蚯蚓對(duì)污泥理化性質(zhì)及重金屬含量的影響研究進(jìn)展

羅天相，姜國(guó)清，龔國(guó)勇

（宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西 宜春 336000）

污泥由水、細(xì)菌、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物混合而成，包含氮、磷化合物、重金屬和病原體等多種污染物。污泥中的有機(jī)污染物、病原物或超標(biāo)重金屬等進(jìn)入環(huán)境中，如果未經(jīng)適當(dāng)處置，可能使生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)增加并威脅到人體健康。近年來(lái)，污泥的減量化和資源化一直是人們所關(guān)注的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

蚯蚓素有生態(tài)系統(tǒng)工程師之稱，種類繁多，約有6 000余種被定名，在我國(guó)分布的大約有200余種，其生活方式、取食特點(diǎn)及生態(tài)功能具有較大差異，一般可被分為三大生態(tài)型，即表層種、深層種及內(nèi)層種［1］，不同生態(tài)型蚯蚓在分類上差異并不大，中間類群的蚯蚓亦較常見(jiàn)。在評(píng)估蚯蚓的生態(tài)功能時(shí)，不同生態(tài)類型的差異性是必須考慮的因素。

蚯蚓是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最重要的一類無(wú)脊椎動(dòng)物，在生物總量中占比達(dá)60%～80%，能夠通過(guò)不同途徑如生物的積累、排放氮素等方式對(duì)有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生影響。蚯蚓在處理城市污泥上具有重要作用，在有機(jī)廢物循環(huán)利用方面，蚯蚓堆肥處理被認(rèn)為是一種替代性的生態(tài)友好方式。蚯蚓與好氧微生物的相互作用加速了有機(jī)廢棄物的生物降解過(guò)程［2-3］。因此，蚯蚓通過(guò)降解和混合作用直接影響基質(zhì)或蚓觸圈，也間接使微生物活性得以增加。無(wú)脊椎動(dòng)物能取食各種類型的有機(jī)物，每天能將等同于自身重量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽、磷素、鉀素、鈣素和鎂素等多種產(chǎn)物［4］。

接種蚯蚓作用后的污泥中，一些有毒有害物質(zhì)含量能被降低，從而改善污泥性質(zhì)［5-6］。污泥的理化性質(zhì)亦得以改變，從而有助于實(shí)現(xiàn)污泥資源化的利用，拓展污泥處置后的利用途徑。然而，蚯蚓種類繁多，不同類群的蚯蚓取食習(xí)性和生理特征不同，其對(duì)污泥處理的結(jié)果亦有差異。基于此，本文綜述了不同生活型蚯蚓作用對(duì)污泥理化性質(zhì)和污泥重金屬含量的影響，旨在了解不同蚯蚓在城市污泥處置過(guò)程中的地位和作用。

1 不同蚯蚓對(duì)污泥理化性質(zhì)的影響

1.1 不同蚯蚓對(duì)污泥pH值的影響

近中性的pH 值一般更適于大多數(shù)微生物、植物和蚯蚓的新陳代謝活動(dòng)。pH值是污泥處理過(guò)程中的一個(gè)重要條件。由于污泥中微生物最適宜的pH 值偏堿性，大多數(shù)經(jīng)處理的污泥亦偏堿性，pH值接近于6～9［7］。

不同生活型蚯蚓對(duì)污泥pH值的影響觀點(diǎn)較為一致，普遍認(rèn)為接種蚯蚓處理污泥后，能降低堿性污泥中pH值，使污泥pH值趨向于中性（表1）。

表1 不同蚯蚓對(duì)污泥理化性狀的影響

當(dāng)蚯蚓接種于酸性污泥中時(shí)，蚯蚓能提高污泥中pH值。朱小平等［15］研究發(fā)現(xiàn)，接種內(nèi)層種壯尾環(huán)毛蚓于酸性污泥中，能使污泥pH值升高。蚯蚓對(duì)pH值的要求較寬容，但蚯蚓可以防止酸性土壤pH值低于4.5，因?yàn)轵球鹃L(zhǎng)時(shí)間生活在這樣的土壤中會(huì)對(duì)其造成致命危險(xiǎn)［17］。

蚯蚓消化管壁兩側(cè)具有1對(duì)或幾對(duì)的囊狀鈣腺。一般認(rèn)為，鈣腺功能豐富，排出能中和有機(jī)酸的碳酸鹽和含鈣物質(zhì)，特別有助于有益微生物活動(dòng)和酸堿度的調(diào)節(jié)。不同土壤類型接種蚯蚓后的實(shí)驗(yàn)表明，蚯蚓取食及活動(dòng)使微堿性和堿性環(huán)境中團(tuán)聚體pH 值下降，卻提高了微酸性環(huán)境中的團(tuán)聚體pH 值［18］，這也說(shuō)明蚯蚓在調(diào)節(jié)環(huán)境pH 值中的角色。陳學(xué)民等［19］認(rèn)為，蚯蚓接種后污泥中有機(jī)碳、氮代謝發(fā)生變化，使污泥酸堿容量發(fā)生改變從而影響污泥pH值。

1.2 不同蚯蚓對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)的影響

在農(nóng)業(yè)中作為富含有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的肥料進(jìn)行利用是污泥處置的有效方式。我國(guó)市政污泥中富含有機(jī)質(zhì)，含量接近384 g/kg。而且，污泥里有機(jī)質(zhì)的含量在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市中往往較高，且有逐漸升高的趨勢(shì)［20］。

蚯蚓與有機(jī)質(zhì)分解關(guān)系密切。蚯蚓通過(guò)腸道消化、排出新鮮蚓糞、蚓觸圈內(nèi)的陳舊蚓糞作用及基質(zhì)的長(zhǎng)期演化發(fā)展，最終使基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的含量發(fā)生變化并影響?zhàn)B分的循環(huán)［21］。接種蚯蚓污泥處理后，表層種蚯蚓一般會(huì)導(dǎo)致污泥中有機(jī)質(zhì)含量降低（表1）。這類蚯蚓的身體構(gòu)造適應(yīng)生活在基質(zhì)的表層，并在表層處起分解者的作用，有一定的分解有機(jī)物功能。蚯蚓的攝食作用可以消解污泥中部分有機(jī)質(zhì)，一般認(rèn)為微生物在有機(jī)物分解時(shí)起重要作用，異養(yǎng)微生物通過(guò)攝取有機(jī)物質(zhì)為碳源，無(wú)機(jī)或有機(jī)物作為氮源，在污泥的有機(jī)物礦化、分解和物質(zhì)循環(huán)（C、N和P）過(guò)程中起主要作用。但是，考慮到蚯蚓取食過(guò)程及腸道和蚓觸圈的微域環(huán)境條件，蚯蚓可以改變有機(jī)分解底物構(gòu)成、使復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易被微生物利用的形態(tài)、調(diào)節(jié)酶的分泌并促使相關(guān)微生物數(shù)量和活性的增加，從而推動(dòng)有機(jī)質(zhì)的分解［22］。Wardle［23］認(rèn)為，蚯蚓的活動(dòng)促使以真菌為主、養(yǎng)分周轉(zhuǎn)較慢的污泥生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐约?xì)菌為主、養(yǎng)分快速周轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。有機(jī)質(zhì)在蚯蚓腸道內(nèi)被碾破及壓擠，這些過(guò)程促使有機(jī)質(zhì)含量的降低；此外，微生物的數(shù)量及活性因?yàn)轵球镜娜∈车靡栽黾?，進(jìn)而與蚯蚓互作并形成一個(gè)高效的生態(tài)處置系統(tǒng)，促使有機(jī)質(zhì)分解加快，從而降低了污泥中有機(jī)質(zhì)含量。雖然污泥消解后有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量總體呈下降趨勢(shì)，但其肥力水平還是較一般土壤的肥力高，也能提供植物生長(zhǎng)以充足的養(yǎng)分。

內(nèi)層種壯尾環(huán)毛蚓堆肥可能促使污泥有機(jī)質(zhì)成分增多［15］，一方面是由于該實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了堆肥處理，能夠增多有機(jī)質(zhì)（特別是腐殖質(zhì)）的含量；另一方面，內(nèi)層種主要生活在距表層20～40 cm的范圍內(nèi)，體型大，上食下居的生活習(xí)性使蚯蚓對(duì)基質(zhì)有機(jī)物的空間格局產(chǎn)生影響，有機(jī)物在基質(zhì)中呈現(xiàn)錯(cuò)落分布特征。碳多均勻分布在表-深層種陸正蚓蚓觸圈及孔道內(nèi)；但內(nèi)層種背暗流蚓孔道壁上的碳則隨蚓觸圈向下延伸而明顯減少［24］。因此，針對(duì)深層種和內(nèi)層種種類的實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)置足夠的深度以反映這種有機(jī)質(zhì)的空間分布差異。

1.3 不同蚯蚓對(duì)污泥全氮、全磷、全鉀含量的影響

N、P、K元素的含量水平是市政污泥處置中的關(guān)鍵性指標(biāo)。污泥中往往含有過(guò)量的N、P等植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但超量的N、P如果直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)栽培中將對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，并可使污泥中有益微生物的代謝活動(dòng)受到抑制。接種不同生活型蚯蚓對(duì)污泥氮、磷、鉀含量的影響有差異，即使接種同種生活型的蚯蚓，被處理后的污泥全氮、全磷、全鉀含量變化動(dòng)態(tài)也不盡一致（表1）。

全氮含量是一個(gè)較為穩(wěn)定的性質(zhì)，受多種因素的影響。從已有的研究結(jié)果分析，在沒(méi)有外源氮素施入的情況下，蚯蚓新陳代謝的產(chǎn)物能以如蚓糞、尿液及黏液蛋白液包括蚯蚓尸體等形式返回于土壤［25］。由于蚯蚓具有不同生態(tài)型，接種蚯蚓基質(zhì)中不同形態(tài)的氮包括可利用態(tài)氮亦存在差異［26］。在陳旭飛等［8］研究中，接種赤子愛(ài)勝蚓后污泥全氮、全鉀含量減少，全磷含量增加；而另一種表層種微小雙胸蚓處理污泥后，全氮、全磷和全鉀含量均有一定增加［14］。

多項(xiàng)研究表明，接種蚯蚓處理可提高污泥中的N、P、K濃度，這有利于植物生長(zhǎng)［27］。蚯蚓在氮素轉(zhuǎn)化中受污泥環(huán)境條件和微生物的影響，一般認(rèn)為蚯蚓可提高基質(zhì)中的氮含量。磷素含量發(fā)生改變受多種途徑影響，如有機(jī)物轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)、細(xì)菌主要群落發(fā)生轉(zhuǎn)變以及蚓觸圈及蚓糞中多種酶類（如磷酸酶）活性改變。此外，蚯蚓腸道內(nèi)相關(guān)酶類及蚓觸圈中的微生物群落亦受增加的磷素影響而得以提高數(shù)量及活性，從而使有機(jī)磷的礦化分解作用加強(qiáng)［14］。由于污泥中微生物產(chǎn)酸過(guò)程，鉀含量亦有可能增加。蚯蚓在取食消化過(guò)程形成的蚓糞含有較多的細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物，蚓糞中含有較多水溶性有機(jī)質(zhì)及有機(jī)胺，蚯蚓研磨及消化作用亦增進(jìn)了礦物鹽的排放，同時(shí)排出富含氮、磷、鉀的排泄物，從而引起 TN、TP和 TK 逐漸增加。

也有研究表明，接種蚯蚓可能降低污泥中全氮、全磷、全鉀含量［10，13］。蚯蚓利用了污泥所含的有機(jī)物質(zhì)合成了自身的成分和增強(qiáng)了其自身的活動(dòng)能力。此外，接種蚯蚓處理的污泥中，微生物群落數(shù)量顯著增加，即放線菌和真菌數(shù)量顯著提高，放線菌和真菌是化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型的微生物，它們以糖類等碳水化合物作為碳源和能源，以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮作為氮源，在蚯蚓和微生物的共同作用下，也可導(dǎo)致污泥中全氮、全鉀等含量的降低。由于污泥中往往含有過(guò)量的氮、磷、鉀元素，接種蚯蚓后有助于降解污泥中高濃度的氮、磷等元素。

1.4 不同蚯蚓對(duì)污泥堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響

蚯蚓通過(guò)多種途徑影響污泥中的速效養(yǎng)分含量。從表1可以看出，接種不同種蚯蚓對(duì)污泥堿解氮、速效磷、速效鉀的含量影響是不同的。污泥中往往含有大量的有機(jī)殘片和無(wú)機(jī)顆粒，蚯蚓取食和排泄活動(dòng)過(guò)程中，分解有機(jī)殘片并促使污泥內(nèi)部升溫，可能使污泥中的氨氮加速揮發(fā)，硝化速度加快，從而促使污泥中速效養(yǎng)分的流失。污泥處置過(guò)程前期微生物活性較高，微生物固定了大量的速效磷以滿足其自身生長(zhǎng)需要，也可能導(dǎo)致速效磷含量的減少；另一方面，蚯蚓加快了微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)礦化的過(guò)程，增加了土壤C、N的釋放。蚯蚓取食污泥微生物可加速微生物量氮的礦化，提高污泥中礦質(zhì)N含量。當(dāng)有外源N輸入，提高N供給時(shí)，蚯蚓活動(dòng)會(huì)顯著提高N的礦化潛力，導(dǎo)致污泥中速效養(yǎng)分含量發(fā)生變化。

從研究結(jié)果分析，接種表層種赤子愛(ài)勝蚓和內(nèi)層種毛利遠(yuǎn)盲蚓可能使污泥中速效養(yǎng)分含量減少［8］。存在爭(zhēng)議的是，接種深層種威廉環(huán)毛蚓可能增加污泥中堿解氮、速效磷含量［11］。污泥中氮含量的增多可能是因?yàn)轵球驹诨顒?dòng)過(guò)程中，礦化了污泥中的有機(jī)氮。接種蚯蚓后，污泥中微生物對(duì)氮轉(zhuǎn)化的能力加強(qiáng)，使有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）并保留在污泥中。此外，蚯蚓新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的排泄物、蚓糞、氨基酸、植物生長(zhǎng)素等也會(huì)導(dǎo)致污泥中氮素的增加。氮含量增加的另一個(gè)可能因素是接種蚓體的死亡，蚓體中的含氮有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過(guò)分解轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)進(jìn)入到污泥里，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中接種了過(guò)量的蚯蚓，如果出現(xiàn)較大面積死亡，可能也會(huì)成為速效氮增加的一個(gè)主要因素。蚯蚓的存在（作穴及蚓糞）會(huì)改變微生物賴以生存的微環(huán)境，而微環(huán)境的改變會(huì)加快微生物對(duì)氮的轉(zhuǎn)化，以至于間接的改變氮的循環(huán)。蚯蚓活動(dòng)也可能增強(qiáng)全鉀向速效鉀的轉(zhuǎn)化能力從而使污泥中速效鉀含量增加。由于蚯蚓產(chǎn)生的胞外酶（蛋白酶及葡萄糖苷酶等）和粘液能加速營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，同時(shí)改變氮、磷等在污泥中的存在形態(tài)，亦有可能使污泥的速效養(yǎng)分含量增加［28］。

從已有結(jié)果分析，即使同生態(tài)型蚯蚓處置過(guò)的污泥速效性成分含量亦有不同的變化。陳旭飛等［8］研究赤子愛(ài)勝蚓接種處理污泥（實(shí)驗(yàn)30 d），使污泥中堿解氮、速效磷、速效鉀含量均下降；而孫穎等［9］在研究的赤子愛(ài)勝蚓活動(dòng)改善污泥性狀的實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)為期63 d）中，堿解氮含量增加。由于實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間存在差異，蚯蚓處理的前期微生物的活性較高，大量的速效磷等被微生物固定以滿足其自身生長(zhǎng)需要，速效磷等含量隨之下降，這或許是短期實(shí)驗(yàn)中速效養(yǎng)分降低的原因之一。

2 不同蚯蚓引起污泥重金屬含量的變化

污泥中所含重金屬的種類及濃度差別較大，受所處置污水的來(lái)源影響。城市污泥中的重金屬主要包括銅、鋅、鎘、鉻、鉛、汞和砷等。重金屬在低濃度下有益于蚯蚓生長(zhǎng)，而高濃度則會(huì)阻礙其生長(zhǎng)，影響蚯蚓的生物活性。蚯蚓生物量大，是土壤圈中重要的功能類群，對(duì)于重金屬具有較強(qiáng)的耐受性，能通過(guò)多種途徑進(jìn)行重金屬的生物積累。盡管對(duì)其內(nèi)在機(jī)理尚了解不多，但接種蚯蚓確實(shí)能活化污泥中的重金屬［29］。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，接種表?xiàng)秃蜕顚臃N的蚯蚓均可以減少污泥重金屬的含量（表2）。有研究表明，蚯蚓通過(guò)取食能夠吸收、積累重金屬，降低污泥中重金屬含量，進(jìn)而在食物鏈中傳遞及生物放大［28］；蚯蚓還通過(guò)分泌產(chǎn)物及調(diào)控蚓觸圈微生物數(shù)量及活性，間接活化重金屬；以及利用其鈣腺分泌的碳酸鹽和代謝過(guò)程產(chǎn)生的酶類、生長(zhǎng)素及含羧基、氨基等的膠粘物質(zhì)，分解、螯合、沉淀部分重金屬，活化基質(zhì)中的重金屬［35］。此外，蚯蚓能改變污泥pH值和酸堿度，從而活化重金屬以降低其含量［36］。內(nèi)層種由于橫向挖掘，深居土壤底部，因此不易采集且不易培養(yǎng)，目前在國(guó)內(nèi)的研究中還罕有接種內(nèi)層種的。蚯蚓對(duì)重金屬的吸收量也受蚯蚓的種類、生態(tài)型以及污泥的性質(zhì)影響。

表2 不同蚯蚓對(duì)污泥重金屬的影響

3 問(wèn)題與展望

不同生活型蚯蚓對(duì)污泥理化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。蚯蚓能降低堿性污泥中pH值，提高酸性污泥pH值，使污泥pH值趨向于中性。表層種蚯蚓易使污泥中有機(jī)質(zhì)含量降低，內(nèi)層種蚯蚓則可能使有機(jī)質(zhì)成分增多。接種蚯蚓處理可提高污泥中的N、P、K濃度，這有利于植物生長(zhǎng)。部分蚯蚓則可降低污泥中全氮、全磷、全鉀含量，這有助于降解污泥中高濃度的氮、磷等元素。接種表層種和內(nèi)層種可能使污泥中速效養(yǎng)分含量減少，深層種可能增加污泥中堿解氮、速效磷含量，但即使同生態(tài)型蚯蚓處置過(guò)的污泥速效性成分含量亦有不同的變化。接種蚯蚓能活化污泥中的重金屬并減少其含量。

總之，當(dāng)前對(duì)蚯蚓改善污泥理化性質(zhì)、降解有機(jī)物、活化重金屬等的影響研究較多，但對(duì)污泥中相關(guān)微生物群落功能基因的影響研究較少，相關(guān)機(jī)理性的分析亦較缺乏。微生物與蚯蚓的相互作用是研究的重要領(lǐng)域，未來(lái)可以蚓觸圈及蚯蚓排泄物與重要功能基因的相互作用為重點(diǎn)展開(kāi)研究，結(jié)合不同生態(tài)型蚯蚓的比較分析，深入探索蚯蚓在污泥穩(wěn)定化和資源化利用中的作用機(jī)理。

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