為28 天，應(yīng)分別在7、14、21、28 天時，從每個燒杯中各取出3 條蚯蚓用做重金屬含量測定。

1.2 重金屬測定方法

先將養(yǎng)殖的蚯蚓放在燒杯里吐泥24 小時，用去離子水沖洗干凈，然后使用電子天平進行稱重。之后放入冰箱冷凍致死，取出之后放入烘箱中烘烤4 個小時，直到烘干之后拿出。將烘干過的蚯蚓樣品冷藏，再進行碾磨過篩（0.85mm），制作粉末狀的樣品以供檢測使用。稱量粉末0.25g 于聚四氟乙烯干鍋中，滴入20mL 濃硝酸，在干鍋上蓋好表面皿后放置過夜。一夜后滴入高氯酸5mL，置于通風(fēng)櫥的電熱板上加熱消解，直到冒出大量濃白煙為止。如果樣品還未全部消解，冷卻之后再滴入高氯酸和濃硝酸，持續(xù)加熱直到消解液變得十分澄清。冷卻后再滴入1mL的濃硝酸和少許的蒸餾水，轉(zhuǎn)移至100mL 的容量瓶中定容后進行過濾，最后使用ICP-MS 質(zhì)譜儀檢測蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓體內(nèi)重金屬含量富集規(guī)律

通過分析蚯蚓體內(nèi)每種重金屬含量的平均值與時間變化的關(guān)系（圖1），發(fā)現(xiàn)蚯蚓體內(nèi)的重金屬Pb、Cd、Cu 含量變化存在一定的規(guī)律：隨著時間的增長，在蚯蚓富集元素Pb、Cd、Cu 的過程中呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。在實驗初，蚯蚓便已經(jīng)開始對這3種元素產(chǎn)生富集，到第四周時，蚯蚓對元素的富集值已經(jīng)上升到最大，在這28 天的實驗周期內(nèi)，元素Pb、Cd、Cu 的含量在蚯蚓體內(nèi)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，由此可以看出，蚯蚓對土壤重金屬元素Pb、Cd、Cu 有著顯著的富集作用。對于重金屬Ni、As的富集表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢，研究發(fā)現(xiàn)，在實驗初期蚯蚓便開始對Ni、As 元素進行富集，到第三周時重金屬富集含量達到最大，第四周時蚯蚓對元素Ni、As 的富集量有所下降。由此可知，蚯蚓對元素Ni、As 也具有富集作用。對于Zn 的富集呈現(xiàn)出先減少再增加的趨勢，實驗初期的第一個周，蚯蚓已經(jīng)開始對重金屬Zn 的富集，第二周時蚯蚓體內(nèi)重金屬Zn 含量有所下降，等到第三周又開始上升，第四周也處于上升趨勢。

圖1 不同時間蚯蚓體內(nèi)重金屬含量

2.2 蚯蚓對土壤重金屬的生物富集效應(yīng)

選取富集系數(shù)（EC）來表示各種元素在生物體中的積累程度,計算公式如下：

式中：EC 是指富集系數(shù)，M生物是指生物體內(nèi)的元素含量，M土壤是指表土中相應(yīng)元素的含量。

由公式計算可知，只有Cd 在蚯蚓體內(nèi)的富集系數(shù)大于1，且蚯蚓對Cd 和As 富集系數(shù)都比其它重金屬元素高，這表明蚯蚓對Cd 和As 的富集程度更強。計算數(shù)據(jù)還表明蚯蚓對Cd 的富集系數(shù)最大，表明蚯蚓對于Cd 具有很強的富集效應(yīng)。而關(guān)于蚯蚓對Cd 的強烈富集，Sforzini 等[4]認(rèn)為蚯蚓所具有的組織解毒功能可以使有毒元素被貯存與隔離起來，從而降低了排泄率，因此，富集系數(shù)才會不斷升高。

2.3 蚯蚓體內(nèi)重金屬與土壤重金屬相關(guān)性分析

通過將蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量與表土中重金屬含量進行相關(guān)分析得出（表1），蚯蚓體內(nèi)Cu 和As 的含量與土壤中Cu 的含量分別具有極顯著正相關(guān)性（p<0.01）；蚯蚓體內(nèi)Cd 和土壤中Cd、Pb 分別呈現(xiàn)出顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（Cd，p<0.05；Pb，p<0.01）；這表明在一定濃度范圍內(nèi)，隨著土壤中Cu、Cd 含量的增加，蚯蚓體內(nèi)的Cu、Cd 含量也在增加，土壤中Cu 元素對于蚯蚓富集重金屬As 存在一定協(xié)同作用，而土壤中Pb 元素對于蚯蚓吸收重金屬Cd 也存在一定協(xié)同作用。另外，通過分析蚯蚓體內(nèi)重金屬含量之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)蚯蚓體內(nèi)重金屬具有較高的同源性。表2 中，Ni 和Zn、Ni 和Pb 都表現(xiàn)出了顯著的正相關(guān)性；Cu 和Zn、Cu 和As 也表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性；Zn 與As、Pb呈顯著正相關(guān)性，同時也說明這幾種重金屬元素在蚯蚓體內(nèi)具有互相的協(xié)同作用。

表1 蚯蚓體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬含量相關(guān)性

表2 蚯蚓體內(nèi)重金屬含量相關(guān)關(guān)系

3 討論

當(dāng)蚯蚓處于土壤重金屬的脅迫下時，蚯蚓體內(nèi)富集的重金屬含量會隨著暴露時間的變化而變化，伏小勇等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓會選擇性的吸收和忍耐污染元素，在耐受濃度值內(nèi)，蚯蚓吸收各種元素的濃度值會隨著養(yǎng)殖時間延長而發(fā)生變化，且各種元素的最高富集值出現(xiàn)的時期也有差異。通過比較上文中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對土壤重金屬的富集隨著培養(yǎng)時間變化而變化，這說明蚯蚓對于重金屬污染具有一定的耐受能力和富集能力，但是蚯蚓對不同種類的重金屬元素的耐受力和富集能力是不同的。蚯蚓體內(nèi)對這6 種重金屬均有富集作用，在一定的濃度范圍內(nèi)，蚯蚓機體可以很好的吸收并富集重金屬，當(dāng)蚯蚓體內(nèi)重金屬累積到一定程度時就會通過分泌物和糞便的形式排出體外。但如果土壤重金屬含量已經(jīng)超過蚯蚓的耐受范圍，那么過高濃度的重金屬就會直接毒害蚯蚓，影響蚯蚓的生命活動，抑制其生長發(fā)育，甚至可能導(dǎo)致蚯蚓的死亡。

本實驗通過對蚯蚓體內(nèi)的生物富集系數(shù)進行分析，得出蚯蚓對于Cd 具有很強的富集效應(yīng)，且對As 也有很好的富集能力，再結(jié)合土壤重金屬污染的指示生物所具備的條件，如，具有較好的忍耐能力，能夠測定蚯蚓體內(nèi)重金屬的含量，在實驗室內(nèi)模擬的環(huán)境中依然可以產(chǎn)生富集反應(yīng)，綜上分析，蚯蚓能夠成為研究煤礦區(qū)土壤重金屬污染的生物指示。

4 結(jié)論

4.1 蚯蚓中的重金屬含量會隨時間變化而呈現(xiàn)出各不相同的富集規(guī)律，蚯蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cd、Cu 的濃度隨時間的增加而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，重金屬Ni、As 在蚯蚓體內(nèi)的富集則呈現(xiàn)出先增加再降低的趨勢，對于蚯蚓體內(nèi)Zn 的富集呈現(xiàn)出先減少再增加的趨勢，這表明了蚯蚓能夠很好的富集表土中的重金屬。

4.2 蚯蚓對煤礦區(qū)土壤中的Cd 和As 產(chǎn)生富集效應(yīng)，且對Cd 的富集效應(yīng)更為強烈，蚯蚓可以作為反應(yīng)煤礦區(qū)土壤重金屬Cd 和As 污染指示生物。

4.3 通過多元統(tǒng)計分析得出土壤重金屬含量會對蚯蚓富集土壤重金屬產(chǎn)生一定的影響。研究區(qū)土壤中的Cu、Pb 分別會對蚯蚓體內(nèi)重金屬As、Cd 的富集具有協(xié)同作用。