蚯蚓對污染土壤的生物修復研究進展
蚯蚓在陸地生態系統中占有非常重要的地位.它們參與土壤有機質的分解和養分循環,其取食活動間接地對土壤起到了機械翻動的作用,并改造了土壤的結構性、通氣性和透水性,使土壤迅速熟化。蚯蚓在正常代謝過程中產生的蚯蚓糞便含有大量的微生物群落和復雜的有機化學成分,并具有特殊的物理結構,因而在改善土壤的各種理化結構和提高土壤肥力等方面具有非常重要的作用,被稱為“農業的犁手”和“改良土壤的能手”。隨著工業進程的發展和人類對蚯蚓研究的不斷深入,蚯蚓的生態功能和經濟應用價值日趨明顯。蚯蚓對土壤中的重金屬和有機物等多種化學污染物具有較好的耐受性,可以在組織內進行生物蓄積。Contreras—Ramos等研究證實,蚯蚓可以移除土壤中的重金屬(cd、Pb、Cu、Hg等)、殺蟲劑和親脂性有機微量污染物——多環芳烴(PAH)等。重金屬和多環芳烴對生物體具有一定的毒性,且不同種蚯蚓對污染程度的忍受力不同,因而蚯蚓的分布還可以作為污染地區受污染程度的監測指標。蚯蚓糞便中含有的微生物可以抑制植物土傳病害。蚓糞中還含有一些特殊的植物生長激素,因此施加蚓糞可以明顯地促進植物的生長和發育。
1蚯蚓的生物學和生態學特性
蚯蚓是一種營土棲生活的低等動物,是完全的土壤環節動物,寡毛綱。蚯蚓喜食土壤中的腐殖質,適于生活在溫暖、濕潤、疏松、有機質豐富的中性土壤中。蚯蚓生長的適宜溫度為18—25℃,高于35℃或低于6℃生長繁殖受到抑制。蚯蚓培養基適宜含水量為35%一55%。一般在每公頃土壤中,蚯蚓的數量可達30萬條,在森林和沼澤土壤表面的枯枝落葉層中數量較多,每公頃可達294萬條。蚯蚓營穴居生活,通過吞食土壤來形成通道。土壤中蚯蚓的分布依賴于土壤濕度、有機物質的利用度、土壤pH等因子。蚯蚓很少生活在粗糙組織的土壤中,而大量存在于黏土或pH<4的土壤中。蚯蚓觸覺發達,對光和干燥亦非常敏感。蚯蚓靠皮膚呼吸,土壤介質的適當通風是其生活所必需的,土壤水分不宜過高。
2蚯蚓提高土壤質量的特性
蚯蚓每天吞食大量的泥土,在胃中將其磨碎,在腸中進行酶消化。只有5%一10%的攝取物被吸收,其余以生態土的形式被排出,這些生態土中富含N、P、K微量元素和土壤益生菌(固氮菌和食用菌根真菌等)。
蚯蚓可以在腸內對有機物質腐殖質化,將大量的有機顆粒轉化為復雜的包含酚類物質的無定形膠質。大約1/4的有機物質被轉化為腐殖質,這些膠質腐殖質可作為土壤中的緩釋肥。
土壤的生物修復過程中,蚯蚓的數量明顯增加,可通過多種途徑改善土質。蚯蚓可加速土壤破碎和通氣,可翻轉土壤并進行再分散。平均而言,蚯蚓1a可攝人12t的土壤或有機物,每年可翻轉18t土壤。研究表明,蚯蚓在每公頃土壤中的數量達到0.2x10^6-1.0x10^6條時,可在3個月內有效修復污染土壤,蚯蚓可作為優良肥沃土壤的生物指示劑。
蚯蚓所排出的生態土含有淀粉酶、脂肪酶、纖維素酶和殼多糖酶等多種酶類,這些酶可以繼續分解土壤中的有機物質,釋放營養物質促進植物根系生長。由蚯蚓腎管排出的含氮廢棄物大部分是尿素和氨。土壤中的銨被生物轉化為硝酸鹽。蚯蚓可在土壤中進行快速氮循環,氮循環量為20~200kg/n。Singleton等研究發現,蚯蚓腸道內可寄生包括固氮菌在內的數百萬益生菌,這些菌體隨同生態土一塊排出。
蚯蚓不僅可提高土壤物理、化學和生物學方面的特性,以此來增強土壤的肥力,還可以降低土壤鹽度,中和土壤pH,改善土壤質量。
3蚯蚓的化學耐受性
一般而言,蚯蚓對土壤中的許多化學污染物,有機和無機的都具有高的耐受性,通常可在組織內進行生物蓄積而不受影響。
3.1蚯蚓對重金屬的生物蓄積
Ireland研究發現,蚯蚓可在組織內蓄積高質量濃度的重金屬而不受生理學影響。蚯蚓攝取土壤中金屬,在腸道內通過生理學反應轉化金屬的離子形式,排出對植物可有效利用的金屬礦物離子。研究顯示,蚯蚓不僅可吸收和蓄積汞、鉛、銅、錳、鈣、鐵等金屬,并且對鎘和鋅具有極高的吸收能力。鎘的流動性很強,易與蚯蚓體內軟的不含鎘組織結合,組織中質量分數可達100mg/kg大部分蚯蚓物種都可較好地蓄積鎘和鉛。Ireland的研究表明,在不同的物種中鉛的蓄積量可分別達90~180、2600、7600mg/g。Contreras—Ramos等同樣證實,蚯蚓可以降低土壤中鉻、銅、鉛和鋅的質量分數。蚯蚓對路旁和礦區重金屬的富集量明顯多于其他地區,因此,可作為土壤重金屬污染的生物指示器。
3.2蚯蚓對殺蟲劑的生物蓄積
殺蟲劑阿爾德林的土壤追蹤實驗發現,5a后土壤中的殘留量仍可高達66%,殘留體或以阿爾德林本體形式存在,或以其初級分解物的形式存在。土壤中有機氯殺蟲劑的殘留量與蚯蚓體內的量存在一定聯系。Ireland研究證實,蚯蚓可通過食物介質蓄積或降解有機氯殺蟲劑和多環芳烴的殘留物。
4生物修復——蚯蚓對土壤中化學物質的吸收和固定
蚯蚓以擴散和促進擴散的方式通過表皮吸收溶解在土壤空隙水中的化學物質。其攝取的泥土通過胃腸道時也可完成對化合物的吸收。進入腸道的污染物經過代謝、混合后被排泄出來,或隱藏在蚯蚓的組織中,或在空泡中。雖然大部分污染物可轉化為無毒物質,但有些物質仍會以其他毒性形式存在,因此,還需進一步研究。
4.1土壤中金屬污染物的生物轉化
蚯蚓吸收金屬后用金屬硫蛋白進行固定。Ire—land研究發現,添加的黃色細胞對鎘和鉛具有強的吸收力,鎘和鉛分別以鎘一金屬硫蛋白、鉛一金屬硫蛋白的形式存在,少量的金屬被存儲在廢棄的根瘤(空泡)中。經腸道吸收的重金屬在蚯蚓的黃色細胞中累積,在黃色細胞的小球形黃色素和囊泡中固定化。
4.2土壤中化學污染物的生物降解
Ma等研究發現,土壤中的蚯蚓能促進鄰苯二甲酸鹽、菲和熒蒽等有機污染物的降解。蚯蚓體內的細胞色素P450系統酶可降解污染物。Acha-zi等研究表明,生長在苯芘化合物污染區的赤子愛勝蚓體內的上述酶系統可以富集高達1000mg/kg的化合物。幾種土壤微生物,特別是細菌和真菌,也可生物降解包括烴在內的幾種化合物。然而,蚯蚓進入土壤后增加了土壤微生物的數量,并增加了土壤的透氣性,這進一步刺激和增加了微生物的活性,最終加快生物降解的速度。蚓糞中不僅含有起生物降解作用的微生物,還有大量的營養素N、P等。這些營養物質促進了土壤微生物的生長,從而促進了有機物質的生物降解。
5多環芳烴污染土壤的生物修復
美國環保署已鑒定出l6種主要的污染物。由兩個或多個苯環組成的多環芳烴在生物體內具有生物放大效應,可對活體生物造成侵害。多環芳烴可在植物及包括人類在內的動物體內生物蓄積。多環芳烴涉及100多種化合物,常見的有蒽、萘、菲、芘等。它們來自煤、石油、木材的不完全燃燒,由煉油廠和各種發電廠釋放而出。瀝青、鋁、機械裝置、紙漿和紙的生產過程也可產生多環芳烴。某些多環芳烴具有揮發性。在燃燒過煤、木材、石油的土壤上結出的果實會含有多環芳烴。芘、蒽和草屈可使哺乳動物致癌,可誘變動物和細菌細胞并產生畸變。某些多環芳烴還可誘導免疫抑制效應。這些化合物具有熱力學穩定性、低的水溶性、強疏水性,易于與環境顆粒表面牢固結合。某些多環芳烴可在數天或幾周內發生光降解,土壤微生物可在數周或數月內降解多環芳烴。Sims和Overcash研究指出,多數多環芳烴具有不揮發性和光穩定性。在自然條件下,土壤中的菲半衰期為26d,蒽為6250d。
蚯蚓既可通過刺激土壤微生物的生長來加速多環芳烴的生物降解,也可通過被動吸收和生物積累的方式移除多環芳烴。Contreras—Ramos等研究指出,蚯蚓可利用其體內脂肪沉著物來生物積累多環芳烴。Parish等研究發現,廢棄制造業工廠中的蚯蚓更易于積累3~4個苯環的多環芳烴。
蚯蚓以2種方式吸收疏水有機化合物:1)真皮吸收——利用蚯蚓的外膜從土壤溶液中進行被動擴散;2)腸吸收——土壤化合物經過腸道時進行吸收(消化)。被動擴散的推動力是土壤空隙水和蚯蚓組織的濃度梯度。蚯蚓對多環芳烴的蓄積隨周圍土壤水或吞食泥土中多環芳烴質量濃度的增加而增加。多環芳烴的生物降解以微生物破裂芳環為開始,產生易于參加活體細胞三羧酸循環的脂肪族化合物。Kanaly和Harayama研究了用綺麗小克銀漢霉菌和熱帶念珠菌降解多環芳烴。Singleton等對與蚯蚓腸道和蚯蚓糞有關的細菌群落進行了一系列研究,發現其中存在假單胞菌屬、芽孢桿菌、固氮弧菌屬、博克霍爾德菌、產堿菌屬和酸桿菌屬等一系列菌種,其中,假單胞菌、酸桿菌和產堿菌屬可降解烴類物質。Johnsen等研究表明,存在于蚯蚓腸道內的真菌也可降解烴類物質,產堿菌屬甚至可降解聚氯聯苯,毛霉菌可降解六氯萘。Contreras—Ramos等研究了赤子愛勝蚓對菲、苯芘、蒽等3種多環芳烴化合物的吸收,測量了土壤及其生存在其中的蚯蚓組織內的多環芳烴的質量分數。在50g土壤中加入10條蚯蚓,濕度控制在70%。加入蚯蚓后蒽的降解率達到80%平均移除率為51%,而未加入蚯蚓土壤的降解率則只有23%。平均而言,苯芘的對應數據分別為60%、47%、13%。土壤中菲濃度低于100mg/kg時,蚯蚓可將其完全降解,無蚯蚓時降解率則只有77%。當土壤中化合物質量分數超過150mg/kg時,蚯蚓會死亡。結果表明,無論是直接降解(消化和酶降解),還是間接降解(刺激微生物的活性),蚯蚓對土壤中多環芳烴的降解都發揮了重要作用。
6結語
利用蚯蚓的特殊功能,使其與微生物協同共生,構建新型的組合生物處理技術用于治理有機固體廢棄物及農藥殘留等環境污染,具有高效性、低能耗性、環境友好性(降低二次污染)、操作簡便性等優點。蚯蚓的快速再生能力是其有效去除多環芳烴的保證。
生物修復是可以提供一種低成本、環境可承受的土壤污染處理方式,可以在幾周或幾個月內完成污染物移除,具有耗時短的優勢,并且這種新型的生物處理技術能在治理環境污染的同時,同步實現資源再利用,是環境、資源可持續發展的新舉措。與傳統的機械去除土壤污染物相比,蚯蚓生物修復技術具有經濟適用性。因此,將蚯蚓用于生物修復污染土壤具有重要的實際意義,而且隨著研究的進一步深入,其應用前景也將越來越廣闊。
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