【研究】蚯蚓在土壤重金属污染及其修复中的应用

蚯蚓对重金属的富集与释放

相关研究表明,蚯蚓对重金属有一定的忍耐和富集能力,蚯蚓对重金属的富集主要是通过被动扩散作用(passivediffusion)和摄食作用(resorption)2种途径,前者是污染物从土壤溶液穿过体表进入蚯蚓体内,而后者则是污染物由土壤通过吞食作用进入蚯蚓体内,并在内脏器官内完成吸收作用。有些蚯蚓种类能存活于重金属污染土壤(包括一些金属矿区),并能在体内富集一定量的重金属而不受伤害或伤害较轻。蚯蚓体内富集的重金属可以在食物链中传递和生物放大,其过程取决于重金属化合物的持久性和可富集性。在蚯蚓的忍受范围内,当蚯蚓吸收的重金属积累到一定程度就会通过粪便和分泌物排出;如果蚯蚓吸收的重金属超过了蚯蚓的忍受范围,则会直接毒害蚯蚓。

Hendriks和Ma通过室内模拟试验和田间试验,均证明了蚯蚓对Cd具有极强的富集能力,这与寇永纲等的研究结论一致,随着Pb浓度的增加,蚯蚓体内的富集量也增加;单位质量蚯蚓培养期内吸收Pb量与Pb浓度梯度表现出极显著差异。Edwards等研究了蚯蚓体对Cu和Hg的生物可利用性,认为蚯蚓对两者均有富集作用。吴国英等采用室内接种法的研究结果表明,赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)对猪粪中重金属Cu、Zn具有一定的吸收能力,富集系数分别为0.43、0.73。戈峰等的研究揭示了蚯蚓对Se、Cu有很强的富集作用,体内最高富集量分别可达33215和136719mg/kg,分别相当于体重的0.03%和0.12%,这些都表明蚯蚓对重金属均有较强的富集能力。郭永灿等的研究证明重金属在蚯蚓体内富集量随污染程度增加而上升,重污染区为中污染区的2.27倍,轻污染区的7.30倍。

同时,蚯蚓对重金属的忍耐和富集能力是有选择性的,对不同重金属最大富集量的出现时间也不相同,对各种重金属的富集量随着培养时间的增加而变化。牛明芬和崔玉珍通过蚯蚓处理垃圾及纳污河流底泥实验研究发现,蚯蚓可选择吸收并富集垃圾及底泥中的Cd,但对其他重金属元素Pb,Cu,Zn等并无此种富集吸收现象。通过对富集系数K的比较研究,王振中等发现蚯蚓体对重金属吸收顺序为Cd>Hg>As>Zn>Cu>Pb,其中Cd的富集系数大于1,表现为强烈富集作用。Gregor等对8种不同蚯蚓在森林土壤中对Hg、Cd、Pb的富集情况进行了系统研究,结果表明蚯蚓对重金属的富集能力依次为Cd>Hg>Pb,与上述研究结果一致。伏小勇等对微小双胸蚯蚓的研究表明,蚯蚓对Cu、Pb富集量在第2周时达到最大,而对Zn的富集量在第4周时达到最大。陈玉成等研究表明,重金属富集系数与转化方式之间没有明显相关性,蚯蚓最易富集的金属元素是As和Cd,而不易富集Hg。此外,对于重金属在蚯蚓体内的富集形态也进行了一定的研究,Anita等的研究表明,土壤中的As主要以砷酸盐形态存在,而蚯蚓体内的As除了砷酸和亚砷酸盐两种主要形态外,还有二甲砷酸检出。尽管蚯蚓富集重金属后不能像超富集植物那样容易移除,但其对重金属的富集与释放对于土壤重金属污染修复具有积极意义,蚯蚓活动及其生理过程将能有效地促进重金属在土壤中的迁移,并能提高其生物可利用性。

重金属污染对蚯蚓的生态毒理研究

1重金属对蚯蚓的急性毒性

有关学者对蚯蚓的急性毒性进行了大量的研究,宋玉芳等的报道表明,蚯蚓个体对重金属毒性的耐受程度差别较大,其毒性阈值分别为:Cu300mg/kg,Zn1300mg/kg,Pb1700mg/kg,Cd300mg/kg;蚯蚓的半数致死浓度(LC50)分别为:Cu400~450mg/kg,Zn1500~1900mg/kg,Pb2350~2400mg/kg,Cd900mg/kg,这与郭永灿等的报道结果基本一致,各重金属元素48h的LD50分别为:Cd1000mg/kg,Pb81mg/kg,Cu633mg/kg,Hg304mg/kg,Zn528mg/kg,Cr428mg/kg。赵丽等采用滤纸接触法测得Cd、Cu对蚯蚓的LC50分别为1612.57mg/L和584.93mg/L,人工土壤法测得Cd、Cu对蚯蚓的LC50分别为875.05mg/kg和116.91mg/kg,表明Cu对该蚯蚓的毒性强于Cd。

同时,有关研究人员对复合污染的急性毒性也进行了研究,宋玉芳等的研究还表明,在Cu、Zn、Pb、Cd单一污染引起大于10%蚯蚓死亡浓度下,复合污染导致100%蚯蚓死亡,表明复合污染极强的协同效应。贾秀英等测定了Cu、Zn单一与复合污染对蚯蚓的急性致死及亚致死效应,结果表明,蚯蚓个体对Cu、Zn的耐受程度不同,其毒性阈值Zn>Cu,此结果与宋玉芳等的研究结果相符合。Cu、Zn浓度与蚯蚓死亡率显著正相关,与体重增长率显著负相关。赵作媛等对镉-菲复合污染影响下蚯蚓的急性毒性进行了系统研究,结果表明,14天时镉、菲对蚯蚓的LC50分别为788.71mg/kg、42.51mg/kg,菲的毒性大于镉毒性。镉在各浓度下与菲复合,对蚯蚓的毒性都产生拮抗作用,且随镉浓度升高其降低菲毒性的程度降低,说明复合污染物的组成及各污染物的不同浓度组合是决定混合物毒性的重要因素。

2重金属对蚯蚓机体组织的影响

郭永灿等对重金属污染胁迫下蚯蚓机体组织破坏进行了系统研究,对株洲冶炼厂附近重金属污染区采回的白颈环毛蚓(Pheretimacalifornica)电镜观察表明,蚯蚓胃肠道粘膜上皮细胞均发生不同程度的损伤,主要表现为胃肠道粘膜层出血、背血管肿胀,上皮细胞产生萎缩或溃疡灶。这些病变随污染程度的不同而不同,重污染区比轻污染区要严重,在重污染区的蚯蚓胃肠道粘膜上皮细胞核周腔扩大甚至解体,同时可见到线粒体肿胀、凝聚及线粒体嵴消失,甚至空泡化或解体;高尔基复合体膨大,内质网扩张,溶酶体增生;细胞核膜间隙肿胀、断裂、核质外溢,胞质自溶。此外,重金属污染还会引起蚯蚓的体表溃疡甚至产生肿瘤,同时蚯蚓特有的黄色细胞也会因污染程度的不同而显示出消长规律,重金属污染程度与上皮细胞超微结构病变大小呈正相关。

王盛权等采用滤膜法研究了Hg和Cd单一污染对赤子爱胜蚓血细胞微核的影响,结果表明,重金属污染能使其蚯蚓血细胞产生一定数量的微核,具有一定的遗传诱变效应,微核产生率随污染浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。其中,Hg在0~25.5mg/L的浓度范围内,微核率与处理浓度呈极显著正相关;在25.5~63.75mg/L浓度范围内,微核率与处理浓度呈极显著负相关。Cd在0~115mg/L浓度范围内,微核率与处理浓度呈极显著正相关;在115~143.75mg/L浓度范围内,微核率与处理浓度呈极显著负相关。

3重金属对蚯蚓体内酶活性的影响

有关研究表明,重金属污染对蚯蚓体内酶活性有重要影响。王振中等的研究表明,Cd中毒后蚯蚓过氧化物同工酶活性增加,脂酶同工酶活性减弱;Pb中毒后蚯蚓过氧化物酶和脂酶同工酶活性均增加。郭永灿等的报道也证明重金属对蚯蚓酯酶同工酶有抑活作用,而重金属对蚯蚓过氧化物酶同工酶有激活作用。郭永灿等还对株洲工业区蚯蚓酯酶及过氧化物酶同工酶进行比较研究,结果证明重金属污染土壤中蚯蚓体内酯酶同工酶酶带减少,酶活性降低,而其过氧化物酶酶带和酶活性有所增加。

吴国英和贾秀英研究了猪粪基质中重金属Cu、Cr和Cd对赤子爱胜蚓体重和体内纤维素酶活性的影响,结果显示Cu、Cr和Cd污染均可导致蚯蚓体重下降,并且降幅和各污染物浓度的增加和暴露时间呈正相关性,同时蚯蚓体内纤维素酶活性受到抑制,但不同重金属、不同暴露浓度对蚯蚓纤维素酶活力的作用效应不同。林少琴和兰端芳报道了金属离子在体内外对蚯蚓SOD、CAT及GSH-Px酶活性的影响,不同金属粒子在体内、体外对蚯蚓体内主要酶类活性表现出不同的效应,Zn2+、Fe3+、Mn2+、Hg2+等在体外对蚯蚓SOD表现为强烈抑制作用,抑制率达0~30%,在体内不同程度地表现为激活作用;Zn2+、Fe3+、Mn2+在体外对蚯蚓CAT有抑制作用,Mg2+、Hg2+、Cd2+则对CAT表现为激活作用,但在体内Zn2+、Fe3+则转变呈现出激活作用;Zn2+、Fe3+、Mn2+等在体外对蚯蚓GSH-Px表现出抑制作用,在体内1天内表现出抑制作用,但2天后表现为激活作用。Andrea等的研究还证实,在Hg污染土壤短期(2天)和长期(44天)暴露下,蚯蚓谷胱甘肽还原酶会产生随时间变化的氧化应激,谷胱甘肽还原酶的氧化还原可用于土壤Hg污染评估。