蚯蚓對土壤重金屬的影響

蚯蚓對土壤重金屬的影響

隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，重金屬污染土壤和作物的問題越來越明顯。這是因為在采、開采、沉淀、化工、電子、染料和其他行業(yè)產(chǎn)生的三廢污染，以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理使用農(nóng)藥和污灌木。長期使用污泥也會導(dǎo)致土壤中重金屬污染日益嚴(yán)重。大量重金屬元素進(jìn)入土壤中,引起環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重惡化。由于重金屬不易在生物物質(zhì)循環(huán)和能量交換中分解,土壤重金屬污染不僅抑制作物生長發(fā)育,促成作物早衰,降低產(chǎn)量,并且還會通過食物鏈的富集、傳遞,危害人體健康。尤為嚴(yán)重的是,有毒重金屬在土壤系統(tǒng)中所產(chǎn)生的污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點,一旦有毒污染物進(jìn)入土壤,則極難清理出來。因此,土壤重金屬污染與修復(fù)一直是國內(nèi)外的難點與熱點研究課題。1對重金屬污染的修復(fù)目前有效的土壤重金屬污染的修復(fù)主要有兩種途徑。一種是使重金屬在土壤中產(chǎn)生沉淀、吸附等一系列反應(yīng),改變重金屬在土壤中的存在狀態(tài),降低其生物有效性,使其鈍化,脫離食物鏈,減小其毒性。另一種是找尋重金屬超累積植物,利用植物吸收,降低土壤中重金屬含量;或者通過一些物理化學(xué)手段,例如添加浸提劑將土壤中大部分重金屬提取出來再進(jìn)行集中處理,從而達(dá)到修復(fù)土壤重金屬污染的目的。兩種修復(fù)重金屬污染的途徑,其關(guān)鍵都在于如何增加或者降低重金屬的生物有效性。重金屬的生物有效性是指重金屬能被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的性狀,可由間接的毒性數(shù)據(jù)或生物體濃度數(shù)據(jù)評價,所用評價方法有生物試驗法、指標(biāo)評價法、化學(xué)形態(tài)分析法等。生物有效性指標(biāo)BI(BioavailabilityIndex)指土壤被提取而導(dǎo)致植物中微量元素含量降低的幅度,BI越大,表示土壤被提取部分對植物中元素的富集影響越大,土壤中被提取的部分越能代表生物有效性部分。1.1土壤氧化還原電位對重金屬生物活性的影響重金屬在土壤中是以各種不同形態(tài)存在的,且這些形態(tài)的數(shù)量比例也會隨著土壤理化性質(zhì)等的變化而變化,并直接影響重金屬在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化以及其對動、植物的毒性。研究重金屬在土壤中的各種形態(tài)及其生物有效性具有重大的意義,影響重金屬生物有效性的因素有很多,主要包括土壤pH值、土壤氧化還原電位、土壤微生物、有機(jī)質(zhì)等。土壤pH值是影響重金屬元素形態(tài)、含量及其在不同形態(tài)間轉(zhuǎn)化的重要因素。Castilho等研究表明:pH值的變化會改變鎘的溶解狀況,當(dāng)土壤pH值為7.6時,濃度達(dá)50mg·kg-1鎘離子就會形成沉淀,此時,pH值每升高一個單位,鎘濃度就下降100倍。土壤氧化還原電位可以從兩個方面影響重金屬的生物有效性。首先,土壤氧化還原電位可以改變某些重金屬價態(tài),從而影響其有效性;其次,土壤氧化還原電位能夠使土壤溶液中水溶性重金屬形態(tài)發(fā)生變化,從而影響重金屬在土壤中的遷移和對植物的有效性。水溶性鎘隨著土壤的氧化還原電位的增大而增大。土壤中的微生物數(shù)量眾多,代謝活動旺盛,表面活性強(qiáng),微生物本身以及微生物與各種有機(jī)、無機(jī)膠體的相互作用對重金屬進(jìn)行生物吸附、富集、沉淀、溶解、氧化還原等行為,對重金屬的生物有效性及重金屬的毒性都會產(chǎn)生深刻的影響。微生物對土壤中重金屬活性的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面:微生物對重金屬的生物固定;細(xì)菌真菌細(xì)胞壁的吸附作用;微生物可通過氧化-還原作用、甲基化作用和脫烴作用等將重金屬離子轉(zhuǎn)化為無毒或低毒的化合物形式。進(jìn)入環(huán)境中的重金屬離子會同土壤中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)作用而被固定、富集,從而影響它們在環(huán)境中的形態(tài)、遷移、轉(zhuǎn)化和毒性。土壤有機(jī)質(zhì)對重金屬生物有效性的影響主要有兩個方面:第一,天然有機(jī)質(zhì)是一種有效的吸附劑,能夠吸附重金屬,極大地降低重金屬的活性;第二,土壤中有機(jī)質(zhì)的增加改變土壤中重金屬元素的化學(xué)形態(tài)分布,從而改變土壤中重金屬的移動性。1.2排污劑的分類重金屬的生物有效性受到這么多因素的影響,而且改變重金屬的生物有效性對土壤重金屬污染的修復(fù)具有關(guān)鍵作用。因此,國內(nèi)外廣大學(xué)者大多花費大量時間和精力來尋找某種可以顯著改變重金屬生物有效性的添加劑,根據(jù)重金屬污染的修復(fù)途徑,所找尋的材料主要集中在重金屬鈍化劑和活化劑這兩個方面,且以化學(xué)制劑為主。鈍化劑的種類很多,大致可分為有機(jī)型、無機(jī)型和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型3類。有機(jī)固化劑包括魚粉、馬糞、蘑菇糟渣、豬糞、秸稈等;無機(jī)固化劑包括石灰石、羥磷灰石、粉煤灰、磷酸鹽等;無機(jī)-有機(jī)復(fù)合固化劑包括泥炭、活性土、海泡石、污水污泥等。大量研究表明,這些固化劑對土壤中多種重金屬都有明顯的降低毒性的作用。例如,石灰或者生石灰能夠作用于Cd、Cu、Ni、Pb、Zn、Cr、Hg等多種重金屬,并使它們在土壤中離子的淋溶遷移性降低而達(dá)到降低毒性的目的。活化劑主要是一些螯合劑,常見的有EDTA(乙二胺四乙酸)、檸檬酸、NTA(氨基三乙酸)、EGTA(乙二醇二乙醚二胺四乙酸)、DTPA(二乙基三胺五乙酸)、EDDS(乙二胺二琥珀酸)等。這些螯合劑之所以能夠活化重金屬,主要是因為它們具有多齒狀的配位基,能與單一金屬離子形成雜環(huán)化學(xué)復(fù)合物,能夠從有機(jī)物中將金屬離子解吸出來,增加土壤中重金屬的溶解度,促進(jìn)重金屬自根系向地上部轉(zhuǎn)運。2骨盆的性質(zhì)以及重金屬污染的潛力2.1養(yǎng)成環(huán)境,以食料為原料的微生物指標(biāo)蚯蚓食性廣、食量大,能利用各種有機(jī)物作食物,在土壤生活過程中,蚯蚓把食料中的有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為氨基酸、聚酚等較簡單的化合物,最后排出糞便。蚯蚓糞具有獨特的物理、化學(xué)、生物性質(zhì),因此具有多方面的作用。2.1.1合成培養(yǎng)機(jī)制原理及其復(fù)配的方法特點蚯蚓糞是一種黑色、均一、有自然泥土味的細(xì)碎類物質(zhì),其物理性質(zhì)由原材料的性質(zhì)及蚯蚓消化的程度決定。蚓糞也是一種團(tuán)聚體,大多為粒徑0.5~3mm的橢圓形及長圓形的團(tuán)聚體,尤以1~2mm者為多,有時也可再粘結(jié)成團(tuán)塊狀;蚯蚓糞的水穩(wěn)定性往往比非蚯蚓形成的團(tuán)聚體高。蚯蚓在其生活過程中,攝取土壤中大量有機(jī)質(zhì)并將其分解轉(zhuǎn)化為氨基酸、聚酚等較簡單的化合物,在腸細(xì)胞分泌的酚氧化酶及微生物分泌酶的作用下,縮合形成腐殖質(zhì)。因此,蚓糞中含有大量的腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)固有的膠體特性,可以改善土壤的結(jié)構(gòu),有利于土壤的通氣、保水、提高土壤的緩沖能力。有研究表明蚯蚓糞能夠增加土壤的孔隙度,增加土壤為團(tuán)聚體的數(shù)量,具有良好的物理性質(zhì)。此外,蚯蚓糞因有很大的表面積,使許多有益微生物得以生存并具有良好的吸收和保持營養(yǎng)物質(zhì)的能力。2.1.2蛋白質(zhì)和微量元素與其他物質(zhì)相比,蚯蚓糞中含有豐富的化學(xué)成分。據(jù)測定,其中有機(jī)質(zhì)含量為19.47%~42.20%,腐植酸含量11.7%~25.8%,氮磷鉀總養(yǎng)分>3%。蚓糞中還含有許多營養(yǎng)成分,粗灰分含量高達(dá)74.55%,作為畜禽飼料,是礦物質(zhì)飼料的來源之一。此外,還含有蛋白質(zhì)6.23%,其中富含谷氨酸、天門冬氨酸和纈氨酸等多種必需氨基酸。植物必需的16種營養(yǎng)元素中,有些在植物內(nèi)的含量較低,約占植物干重的千分之幾到萬分之幾,稱為微量元素,如鐵、錳、鋅、銅、鉬、硼等,但它們對于植物生長發(fā)育都擔(dān)負(fù)著不同的生理功能,這些元素在蚯蚓糞中都有分布。蚯蚓在分解有機(jī)質(zhì)的同時,也分解其中的礦物質(zhì)元素,因而在某種程度上提高了蚓糞礦物元素的含量,并對其有效性也有相應(yīng)的提高。畜禽糞便一般呈堿性,而大多數(shù)植物喜好的生長介質(zhì)偏酸性(pH6~6.5),在蚯蚓消化的過程中,由于微生物新陳代謝過程中有機(jī)酸的產(chǎn)生使蚯蚓糞的pH值降低,而趨于中性。此外,有研究表明蚯蚓糞中還具有刺激植物生長的植物激素,如赤霉素、生長素、細(xì)胞分裂素等,這些激素在植物的新陳代謝中發(fā)揮著重要作用,能影響植物的生長和作物的品質(zhì)。2.1.3微生物數(shù)量的增加蚯蚓消化道是許多細(xì)菌和放線菌等微生物生長繁殖的一個小型的“培養(yǎng)室”。當(dāng)蚯蚓攝入含有大量微生物的有機(jī)質(zhì)后,微生物和食物隨著消化道的作用最終排放入蚯蚓糞中,使蚯蚓糞也中富含細(xì)菌、放線菌和真菌等大量多種微生物類群,并且由于蚯蚓糞中營養(yǎng)物質(zhì)豐富,排出的蚯蚓糞在第一周內(nèi)細(xì)菌的數(shù)量還會成倍增加。這樣,帶有保持旺盛活力微生物的蚯蚓糞便成了土壤微生物的傳播中心,也是土壤有機(jī)物的分解中心。不同糞齡的蚓糞中,所含的微生物量不同。新排出體外3h的蚓糞中,細(xì)菌數(shù)量低于原土壤,以后隨時間的增加,細(xì)菌的數(shù)量開始增加,在86h時蚯蚓糞便中細(xì)菌數(shù)量最多,以后開始出現(xiàn)下降的趨勢,下降到與原土壤中細(xì)菌數(shù)量相接近時,開始小范圍上下波動。蚓糞中放線菌、真菌數(shù)量變化不大。蚓糞中固氮菌能固定空氣中的氮,合成蛋白質(zhì),在土壤中積累大量氮素,利于植物吸收利用;好氣菌分解腐殖質(zhì)也可供植物消化利用;硝化細(xì)菌對腐生菌有輔助和配合作用,把腐生菌分解有機(jī)肥料時產(chǎn)生的氨轉(zhuǎn)化成對植物有效的硝酸鹽,大大提高植物養(yǎng)分的利用率。此外,微生物不僅使一些復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成作物易吸收的成分,其新陳代謝產(chǎn)生的次生代謝物與激素一起會促進(jìn)作物的生長?？梢哉f蚓糞作為一種能夠促進(jìn)植物生長的肥料和其中所含有的大量微生物是分不開的。2.2對雞的生長和抑制作用隨著對蚯蚓糞研究的深入,發(fā)現(xiàn)有關(guān)蚯蚓糞的應(yīng)用并不僅僅局限于作為肥料促進(jìn)植物生長和抑制土傳病害。近年來的研究中,發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞還有去除臭味、用作肉雞飼料添加劑等作用。但是最重要的是在蚯蚓、蚓糞的研究歷史中,根據(jù)一些研究結(jié)果,可以推測出蚯蚓糞有作為土壤重金屬污染修復(fù)劑的潛力,集中體現(xiàn)在以下兩個方面。2.2.1鐵鋁錳土壤中重金屬的生物復(fù)合吸附鈍化重金屬的鈍化劑,通過調(diào)節(jié)和改變重金屬在土壤中的物理化學(xué)性質(zhì),能使重金屬產(chǎn)生沉淀、吸附、絡(luò)合等一系列反應(yīng),降低其在土壤環(huán)境中的生物有效性和可遷移性,從而減少這些重金屬元素的毒性,起到鈍化作用。我們推測蚯蚓糞具有鈍化重金屬的潛能,可作為修復(fù)土壤重金屬污染的鈍化劑,主要基于以下事實:(1)與蚯蚓糞相似的畜禽類糞便雞糞、牛糞、豬糞等,添加到土壤中后,作為有機(jī)固化劑都或多或少地降低了土壤中重金屬的生物有效性。例如,高山等運用連續(xù)提取法研究豬糞對潮土中外源鎘的形態(tài)的影響。結(jié)果表明,豬糞顯著增加了土壤有機(jī)碳、活性氧化物的含量并且顯著地增加了緊有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘含量,而顯著地降低了交換態(tài)鎘的含量。并隨著時間的增長,影響更顯著。這一結(jié)論與張秋芳等的研究結(jié)果一致。(2)蚯蚓在其生活過程中,攝取土壤中大量有機(jī)質(zhì)并將其分解轉(zhuǎn)化為氨基酸、聚酚等較簡單的化合物,在腸細(xì)胞分泌的酚氧化酶及微生物分泌酶的作用下,縮合形成腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)中主要活性部分為腐植酸,因此蚯蚓糞中含有大量的腐植酸,占到11.7%~25.8%。大量研究表明腐植酸本身是很強(qiáng)的吸附劑,能夠吸附可溶態(tài)重金屬,影響重金屬生物有效性。例如王晶等討論了腐植酸及其數(shù)量在棕壤土上對重金屬Cd的賦存形態(tài)的影響作用,其研究結(jié)果表明,隨腐植酸投入比例加大,可溶態(tài)Cd含量明顯下降,有機(jī)態(tài)Cd則反之,鐵鋁(錳)氧化態(tài)Cd與有機(jī)態(tài)Cd雷同。呂福榮等采用堿溶酸沉法提取土壤中的腐植酸,研究其對Co2+、Cd2+的吸附作用,結(jié)果表明該土壤中腐植酸對Co2+、Cd2+有較強(qiáng)的吸附作用且腐植酸對Co2+、Cd2+的吸附是通過兩級絡(luò)合反應(yīng)形成配合物的方式結(jié)合的。國內(nèi)外許多學(xué)者對這方面的研究也得到了相似的結(jié)果,大量研究表明,植物吸收的Cd的量隨著土壤中腐植酸、陽離子交換量、pH值的增加而降低。此外,腐植酸具有酚羥基、羧基、羰基、氨基等多種官能團(tuán),這些基團(tuán)能夠與土壤中重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),從而改變重金屬的活性。未解離羧基和酚羥基是腐植酸與Cd的主要絡(luò)合位點,該絡(luò)合物的穩(wěn)定性隨腐植酸芳構(gòu)化程度的增加而增加。陳盈等將草碳、褐煤和風(fēng)化煤中的腐植酸與Mn和Zn絡(luò)合并測定絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù),說明腐植酸的腐殖化程度越高,與金屬離子形成絡(luò)合物的穩(wěn)定程度越大。(3)蚯蚓糞表面積大,且增加了土壤的孔隙度,吸附能力較強(qiáng),因此可以較大程度地吸附重金屬。RidvanKizilkaya對污水污泥處理的土壤中投放LumbricusterrestrisL.蚯蚓,一段時間后收集蚯蚓個體和蚯蚓糞便測定其中不同形態(tài)重金屬Cu、Zn的含量,發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞中含有高量的重金屬且有機(jī)結(jié)合態(tài)金屬含量最高,交換態(tài)和可溶性金屬都較少。此外,SulataMaity的研究也發(fā)現(xiàn),蚯蚓處理重金屬Zn和Pb污染的土壤后排出的蚯蚓糞中DTPA-Pb和DTPA-Zn的含量也顯著降低。因此,可以看出蚯蚓糞能夠吸附重金屬并且還可以降低重金屬的生物有效性。(4)蚯蚓糞中富含細(xì)菌、放線菌和真菌等大量多種微生物類群。微生物本身以及微生物與各種有機(jī)、無機(jī)膠體的相互作用對重金屬進(jìn)行生物吸附、富集、沉淀等行為都會降低重金屬的生物有效性。細(xì)菌的細(xì)胞壁富含羧基陰離子和磷酸陰離子,使得細(xì)菌表面具有陰離子的性質(zhì),很容易與金屬發(fā)生反應(yīng),因而金屬很容易結(jié)合到細(xì)菌的表面而被固定,從而降低了重金屬的生物有效性。例如Robinson對4種根際熒光假單胞菌對富積與吸收Cd的研究發(fā)現(xiàn),根際細(xì)菌對Cd的富積達(dá)到環(huán)境中的100倍以上。Beveridge等研究發(fā)現(xiàn)從芽孢桿菌(Bacillussubtilis)上分離下來的細(xì)胞壁可以從溶液中螯合大量的Mg2+、Fe3+、Cu2+、Na+和K+,中量的Mn2+、Zn2+、Ca2+、Au3+和Ni2+以及少量的Hg2+、Sr2+、Pb2+和Ag+。真菌對重金屬也有吸附固定作用。其吸附的方式主要有兩種:一是細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)(如琉基、羧基、羥基等)與重金屬離子發(fā)生定量化合反應(yīng)(如離子交換、配位結(jié)合或絡(luò)合等)而達(dá)到吸收的目的;二是物理性吸附或形成無機(jī)沉淀而將重金屬污染物沉積在自身細(xì)胞壁上。如姜華等采用微生物學(xué)法,從污水處理廠活性污泥中分離到了能抗重金屬鎘、鉻、砷、汞和鉛的4株霉菌,分別為變幻青霉、桔黑青霉、淡紫擬青霉和鏈格孢霉,對重金屬都有較強(qiáng)的吸附能力。Suh等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)茁芽短梗霉分泌一些胞外聚合物質(zhì)時,Pb2+便積累于整個細(xì)胞的表面,且隨著細(xì)胞的存活時間增長,胞外聚合物質(zhì)的分泌量增多,積累于細(xì)胞表面的Pb2+水平就越高,從最初的56.9mg·g-1上升到215.6mg·g-1(干重)。(5)蚯蚓糞中含有豐富的營養(yǎng)成分,其中氮、磷、鉀總養(yǎng)分>3%。土壤中養(yǎng)分的增加對重金屬的生物有效性也有一定的影響。有研究表明鉀肥的施入能夠降低土壤中交換態(tài)鎘的含量,且顯著降低了小麥對鎘的吸收。還有研究表明,在有重金屬污染的土壤中,添加一定比例的蚓糞與不加蚓糞處理相比,植物的成活率高。例如張燁等以紫花苜蓿為材料,在鐵尾礦中添加蚯蚓糞,研究蚯蚓糞對紫花苜蓿生長的影響,發(fā)現(xiàn)在基肥相同條件下,紫花苜蓿的成活率與蚓糞添加量呈正比,因此推測可能因蚓糞鈍化了土壤中重金屬、降低了毒性而使植物的成活率提高。說明蚓糞不僅能促進(jìn)植物生長,還能在一定程度上用于重金屬污染土壤中植被的恢復(fù)。2.2.2苯二氮素表現(xiàn)為土在近年來的研究中,雖然大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為與蚯蚓糞相似的畜禽類糞便雞糞、牛糞、豬糞等作為有機(jī)固化劑,能夠鈍化重金屬,但是仍然有小部分學(xué)者的研究結(jié)果表明添加這類糞便后反而增加了重金屬的生物有效性。例如,Krebs等對十年前施入雞糞和豬糞的土壤中的重金屬Zn、Cu、Cd得含量進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)植物對重金屬的吸收以及可溶性重金屬的含量相比較對照都較高。郝秀珍等在研究不同改良劑對銅礦尾礦砂與菜園土混合土壤pH、有效態(tài)重金屬含量、脲酶和磷酸酶活性以及混合土壤上種植的黑麥草生長的影響時,發(fā)現(xiàn)使用雞糞處理明顯增加了土壤中包括銅、鉛和鋅等有效態(tài)重金屬的含量。這種研究結(jié)果的不一致性,也引起了我們對蚯蚓糞與重金屬間作用的進(jìn)一步思考,推測蚯蚓糞可能還有活化重金屬的作用。林淑芬等向重金屬Cu污染的土壤中添加蚯蚓糞并種植黑麥草,結(jié)果