赤子愛勝蚓處理土壤重金屬Pb和Cu復(fù)合污染效果研究

李瑞娟 李娜 曹嘉萌 剡文龍 王艷 王友玲

摘要? ? 近年來，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重且大多數(shù)以復(fù)合污染的形式出現(xiàn)，因而尋求一種有效處理重金屬復(fù)合污染的方法迫在眉睫。本文模擬在不同濃度Pb、Cu污染的土壤中接種赤子愛勝蚓，研究其對Pb、Cu 2種重金屬的單一耐受力以及Pb、Cu復(fù)合污染下赤子愛勝蚓對重金屬污染土壤的重金屬富集及耐受力變化情況。結(jié)果表明，赤子愛勝蚓對Pb的耐受力明顯高于對Cu的耐受力。在Pb脅迫下，蚯蚓對Cu的富集降低;在Cu的脅迫下，蚯蚓對Pb的富集明顯降低。赤子愛勝蚓對重金屬Pb的富集量隨著土壤中重金屬濃度增加而增加。蚯蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cu濃度升高對蚯蚓活動(dòng)造成一定程度的抑制，導(dǎo)致蚯蚓對土壤中重金屬Pb、Cu富集效果降低。

關(guān)鍵詞? ? 赤子愛勝蚓;重金屬;復(fù)合污染

中圖分類號? ? X53? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0174-03

Abstract? ? In recent years，soil heavy metal pollution has become increasingly serious，and most occur in the form of compound pollution.Therefore，it is extremely urgent to find an effective method to control heavy metal compound pollution.In this paper，we simulated the inoculation of Eisenia foetida in the soil contaminated by different contents of Pb and Cu，and studied the single tolerance of Eisenia foetida to the two kinds of heavy metals.Then the enrichment and tolerance of Eisenia foetida to heavy metals in the Pb and Cu compound pollution soil were also studied.The results showed that the tolerance of Eisenia foetida to Pb was significantly higher than that of Cu.Under the Pb stress，the enrichment of Cu by earthworms decreased.Under the Cu stress，the enrichment of Pb by earthworms decreased obviously.The enrichment of heavy metal Pb in Eisenia foetida increased with the increase of heavy metal concentration in soil.The increase of the Pb and Cu concentrations in earthworms can inhibit the activities of earthworms to a certain extent，which decreased the enrichment effect of earthworms on the heavy metals Pb and Cu in the soil.

Key words? ? Eisenia foetida;heavy metal;compound pollution

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，含重金屬污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤，造成土壤中重金屬元素富集。重金屬污染可影響土壤生物群落結(jié)構(gòu)和生物活性等[1]，不僅影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)，還可通過食物鏈危害動(dòng)物和人類的生命和健康[2]。

鉛被列為五大毒物之一，它不僅是一種重要的重金屬環(huán)境激素，而且是一種積累性劇毒元素，能導(dǎo)致各種生物的生殖功能和機(jī)體免疫力下降，從而引起各種生理異常，尤其對兒童智力發(fā)育造成嚴(yán)重障礙，鉛易通過食物鏈進(jìn)入人體造成毒害[3]。銅是生命必需的微量元素，但若過量攝入銅會導(dǎo)致銅中毒，會造成肝腫大、肝功能異常、肝小葉中央壞死、溶血性貧血等[4]。我國土壤重金屬污染源主要包括采礦業(yè)和金屬冶煉、工業(yè)廢漁、廢水、污水灌溉、農(nóng)業(yè)污泥應(yīng)用和大氣沉降等[5]。重金屬造成的土壤污染在危險(xiǎn)特性上表現(xiàn)出難降解、長期殘留、生物蓄積、遷移性以及具有較大毒性等特征，因而對土壤重金屬污染的防治不僅要控制污染源，還要加強(qiáng)污染土壤的修復(fù)。

土壤修復(fù)技術(shù)種類繁多，可分為物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生物修復(fù)法等[6]。近年來出現(xiàn)的動(dòng)物修復(fù)技術(shù)，尤其是蚯蚓對土壤重金屬污染的修復(fù)，與傳統(tǒng)的化學(xué)修復(fù)以及物理和工程修復(fù)等技術(shù)手段相比，具有投資和維護(hù)成本低、操作簡便、不造成二次污染、具有潛在或顯著經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。蚯蚓不僅可以作為土壤重金屬污染的重要指示生物，而且可以處理重金屬污染土壤[7-8]。因此，研究利用蚯蚓進(jìn)行土壤重金屬的污染治理，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文模擬在銅、鉛復(fù)合污染的土壤中接種耐受蚯蚓，通過研究蚯蚓對重金屬的富集作用，探討蚯蚓修復(fù)銅、鉛復(fù)合污染土壤的可行性，并揭示蚯蚓對重金屬的動(dòng)力學(xué)吸附過程，為重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)提供一定的參考。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 供試蚯蚓與土壤

供試蚯蚓選用對重金屬耐受力較好的赤子愛勝蚓，購自甘肅天耀生物科技有限公司。新購置的蚯蚓用基質(zhì)土在室溫、自然光照條件下馴養(yǎng)2周。馴養(yǎng)期結(jié)束后，選取行為活躍、體色鮮亮的蚯蚓開展修復(fù)試驗(yàn)，蚯蚓飼養(yǎng)在口徑25 cm、底部有孔洞的花盆內(nèi)，于盆底墊上一層濾紙，在保證透氣性的同時(shí)也能防止蚯蚓逃逸。在盆口封上保鮮膜，扎孔保證空氣流通，將花盆置于陰暗處，保證土壤潮濕，每天早、晚各翻動(dòng)1次土壤。試驗(yàn)用土壤采自甘肅省蘭州市榆中縣農(nóng)田土壤。

1.2? ? 試劑和儀器

試劑包括高氯酸、濃硝酸、濃鹽酸（配置王水）、去離子水等。儀器包括novAA400火焰原子吸收光譜儀（德國耶拿分析儀器股份公司）;SKD-20S2紅外智能消化爐（上海沛歐分析儀器有限公司）;抽濾裝置等。

1.3? ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1? ? Pb、Cu對蚯蚓的急性毒性效應(yīng)試驗(yàn)。設(shè)置4個(gè)Pb濃度處理，分別為1 000、1 500、2 000、2 500 mg/kg;4個(gè)Cu濃度處理，分別為120、160、200、240 mg/kg。土壤含水率保持在35%，溫度為室溫，每盆放入大小相近、生命體征活躍的蚯蚓10條，給盆上封上保鮮膜，保鮮膜上扎孔保證空氣流通，給盆底墊上濾紙防止蚯蚓鉆出盆底。統(tǒng)計(jì)不同處理下的蚯蚓死亡率。

1.3.2? ? Pb、Cu復(fù)合濃度對蚯蚓富集量的影響試驗(yàn)。根據(jù)急性毒性效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，保證蚯蚓在試驗(yàn)期間良好地存活而不出現(xiàn)死亡，設(shè)置4個(gè)Pb濃度處理，分別為800、950、1 100、1 250 mg/kg;4個(gè)Cu濃度處理，分別為80、95、110、125 mg/kg。測定Pb、Cu分別在蚯蚓體內(nèi)隨時(shí)間的變化情況及相互作用下的變化情況。

1.4? ? 試驗(yàn)方法

1.4.1? ? 試驗(yàn)準(zhǔn)備與采樣。選取直徑為25 cm的花盆，每盆干土重750 g，含水率保持在35%，溫度為室溫。選取大小相近、生命體征活躍的蚯蚓若干條放入盆中（每盆標(biāo)明放入蚯蚓的條數(shù)），保證土壤中蚯蚓密度為3 g/kg。每2 d采樣1次，測定蚯蚓體內(nèi)Pb、Cu的富集量。

1.4.2? ? 重金屬測定。采用王水-高氯酸消煮-火焰原子吸收光譜儀測定。

（1）土壤消化。稱取風(fēng)干土0.500 0 g，將其研磨細(xì)致，過篩。置于100 mL錐形瓶中，用去離子水潤濕，加入王水15 mL，置于通風(fēng)廚內(nèi)90 ℃加熱30 min、200 ℃加熱2 h。待氮氧化物和有機(jī)物基本消解后，取下冷卻，加入3～5 mL高氯酸，繼續(xù)加熱消化至三角瓶中土樣為白色糊狀，然后定容到100 mL容量瓶中。之后用抽濾機(jī)進(jìn)行過濾，取過濾液為樣液。

（2）蚯蚓消化。將取出的蚯蚓放入培養(yǎng)皿中吐泥3 d，用蒸餾水洗凈，冰凍致死，于烘箱中105 ℃烘4 h，取出冷卻后研磨過20目篩，制成粉備用。稱取適量蚯蚓粉末于50 mL小燒杯中，加入濃硝酸20 mL，加蓋放置過夜后，加入5 mL高氯酸，在通風(fēng)櫥中加熱消解至冒出大量白煙為止。冷卻后加入1 mL濃硝酸和少量水，轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，定容后過濾。

（3）鉛、銅測定。用火焰原子吸收光譜儀進(jìn)行測定。鉛特征譜線為283 nm，銅特征譜線324 nm;電流3 mA，燃燒頭類型為100 mm，燃?xì)鉃?9.9%純度乙炔氣體，流量設(shè)定為60 L/h，助燃?xì)鉃榭諝?，流量設(shè)定為400 L/h。

根據(jù)Pb2+濃度和相應(yīng)的吸光度繪制鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。根據(jù)Cu2+濃度和相應(yīng)的吸光度繪制銅標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2。

1.5? ? 數(shù)據(jù)處理

使用Origin、Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? Pb、Cu對蚯蚓的急性毒性效應(yīng)

由表1可以看出，Pb濃度在2 000 mg/kg以下時(shí)，蚯蚓未出現(xiàn)明顯的毒性效應(yīng)，說明蚯蚓對重金屬Pb有一定的耐受性;當(dāng)Pb濃度達(dá)到2 500 mg/kg時(shí)，供試組蚯蚓死亡率達(dá)100%，說明蚯蚓對Pb的耐受性有一定的限度。Cu濃度在160 mg/kg以下時(shí)，蚯蚓未出現(xiàn)明顯的毒性效應(yīng);當(dāng)Cu濃度達(dá)到240 mg/kg時(shí)，供試組蚯蚓全部死亡，說明蚯蚓對Pb的耐受性比對Cu的耐受性要強(qiáng)。這一結(jié)果與宋玉芳等[9]、伏小勇等[10]的研究結(jié)果基本吻合。

2.2? ? 不同重金屬Pb、Cu復(fù)合濃度對蚯蚓富集量的影響

2.2.1? ? 蚯蚓體內(nèi)Pb富集量隨時(shí)間的變化規(guī)律。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4種不同Pb濃度進(jìn)行試驗(yàn)，蚯蚓對Pb富集量隨時(shí)間變化規(guī)律見圖3。

由圖3可以看出，在試驗(yàn)初始時(shí)赤子愛勝蚓就開始對重金屬Pb富集，2周后，富集量最高可達(dá)727 μg/g。對比不同土壤Pb濃度，可以明顯看出，赤子愛勝蚓對重金屬Pb的富集量隨著土壤中重金屬濃度的增加而增加，這說明蚯蚓對重金屬有一定的耐受性和富集能力，這與鄧?yán)^福等[11]的研究結(jié)果一致。

2.2.2? ? 蚯蚓體內(nèi)Cu富集量隨時(shí)間的變化規(guī)律。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4種不同Cu濃度進(jìn)行試驗(yàn)，蚯蚓對Cu富集量隨時(shí)間變化規(guī)律見圖4?？梢钥闯?，赤子愛勝蚓對重金屬Cu的富集量隨著土壤中重金屬濃度增加而增加。蚯蚓在銅濃度為80 mg/kg的土壤中第14天的富集量是26 μg/g，在銅濃度為125 mg/kg的土壤中第14天的富集量達(dá)到78 μg/g，說明赤子愛勝蚓對重金屬Cu有著明顯的富集作用。

2.2.3? ? Pb脅迫下蚯蚓體內(nèi)Cu富集量的變化規(guī)律。Pb、Cu復(fù)合污染土壤中，在Pb的脅迫下不同濃度的Cu在蚯蚓體內(nèi)富集量變化規(guī)律見圖5。

Pb脅迫下，蚯蚓對Cu的富集降低，富集速率也有所降低。銅污染濃度提高與污染培養(yǎng)時(shí)間延長均會加劇銅對蚯蚓生長的抑制程度[12]。因此，蚯蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cu會對蚯蚓活動(dòng)造成一定程度的抑制，但是蚯蚓仍能通過其生命活動(dòng)對土壤中的Cu進(jìn)行富集。蚯蚓對不同重金屬的耐受性和富集能力有限，在其耐受范圍內(nèi)，當(dāng)蚯蚓吸收的重金屬積累到一定程度就會通過糞便和身體分泌物排出，使富集速率降低[13]。

2.2.4? ? Cu脅迫下蚯蚓體內(nèi)Pb富集量的變化規(guī)律。Pb、Cu復(fù)合污染土壤中，在Cu的脅迫下，不同濃度的鉛在蚯蚓體內(nèi)富集量變化規(guī)律見圖6?？梢钥闯?，在Cu的脅迫下，蚯蚓對Pb的富集明顯降低，富集速率也有所降低，富集Pb的速率在第10天后明顯降低。這可能是蚯蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cu對蚯蚓造成毒害，蚯蚓活動(dòng)受到了嚴(yán)重抑制，以致第10天以后富集速率明顯降低。若蚯蚓吸收的重金屬超過了其耐受范圍，則會直接毒害蚯蚓，影響其生命活性，使其生長受到抑制，導(dǎo)致富集速率降低[14]。

3? ? 結(jié)論

（1）根據(jù)急性毒性效應(yīng)試驗(yàn)，Pb濃度在2 000 mg/kg以下時(shí)，蚯蚓未出現(xiàn)明顯的毒性效應(yīng)，Cu濃度在160 mg/kg以下時(shí)，蚯蚓未出現(xiàn)明顯的毒性效應(yīng)，故Cu對蚯蚓的毒性作用比Pb大。

（2）赤子愛勝蚓對Pb、Cu的耐受性有一定的限度，蚯蚓對Pb的耐受性比對Cu的耐受性要強(qiáng)。

（3）赤子愛勝蚓對重金屬Pb、Cu具有明顯的富集作用，且對重金屬Pb、Cu的富集量均隨著土壤中重金屬濃度的增加而增加。赤子愛勝蚓對重金屬Pb的富集比Cu強(qiáng)。蚯蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cu濃度升高對蚯蚓的活動(dòng)會造成一定程度的抑制，導(dǎo)致蚯蚓對土壤中重金屬Pb、Cu的富集效果降低。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目? ?甘肅省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710733051）;甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金（GSAU-STS-1534）。

*通信作者

收稿日期? ?2019-02-23