蚯蚓在土壤污染修复中的应用.doc

蚯蚓在土壤污染修复中的应用Earthworms in the restoration of soil pollution摘要 介绍了蚯蚓修复污染土地的机理，包括（1）蚯蚓对污染物的耐性机制；（2）蚯蚓与土壤生物的协同作用；（3）蚯蚓对重金属的富集和对有机物的降解作用；（4）蚯蚓对重金属的生物有效性。进一步说明了蚯蚓在指示土壤污染状况，辅助微生物和植物修复土壤污染，规模化处理城市垃圾场地和处理活性污泥方面有着广阔的应用前景。关键词 蚯蚓 土壤污染 协同作用 生物修复 生物有效性Abstract Introduced earthworms mechanism of remediation of contaminated soil, including (1) earthworms Tolerance Mechanism of pollutants; (2) of earthworms and soil organisms synergies; (3) of earthworms to heavy metals accumulation and organic matter degradation; (4) earthworm biological availability of heavy metals. Further illustrates the earthworms in the direction of soil pollution, assisted tiny organism and plant restoration of soil pollution, large-scale processing of municipal solid waste sites and the treatment of activated sludge has a broad application prospects.Key words earthworm soil contamination synergy biological availability1 引言土壤是人类生态环境的重要组成部分, 是人类社会的生存基础1,伴随着社会经济的快速发展，人类通过工农业的生产活动，日常生活向土壤排放大量的污染物，超过了土壤的自净能力，使土壤不堪重负，给土壤带来了巨大的灾难。使得土壤中一些敏感的微生物逐渐消失，包括有着六亿年历史的蚯蚓，而有些蚯蚓有对土壤污染物的耐性机制，繁衍存活至今，这说明蚯蚓可以指示土壤的污染状况。目前，关于蚯蚓在土壤污染修复中的应用机制包括如下几点：（1）蚯蚓自身的耐性机制在指示土壤污染中的应用（2）与环境中的微生物的协同作用而加速垃圾中有机物质的分解转化。（3）蚯蚓对重金属元素的富集作用 （4）蚯蚓自身对有机物质的吞食分解能力。蚯蚓作为土壤生物修复一种重要生物，在重金属土地修复，污水土地后的污泥土地治理，农业废弃物的资源化处理，城市垃圾地土壤的处理等有着广泛的应用前景。但是国内大规模的应用还不多，对在蚯蚓在土壤修复中的许多问题还有待研究。2 蚯蚓在土壤修复中的作用机制2.1蚯蚓对污染物的耐性及耐性机理近年来越来越多的环境研究人员开始关注蚯蚓对污染的耐性及耐性机理的研究，目前主要集中在对重金属耐性机制的研究。王振中等2在调查区取样研究发现以白颈环毛叫(Pheretima californica)的耐污力最强,在污染区广泛分布,尤其在重污染区白颈环毛蝴占本区捕获量的92.3 %,这表明在污染严重的地区优势种表现为更张的优势度从蚯蚓种类的分布来看,重污染区有3个种均为巨蚯科种类;中污染区为5个种，而轻污染区和未污染区发现8个种,种类分布随污染程度的增加而递减, 这是由于大型土壤动物蚯蚓吞食量大, 在摄食和移动过程中广泛接触有害物质, 致使有害物质在蚯蚓体内大量富集,产生致死效应, 一些对污染敏感的种类不能继续生存和繁衍, 直至消失。他们还对农药厂附近农田土壤中蚯蚓种群结构、数量进行了调查,结果发现了与重金属污染条件下同样的变化趋势:污染区内的土壤中蚯蚓种类较少,随着有机氯、有机磷农药污染程度的增加,蚯蚓的种类和数量随之减少在实验室的条件下，同样发现了蚯蚓具有耐性机制，Langdon等3发现，如果蚯蚓长期生活在As污染土壤中, 对As会产生抗性。关于产生耐力的机理研究还不是很多，目前存在着一种共识, 就是生物体暴露于重金属后,就可能会受到氧化胁迫的威胁为了避免受到伤害, 生物体内某些与抗氧化相关的酶的活性就会升高。蚯蚓体内也含有丰富的酶类, 其中包括过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原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。当蚯蚓暴露于金属后, 产生了氧化胁迫, 激发了这些酶的活性, 能缓解活性氧对生物体造成的危害4。 2.2蚯蚓和土壤生物的协同作用蚯蚓是定居在土壤里最著名的类群，是温带、热带和亚热带陆地生态系统中最为重要的大型土壤无脊椎动物，在促进土壤养分循环和改善土壤性状方面发挥巨大的作用5 。潘声旺等6采用盆栽法研究了蚯蚓对植物修复永久性有机污染物的影响,结果显示,试验浓度( 20. 05 322.06 mg/kg)范围内,蚯蚓活动促进了菲污染土壤中修复植物的生长, 其平均去除率( 73. 42%)比无蚯蚓活动的土壤-植物系统(64.02%)提高9.40%,比无植物对照组(22.57%)提高50.85%。植物-微生物交互作用对菲去除的平均贡献率( 44.09%) 最为突出。说明蚯蚓与微生物的协同作用加强了土壤对污染物的修复。关于协同作用的解释:蚯蚓在降解有机废物过程中能提高土壤中腐殖质和有机酸含量,并促进植物生长,植物生物量的增加能促使植物体内累积更多的重金属和有机物。腐殖质和有机酸含量的增加不仅能促进植物生长，还会影响金属的移动性7。 2.3蚯蚓对重金属富集作用和对有机物降解作用重金属污染是当今国内一个重要的环境污染问题，利用蚯蚓治理重金属污染的应用还不多，但大量的研究表明蚯蚓对重金属有富集作用，增强其活性的作用，戈峰等8在测定饲养在牛粪中和饲养在生活垃圾中的蚯蚓体内金属含量的基础上，采用蚯蚓饵料（牛粪）中加入亚硒酸钠和铜矿尾矿砂以喂养蚯蚓，进一步分析和比较了蚯蚓对硒和铜元素的富集作用。发现蚯蚓对硒和铜的富集能力均很强，而且随着饲养的时间拉长，蚯蚓对硒和铜的富集量也逐渐增加，其中富集铜的含量和富集系数均比富集硒的要高。在本试验中，其最高富硒量和富铜量可达到332.5mg.kg-1和1367.9 mg.kg-1。伏小勇等9通过向供试土壤中添加CuSO4、ZnSO4、Pb（Ac）2、HgCl2 以模拟受污土壤，研究接种于其中的微小双胸蚯蚓对重金属的富集作用以不加重金属盐类为对照，分别研究了不同培养时间和不同重金属浓度对富集量的影响。结果表明，蚯蚓对各种重金属的富集量随着培养时间的增加而变化，且对不同重金属最大富集量的出现时间也不相同。在第2周时蚯蚓对Cu、Pb富集量达到最大，而对Zn 的富集量在第4 周时达到最大。与Cu、Zn、Pb 的富集量相比，蚯蚓对Hg 没有明显的富集作用，且对Hg 的最大富集量时间不明显。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，且蚯蚓对重金属的吸收顺序为：ZnCuPbHg。蚯蚓对重金属有富集作用。蚯蚓不仅对重金属有富集作用，对有机物也有降解作用，特别是对持久性污染的富集，李洁明等5在研究辅助微生物修复土壤芘污染时，既有微生物的辅助作用，又有本身的富集作用，富集之后在蚯蚓体内进行降解。王海英等10认为蚯蚓的活动使得垃圾中的好氧微生物得以快速繁殖, 蚯蚓本身通过同化和代谢作用使得垃圾中的有机物质逐步降解。2.4蚯蚓对重金属的生物有效性影响重金属污染土壤的植物修复作为一种绿色生物技术, 已被当今世界迅速接受。然而植物修复成功与否受制于两个因素, 即超积累植物的生物量大小和土壤中重金属的生物有效性高低11。俞协治等12以红壤和高砂土为供试土壤, 着重研究蚯蚓活动对模拟Cu、Cd污染土壤重金属生物有效性的影响, 验证了蚯蚓在重金属污染土壤植物修复中的作用, 发现蚯蚓活动明显提高了红壤Cu的生物有效性。高岩13表明蚯蚓有可能通过取食、消化和排泄等生命活动以及与微生物的相互作用提高土壤中重金属的生物有效性。3 蚯蚓在土壤污染修复中的应用分析3.1蚯蚓在指示土壤污染的应用蚯蚓对污染然有耐性，在污染土壤中能够耐受住土壤污染毒性的优势蚯蚓会存活下来，抵受不住土壤污染的蚯蚓就会死亡。蚯蚓作为指示土壤污染情况生物的优越性在于蚯蚓处于地生态食物链的底部, 对大部分杀虫剂和重金属都具有富积作用。土壤中富积的杀虫剂和重金属等物质可能不会对蚯蚓造成严重的伤害, 但可能影响食物链中更高级的生物。同时, 蚯蚓对某些污染物比许多其他土壤动物更为敏感。因此, 蚯蚓作为土壤环境的指示生物, 可以提供一个保护整个土壤动物区系的安全域值14。在污染土壤中, 一些敏感的蚯蚓种群消失了, 而能够耐受污染物的种群保留下来, 从而导致了蚯蚓在密度和群落结构上发生明显变化。蚯蚓作为指示物监测、评价土壤污染, 可为整个土壤动物区系提供一个相对安全的污染物浓度阈值6 。目前, 利用蚯蚓指示污染物对土壤生态系统造成的影响主要通过2种方式:实地调查污染土壤中蚯蚓种群数量及种群结构,从而获得总丰度、种类丰度、多样性指数等参数以评价土壤生态系统的污染程度; 实验室条件下, 通过毒性和繁殖试验研究污染物对某一种类蚯蚓造成的伤害, 即蚯蚓的生态毒理学研究13。袁方曜15等研究表明, 在有机磷农药用量极大的菜地中蚯蚓群落与当地普通农田截然不同,菜地中出现的微小双胸蚓、威廉腔蚓和赤子爱胜蚓对有机磷有较好的耐受性( 抗性) , 可用于有机磷污染的指示。王振中等2从1991年11月至1992年4月对湖南株洲市某金属冶炼区附近土壤中的蚯蚓种群结构数量进行了三次调查, 结果表明: 随着Cd、As、Pb、Zn、Cu、Hg 污染、程度的增加,蚯蚓种类减少,污染严重的地区优势种表现出更强的优势度,重污染区3 个种均为巨蚓科种类.说明了蚯蚓可以指示土壤的重金属污染情况。蚯蚓指示土壤的污染情况可以还可以通过生态毒理风险评价进行，利用蚯蚓进行生态毒理风险评价涉及的研究内容包括: 污染物对蚯蚓的存活、生长、繁殖能力等方面的影响16 这主要是通过蚯蚓的毒性试验和繁殖试验来确定的。试验中获得的结果最终服务于土壤生态风险评价。高岩等13通过国内外关于生态毒理风险试验认为可以分层次评价污染物对土壤生态系统可能造成的影响: 第一层次，单一物种的毒性实验或繁殖试验( 标准化的试验) ；第二层次，构建简单的土壤微宇宙系统进行生态毒理评价； 第三层次，构建复杂的陆地模型生态系统进行生态毒理评价。这可以缩小了室内评价结果与田间评价结果之间的差距。此外，蚯蚓的各种病变指标均能定性反映土壤重金属污染状况14。3.2蚯蚓辅助微生物和植物修复土壤污染的应用目前, 植物提取技术应用于治理重金属污染土壤越来越受到世界各国政府、企业界和科技界的关注。然而, 植物提取技术在实际应用过程中也存在着一些不尽人意的问题。首先, 超积累植物的生物量小、生长速度慢; 其次,土壤中的重金属有效性较低并具有隐蔽性17。为此, 近年来人们提出一种“螯合诱导技术”,即向土壤中加入鳌合剂,如: EDTA、DTPA 等,使被土壤固定的重金属部分释放并进入水溶液,以保证植物能从土壤中提取走更多的金属。然而这可能造成土壤和地下水环境的二次污染18。那么如何在保证修复效果的同时,尽量减少化学品的使用呢? 蚯蚓具有解决这一矛盾的潜力。蚯蚓在陆地生态系统中发挥着重要作用。蚯蚓以土壤中的动植物碎屑为食, 经常在地下钻洞, 使土壤疏松, 使水分和肥料易于进入而提高土壤的肥力, 有利于植物的生长。它们参与土壤有机质的分解和养分循环, 其取食过程直接或间接地对土壤起到机械反动的作用, 改善了土壤的结构、通气性和透水性, 使土壤迅速熟化。同时, 蚯蚓也是有机质和微生物的“搅拌机”和“传播器”, 对提高土壤中微生物的活力及有机质的转化效率起重要作用。并且, 蚯蚓在正常代谢过程中产生的粪便使污染土壤中的微生物数量减少、活性降低。由于蚯蚓体内能够携带各种微生物, 如果将蚯蚓引入污染土壤, 随同蚯蚓一起可以向土壤中引入多种微生物,随着根际土壤中动物和微生物之间复杂的交互作用对植物生长和重金属吸收有很大的影响19。俞协治等20研究发现，蚯蚓可能通过提高重金属的生物有效性而间接影响植物对重金属的修复率。有机物被被蚯蚓降解，蚯蚓排除大量的腐殖质，提高了土壤腐殖质和有机酸的含量7,土壤中的有机酸和腐殖质可以促进植物的生长。植物的生长会需要吸收更多的腐殖质和重金属。李洁明等5通过微宇宙实验，研究发现无论是在新鲜染毒还是在老化土壤中，蚯蚓均可提高土壤中芘的去除率和生物降解率，其中重要的原因就是蚯蚓辅助增强了微生物的降解。潘声旺等6采用盆栽法研究蚯蚓对植物修复永久性有机污染物的影响后得出结论引入蚯蚓后各种生物、非生物修复因子中, 植物-微生物交互作用对菲去除的平均贡献率( 44.09%) 最为突出, 比无蚯蚓活动时( 37.97%) 提高6.12%。说明蚯蚓活动可强化土壤-植物系统对土壤菲污染的修复作用。以上说明蚯蚓可以辅助微生物和植物修复土壤污染。3.3蚯蚓规模化处理城市垃圾场地的应用城市生活垃圾是城市环境中四大污染源之一, 已成为城市迫切需要解决的首要任务和社会广泛关注的问题。利用蚯蚓处理垃圾是世界公认的最好方法。此方法利用蚯蚓和微生物的协同作用, 加速生活垃圾中有机质的分解和转化,最后形成可再利用的产品21-22。但是,至今国内没有建立一处利用蚯蚓规模化处理城市生活垃圾的场所。崔美香等23通过研究得出蚯蚓生长发育适宜的温度为1530 ,最适温度为25。将城市生活垃圾条形堆放,投入蚯蚓用蚯蚓粪覆盖,每25 kg 含水重为70%的腐熟的垃圾,可产生1kg的蚯蚓和8kg的蚯蚓粪。在冬季，垃圾堆高1m以上,表层覆盖一层废旧草帘,蚯蚓可正常生长发育,周年进行垃圾处理。垃圾用蚯蚓粪覆盖后直接投入蚯蚓进行处理其效果优于腐熟后处理的方法, 并可避免分捡过程中有害气体对环境的污染和对分捡工身体的毒害。此方法投资少, 简便易行, 处理彻底, 不形成二次污染, 事实上重建一个物质的再循环过程。国外早在1970年就开始应用蚯蚓处理垃圾，加拿大在1970年建立了一个蚯蚓养殖厂，至今已运行10多年，目前每星期可以处理约75t的垃圾；法国1991年在罗纳河畔的Lavoulte市建立的世界上第一座利用蚯蚓处理城市生活垃圾的垃圾处理场，现代化程度较高，日处理垃圾约2030t,仅需4个工人操作，垃圾的处理成本每吨约360法国法郎。用蚯蚓处理垃圾场地有以下优点: ( 1) 蚯蚓对垃圾中的有机物质有选择吞食作用;(2)有机物质通过蚯蚓的砂囊和消化道得到研磨和破碎;以颗粒状结构排出体外,并通过颗粒状的蚓粪促进硝化-脱氮过程24。3.4蚯蚓处理活性污泥的应用蚯蚓具有对金属的富集作用和对有机物的降解作用，同时, 蚯蚓能促进微生物的活性, 它们间的联合作用加速了有机物的分解和转化, 而且蚓粪所具有的高孔隙率和比表面积使其成为高效的臭气吸附剂能够有效地除去或抑制堆制过程中产生的臭味, 这将使污泥发酵所产生臭气影响周围生态环境的问题得到大大改善，