蚯蚓對餌料中Pb·Cr·Cd的吸收富集

張素冰 李鑫 王曉霄 趙金磊

摘要? ［目的］探究蚯蚓對餌料中重金屬的吸收富集情況。［方法］通過在蚯蚓餌料中添加外源重金屬鹽調(diào)節(jié)Pb、Cr、Cd濃度，研究餌料重金屬含量的變化，分析餌料的Pb、Cr、Cd濃度對蚯蚓體內(nèi)重金屬的影響。［結(jié)果］重金屬餌料經(jīng)蚯蚓處理后，蚯蚓處理產(chǎn)物的TN、TP含量顯著上升（P＜0.05），TK、OM含量顯著降低（P＜0.05），pH變化不顯著（P＞0.05）；不同處理餌料中Pb、Cr、Cd濃度與處理前相比出現(xiàn)不同程度的下降；蚯蚓對Pb、Cr、Cd的富集系數(shù)分別為0.18、0.55、17.97。［結(jié)論］蚯蚓對農(nóng)業(yè)固體廢棄物中的Pb、Cr、Cd具有不同程度的吸收富集作用。

關(guān)鍵詞? 蚯蚓處理；理化性質(zhì)；重金屬

中圖分類號? X705? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）01-0061-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Bioenrichment of Pb， Cr， Cd in Agricultural Solid Waste by Earthworms

ZHANG Su-bing， LI Xin， WANG Xiao-xiao et al

（Zhoukou Environmental Science and Technology Information Service Center， Zhoukou， Henan 461400）

Abstract? ［Objective］In view of the absorption and enrichment of heavy metals in agricultural solid waste by earthworms.［Method］This paper regulates the concentrations of Pb， Cr and Cd by adding exogenous heavy metal salts， studies the changes of the physicochemical properties and the total amount of heavy metals in the bait， and analyzes the influence of the concentrations of Pb， Cr and Cd in the bait on the enrichment of heavy metals by earthworms. ［Result］The results showed that： after vermicomposting， the contents of TN， TP were significantly increased （P<0.05）， the contents of TK and organic matter were significantly decreased （P<0.05）， and pH value was not significantly changed （P>0.05）. The concentrations of Pb， Cr and Cd decreased in different degrees compared with those before treatment.The enrichment coefficients of earthworms on Pb， Cr and Cd were 0.18， 0.55 and 17.97， respectively. ［Conclusion］Studies have shown that earthworms have different levels of absorption and enrichment of Pb， Cr and Cd in agricultural solid waste.

Key words? Vermicomposting;Physicochemical properties;Heavy metals

作者簡介? 張素冰（1993—），女，河南周口人，碩士，從事固體廢棄物處理與處置研究。

收稿日期? 2023-02-22

為了提高畜禽抗病能力及加快畜禽生長，飼料中普遍添加抗生素和銅、鋅等重金屬。研究證明，畜禽飼料中的添加劑利用率很低，大部分會隨著糞便排出體外［1］。目前我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生糞污量約38億t/a［2］，養(yǎng)殖場對畜禽糞便缺少有效的處理措施［3］，導(dǎo)致畜糞中的重金屬居高不下［4-5］。

蚯蚓對可腐有機固體廢物具有較強的分解腐熟能力，利用蚯蚓這種環(huán)境友好動物處理畜禽糞便等可腐有機固廢使之轉(zhuǎn)化為有機肥，過程溫和、條件自然，不需要消耗礦物能和電能，是值得倡導(dǎo)和推廣的生物制造法［6-7］。

現(xiàn)有研究中蚯蚓處理餌料中重金屬總量不同［8-13］。筆者以農(nóng)業(yè)固體廢棄物（牛糞、秸稈、蔬菜廢棄物）為蚯蚓養(yǎng)殖餌料，通過添

加外源重金屬Pb、Cr、Cd，控制蚯蚓餌料中3種

重金屬濃度，分別在大田

和室內(nèi)進(jìn)行蚯蚓處理。分析了蚯蚓處理前后物料的理化性質(zhì)［含水率（WC）、有機質(zhì)（OM）、總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）、pH］、重金屬（Pb、Cr、Cd）總量的變化，以及在不同濃度Pb、Cr、Cd餌料飼養(yǎng)下，蚯蚓體內(nèi)重金屬的變化情況，旨在探明蚯蚓餌料中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為蚯蚓的科學(xué)養(yǎng)殖及環(huán)境安全提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

大田蚯蚓養(yǎng)殖在蚯蚓循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園進(jìn)行，蚯蚓餌料主要為牛糞、秸稈和蔬菜廢棄物。室內(nèi)蚯蚓養(yǎng)殖在周口環(huán)境科技信息服務(wù)中心實驗室進(jìn)行，蚯蚓餌料純牛糞來自農(nóng)家畜禽生態(tài)養(yǎng)殖場。試驗原料的基本理化性質(zhì)及重金屬含量見表1。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 試驗設(shè)計。

試驗分為大田試驗和室內(nèi)試驗，大田試驗在高度0.4 m、長度1.5 m、寬度1.0 m的試驗池內(nèi)進(jìn)行，每處理3次重復(fù)，每個試驗池投放餌料250.0 kg、蚯蚓1.5 kg。室內(nèi)試驗蚯蚓在23 m×17 cm的塑料花盆中養(yǎng)殖，每處理設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)投放餌料2.5 kg、蚯蚓0.2 kg。餌料中添加的外源重金屬濃度梯度參考中國NY 525—2012有機肥料中重金屬的限量指標(biāo)設(shè)定。Pb，100、200、300 mg/kg（分別標(biāo)記為Pb1、Pb2、Pb3）；Cr，150、200、250 mg/kg（分別標(biāo)記為Cr1、Cr2、Cr3）；Cd，5、10、15 mg/kg（分別標(biāo)記為Cd1、Cd2、Cd3）?？瞻讓φ眨–K）除了不添加外源重金屬外，其他條件相同。

試驗前對蚯蚓餌料進(jìn)行預(yù)處理，牛糞餌料預(yù)處理包括調(diào)節(jié)C/N、水分、pH；發(fā)酵腐熟；添加試劑A、B、C混勻（試劑A，醋酸鉛；試劑B，硝酸鉻；試劑C，硫酸鎘）。大田蚯蚓在處理0 d（前期）、30 d（中期）、60 d（后期）采樣，室內(nèi)蚯蚓在處理0 d（前期）、30 d（后期）采樣，并進(jìn)行指標(biāo)測定。

1.2.2? 樣品采集。

大田采樣：采用五點采樣法，試驗池4個角及中心處為采樣點，采樣深度10～20 cm，各點餌料采樣量為400 g，混勻，四分法留取1 kg，用塑封袋密封；同時對采樣點的蚓床下表層土壤利用環(huán)刀進(jìn)行采集，五點采樣后混勻、留取，裝入密封袋；在餌料采樣點進(jìn)行蚯蚓的采樣，放入密封袋中（用針扎小孔供蚯蚓呼吸）；帶回實驗室風(fēng)干、過篩，以備分析測定。

室內(nèi)采樣：將花盆內(nèi)處理產(chǎn)物倒進(jìn)塑料盆內(nèi)，挑出蚯蚓，將處理產(chǎn)物混勻后留取1 kg，風(fēng)干、過篩，以備分析測定。

1.3? 測定方法

WC，重量法；

OM，重鉻酸鉀外加熱法；

TN，凱氏定氮法；

TP，氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；

TK，氫氧化鈉熔融后火焰光度法；

pH，按1∶5（m/V）比例加入去離子水，25 ℃振蕩2 h，電極法測定；

重金屬總量，HNO3微波消解法，原子吸收分光光度法（AA）。

1.4? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.4.1? 蚯蚓處理前后餌料理化性質(zhì)。

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 21.0進(jìn)行處理與分析，采用單因素方差分析比較處理前后指標(biāo)的差異（P＜0.05），用Origin 2018制圖，試驗結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

有機質(zhì)分解率（%）=（C1-C2）/C1×100（1）

式中：C1為處理前有機質(zhì)含量；C2為處理后有機質(zhì)含量［14］。

1.4.2? 蚯蚓處理前后餌料、蚯蚓、蚓床下土壤中Pb、Cr、Cd含量。

分析蚯蚓處理前后餌料、蚯蚓、蚓床下土壤中重金屬Pb、Cr、Cd含量的變化，用Origin 2018制圖，試驗結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，并計算蚓體內(nèi)重金屬Pb、Cr、Cd的富集系數(shù)。

富集系數(shù)（enrichment factor，EF）是評價重金屬元素對環(huán)境污染程度的指標(biāo)，是試樣中某種元素的濃度與背景中對應(yīng)元素的比值［3］。

EF=C1，sediment/C2，background（2）

式中：C1，sediment為重金屬濃度；C2，background為重金屬的背景值。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 蚯蚓處理過程中餌料理化性質(zhì)的變化

添加外源重金屬的處理組pH、TN、TP、TK、OM含量與空白組之間的差異均不顯著（P＞0.05），因此用試驗中處理組均值代表整體理化性質(zhì)變化趨勢。蚯蚓處理前后物料理化性質(zhì)變化見表2。經(jīng)蚯蚓處理后，室內(nèi)試驗與大田試驗的各指標(biāo)變化趨勢相同，蚯蚓處理產(chǎn)物的TN、TP含量顯著上升（P＜0.05），TK、OM含量顯著降低（P＜0.05），pH變化不顯著（P＞0.05）。

TP含量上升、OM含量下降與其他學(xué)者［15］的研究結(jié)論相同，TP含量增加主要是由于OM的礦化和物料總量的減少，使物料中TP的相對含量升高。OM含量減少的主要原因：一是隨著蚯蚓活動，有OM逐漸被降解，使之轉(zhuǎn)化為CO2和H2O［16］而釋放；二是蚯蚓在生長和繁殖過程中需要吞食餌料中大量腐殖質(zhì)以維持自身的生命活動，致使蚯蚓處理后的產(chǎn)物OM含量降低。TN含量上升，與許曉玲等［10，17］的研究結(jié)果一致，這是由于OM的礦化和物料總量的減少，使物料中TN的相對含量升高。另外，也與物料中微生物總量的升高有關(guān)系。

TK含量的下降與柏彥超等［18-19］的研究結(jié)果相同，與其他學(xué)者得出結(jié)論相反的原因有以下幾點：①餌料中重金屬鹽的加入改變了蚯蚓的生存環(huán)境，如餌料的酸堿度、微生物的群落、數(shù)量、種類等，因而TK含量變化不同于單純的蚯蚓處理；②蚯蚓種類不同對TK的影響不同，有研究表明赤子愛勝蚓處理污泥后TK含量減少，同種條件下另一種表層蚓處理后TK含量升高［20］。

無論是混合餌料還是單純牛糞餌料，對比餌料與蚯蚓處理產(chǎn)物pH的變化發(fā)現(xiàn)，處理前后pH變化不顯著（P＞0.05），這與其他研究者結(jié)論存在差異，同時物料的pH在試驗前后都較其他研究結(jié)果略大，這是由于蚯蚓處理添加外源重金屬不同于其他研究。蚯蚓處理使產(chǎn)物pH下降，原因是蚯蚓處理期間釋放NH3，物料中N和P被礦化［21］。

2.2? 蚯蚓處理過程中重金屬含量的變化

2.2.1? 餌料中重金屬含量的變化。

利用蚯蚓處理有機固體廢物，處理前后物料中重金屬含量的變化如圖1～3所示。從圖1～3可以看出，蚯蚓處理能顯著降低餌料中Pb、Cr、Cd濃度。

由試驗結(jié)果可知，蚯蚓處理產(chǎn)物中重金屬Pb、Cr、Cd濃度比初始餌料中重金屬濃度下降（表3～5）；經(jīng)蚯蚓處理后，餌料中Pb、Cr、Cd濃度最高降低率分別為46.91%、64.99%、69.92%。這與王振中等［22-23］的研究結(jié)果一致，蚯蚓對蚯蚓餌料中的重金屬具有去除作用。由圖1～3可知，蚯蚓處理前后空白組餌料中重金屬濃度變化不顯著，由此知空白組中重金屬濃度的變化是樣品之間的濃度差異。研究結(jié)果表明，空白餌料中的Pb、Cr、Cd濃度達(dá)不到蚯蚓對其富集的濃度。這對Su等［8，10］的研究結(jié)論有一定的解釋，蚯蚓處理產(chǎn)物中重金屬含量上升是由于蚯蚓處理使物料總量減少，所以使得重金屬的相對濃度增大。

由圖1可知，隨著餌料Pb濃度的增大處理產(chǎn)物中Pb濃度逐漸增大。一方面是由于蚯蚓對Pb的耐受濃度達(dá)到了極限；另一方面是試驗處理組的放蚓比例相同。隨著餌料Cr、Cd濃度的增大，處理產(chǎn)物中Cr、Cd濃度逐漸增大。大田與室內(nèi)試驗中餌料中Pd、Cr、Cd的去除差異不顯著（P＞0.05），大田試驗3個濃度組試驗中期餌料的重金屬Pb、Cr、Cd濃度降低幅度均小于后期的，這是由于蚯蚓體內(nèi)初期的Pb、Cr、Cd濃度較低，而后期的蚯蚓體內(nèi)有一定量的Pb、Cr、Cd，蚯蚓對重金屬的富集量和富集速度下降。大田與室內(nèi)試驗忽略空白處理后期餌料中Cr濃度為75.36～117.39 mg/kg（表4），結(jié)果表明蚯蚓處理后期餌料中可利用態(tài)Cr含量占比較小，不會再進(jìn)行遷移。圖3表明，試驗餌料中Cd濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到蚯蚓對Cd的耐受極限。

2.2.2? 蚯蚓體內(nèi)重金屬含量的變化。

從圖4～6可見，蚯蚓體內(nèi)的Pb、Cr、Cd含量顯著增加，初始蚓體內(nèi)Pb、Cr、Cd濃度為0.67、3.93、0.49 mg/kg，分別增加到20.40、45.85、60.49 mg/kg，蚯蚓富集3種重金屬能力的順序為Cd＞Cr＞Pb，富集系數(shù)分別為17.97、0.55、0.18；蚯蚓富集重金屬量與餌料中重金屬濃度呈正比。有研究表明，蚯蚓通過體表的被動擴(kuò)散作用和主動的攝食作用，內(nèi)臟器官完成吸收作用［24］。

大田試驗中Pb1的中期結(jié)果出現(xiàn)特例，原因是采樣時現(xiàn)場采樣點分布不均勻、蚯蚓控食過夜時吐泥不徹底，因此影響了試驗結(jié)果。室內(nèi)試驗蚓體內(nèi)Pb濃度的變化趨勢與大田不同，隨著餌料中Pb濃度的不斷增大，蚓體內(nèi)Pb濃度變化不顯著，是因為兩者的試驗餌料性質(zhì)與放蚓比例不同。大田試驗與室內(nèi)試驗的后期各濃度梯度組別之間蚓體內(nèi)Cr濃度差別不大，這是由于試驗設(shè)置的梯度較少以及濃度梯度差別不大，難以看出隨著餌料中Cr濃度的增大對蚯蚓富集Cr的影響。餌料中的Cd濃度并未達(dá)到蚯蚓對Cd的耐受極限，蚯蚓對重金屬Cd元素具有絕佳的耐受性。

從圖4～6大田試驗的3個濃度組試驗中期蚓體內(nèi)Pb、Cr、Cd的富集量上升幅度均大于后期，是由于蚓體內(nèi)初期的Pb、Cr、Cd濃度較低，而后期蚓體內(nèi)Pb、Cr、Cd濃度在中期的基礎(chǔ)上，后期蚯蚓對Pb、Cr、Cd的富集量和富集速度下降。

2.2.3? 蚓床下土壤重金屬含量的變化。

蚯蚓處理過程中蚓床下土壤重金屬Pb、Cr、Cd濃度變化如圖7所示，除CK外，樣品中Pb、Cr、Cd濃度均呈先上升后下降的趨勢，試驗結(jié)束時土壤中的重金屬濃度遠(yuǎn)高于初始土壤中的重金屬濃度。初始土壤中Pb、Cr、Cd濃度為18.20、37.43、0.59 mg/kg，試驗結(jié)束時Pb、Cr、Cd的濃度分別增加至59.63、118.35、2.33 mg/kg，表明餌料中部分重金屬遷移至土壤中。

土壤中重金屬Pb、Cr、Cd濃度的增加是由于在蚯蚓處理過程中，外界水的沖刷使餌料中重金屬隨水的流動轉(zhuǎn)移到土壤中。在處理后期土壤中Pb、Cr、Cd濃度的下降是由于蚯蚓處理過程中，餌料中可遷移重金屬已經(jīng)流失，土壤中的重金屬逐漸擴(kuò)散，使蚓床下土壤重金屬濃度降低。與Pb、Cr不同的是土壤中Cd濃度并沒有隨著餌料中Cd濃度的增加而增加，是由于試驗設(shè)置的Cd的濃度梯度較小，餌料中Cd含量較少，流失到土壤中的Cd不足以形成梯度。

3? 結(jié)論

（1）蚯蚓處理牛糞餌料后，蚯蚓處理產(chǎn)物的pH降低，蚯蚓處理產(chǎn)物的TN、TP含量上升，OM、TK含量顯著下降。2組試驗經(jīng)蚯蚓過腹處理前后，對各處理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行差異顯著分析，處理前后pH差異不顯著（P＞0.05）；處理前后OM、TN、TP、TK的差異顯著（P＜0.05）。添加外源重金屬的試驗處理組pH、OM、TN、TP和TK含量與空白對照（CK）間差異均不顯著（P＞0.05），表明餌料中含一定濃度的重金屬對蚯蚓正常的消化代謝活動影響不顯著。

（2）通過在蚯蚓餌料中添加外源重金屬調(diào)節(jié)餌料重金屬濃度，蚯蚓處理能顯著降低餌料中Pb、Cr、Cd濃度，蚯蚓處理產(chǎn)物中重金屬濃度的去除率與初始餌料中重金屬濃度呈正比，經(jīng)蚯蚓處理后，餌料中Pb、Cr、Cd濃度最高降低率分別為46.91%、64.99%、69.92%。蚯蚓體內(nèi)的Pb、Cr、Cd含量顯著增加，蚯蚓富集3種重金屬能力表現(xiàn)為Cd＞Cr＞Pb，富集系數(shù)分別為17.97、0.55、0.18，蚯蚓富集重金屬量與餌料中重金屬濃度呈正比。蚓床下土壤中重金屬的濃度均有明顯升高，表明在蚯蚓處理時物料中部分重金屬遷移至土壤中。CK中餌料、蚓床、蚓體內(nèi)的重金屬含量均無明顯變化。

（3）綜合分析蚯蚓處理前后餌料、蚓體、蚓床下土壤中重金屬Pb、Cr、Cd濃度之間的變化，重金屬Pb、Cr、Cd隨著蚯蚓的吞食進(jìn)入到蚯蚓體內(nèi)，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化之后部分富集至蚯蚓體內(nèi)，部分隨著蚓糞排出。研究結(jié)果表明，蚯蚓對環(huán)境的重金屬Pb、Cr、Cd具有富集作用，同時會隨著環(huán)境中重金屬Cd濃度的增大而富集量增大。

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