霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)环境监测与生态修复效应研究进展

(安徽师范大学 环境科学与工程学院/安徽省水土污染治理与修复工程实验室,安徽 芜湖 241000)

0 引言

霍甫水丝蚓，拉丁名Limnodrilushoffmeisteri，属环节动物门、寡毛纲、颤蚓科、水丝蚓属，为淡水水体中常见的优势种，也是世界性分布种，多生存于有机质丰富的水环境，耐污和抗低氧能力强。虫体长25～40mm，体宽0.7～0.8mm，约150节，口前叶小，呈圆锥形，体色红褐，后部略呈黄绿色。成熟个体有指环状环带和刚毛，全身钩状刚毛，背腹同型，向后刚毛减少，末端分两叉。口位于体前端腹面，生活时将体前端的2/3埋于沉积物中，吞食底泥，肛门排便。体表无鳃，皮肤呼吸，在低氧环境下暴露的体后端不停摆动，频率约80～90次/min。霍甫水丝蚓雌雄同体，异体受精，体内有阴茎和圆柱状阴茎鞘，阴茎鞘外有螺旋状环绕肌肉。受精囊腔呈雪梨形、壁薄，有2个精荚。受精囊管筒状、弯转，管壁有较厚的肌肉层，管腔交界处膨大如结节，壁变薄。生殖孔在Ⅺ节腹刚毛束处，输精管长、盘曲，精管膨部为长纺锤形，前列腺大[1]。繁殖和受精卵发育与水温有关[2]。当水温>12℃以上时成体开始繁殖，水温达到20℃时，繁殖可持续2个月。卵茧细长呈椭圆形，内含大约2～10枚受精卵。胚胎发育水温10～25℃，溶氧量2.5～9.6mg/L。在18～20℃下发育仅需15～75d，1～4℃或>30℃发育天数为120～260d。从幼蚓到成蚓适宜条件约需3～5个月，成体寿命通常80d，少数120d，其生活史见图1。霍甫水丝蚓一年有三代，称为3化性，世代之间存在重叠，繁殖频率为3次，分别在3～4、7、11月份，四季均有分布[3]。再生能力很强，断后能很快再生成完整的个体。目前污染的生境对霍甫水丝蚓的形态和生态学特征的影响及其应用未见报道。

表1 霍甫水丝蚓生态毒理学研究

注：*表示EC50；-表示无数据。

1 霍甫水丝蚓在环境监测中的应用

霍甫水丝蚓对沉积物及上覆水环境变化具有最为直观的反映，能够有效地监测水环境质量，可作为生物监测中的一种指示生物，用于水环境监测与评价。因此研究霍甫水丝蚓的生态毒理学，分析其掘穴行为、抗氧化酶体系、金属硫蛋白、DNA损伤等相关生物标记物，可敏感反映霍甫水丝蚓受环境污染的毒性损伤，以此来评估水环境健康状况(表1)。

1.1 在重金属污染监测上的应用

由于人类生产生活及自然因素导致大量重金属随着地表径流、大气沉降等方式进入水环境中，使水体尤其是湖泊成为重金属污染物的聚集地。重金属污染不仅会破坏生态平衡，还会在食物链中传递，危害人体健康，因此重金属监测对于评价水体安全非常重要。重金属对霍甫水丝蚓存在生理和行为毒性效应。高浓度的Cu、Hg、Zn、Pb、Cd等重金属暴露初期，会导致个体分离，运动强度加大，然后逐渐失去运动性，从而失去触觉反应。在重金属的长期暴露下，霍甫水丝蚓体表为淡黄色，尾部易断裂。目前，通过检测霍甫水丝蚓的肽转移总蛋白、金属硫蛋白(MTs)、血红蛋白、谷胱甘肽、谷胱甘酶、三磷酸腺苷(ATP)等生物标记物，可监测污染水体中痕量重金属Al、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn[8]。在Zn高背景值地区，霍甫水丝蚓的线粒体呼吸功能下降，抗氧化酶系统受抑制， ATP浓度随着Zn浓度增加而下降。霍甫水丝蚓对重金属污染具有一定的氧化应激反应，在高浓度Zn的毒性作用下，SOD活性和GSH含量下降，丙二醛(MDA)含量上升。Zn也能够抑制霍甫水丝蚓对Cu和Fe的吸收，造成贫血，使体内血红蛋白含量下降[9]。当CdCl2的浓度达到0.004 ～ 0.04 uM，霍甫水丝蚓DNA有显著的损伤；当浓度为 0.4 ～ 4uM时，细胞出现衰老。在低浓度的Cd处理下，霍甫水丝蚓金属硫蛋白可作为抗镉毒性的体内平衡机制[10]。当Cu(II)浓度从0增加到0.1mg/L时，霍甫水丝蚓SOD、GSH下降，而MDA和ROS含量上升[11]。各种环境因素，如pH、沉积物、温度、其他环境污染物，会影响重金属对水丝蚓的毒性作用。随着pH值从7.0增加到9.0， Zn2+毒性下降。但Cu(II)、Cd、Ni对霍甫水丝蚓的毒性强度会随着pH值的下降而增强[12]。Chapman等[13]研究表明沉积物可吸收重金属，使其毒性降低。如当有沉积物存在时，Cd和Hg对霍甫水丝蚓96h-LC50分别是3.8、1.25 mg/L，但无沉积物时，值变小，分别为0.32、0.14 mg/L。Rathore等[14]发现重金属毒性随着温度的升高而增加，但随水硬度的增加而降低。当全氟辛烷磺酸化合物存在时，Cu(II)和Cd的毒性作用将发生改变。

1.2 在持久性有机污染物监测上的应用

有机氯农药(OCPs)是环境中广泛存在的一类有毒有害的持久性有机污染物(POPs)，可长期残留在土壤和沉积物中，也可通过地表径流、渗透、沉积物水相之间的相互作用等途径释放到水体，影响水生生态系统。林丹(γ-HCH)对霍甫水丝蚓的96h-LC50为8.38mg/L，为剧毒，霍甫水丝蚓对其具有较高的敏感性，可作为林丹急性毒性评价的实验动物[15]。Nikkila等[16]研究发现五氯酚对霍甫水丝蚓毒性作用表现为：出现回避行为，并分泌粘蛋白，身体发生肿胀、脱色和裂解。2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚、五氯酚对霍甫水丝蚓的安全浓度分别为2073、786、242μg/L，最大允许浓度分别为207.3、78.6、24.2μg/L，毒性大小依次为:五氯酚 > 2,4,6-三氯酚 > 2,4-二氯酚[17]。有机磷农药是另一种常用的农药大类，进入生物体内，将抑制胆碱酯酶活性，导致乙酞胆碱积累，引起神经功能紊乱，从而损害肌体。乐果可引发霍甫水丝蚓尾部僵化失活、分裂，头部肿胀变形，失去伸缩能力并变得僵硬等。且以乐果中毒的霍甫水丝蚓作为饵料喂食孔雀鱼，易导致后者死亡[18]。另外，毒死蜱对霍甫水丝蚓96h-LC50为5.50 mg/L，敌百虫对霍甫水丝蚓48 h-LC50为3.29 mg/L[19]。

多环芳烃(PAHs)是一类由两个或两个以上苯环按线性、角形或簇状等方式相连而成的有机污染物。沈姚爽等[20]发现芘对霍甫水丝蚓具有慢性毒性，霍甫水丝蚓28d-LC50值>1000mg/kg干重。霍甫水丝蚓的自断响应敏感，芘28d自断效应浓度EC10为5.1mg/kg，EC50为85.4mg/kg。此外，芘也会抑制霍甫水丝蚓的生长，引起挖掘深度变浅、挖掘长度变短、挖掘密度变小，产生沉积物回避行为，降低筑巢密度和大小。Lotufo等[21]发现菲对霍甫水丝蚓具有明显的毒性效应，其10d-LC50为297.5μg/g，同时对霍甫水丝蚓的摄食率、排泄率、掘穴行为和繁殖率具有明显的影响。 Kanchana等[22]指出萘对霍甫水丝蚓具有明显的毒性效应，其72h、96h的LC50分别为85.11、60.26μg/g，96h的最低有效影响浓度(LOEC)为25μg/g， 96h的半自断效应浓度EC50为35.48μg/g，在58.88μg/g条件下水丝蚓出现一半的沉积物回避行为。石油烃类物质组成复杂，在水中存在的形式多样。范亚维等[23]发现甲苯、乙苯和二甲苯对霍甫水丝蚓有毒性效应，存在显著的剂量-效应正相关性，且随暴露时间延长，毒性作用增加，毒性顺序为：乙苯>二甲苯>甲苯。3种物质甲苯、乙苯和二甲苯的安全浓度分别为13.7、3.9、5.0 mg/L，最大允许浓度分别为1.4、0.4、0.5 mg/L。尹伟平等[24]得出含大量聚丙烯酰胺、表面活性剂和碱等化学物质的三元复合驱采油污水会引起霍甫水丝蚓体细胞DNA损伤。随着采油污水浓度的增加，DNA损伤表现出明显的“剂量-效应”关系。

1.3 在新型污染物监测上的应用

1.4 在富营养化监测上应用

水丝蚓对富营养化水体具有一定的适应性和耐受能力，一方面可通过调查水丝蚓物种的丰度和密度，运用生物多样性指数法来指示水体的富营养化情况。王兴中等[32]从2013年7月—2014年4月调查了太湖入湖河流东苕溪底栖动物群落，发现颤蚓科(霍甫水丝蚓、苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi))在各个季度占绝对优势(相对丰度>90%)，Shannon-Wiener多样性指数为0.5～1，表明该河段水质处于中度污染阶段。蔡永久等[33]于2011年6月—2012年5月对长荡湖大型底栖动物群落进行了调查，发现霍甫水丝蚓为底栖动物的优势种，其中Wright指数、Goodnight指数、BPI指数、Shannon指数分别为515 (170～908)、0.64 (0.42～0.85) 、1.66 (0.66～2.44)、1.37 (0.99～1.75)，表明长荡湖水体处于轻-中度污染状态。另一方面可通过相关实验内毒理实验分析N、P等营养盐及藻毒素对水丝蚓的毒性作用，通过水丝蚓相关指标分析，来进行水体健康评价。底栖动物是水体中与蓝藻毒素具有最直接关系的一类水生生物，蓝藻毒素对底栖动物的毒性作用主要有急性毒性和慢性毒性，如存活个体的减少、摄食的抑制和麻痹、生长繁殖及其行为的影响，磷酸酶、谷胱甘肽S转移酶和蛋白酶等活性改变。在太湖大浦河入湖口，发现微囊藻毒素在霍甫水丝蚓中最大含量为11.99μg/g(MC-LR：1.76 μg/g；MC-RR：2.51μg/g；MC-YR：7.73μg/g) 。微囊藻毒素可在霍甫水丝蚓体内富集，7—10月份富集最大。当水丝蚓被鱼类捕食后，也会随着食物链传递，影响人体健康[34]。

2 霍甫水丝蚓的水环境污染修复作用

在水体污染和富营养化修复过程中，霍甫水丝蚓既通过生物扰动加强了沉积物中的氮磷释放，又通过改变沉积物的理化性质进一步影响微生物活性，加强硝化-反硝化过程，利于氮的去除，同时通过自身新陈代谢改善水质，为水生植物生长提供营养物质，利于水生植物的生长。因此，关于如何处理好霍甫水丝蚓在水体修复中的利与弊的关系，促进水生生态系统的良好发展是目前需要关注的问题。

2.1 对沉积物—水界面营养盐迁移转化的影响

水体环境，如pH、温度、ORP等，及共存生物显著影响霍甫水丝蚓的氮磷扰动效应。姚磊等[39]发现霍甫水丝蚓的扰动作用对沉积物-水界面pH值有显著影响，可形成1cm深的pH缓冲区。上覆水pH值高于沉积物，霍甫水丝蚓洞穴处的pH值明显高于周围地区。吴方同等[40]发现温度越高，霍甫水丝蚓扰动越强，与5℃相比，15℃和25℃下总氮释放增量分别提高了23%和69%。同时在酸性或碱性条件下，扰动强度有所增加，缺氧可加速霍甫水丝蚓的生物摆动，总氮释放的增量是好氧状态下的1.52倍。张雷等[41]发现霍甫水丝蚓的生物扰动增大了表层沉积物的含水率和氧化还原电位，同时减少了间隙水中二价铁的浓度，促进可溶解性磷由沉积物向上覆水中的迁移。靳辉等[42]指出河蚬与霍甫水丝蚓共存条件下，可抑制霍甫水丝蚓的生物扰动作用，降低沉积物氮、磷等营养元素释放。

2.2 对重金属的影响

霍甫水丝蚓的生物扰动在一定程度上改变了重金属在沉积物中的分布，促进了重金属向上覆水中的释放和化学形态的改变。霍甫水丝蚓对重金属迁移转化的影响可以分为直接影响和间接影响。直接影响是对颗粒物的搬运、筑穴，对沉积物的再悬浮扰动作用，使吸附在颗粒物表面的重金属在沉积物中发生垂直或水平方向上的扩散和迁移。摄食可吸收一些可溶性的金属离子，其粪球中一些碳酸盐结合态重金属的含量会增加，一定程度上改变了重金属的形态和分布。间接影响主要是水丝蚓的生物扰动对沉积物理化性质的改变，从而间接影响重金属的迁移转化[43]。而沉积物及上覆水的理化性质同样对水丝蚓的生物扰动产生干扰，如温度、pH、有机质含量、颗粒大小等。姜珊[44]指出在黄浦江上游，霍甫水丝蚓体内Hg含量可达8.714 mg/kg，其生物扰动促进了沉积物中的Hg向上覆水中的释放。同时，温度对Hg的释放以及体内Hg的积累产生促进作用。Ciutat等[45]发现霍甫水丝蚓生物扰动改变了沉积物的氧化还原条件，增加了沉积物的Cd进入通量和富集厚度，促进了沉积物-水界面表层颗粒物对Cd的吸附。在Pb污染的沉积物中，霍甫水丝蚓通过改变洞穴、孔隙度、颗粒物的迁移来影响沉积物和上覆水中Pb的分布和迁移。霍甫水丝蚓生物扰动促进不溶PbS向Pb2+的转化，促使Pb由沉积物向上覆水中的释放，以及从污染层到邻层的扩散[46]。静态沉积物对Zn覆盖固定，有利于隔断氧气，约束金属的释放，刺激不溶性金属硫的形成，而霍甫水丝蚓生物筑穴、搬运等活动破坏了该结构，增加了沉积物中Zn的通量[47]。

2.3 对有机污染物的影响

霍甫水丝蚓生物扰动可改变沉积物中疏水性有机污染物的吸附、解吸、分配和迁移等行为，同时具有一定的生物富集和降解作用，加大了生物可利用性和潜在毒性风险。霍甫水丝蚓对有机污染物迁移扩散的影响主要通过两种方式实现，一方面通过引起颗粒物的再悬浮或垂直水平迁移而影响吸附于颗粒物表面的有机污染物的迁移和扩散，另一方面通过改变沉积物-水界面的理化性质，促进有机污染物从沉积相向水相中的解吸[48]。Karickhoff等[49]研究发现霍甫水丝蚓的扰动促进了沉积物中的有机污染物向水体中释放，提高了上覆水中氟乐灵、无氯苯、六氯苯、多环芳烃等有机污染物的浓度。同时，将沉积物颗粒向下运输，形成吸附层，降低了有机污染物的流动性。另外，排泄活动可将沉积物表层的有机污染物掩埋，抑制有机污染物向上覆水中的迁移。

霍甫水丝蚓对有机物污染物还具有一定的生物富集能力，通过改变微生物环境、沉积物的理化性质、自身降解代谢影响有机污染物的转化和降解。Di等[50]发现随时间的增加，霍甫水丝蚓对甲霜灵的生物富集量越大，富集系数也越高，在暴露14d后体内甲霜灵含量可达1.4 mg/kg 湿重，体内甲霜灵浓度与沉积物中的比值可达0.35左右。霍甫水丝蚓对全氟辛烷磺酸类化合物具有富集能力，且受pH、浓度、其他污染物的影响[11-12]。此外，霍甫水丝蚓对石油类污染物具有一定的去除和降解能力，这可能与它的生物扰动改变沉积物氧化还原条件，以及促进分解性微生物的生长有关[51]。

2.4 对硝化反硝化菌的影响

霍甫水丝蚓爬行、掘穴等生物扰动改变了沉积物-水界面氧化还原电位，影响碳源和氮磷，增加了沉积物中DO和溶解性有机质含量，为硝化细菌、氨化细菌提供了氧气和碳源[52]。孙刚等[53]发现霍甫水丝蚓扰动使稻田土壤通气性改善，进一步显著提高了土壤细菌、放线菌、真菌的数量，同时改善了沉积物氧化还原条件，有利于硫化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌、氨化细菌等好氧菌的增殖。但霍甫水丝蚓呼吸和新陈代谢会与微生物争夺有限的养分和DO，使DO降低，不利于硝化菌生长，而有利于提高反硝化菌的活性。霍甫水丝蚓存在生物捕食作用，一方面随机捕食细菌为食，同时分泌抑菌物质，一定程度上减少微生物多样性；另一方面其肠胃部又是微生物生长的良好空间。其分泌物、排泄物、残体也可以为微生物提供栖息生长场所。Nogaro等[54]发现霍甫水丝蚓生物扰动能够提高反硝化菌的活性，同时增强了氨化作用。Kang等[35]也发现霍甫水丝蚓的投加有利于有机质的分解，增加碳氮比，为微生物脱氮提供了充足的碳源，同时在水丝蚓的扰动作用下水-沉积物界面处DO浓度降低，微生物的电子受体在沉积物水平上重新分布，利于反硝化菌的生长和反硝化进程加快，刺激了微生物脱氮活性。

2.5 对水生植物生长的影响

霍甫水丝蚓可以改善水生植物根系土壤的理化性质，促进养分循环，利于植物生长，提高植物产量和抵抗外在胁迫的能力，可提高水生植物的修复效果，进一步利于水污染和富营养化的修复和治理。霍甫水丝蚓对水生植物生长的影响模式有：第一，可通过直接滤食藻类、有机悬浮颗粒物以及通过分泌粘液促进悬浮物的絮凝沉降，提高水体透明度，改善水质，有利于水生植物光合生长。第二，扰动作用增强植物根部底泥的氧化还原电位及孔隙度，进一步提高根部透气性，同时通过新陈代谢将悬浮态氮磷转化为溶解态氮磷为水生植物生长提供营养物质。第三，摄食、排泄等活动有利于有机质的分解，提高水生植物根系土的肥力，还可改变N、P等营养元素在空间上的分配和形态转化，对不同类型的水生植物产生不同影响，同时迁移转化有机污染物，避免植物受到外在胁迫。第四，通过改变植物根系微环境，间接地影响植物的生长[55]。徐姗楠等[56]指出底栖动物通过扰动作用加速了红树凋落物的分解，提高了红树林生态系统的初级生产力。有关水丝蚓扰动对水生植物影响的研究较少。Kang等[35]发现水丝蚓的排泄活动使NH4-N沉降到沉积物中，同时溶解态磷通过附着到粪便中转化为颗粒态。此外，水丝蚓的生物扰动还增加了水-沉积界面上正磷酸盐和金属离子(Fe、Ca)之间的接触，有利于东方香蒲的吸收，促进其生长。

3 展望

作为水生生态系统的重要组成部分，霍甫水丝蚓在物质循环、能量转化及信息传递过程中发挥了重要作用。霍甫水丝蚓已有一定的生物学背景资料，但关于其生命活动特征及扰动特性的相关研究还有待进一步开展，如爬行、掘穴、摄食、排泄、呼吸情况的定量和分子学研究尚有不足。另外，霍甫水丝蚓作为淡水体系中最常见的底栖动物优势种，具有很强的耐污能力，对水环境变化具有较高的敏感性，是水环境变化最直观的感应者，可作为水环境评价中的一种模式指示生物，但不同水体中霍甫水丝蚓的时空分布及生物量、密度存在着显著差异，且受到各种因素的影响，因此，需要基于原有的评价方法结合各种影响因素建立一套系统的指数评价模型及方法。

关于水环境修复方法，除常见的物理、化学方法外，生物方法也已有大量的研究应用，但涉及霍甫水丝蚓在水环境应用修复中的研究还处在初步阶段。水丝蚓生物扰动对沉积物-水界面氮磷的迁移转化以及重金属、有机污染物、微生物环境、水生植物等影响较为复杂，处理好其中利弊关系，促进水生生态系统的健康持续是目前需要关注的问题。

霍甫水丝蚓在水污染和富营养化修复中的应用往往是建立在较高的生物量基础上。野外环境较实验室模拟条件更为复杂多变，因此利用霍甫水丝蚓进行水环境修复应该定位在长期尺度，且对霍甫水丝蚓的密度、生物量等还需要合理的空间配置和调控，同时建立系统的修复方案，应考虑多方面因素的影响，这样才能有效促进水生生态系统的恢复。尤其霍甫水丝蚓对沉积物微生物群落结构以及水生植物生长的影响研究较少，关于霍甫水丝蚓-微生物-水生植物微生态系统的协同抑藻、治理水污染和富营养化的相关研究更少，其相关内在机理还需进一步分析。