蚯蚓对土壤污染的修复作用

姚 巍

(陕西省天然林保护工程管理中心，陕西 西安 710082)

蚯蚓是一种分布非常广泛的土壤动物，其生物量占据土壤动物生物总量的60%～80%，在维持土壤生态系统功能中发挥着不可替代的作用[1]。蚯蚓通过取食、消化、作穴等一系列生命活动，将有机残体与矿质土壤混合，加速有机物的腐解过程，促进有机质残体向土壤腐殖质的转化[2,3]，并生物量累积和排泄使土壤中的重金属离子Pb，Cr浓度降低[4]。蚓粪因具有比表面积大、排水性高、持水量大和通气性好的特点[5]不仅是优良的肥料[6,7]，而且吸附废水中的Cu2+等金属离子[8]。

总结和分析国内外有关蚯蚓的研究成果，旨在充分发挥蚯蚓在土壤环境的作用。

1 蚯蚓粪便

1.1 蚯蚓粪便是优质肥料

蚯蚓的粪便是蚯蚓代谢的产物，其不仅增加土壤通透性及土壤肥效，也有利于促进作物根系的生长，同时其粪便也可为植物的生长提供充足的养分，是一种很好的土壤养料[7]。在有机物腐解过程中，尤其是蚯蚓肠道内较高的酶活性，能够将一些难分解的物质转化为较易利用的有机物，并随蚓粪排出体外，便于微生物更好地利用[9]，进而提高有机质的腐解速度[10,11]。尽管目前对蚯蚓的利用研究较多，但对土壤中的重要的常量元素，尤其是钙镁离子含量对蚯蚓分解有机物质的能力影响的研究相对较少，而且目前对蚯蚓消化酶的研究主要集中于正蚓科，所涉及的酶也主要是纤维素酶和分解其它多糖的酶，而与氮、磷循环关系密切的蛋白酶、磷酸酶的研究很少。

1.2 蚯蚓粪是重金属污染土壤的修复剂

蚯蚓粪是蚯蚓生物降解有机废物的产物[5]，其具有比表面积大、排水性高、持水量大和通气性好的特点，且含有大量微量元素和有机菌群，并且蚯蚓可通过钙腺分泌过剩的碳酸盐，调节体内的酸碱平衡，从而使蚓粪的pH值趋于中性，然后排出体外。蚯蚓粪具有很好的供肥、保肥以及改善土壤板结的能力[6,12]。已有研究表明，蚯蚓粪作为一种土壤改良剂和新型有机肥，在滨海盐碱地、红壤的土壤改良[13]，以及生菜、西红柿、玉米、烤烟等作物育苗及生长上表现出良好效果[14]。陈小锦[15]研究发现，适量的蚯蚓粪可以促进不结球白菜幼苗的根系对营养物质的吸收，有助于其生长。同时也有研究表明施入适量蚯蚓粪可以明显增加玉米根系分泌物含量，改善玉米根际区域的微生态环境[16]。刘晋波等[17]在研究蚯蚓粪对油葵修复菲污染土壤时也得到同样的结果，蚯蚓粪不仅有利于植物生长，也有助于强化油葵对菲的富集。蚓粪不仅可以作为优质有机肥，也可作为除臭剂，蚓粪具有较高孔隙率和比表面积，可高效吸附臭气，而且蚓粪中大量的微生物也具有吸收净化功能，韩立军等[18]研究发现，在鸡粪中添加30%蚓粪即可有效降低氨气、硫化氢的释放量。除此之外，蚯蚓粪还可作为吸附剂和强化剂。郭海艳等[8]将蚯蚓粪制成生物炭吸附废水中的Cu2+，结果发现蚯蚓粪生物炭对Cu2+的吸附在24 h内达到吸附平衡，且其吸附动力学很好地符合准二级动力学模型，吸附热力学更好地符合Freundlich吸附等温模型，并结合傅立叶红外光谱分析表明该吸附过程是以化学吸附为主，证明蚯蚓粪可用作吸附剂。在陈楠等[19]的研究还表明，蚯蚓粪中含有的氨基酸和微量元素可增强植物抗病害的能力。

综上，蚯蚓粪不仅可作为优质有机肥，还可改善土壤根际酶活性以及可作为吸附剂和强化剂。

2 蚯蚓对土壤污染的修复

由于近年来工厂矿区的不合理排污以及农业上农药化肥的大量使用，使得土壤中的重金属含量严重超标，不仅使土壤肥力退化，降低作物产量与质量，而且水环境也遭到破坏，并且其通过食物链在人和生物体内富集，严重威胁人类的生命和健康[20]。由于重金属污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点[1]，因此，土壤重金属污染与治理一直是国际上学术界所研究关注的。而蚯蚓作为大型土壤动物，在重金属污染土壤修复中具有重要的作用，一方面体现在蚯蚓自身对重金属的耐性及富集吸收，另一方面则可归结为蚯蚓活动对土壤重金属的活化作用[1]。

2.1 蚯蚓对重金属的耐性与富集作用

相关研究表明，蚯蚓对重金属有一定的耐性和富集能力。Nahmani等[4]总结了大量研究表明：这种耐性与蚯蚓的生物量累积和排泄能力关系密切；蚯蚓对重金属的富集主要通过其生命活动如取食、挖掘、吞噬、体内酶分泌、排泄等影响土壤中外源污染物的迁移转化和形态分布，进而在食物链中传递及生物放大[21]。

金属离子质量分数的不同，蚯蚓种的不同及驯养时间的长短，均会对最终的污染物富集作用产生不同影响[22,23]。有些蚯蚓种类能存活于重金属污染土壤(包括一些金属矿区)中，并能在体内富集一定量的重金属而不受伤害或伤害较轻[24]，在蚯蚓的忍受范围内，当蚯蚓吸收的重金属积累到一定程度就会通过粪便和分泌物排出；如果蚯蚓吸收的重金属超过了它的忍受范围，则会直接毒害蚯蚓。据寇永纲等[22]的研究表明蚯蚓对铅有较强的富集作用，且蚯蚓体内的铅富集量随铅浓度的增加而增加；单位质量蚯蚓培养期内吸收铅量与铅浓度梯度表现出极显著性差异，说明蚯蚓可以作为检测重金属污染土壤中铅的重要生物指标，蚯蚓可用于修复土壤铅污染；杨生权[25]在对土壤吸附铅的研究中也得出蚯蚓与生物质炭联合作用具有增加土壤对铅吸附量的趋势。根据伏小勇等人[26]的研究结果表明，蚯蚓对各种重金属的富集量随着培养时间的增加而变化，并且对不同重金属出现最大富集量的时间也是不同的，蚯蚓对Cu, Pb的富集量要早于对Zn的富集量而达到最大值；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。相关研究表明在蚯蚓对重金属的耐受浓度范围内，其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：Zn>Cu>Pb>Hg；在倪少仁[27]的研究中也得到了同样的结果，蚯蚓对Cu, Zn, Pb, Hg 有一定的耐性和富集能力。但蚯蚓对不同重金属的忍耐和富集能力是有选择性的，从而推测影响蚯蚓对重金属富集作用的主要原因可能是体内酶的作用，不同重金属可以从多方面干扰了动物机体内的生理生化功能。

2.2 蚯蚓对重金属的活化作用

蚯蚓通过一系列的生命活动不仅可以富集重金属，还可通过分泌代谢产物及调控蚓触圈微生物的数量及活性从而间接活化重金属；以及利用其消化管壁两侧的钙腺分泌的碳酸盐和代谢过程产生的酶类、生长素及含羧基、氨基等的胶粘物质，分解、螯合、沉淀部分重金属，活化基质中的重金属[28]。

重金属在进入土壤后，将通过沉淀、老化、专性吸附等物理、化学过程成为难溶态，而能被植物吸收并积累的主要是溶解态和易溶态的有效态重金属[29]。因此,重金属的生物有效性往往是植物修复土壤污染效率的限制因素。据冯凤玲等[20]研究表明在重金属污染土壤中，蚯蚓活动能提高植物生物量和土壤中的重金属的生物有效性。据大量研究表明，经过蚯蚓活动后的土壤具有较高的有效态Zn含量。同样也有大量实验证明蚯蚓的活动显著提高了有机结合态Cu含量和红壤中DTPA提取态Cu的含量[30]，高沙土中碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cu的含量、黄泥土中离子交换态和有机结合态Cu的含量[31]；在张冬明等[32]的研究中指出，蚯蚓的活动能显著提高土壤交换态及无定形氧化铁结合态Pb含量；在袁绍春等人[33]的研究中表明有机质可对重金属的形态产生一定影响，蚯蚓处理降低了污泥有机质的含量，有机质的快速分解可大幅提高污泥有效态重金属的含量。重金属有效性的提高凸显了蚯蚓对土壤重金属活化作用，这也是蚯蚓应用于蚯蚓-植物提取技术体系修复污染土壤的必要保证。

但目前也有相关研究提出蚯蚓堆肥可降低城市污泥中重金属的生物有效性，提高污泥农用安全性。据王振兴等人[34]研究表明蚯蚓处理大幅降低了重金属Cu, Zn, Ni, Pb可氧化态含量，总体上降低了重金属Cu, Ni, Pb的生物有效性。同时相关研究表明蚯蚓堆肥可提高污泥中腐殖酸的含量[35]，腐殖酸与重金属结合可使重金属有效态含量逐步降低[36]。蚯蚓处理降低污泥有效态重金属含量，从而降低污泥重金属生物有效性及生态毒性。

3 蚯蚓与微生物的协同作用

蚯蚓在吞食土壤及有机质的过程中会同时摄食大量的微生物进入肠道，虽然蚯蚓摄食不同环境基质中的有机物，但是其肠道中的微生物种类组成相差不大，以变形菌的数量最多，其次是拟杆菌、放线菌和厚壁菌[37]。蚯蚓作为土壤有机质和微生物的“搅拌机”和“传播器”，对提高土壤中微生物的活力以及有机质的转化效率起重要作用。相关研究表明在不同环境中引入适量蚯蚓，基质中好氧微生物的数量都有所增加[38]，蚯蚓与好氧微生物的协同作用加速了有机质的生物降解过程[39]，在此分解过程中，大块有机物经过蚯蚓砂囊磨碎后，其表面积的增加便于微生物对其快速转化，而经过微生物的处理后又会反过来有效地促进蚯蚓对有机物的吸收利用。蚯蚓通过挖掘、吞食、排泄作用，与所在环境中的植物、微生物及其他土壤动物相互影响[40]，这种联合作用对有机质的分解以及矿物营养的释放起着非常重要的作用。在蚯蚓的肠道中，蚯蚓与微生物之间形成共生互利关系，在蚯蚓-微生物共生系统中，蚯蚓主要起调控作用[41]，通过肠道消化，加速污染物的降解，影响系统中微生物数量、活性及群落结构[42]。蚯蚓的活动直接影响基质或蚓触圈，也间接使微生物活性得以增加，这些过程促使有机质含量的降低；而且微生物与蚯蚓互作形成一个高效的生态处置系统，促使有机质分解加快。

4 展望

蚯蚓作为土壤环境中最常见的大型无脊椎动物，通过在土壤中的生物活动，对土壤重金属活性产生着重要的影响，蚯蚓对土壤重金属污染修复有着极好的促进作用，同时也可与微生物协同作用促进作物根系的生长，而且其粪便也能为植物的生长提供充足的养分，可作为一种很好的有机肥。如何提高蚯蚓的消化酶活性，从而使蚯蚓发挥更大的作用是以后该领域的主要努力方向。今后在提高蚯蚓消化酶活性领域应重点关注以下内容：改善蚯蚓的生活环境，深入研究环境中各类元素的含量对蚯蚓消化酶活性的影响，建立其与蚯蚓消化酶活性的“剂量-效应”关系，进而以最适的剂量养殖蚯蚓，从而使其作用最大化。