【研究】蚯蚓在土壤重金属污染及其修复中的应用-第3页-北极星环境修复网

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4重金属污染对蚯蚓种群的影响

土壤重金属污染会对蚯蚓造成毒害作用,同时生存在重金属污染土壤中的蚯蚓会对此有所反应,重金属污染会引起土壤动物群落结构、生物种类和生物数量的变化。有关研究表明,不同品种蚯蚓对重金属污染的反应有差别,一些品种蚯蚓对重金属很敏感,重金属会严重影响种群的个体数量和生育繁殖,如赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)就对土壤中Cd污染敏感。邓继福等报道了土壤重金属污染对土壤动物群落的生态影响,其中也专门提及了土壤大型动物蚯蚓,研究结果表明随着重金属污染程度的增加,土壤中蚯蚓种类迅速减少。

Maboeta等的田间试验研究结果表明,施用氯氧化铜(杀真菌剂)对蚯蚓Microchaetussp.和Aporrectodeacaliginosa的生物量和种群数量产生了较大影响,两种蚯蚓数量明显降低。同时,对两种蚯蚓溶酶体膜完整性进行了检测,结果表明溶酶体膜在蚯蚓种群变化之前,已发生了变化。Svendsen和Week在研究Cu污染条件下蚯蚓腔胞溶酶体膜完整性的同时,也从生态学的角度系统研究了重金属污染与蚯蚓个体、种群水平变化的关系,结果表明仅在Cu浓度超过了标志物所能承受的极限浓度时,蚯蚓个体、种群水平才发生变化。通过上述研究,逐步建立了细胞反应与蚯蚓在种群水平变化的关系。

重金属污染对蚯蚓的生态毒理研究取得了一定的研究成果,但是需要特别指出的是,目前大部分生态毒理实验所采用的蚯蚓均为表居型蚯蚓,该类蚯蚓主要以土表残落物为食,不同生态型蚯蚓在土壤中所处位置不同,食性各异,在以后的生态毒理研究中应增加耕层及以下土壤蚯蚓品种的相关毒理研究,使研究结果更客观真实。

蚯蚓对重金属污染土壤修复的机理

蚯蚓在重金属污染土壤修复中的作用,一方面体现在蚯蚓自身对重金属的耐性及富集吸收,另一方面则可归结为蚯蚓活动对土壤重金属的活化作用。

1蚯蚓对土壤重金属的耐性机制

很多研究表明蚯蚓对重金属具有耐性,蚯蚓对土壤重金属的富集和活化建立在其对重金属的耐性基础上,但对其耐性机理认识还不很清楚,各派学者对耐性机制的认识也不统一,以后应加强耐性机制的研究。有学者认为,蚯蚓体内含有丰富的酶类,包括过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶及超氧化物歧化酶等酶类构成的脂质过氧化保护酶系统,当蚯蚓暴露于重金属后,产生了氧化胁迫,激发了这些酶的活性。Morgan等认为分隔、固定作用是蚯蚓耐受重金属的机制,他发现蚯蚓体后消化道组织集中了蚯蚓所累积的大部分的Cd、Pb、Zn,主要富集部位为细胞内的泡囊,并且重金属离子与磷键相结合,形成难溶性的金属磷酸钙盐,从而阻止了金属向其他组织扩散。

Sterzenbaum等研究者认为,蚯蚓耐受重金属也可能是由于重金属与富含半胱氨酸的小分子蛋白质或金属硫蛋白相结合,进而降低其毒性。Dallinger研究了蚯蚓对体内重金属的解毒机制和抗性机制,其中包括产生金属结合蛋白络合金属元素。Ireland对金属结合蛋白络合重金属元素、蚯蚓体腔内腔胞的溶酶体和细胞质粒抑制重金属活性等机制也进行了系统研究,Morgan等的研究也证实蚯蚓还可以通过体腔内腔胞的溶酶体和细胞质粒抑制重金属活性来进行解毒。此外,也有研究认为蚯蚓体内黄色组织中的黄色细胞具有蓄积某些重金属的作用。

2提高土壤重金属的生物有效性

蚯蚓的取食、作穴和代谢等生命活动能大大提高土壤中重金属元素的生物有效性,进而促进植物吸收。同时,蚯蚓还能改善土壤条件,促进土壤养分循环,提高植物产量,进而影响植物对重金属的修复效率。Devliegher和Verstraete研究发现蚯蚓通过肠道消化和养分富集两个过程可以提高土壤中植物养分(Mg、Ca、Fe、Mn)和金属元素(Cr、Co)的有效性。白建峰等的报道也表明,接种蚯蚓能显著增加玉米生物量,提高根际土壤中结合态的As含量。Maboeta在用某Pb、Zn尾矿土壤培养蚯蚓,发现蚯蚓活动使土壤有效态Pb、Zn含量分别提高48.2%、24.8%。Cheng和Wong研究发现,加入蚯蚓可显著提高红壤中DTPA提取态Zn和黄泥土中的有机结合态Zn。俞协治和成杰民研究证实,蚯蚓活动显著增加红壤中DTPA提取态Cu的含量。刘德鸿等研究证实蚯蚓活动能显著提高高沙土和高丹草中碳酸盐结合态Cu、Cd和铁锰氧化物结合态Cu及Cd的含量。

蚯蚓活动可以改变土壤的酸碱度,土壤pH也是影响重金属生物有效性的重要因素。Cheng和Wong研究表明,红壤接种蚯蚓后,土壤pH降低0.03~0.18,而高砂土的pH则略有升高,不同类型土壤引入不同种类蚯蚓后,土壤pH改变有一定差异。同时,蚯蚓活动可以分泌大量含有-COOH、-NH2、-C=O等活性基团的胶黏物质,能络合、螯合重金属,提高土壤中重金属的活性,同时胶黏物质又是微生物的生活基质,会不断被微生物分解。胶粘物质处于不断分泌-不断络合、螯合重金属-不断分解的动态过程中,这将比静态过程更为有力地推动土壤重金属的活化。

蚯蚓与植物、微生物的协同作用

1蚯蚓和植物的协同作用

大量研究证实,蚯蚓能改善重金属污染土壤条件,增强养分循环,促进植物生长,在一定程度上弥补了超积累植物生物量小这一不足。Basker的研究结果表明,蚯蚓作用后土壤有机物C/N比逐渐降低,可以提高土壤养分的有效性和养分周转率,刘宾等的研究也取得了类似的结果。Abdul等研究证实蚯蚓活动显著增加了重金属污染土壤中黑麦草中Zn、Cu、Pb含量,黑麦草产量提高明显,俞协治和成杰民的模拟研究也证实了这一点,接种蚯蚓显著提高了Cd、Cu污染红壤中浓度低于400mg/kgCu和10mg/kgCd处理上的黑麦草的产量。胡锋等报道,蚯蚓工作过的红壤中矿质总氮、无机磷、有效SiO2、Mo、Zn都明显高于对照土壤。同时,死亡的蚯蚓也能为土壤提供大量的氮磷养分,据Amador估算,死亡蚯蚓释放的易利用态有机氮约21.1~38.6t/(hm2˙y)。

同时,蚯蚓在降解土壤有机废物过程中还能提高土壤中腐殖质和有机酸含量,并促进植物生长。Ma等在对某Pb、Zn尾矿土壤修复研究中发现,在种植大本豆科植物Leucaenaleueoeephala的同时引入蚯蚓,植物产量提高了10%~30%,由此植物吸收重金属的比率提高了16%~53%。刘玉真等的研究发现,蚯蚓活动还可以增加水溶态重金属的含量,降低其有机态含量,蚯蚓活动能提高土壤微生物活性,增加植物生物量。Zhang等的研究表明,蚯蚓黏液中含有大量的可溶性有机碳(DOC)、NH4+-N、NO3--N、P和K等植物可利用营养成分,促进了植物生长及对重金属的富集。在Cd污染胁迫下,蚯蚓黏液分别使番茄幼苗根系、茎和叶的鲜重增加123.9%、16.2%和32.0%,植物体中Cd浓度升高22.5%、14.4%和28.9%,Cd富集量增加173.2%、14.5%和75.4%。

原标题：研究| 蚯蚓在土壤重金属污染及其修复中的应用

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