蚯蚓及其代谢物在重金属污染土壤修复中的应用研究进展

王娜

摘要 土壤重金属污染频繁发生，人们越来越重视重金属污染土壤的修复。近年来，随着分子生物学的发展，有许多学者对蚯蚓修复重金属污染土壤进行了大量研究。本文对重金属污染对蚯蚓的毒理性，蚯蚓对重金属污染土壤的养分循环、植物生长以及其代谢物对重金属的影响进行了探讨。结果表明，蚯蚓能够通过改变重金属污染土壤的养分循环并富集重金属，从而促进植物的生长。除此之外，蚯蚓粪在重金属污染土壤修复中也有不可估量的作用。

关键词 蚯蚓；代谢物；重金属污染；土壤修复；作用

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）22-0184-02

Abstract Heavy metal pollution occurs frequently in soil.More and more attentions have been paid to the restoration of heavy metal contaminated soil. In recent years，with the development of molecular biology，many scholars have made a lot of research on earthworms repairing heavy metal contaminated soil. In this paper，the heavy metal pollution poison rational of earthworms，influence of earthworms on nutrient cycling in heavy metal contaminated soil and plant growth，influence of its metabolites on heavy metals were discussed.The results showed that earthworms could enrich heavy metals and promote the growth of plants by changing nutrient cycles in soils contaminated by heavy metals. In addition，earthworm feces could also play an inestimable role in remediation of heavy metal contaminated soil.

Key words earthworm；metabolite；heavy metal pollution；soil remediation；effect

近年来，土壤和农作物重金属污染问题日益突出，其主要是由采矿、冶炼、电镀、染料、工业生产的带入以及农药、污灌等不合理的使用导致[1]。土壤重金属污染一方面体现在土壤的退化，另一方面体现在生态破坏。除此之外，重金属还会通过食物链进入人体危及人体健康[2]。据报道，我国重金属污染土壤占耕地总面积的1/5[3]，每年因土壤重金属污染带来的粮食减产达1 000万t以上，被重金属污染的粮食每年约1 200万t，年经济损失超200亿元[4]。近年来，华南地区50 %的农田土壤受重金属Cd、As、Hg的长期污染[5]；长江三角洲农田受Cd、Pb、As、Cu、Zn等污染，不仅造成农作物严重损失，而且加剧了人体的健康风险[6]。综上所述，土壤重金属污染治理迫在眉睫。

蚯蚓占据了土壤生物量的60%[7]，是土壤中的主要动物类群，由于蚯蚓在土壤中特殊的作用，近年来用蚯蚓及其代谢物修复重金属污染土壤受到众多研究者的青睐。

1 重金属污染对蚯蚓的毒理探讨

土壤重金属可与土壤中的矿物质相结合而稳定存在，Haimi等[8]研究显示，土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性，其进入土壤后，不易被清除。目前，蚯蚓富集土壤重金属污染的报道较多。如赵 丽等[5]研究了蚯蚓体内铜的富集及其对蚯蚓的急性毒性，结果表明，蚯蚓对銅的富集系数高达2.55～11.93；除此之外，蚯蚓不仅可以吸收铜，也可通过自身的作用富集铜。Arnold[9]等研究结果与赵 丽等研究结果类似，即使土壤中铜的含量很低，蚯蚓也可以对其进行富集。王丹丹等[10]将环毛蚓放入不同浓度梯度的含Zn土壤中，结果显示，环毛蚓吸收了一定量的Zn，但却未对Zn表现出富集作用（富集系数均小于1）。然而Lukkari等[11]研究发现，当土壤中的Cu/Zn浓度在79/139 mg/kg时，蚯蚓可对Cu、Zn富集。宋玉芳等[12]研究草甸棕壤重金属对蚯蚓的毒理作用，结果显示，Cu、Pb的浓度与蚯蚓的死亡率具有相关性，即Cu、Pb浓度越高，蚯蚓的生长率越低。伏小勇等[13]研究微小双胸蚯蚓对Cu、Zn、Pb、Hg污染土壤的富集，结果显示，该蚯蚓对Hg富集作用不明显，且在蚯蚓耐受范围内，微小双胸蚯蚓对重金属的富集量与重金属浓度显著正相关。综上可知，不同种类蚯蚓对重金属的富集程度不同，且土壤重金属的浓度对蚯蚓的富集有一定影响。

2 蚯蚓对土壤重金属污染修复的研究进展

蚯蚓在土壤中的活动参与了土壤有机质的分解和养分的转化，蚯蚓在整个生态系统中占据较高的位置，一是蚯蚓通过改变土壤结构、通气性和透水性使土壤迅速熟化；二是深层土壤中蚯蚓的活动驱动了有机质和微生物的传播，从而促进了微生物和有机质的转化。除此之外，蚯蚓粪特殊的物理结构也可以改善土壤肥力及土壤理化性质。近年来，有关蚯蚓修复重金属污染土壤、提高植物产量已被国内外大量试验证实。

2.1 蚯蚓对重金属污染土壤养分的影响

蚯蚓维持着土壤整个生态系统功能[14]。蚯蚓活动能够疏松土壤，从而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。近年来，大量文献研究显示，蚯蚓活动提高了重金属污染土壤的养分含量，从而增加土壤有效性。如冯英梅[15]通过室内盆栽试验，在一定浓度梯度的铅污染土壤中放入蚯蚓，结果显示，加入蚯蚓后土壤CEC有所增加，且土壤中铅浓度与土壤有机质成显著正相关；当土壤中铅浓度为0～300 mg/kg时，加入蚯蚓后土壤pH值增加；当铅浓度为500 mg/kg时，加入蚯蚓后土壤pH值降低。吴鹏飞等[16]在海南红壤添加赤子爱胜蚓，以不同浓度铅污染土壤为供试土壤，结果显示，供试土壤中有机质、速效氮和速效磷含量分别增加。因此，在重金属污染土壤中添加蚯蚓可不同程度地改变土壤养分。

2.2 蚯蚓对重金属污染土壤植物生长的影响

植物生长离不开土壤养分的供给，蚯蚓在土壤中的活动改变了土壤性质及其养分，从而促进了植物生长，这一结论被很多研究证实。如Yu等[17]研究表明，蚯蚓提高土壤中植物所需养分和重金属元素的有效性的方式有2种，一是蚯蚓的肠道消化；二是蚯蚓对重金属的富集。罗艳丽等[18]在种植黑麦草的镉污染土壤中添加不同数量的蚯蚓，与空白处理比较，黑麦草的产量明显增加，当添加蚯蚓数量为30条时，镉污染土壤中黑麦草产量增加最大。王丹丹等[19]研究了蚯蚓对污染土壤中黑麦草和印度芥菜吸收累积锌的影响，结果表明，蚯蚓活动增加了重金属污染土壤中有效态Zn，从而促进植物对Zn的吸收。俞协治等[20]以第四纪红黏土红壤和长江冲积物形成的高砂土为供试土壤，分别加入3个浓度的Cu2+（100、200、400 mg/kg）或Cd2+（5、10、20 mg/kg）模拟土壤污染，结果表明，蚯蚓活动增加了红壤中有效态Cu；对高砂土Cu、Cd影响不明显，同时在一定浓度范围内，蚯蚓活动显著提高了红壤和高砂土黑麦草的地上部生物量。潘声旺等[21]采用室内试验，研究了蚯蚓在植物修复芘污染土壤中的作用，结果表明，当芘浓度在20.24～321.42 mg/kg范围时，黑麦草根冠明显增大，产量明显提高；添加蚯蚓72 d后，种植黑麦草的土壤中芘的平均去除率高达74.66 %，较无蚯蚓活动的土壤-植物系统（64.55%）提高10.11个百分点。Yu等[17]在Cd污染土壤中添加蚯蚓和菌根，发现蚯蚓在一定程度上能够对微生物进行传播，并且增加了微生物的活性和數量，不仅可以促进植物根系菌根侵染率，也可增强植物对重金属吸收的能力。Atiyeh等[22]研究表明，影响重金属形态的一个重要因素是有机物，土壤中腐殖质与有机酸含量随着有机物的降解而增加，而腐殖质和有机酸含量的增加一方面促进了植物生长，另一方面对金属的迁移性有一定影响[23]。

2.3 蚯蚓粪对重金属污染土壤的影响

蚯蚓粪是一种黑色的、有泥土味的物质，其性质随着蚯蚓食入的物质及其消化程度而变化，蚯蚓粪粒径为0.5～3.0 mm，其中1～2 mm 的较多，在潮湿阴暗的地方可相互黏结形成较大的团聚体。蚯蚓粪的化学成分也较其他的物质丰富。陈宝书等[24]在蚯蚓粪成分的研究中指出，蚯蚓粪中有机质含量19.47%～42.20%，腐植酸含量11.7%～25.8%，氮磷钾总养分>3%。除此之外，蚯蚓粪中还含有许多其他营养成分，粗灰分含量最高达到74.55%，作为畜禽饲料，是矿物质饲料的来源之一。此外，蚯蚓粪中含有6.23%蛋白质，还有一些如谷氨酸、天门冬氨酸和缬氨酸等植物所需的氨基酸。胡 佩等[25]研究显示，蚯蚓粪中有刺激植物生长的生长素，如赤霉素、生长素、细胞分裂素等，以上这些激素促进了植物的新陈代谢，进一步提高植物的生长及其品质。相关学者将蚯蚓粪应用在生菜、西红柿、玉米及烤烟等作物上，研究发现，施用蚯蚓粪的作物生长表现良好[26]。

近年来，有研究发现，将蚯蚓粪添加至重金属污染土壤中，相比不添加蚯蚓粪的土壤植物的成活率显著增高。张烨[27]以阿尔冈金紫花苜蓿为材料，分析了添加蚯蚓粪土壤中紫花苜蓿的生长情况，发现蚯蚓粪降低了土壤中重金属的毒性，使得紫花苜蓿成活率有所提高，这可能是由于蚯蚓粪钝化了土壤中的重金属。刘晋波等[28]采用室内盆栽试验，研究了蚯蚓粪对油葵修复菲污染土壤的强化作用，结果表明，当菲浓度在0～200 mg/kg浓度范围内时，添加蚯蚓粪的菲污染土壤中油葵株高和生物量均有所提高，与不添加蚯蚓粪的处理相比，增长了15.34%，且该土壤中菲的平均去除率高达57.14%。朱维琴等[29]采用室内试验方法，研究猪粪和蚯蚓粪对Cu2+、Zn2+的吸附、解吸规律及吸附动力学行为，结果表明，在一定浓度范围内，猪粪和蚯蚓粪对Cu2+、Zn2+的吸附量与Cu2+、Zn2+浓度成正相关，且与猪粪相比，蚯蚓粪对Cu2+、Zn2+的吸附固定能力较强。林淑芬等[30]在长江冲积物形成的高砂土中加入200、400、600 mg/kg铜模拟污染土壤，并在该土壤中分别添加15%蚯蚓粪和15%原土，在此处理中分别种植黑麦草和不种植黑麦草试验，结果发现，添加蚯蚓粪的处理黑麦草地上部生物量、地下部生物量及根系长度、表面积、体积及根尖数均增加；且当Cu浓度在200 mg/kg时对黑麦草的促进作用最大；除此之外，该研究还表明，蚯蚓粪能促进Cu从根系向地上部的运移及在地上部的富集。

3 展望

蚯蚓及其代谢物对土壤物理性质、土壤微生物环境都有较好的改良作用；除此之外，还能够明显促进植物生长。近年来，重金属污染土壤大面积增加，本文从蚯蚓自身及其代谢物为出发点，总结前人研究结果发现，蚯蚓及蚯蚓粪能够改良重金属污染土壤，促进土壤养分循环，且这一研究在重金属污染土壤修复领域得到了广泛的实践。

但是，蚯蚓活动也存在一定的环境风险，方 婧等[31]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。目前，对蚯蚓粪的研究也多集中在土壤改良或作物增产等方面，但其不合理施用导致的环境风险尚未不明确。因此，开展蚯蚓及其代谢物在改良土壤增加作物产量的同时深入研究其对环境的污染风险是很有必要的。

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