蚯蚓對(duì)土壤污染的修復(fù)作用

姚 巍

(陜西省天然林保護(hù)工程管理中心，陜西 西安 710082)

蚯蚓是一種分布非常廣泛的土壤動(dòng)物，其生物量占據(jù)土壤動(dòng)物生物總量的60%～80%，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。蚯蚓通過取食、消化、作穴等一系列生命活動(dòng)，將有機(jī)殘?bào)w與礦質(zhì)土壤混合，加速有機(jī)物的腐解過程，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化[2,3]，并生物量累積和排泄使土壤中的重金屬離子Pb，Cr濃度降低[4]。蚓糞因具有比表面積大、排水性高、持水量大和通氣性好的特點(diǎn)[5]不僅是優(yōu)良的肥料[6,7]，而且吸附廢水中的Cu2+等金屬離子[8]。

總結(jié)和分析國內(nèi)外有關(guān)蚯蚓的研究成果，旨在充分發(fā)揮蚯蚓在土壤環(huán)境的作用。

1 蚯蚓糞便

1.1 蚯蚓糞便是優(yōu)質(zhì)肥料

蚯蚓的糞便是蚯蚓代謝的產(chǎn)物，其不僅增加土壤通透性及土壤肥效，也有利于促進(jìn)作物根系的生長，同時(shí)其糞便也可為植物的生長提供充足的養(yǎng)分，是一種很好的土壤養(yǎng)料[7]。在有機(jī)物腐解過程中，尤其是蚯蚓腸道內(nèi)較高的酶活性，能夠?qū)⒁恍╇y分解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為較易利用的有機(jī)物，并隨蚓糞排出體外，便于微生物更好地利用[9]，進(jìn)而提高有機(jī)質(zhì)的腐解速度[10,11]。盡管目前對(duì)蚯蚓的利用研究較多，但對(duì)土壤中的重要的常量元素，尤其是鈣鎂離子含量對(duì)蚯蚓分解有機(jī)物質(zhì)的能力影響的研究相對(duì)較少，而且目前對(duì)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纖維素酶和分解其它多糖的酶，而與氮、磷循環(huán)關(guān)系密切的蛋白酶、磷酸酶的研究很少。

1.2 蚯蚓糞是重金屬污染土壤的修復(fù)劑

蚯蚓糞是蚯蚓生物降解有機(jī)廢物的產(chǎn)物[5]，其具有比表面積大、排水性高、持水量大和通氣性好的特點(diǎn)，且含有大量微量元素和有機(jī)菌群，并且蚯蚓可通過鈣腺分泌過剩的碳酸鹽，調(diào)節(jié)體內(nèi)的酸堿平衡，從而使蚓糞的pH值趨于中性，然后排出體外。蚯蚓糞具有很好的供肥、保肥以及改善土壤板結(jié)的能力[6,12]。已有研究表明，蚯蚓糞作為一種土壤改良劑和新型有機(jī)肥，在濱海鹽堿地、紅壤的土壤改良[13]，以及生菜、西紅柿、玉米、烤煙等作物育苗及生長上表現(xiàn)出良好效果[14]。陳小錦[15]研究發(fā)現(xiàn)，適量的蚯蚓糞可以促進(jìn)不結(jié)球白菜幼苗的根系對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，有助于其生長。同時(shí)也有研究表明施入適量蚯蚓糞可以明顯增加玉米根系分泌物含量，改善玉米根際區(qū)域的微生態(tài)環(huán)境[16]。劉晉波等[17]在研究蚯蚓糞對(duì)油葵修復(fù)菲污染土壤時(shí)也得到同樣的結(jié)果，蚯蚓糞不僅有利于植物生長，也有助于強(qiáng)化油葵對(duì)菲的富集。蚓糞不僅可以作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，也可作為除臭劑，蚓糞具有較高孔隙率和比表面積，可高效吸附臭氣，而且蚓糞中大量的微生物也具有吸收凈化功能，韓立軍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞中添加30%蚓糞即可有效降低氨氣、硫化氫的釋放量。除此之外，蚯蚓糞還可作為吸附劑和強(qiáng)化劑。郭海艷等[8]將蚯蚓糞制成生物炭吸附廢水中的Cu2+，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞生物炭對(duì)Cu2+的吸附在24 h內(nèi)達(dá)到吸附平衡，且其吸附動(dòng)力學(xué)很好地符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附熱力學(xué)更好地符合Freundlich吸附等溫模型，并結(jié)合傅立葉紅外光譜分析表明該吸附過程是以化學(xué)吸附為主，證明蚯蚓糞可用作吸附劑。在陳楠等[19]的研究還表明，蚯蚓糞中含有的氨基酸和微量元素可增強(qiáng)植物抗病害的能力。

綜上，蚯蚓糞不僅可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，還可改善土壤根際酶活性以及可作為吸附劑和強(qiáng)化劑。

2 蚯蚓對(duì)土壤污染的修復(fù)

由于近年來工廠礦區(qū)的不合理排污以及農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥化肥的大量使用，使得土壤中的重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，不僅使土壤肥力退化，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，而且水環(huán)境也遭到破壞，并且其通過食物鏈在人和生物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人類的生命和健康[20]。由于重金屬污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點(diǎn)[1]，因此，土壤重金屬污染與治理一直是國際上學(xué)術(shù)界所研究關(guān)注的。而蚯蚓作為大型土壤動(dòng)物，在重金屬污染土壤修復(fù)中具有重要的作用，一方面體現(xiàn)在蚯蚓自身對(duì)重金屬的耐性及富集吸收，另一方面則可歸結(jié)為蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤重金屬的活化作用[1]。

2.1 蚯蚓對(duì)重金屬的耐性與富集作用

相關(guān)研究表明，蚯蚓對(duì)重金屬有一定的耐性和富集能力。Nahmani等[4]總結(jié)了大量研究表明：這種耐性與蚯蚓的生物量累積和排泄能力關(guān)系密切；蚯蚓對(duì)重金屬的富集主要通過其生命活動(dòng)如取食、挖掘、吞噬、體內(nèi)酶分泌、排泄等影響土壤中外源污染物的遷移轉(zhuǎn)化和形態(tài)分布，進(jìn)而在食物鏈中傳遞及生物放大[21]。

金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，蚯蚓種的不同及馴養(yǎng)時(shí)間的長短，均會(huì)對(duì)最終的污染物富集作用產(chǎn)生不同影響[22,23]。有些蚯蚓種類能存活于重金屬污染土壤(包括一些金屬礦區(qū))中，并能在體內(nèi)富集一定量的重金屬而不受傷害或傷害較輕[24]，在蚯蚓的忍受范圍內(nèi)，當(dāng)蚯蚓吸收的重金屬積累到一定程度就會(huì)通過糞便和分泌物排出；如果蚯蚓吸收的重金屬超過了它的忍受范圍，則會(huì)直接毒害蚯蚓。據(jù)寇永綱等[22]的研究表明蚯蚓對(duì)鉛有較強(qiáng)的富集作用，且蚯蚓體內(nèi)的鉛富集量隨鉛濃度的增加而增加；單位質(zhì)量蚯蚓培養(yǎng)期內(nèi)吸收鉛量與鉛濃度梯度表現(xiàn)出極顯著性差異，說明蚯蚓可以作為檢測重金屬污染土壤中鉛的重要生物指標(biāo)，蚯蚓可用于修復(fù)土壤鉛污染；楊生權(quán)[25]在對(duì)土壤吸附鉛的研究中也得出蚯蚓與生物質(zhì)炭聯(lián)合作用具有增加土壤對(duì)鉛吸附量的趨勢。根據(jù)伏小勇等人[26]的研究結(jié)果表明，蚯蚓對(duì)各種重金屬的富集量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而變化，并且對(duì)不同重金屬出現(xiàn)最大富集量的時(shí)間也是不同的，蚯蚓對(duì)Cu, Pb的富集量要早于對(duì)Zn的富集量而達(dá)到最大值；與Cu, Zn, Pb的富集量相比，蚯蚓對(duì)Hg沒有明顯的富集作用，且對(duì)Hg的最大富集量時(shí)間不明顯。相關(guān)研究表明在蚯蚓對(duì)重金屬的耐受濃度范圍內(nèi)，其對(duì)重金屬的富集量隨著重金屬濃度的增加而增加，且蚯蚓對(duì)重金屬的吸收順序?yàn)椋篫n>Cu>Pb>Hg；在倪少仁[27]的研究中也得到了同樣的結(jié)果，蚯蚓對(duì)Cu, Zn, Pb, Hg 有一定的耐性和富集能力。但蚯蚓對(duì)不同重金屬的忍耐和富集能力是有選擇性的，從而推測影響蚯蚓對(duì)重金屬富集作用的主要原因可能是體內(nèi)酶的作用，不同重金屬可以從多方面干擾了動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的生理生化功能。

2.2 蚯蚓對(duì)重金屬的活化作用

蚯蚓通過一系列的生命活動(dòng)不僅可以富集重金屬，還可通過分泌代謝產(chǎn)物及調(diào)控蚓觸圈微生物的數(shù)量及活性從而間接活化重金屬；以及利用其消化管壁兩側(cè)的鈣腺分泌的碳酸鹽和代謝過程產(chǎn)生的酶類、生長素及含羧基、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[28]。

重金屬在進(jìn)入土壤后，將通過沉淀、老化、專性吸附等物理、化學(xué)過程成為難溶態(tài)，而能被植物吸收并積累的主要是溶解態(tài)和易溶態(tài)的有效態(tài)重金屬[29]。因此,重金屬的生物有效性往往是植物修復(fù)土壤污染效率的限制因素。據(jù)馮鳳玲等[20]研究表明在重金屬污染土壤中，蚯蚓活動(dòng)能提高植物生物量和土壤中的重金屬的生物有效性。據(jù)大量研究表明，經(jīng)過蚯蚓活動(dòng)后的土壤具有較高的有效態(tài)Zn含量。同樣也有大量實(shí)驗(yàn)證明蚯蚓的活動(dòng)顯著提高了有機(jī)結(jié)合態(tài)Cu含量和紅壤中DTPA提取態(tài)Cu的含量[30]，高沙土中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu的含量、黃泥土中離子交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cu的含量[31]；在張冬明等[32]的研究中指出，蚯蚓的活動(dòng)能顯著提高土壤交換態(tài)及無定形氧化鐵結(jié)合態(tài)Pb含量；在袁紹春等人[33]的研究中表明有機(jī)質(zhì)可對(duì)重金屬的形態(tài)產(chǎn)生一定影響，蚯蚓處理降低了污泥有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)的快速分解可大幅提高污泥有效態(tài)重金屬的含量。重金屬有效性的提高凸顯了蚯蚓對(duì)土壤重金屬活化作用，這也是蚯蚓應(yīng)用于蚯蚓-植物提取技術(shù)體系修復(fù)污染土壤的必要保證。

但目前也有相關(guān)研究提出蚯蚓堆肥可降低城市污泥中重金屬的生物有效性，提高污泥農(nóng)用安全性。據(jù)王振興等人[34]研究表明蚯蚓處理大幅降低了重金屬Cu, Zn, Ni, Pb可氧化態(tài)含量，總體上降低了重金屬Cu, Ni, Pb的生物有效性。同時(shí)相關(guān)研究表明蚯蚓堆肥可提高污泥中腐殖酸的含量[35]，腐殖酸與重金屬結(jié)合可使重金屬有效態(tài)含量逐步降低[36]。蚯蚓處理降低污泥有效態(tài)重金屬含量，從而降低污泥重金屬生物有效性及生態(tài)毒性。

3 蚯蚓與微生物的協(xié)同作用

蚯蚓在吞食土壤及有機(jī)質(zhì)的過程中會(huì)同時(shí)攝食大量的微生物進(jìn)入腸道，雖然蚯蚓攝食不同環(huán)境基質(zhì)中的有機(jī)物，但是其腸道中的微生物種類組成相差不大，以變形菌的數(shù)量最多，其次是擬桿菌、放線菌和厚壁菌[37]。蚯蚓作為土壤有機(jī)質(zhì)和微生物的“攪拌機(jī)”和“傳播器”，對(duì)提高土壤中微生物的活力以及有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率起重要作用。相關(guān)研究表明在不同環(huán)境中引入適量蚯蚓，基質(zhì)中好氧微生物的數(shù)量都有所增加[38]，蚯蚓與好氧微生物的協(xié)同作用加速了有機(jī)質(zhì)的生物降解過程[39]，在此分解過程中，大塊有機(jī)物經(jīng)過蚯蚓砂囊磨碎后，其表面積的增加便于微生物對(duì)其快速轉(zhuǎn)化，而經(jīng)過微生物的處理后又會(huì)反過來有效地促進(jìn)蚯蚓對(duì)有機(jī)物的吸收利用。蚯蚓通過挖掘、吞食、排泄作用，與所在環(huán)境中的植物、微生物及其他土壤動(dòng)物相互影響[40]，這種聯(lián)合作用對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解以及礦物營養(yǎng)的釋放起著非常重要的作用。在蚯蚓的腸道中，蚯蚓與微生物之間形成共生互利關(guān)系，在蚯蚓-微生物共生系統(tǒng)中，蚯蚓主要起調(diào)控作用[41]，通過腸道消化，加速污染物的降解，影響系統(tǒng)中微生物數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu)[42]。蚯蚓的活動(dòng)直接影響基質(zhì)或蚓觸圈，也間接使微生物活性得以增加，這些過程促使有機(jī)質(zhì)含量的降低；而且微生物與蚯蚓互作形成一個(gè)高效的生態(tài)處置系統(tǒng)，促使有機(jī)質(zhì)分解加快。

4 展望

蚯蚓作為土壤環(huán)境中最常見的大型無脊椎動(dòng)物，通過在土壤中的生物活動(dòng)，對(duì)土壤重金屬活性產(chǎn)生著重要的影響，蚯蚓對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)有著極好的促進(jìn)作用，同時(shí)也可與微生物協(xié)同作用促進(jìn)作物根系的生長，而且其糞便也能為植物的生長提供充足的養(yǎng)分，可作為一種很好的有機(jī)肥。如何提高蚯蚓的消化酶活性，從而使蚯蚓發(fā)揮更大的作用是以后該領(lǐng)域的主要努力方向。今后在提高蚯蚓消化酶活性領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：改善蚯蚓的生活環(huán)境，深入研究環(huán)境中各類元素的含量對(duì)蚯蚓消化酶活性的影響，建立其與蚯蚓消化酶活性的“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，進(jìn)而以最適的劑量養(yǎng)殖蚯蚓，從而使其作用最大化。