蚯蚓在土壤重金属污染修复中的应用

蚯蚓在土壤重金属污染修复中的应用

摘要：近些年来，随着土壤重金属污染事件的频发，土壤重金属污染日益受到人们的重视。我国的土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤重金属污染严重，土壤重金属污染治理迫在眉睫。蚯蚓作为土壤生态系统不可或缺的一部分，对土壤生物系统的研究与土壤重金属污染的治理密切相关。随着分子生物学的发展，越来越多的研究开始关注生物修复土壤污染技术，同物理化学等修复方法相比，生物修复具有降解彻底、处理成本低及环保等特点并逐渐成为土壤环境修复研究的活跃领域，蚯蚓作为土壤生物系统中生物量最大的动物，在污染土壤生物修复中的作用不容忽视。

关键词：蚯蚓，重金属污染，土壤修复，修复机理

Abstract: In recent years, along with the soil heavy metal contaminationtaking place frequently, soil heavy metal pollution is brought to the attention of people.The soil environmental condition is not optimistic in our country, the soil heavy metal pollution is serious in some area. The control soil heavy metal pollution is imminent.Earthworm as an integral part of soil ecological system, the study of soil biological system is closely related to the soil heavy metal pollution governance.With the development of molecular biology, a growing body of research is on bioremediation technology of soil pollution, compared with repair methods of physical chemistry, bioremediation has characteristics of thoroughly, low processing cost and environmental degradation andbecome active field of research of soil environmental repair gradually, the earthworm as the largest animal of soil biomass in biological systems, the action of bioremediation isnot allowed to ignore.

Keywords:earthworms, heavy metal pollution, soil remediation, remediation mechanis 1引言

目前，我国耕地的土壤重金属污染概率为16.67%左右，据此推断我国耕地重金属污染的面积占耕地总量的1/6左右，耕地土壤重金属污染等别中，尚清洁、清洁、轻污染、中污染、重污染比重分别为68.12%，15.22%，14.9%，1.45%，0.72%[[1]]。全国每年受重金属污染的粮食多达1200万t，因重金属污染而导致粮食减产高达1000多万t，直接经济损失至少200亿元[2]。重金属污染对人体健康

的危害主要是“三致”（致癌、致疾、致突变）。以重金属镉为例，长期接触一定剂量的镉会造成肾脏损害，进而导致骨质疏松和软化[3]。

土壤污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性的特点，污染土壤的修复十困难，不仅经济投入巨大，技术上也有困难，修复周期也很长，重金属污染在土壤中移动性很小，不易被微生物降解，通过食物链后进入人体，在体内富集，严重威胁人类的生命安全，所以对重金属污染土壤的修复显得尤为迫切[4]。蚯蚓作为土壤中主要的动物，由于其在土壤生态系统特殊的作用，近年来在土壤重金属污染修复方面引起了诸多研究者的青睐。

2蚯蚓简介

蚯蚓是属于环节动物门寡毛纲(Oligochaeta)的一类低等动物，在自然界已经存在6亿年之久，世界上的蚯蚓约有2500多种，我国已记录的有近300种。蚯蚓作为大型土壤动物，是土壤中的主要动物类群，其生物量占据土壤动物生物总量的60%以上，在维持土壤生态系统功能中起着不可替代的作用。蚯蚓活动可使土壤疏松，促进植物残枝落叶的降解，促进有机物质的分解和矿化，增加土壤中 Ca、P 等速效成分，促进土壤中硝化细菌的活动，从本质上改善了土壤的化学成分和物理结构[5][6]。因此，近年来蚯蚓在土壤重金属污染修复中的应用也日益受到人们重视。

国外对于动物修复的研究已有较长时间，而我国的动物修复研究起步较晚，尚处于探索阶段，蚯蚓环境监测方面、污水处理、固废处理中均有应用[7][8][9]。就标准化研究而言，国际标准化组织(ISO) 及“经合组织”(OECD)推荐使用表层种蚯蚓——赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)。因为其具有以下的优点：（1）在实验室中容易大量培养；（2）成熟期比较短（8周）；（3）相对其他蚯蚓品种来说具有更高的繁殖率和更短的世代寿命；（4）对于外源污染物具有广泛的敏感反应；

（5）可以很容易从商业供应商购得[10]。

3蚯蚓对土壤中重金属的修复

（1） 蚯蚓对土壤重金属的修复机理

蚯蚓对土壤中重金属的修复机理主要包括三个方面，一是蚯蚓对土壤中重金属的活化，土壤有机质是影响重金属形态的一个重要因素，蚯蚓在降解土壤有机质过程中提高土壤中腐殖质和有机酸含量，从而可能引起金属的移动性变化，特

别是DOC含量的提高很可能是蚯蚓改变土壤重金属形态的最主要原因[11]。二是蚯蚓对土壤重金属的耐性机制，很多研究表明蚯蚓对重金属具有耐性，蚯蚓对土壤重金属的富集和活化建立在其对重金属的耐性基础上，但对其耐性机理认识还不很清楚，各派学者对耐性机制的认识也不统一，以后应加强耐性机制的研究[12]。有学者认为，蚯蚓体内含有丰富的酶类，包括过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶及超氧化物歧化酶等酶类构成的脂质过氧化保护酶系统，当蚯蚓暴露于重金属后，产生了氧化胁迫，激发了这些酶的活性。ZHU Jiang等[13]的研究表明土壤中的金属Cd对蚯蚓体内的DNA具有消极作用。三是蚯蚓与植物、微生物的协同作用，大量研究证实，蚯蚓能改善重金属污染土壤条件，增强养分循环，促进植物生长，在一定程度上弥补了超积累植物生物量小这一不足[14]。俞协治和成杰民[15]的模拟研究也证实了这一点。

在对蚯蚓吸收重金属的研究中出现的争论主要集中于蚯蚓的皮肤或者肠道哪一个是其吸收重金属的主要机制。一种可能的原因是，当皮肤吸收占主导地位时水溶态重金属浓度与吸收量具有较好的相关性。当肠道吸收占主导地位时王水提取态重金属浓度与吸收量相关性较好[10]。对应的结果就是蚯蚓可以通过被动扩散作用和摄食作用吸收土壤、污泥中的污染物，被动扩散作用是污染物从土壤、污泥溶液穿过体表进入蚯蚓的体内；而摄食作用则是污染物通过蚯蚓吞食作用进入体内，并在内脏器官内完成吸收。

蚯蚓对重金属也有一定的忍耐和富集能力，但当重金属浓度超过了蚯蚓的忍受范围，则会直接毒害蚯蚓（毒阈浓度），影响其存活、生长和繁殖能力，高浓度或长时间染毒还会导致蚯蚓的死亡[16]。重金属污染会对蚯蚓金属硫蛋白、免疫功能及重要酶对活性等产生影响。金属硫蛋白（MT）是生物体内的一类富含巯基(－SH) 的金属结合蛋白，其分子量低、富含半胱氨酸，在细胞氧化还原调控和重金属解毒等方面有重要作用。张高川等[17]的试验证明镉可以诱导蚯蚓MT的合成，且随着镉浓度增加，蚯蚓体内－SH含量升高，但在高镉浓度( 如300 mg/kg) 处理下，蚯蚓的毒害症状加剧，即使－SH总量显著升高，也不足以完全解毒，Mo等[18]的研究也证实了这一点。

此外，蚯蚓粪具有很好的通气性、排水性和高持水量，能够增加土壤的孔隙度和团聚体数量，同时蚯蚓粪具有很大的表面积，吸附能力较强，可以较大程度

地吸附重金属，同时也给许多有益微生物创造良好的生境，具有良好的吸收和保持营养物质的能力。李扬等[19]在综合相关领域研究的基础上，报道了蚯蚓粪能够通过钝化作用或活化作用机制，改变土壤中重金属的生物有效性，具有修复土壤重金属污染的潜能。

（2） 蚯蚓在土壤中重金属的去除效果

不同种类的蚯蚓由于其生活习性、本身耐受性等不同对重金属的吸收和富集能力会有所不同。伏小勇等[20]对微小双胸蚯蚓的研究表明，蚯蚓对Cu、Pb富集量在第2周时达到最大，而对Zn的富集量在第4周时达到最大。刘德鸿等[21]爱胜蚓体内镉累积量与土壤镉浓度呈显著正相关，威廉环毛蚓体内镉累积量在土壤镉浓度为548.8 mg/kg为最大，而后随着镉浓度的增加呈下降趋势，并且赤子爱胜蚓对镉的耐受性强于威廉环毛蚓，但累积能力低于威廉环毛蚓。陈学民等[22]在研究赤子爱胜蚓和微小双胸蚓处理某污水厂新鲜脱水污泥时发现，经2种表居型蚯蚓处理后的污泥中铜、锌和铬含量均显著降低，铅含量降低但未达到显著水平。接种微小双胸蚓和赤子爱胜蚓对重金属含量的降低次序分别为：铅＞锌＞铜＞铬、铜＞锌＞铅＞铬。

目前已有较多的研究发现蚯蚓对重金属镉、铜、铅、锌、砷、汞等在单一污染及几种金属的复合污染情况下的吸收和富集特性。张广柱等[23]引用Iireland的研究发现，蚯蚓不仅可吸收和蓄积汞、铅、铜、锰、钙、铁等金属，并且大部分蚯蚓物种都对镉和铅有极高的吸收能力，镉和铅分别金属硫蛋白结合，少量的金属被存储在废弃的根瘤中；经肠道吸收的重金属在蚯蚓的黄色细胞中累积。寇永纲等[24]在研究微小双胸蚯蚓（表居型）对铜、锌、铅、汞的富集作用时发现在其耐受浓度范围内，蚯蚓对重金属的富集量随着重金属浓度的增加而增加，且吸收顺序为：锌＞铜＞铅＞汞；没有明显的汞富集，且对汞的最大富集量时间不明显。陈玉成等[25]研究表明，重金属富集系数与转化方式之间没有明显相关性，蚯蚓最易富集的金属元素是As和Cd，而不易富集Hg。

近年来，除了在从蚯蚓单方面的对土壤中重金属进行修复之外，在与植物、微生物等联合修复方面也取得了一定的成果。成杰明等[26]发现环毛蚓可以有效的增加黑麦草根部的生物量。肖艳平等[27]研究发现，接种蚯蚓或蚯蚓与AM真

菌双接种能显著提高玉米地上部、地下部生物量(P

4问题与展望

尽管蚯蚓在土壤重金属污染修复中具有一定的效果，但是由于技术和研究深度等多方面因素的限制，目前仍然存在一定的问题。在田伟莉等[28]的研究中，在土壤中养殖蚯蚓（赤子爱胜蚓），蚯蚓通过被动扩散作用和摄食作用富集重金属，定期收集成蚓、蚓粪，再进行灰化处理，即可去除土壤中的重金属。但是这可能仅仅适用用表居型蚯蚓，具有一定的局限性。蚯蚓活动也存在一定的环境风险，方婧等[29]通过对流-弥散模型(CDE)拟合研究表明，蚯蚓孔能够形成明显的优势流现象，增加了重金属污染地下水的风险。尽管蚯蚓在土壤污染修复中存在很多问题，但是随着相关技术的发展和不断的研究，蚯蚓在土壤修复中必然会得到高效的利用。

由于单一的生物修复尚存在很多问题，而与单一生物修复相比，联合修复构造了一个完整的修复系统，修复效率更高。但联合修复的修复机理和操作过程更加复杂，成本更高。目前来说，联合修复技术尚缺乏深入机理研究与实际应用经验，有待于进一步发掘联合修复技术的发展潜力[30]。未来的研究也要注重与其他技术、学科联用，发挥各个修复技术的优势[31]比如：与分子生物学和基因工程技术结合；可与纳米技术联用催化提高修复效率；利用稳定同位素标记（SIP）技术寻找可利用的生物；利用转基因技术培育出大量耐性植物、动物和抗重金属微生物。

从本质上来说，蚯蚓对污染土壤重金属的修复，就是将土壤中的重金属利用其生理生化功能进行迁移、转化和去除。同时蚯蚓在土壤重金属污染修复技术方面除了依赖于科学技术的发展，更是涉及生态学、环境科学、土壤学、生物学、物理化学等多门学科，在今后的研究中除了在从纵向深入研究之外，更要注重横向学科之间的交叉碰撞和应用。蚯蚓对污染土壤修复技术不仅仅是从微观上对其相关的迁移、转化机理机制的认知和研究，从宏观方面来看，蚯蚓对于生物多样性和土壤生态系统乃至整个地球生物圈都具有不可剥离的关系，这也需要我们对宏观思维进行发散，真正实现蚯蚓对污染土壤修复技术的突破和发展。

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