（土壤学专业论文）蚯蚓对铜离子的富集及其对人工土壤铜锌形态的影响.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 含重金属的污染物通过各种途径进人土壤，引起农作物产量和质量的 下降，并通过食物链危害人类的健康，导致大气和水环境质量恶化。利用 蚯蚓修复重金属污染土壤是当前本领域的研究热点，蚯蚓可以通过其生命 活动及其与微生物的相互作用提高土壤中重金属的生物有效性。本文系统 研究了以下几个问题：不同浓度铜锌污染对蚯蚓生长率的影响；铜在蚯蚓 表皮及肠道的富集特征及分布系数；铜锌对蚯蚓肠道过氧化物酶酶谱的影 响；蚯蚓活动对土壤重金属形态分布的影响。以期在抗毒蚯蚓的研究，蚯 蚓在土壤。植物修复方面提供科学依据。主要研究结果如下： 1低浓度的铜锌对蚯蚓的生长起一定的促进作用，超过一定浓度后表 现出抑制作用。且随着污染浓度提高与污染接触时间延长均会加剧抑制程 度。严重时甚至出现负增长。 2蚯蚓表皮及肠道中铜含量与其铜吸收总量都随外源铜浓度的增加与 污染培养时间的延长而增加。土壤中铜浓度增加时肠道中的铜向表皮脂肪 系统的运输增加，各处理肠道中铜含量与表皮的比值都随着土壤中铜浓度 的增加呈下降趋势，但随着时间的推移有所提高。蚯蚓对污染土壤中的铜 有较强的富集能力，在c u 2 + 2 0 0m g k g 处理培养2 1 天后，蚯蚓肠道的铜浓 度是土壤环境铜浓度的2 6 5 倍，铜富集总量达到最高值0 6 7 4m g 1 0 条一。 3铜污染下各处理蚯蚓的肠道过氧化物同工酶的酶带位置和带宽不 同。铜接触一周后，p o d 同工酶各处理相对迁移均大于空白，主带染色 浅，次酶带出现。锌污染不同于铜污染，对过氧化物酶的酶带位置及带宽 表现的更为明显，浓度达到2 6 0 m g k g 水平时，锌激活的同工酶谱带宽于 铜，这有利于蚯蚓抵抗肠道内的重金属对其毒害作用。 4蚯蚓的活动对土壤中的重金属铜的形态有一定的影响。在相同的时 间内浓度越高蚯蚓对土壤的交换态的影响越大，交换态的浓度有所增加， 但蚯蚂的抗性是有限的，当浓度达到2 0 0 m g k g 时蚯蚓开始产生严重的不 良反应，致使蚯蚓对土壤的影响较小。从同一处理各形态时间变化分布趋 势看，蚯蚓在某个浓度下时间越长，对土壤中的铜形态的影响越大，交换 态的铜持续增加，而其他形式的铜的变化趋势不太明显。蚯蚓的活动对土 蚯蚓对铜离子的富集及其对人工土壤铜锌形态的影响 壤中的重金属锌的形态产生了较大的影响。通过试验表明了随着时间的推 移蚯蚓活动对土壤中锌的交换态的影响较大，这种形态从总量和在各处理 的百分含量上都呈上升趋势，交换态的锌的增加有助于土壤的改良修复。 关键词：蚯蚓；生长率；铜；锌；富集；过氧化物酶；分级 山东农业大学硕士学位论文 a b t r a c t p o l l u t a n t sc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l si n t ot h es o i lt h r o u g hv a r i o u sm e a n s c r o py i e l da n dq u a l i t yc a u s e db yt h ed e c l i n ei n t h eh e a l t ho fh u m u nw e r e e n d a n g e r e dt h r o u g ht h ef o o dc h a i n n l ea t m o s p h e r ea n dw a t e rq u a l i t yw e r e c a u s e dd e t e r i o r a t e d r e p a i rh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o no fs o i lt h r o u g h e a r t h w o r m sa r et h ec u r r e n th o ts p o t so ft h i sr e s e a r c hi nt h ef i e l do f e a r t h w o r m c o u l de n h a n c et h eb i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l sb yt h e i ra c t i v i t ya n ds o i l m i c r o b i a l i n t e r a c t i o n s t h i sp 印e rs t u d i e st h ef o l l o w i n gq u e s t i o n s d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fc o p p e ra n dz i n cp o l l u t i o no nt h eg r o w t hr a t eo fe a r t h w o r m s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n to fc o p p e r i ne a r t h w o r m se p i d e r m a la n dg u t t h ee a r t h w o r mi n t e s t i n a lp e r o x i d a s e z y m o g r a mw e r ei m p a c t e db yz i n ca n dc o p p e r s o i lh e a v ym e t a ld i s t r i b u t i o n p a t t e m sw e r ei m p a c t e db ye a r t h w o r ma c t i v i t y w i t ha v i e wt ot h es t u d yo f e a r t h w o r m si nt h ea n t i t o x i c e a r t h w o r m si nt h es o i l p h y t o r e m e d i a t i o nt o p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s t h em a i nf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s 1l o wc o n c e n t r a t i o n so f c o p p e r a n dz i n c p r o m o t et h eg r o w t ho f e a r t h w o r m s m o r et h a nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o ns h o w e di n h i b i t i o n t h e e x a l t a t i o no fc o n c e n t r a t i o no fp o l l u t i o na n dt h ee x t e n s i o no fc o n t a c tt i m e w i t l lt h ep o l l u t i o nw i l l a g g r a v a t et h ed e g r e eo fi n h i b i t i o n s o m e t i m e st h e c o n c e n t r a t i o n sa r es oh i g ht oa p p e a rn e g a t i v eg r o w t h 2 c o p p e ri ne a r t h w o r m se p i d e r m i sa n dg u t 、耐t ht h et o t a lc o n c e n t r a t i o no f e x o g e n o u sc o p p e ra r ei n c r e a d e dw i t ht h ei n c r e a s ei nc o p p e ra n dc o n c e n t r a t i o n c o n t a m i n a t i o no ft h ec u l t u r et i m ei n c r e a s e d a n dt h ea c c u m u l a t i o no fc o p p e r i nt h ei n t e s t i n ei s g r e a t e rt h a nt h er a t eo fe p i d e r m a l c o p p e ri n i n t e s t i n a l t r a n s l a t et oe p i d e r m a lf a ts y s t e mi n c r e a s e dw h i l ec o p p e rc o n c e n t r a t i o n si ns o i l i n c r e a s e d t h er a t i oo fc o p p e ri nt h ei n t e s t i n a la n de p i d e r m a li nd o w n w a r d t r e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fc o p p e ri ns o i l b u tw i t ht h e p a s s a g eo ft i m eh a si n c r e a s e d 。e a r t h w o r m s h a v eas t r o n ge n r i c h m e n t c a p a c i t yo nt h ec o p p e ro fc o n t a m i n a t i o ns o i l a f t e rc u 2 + 2 0 0m g k gc u l t i v a t e 2 1d a y s c o p p e rc o n c e n t r a t i o n so fe a r t h w o r mi n t e s t i n a la r e2 6 5t i m e so f c o p p e rc o n c e n t r a t i o ni nt h es o i le n v i r o n m e n t t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no f c o p p e rv a l u eo f 0 6 7 4m g 1 0 - 1 。 3t h et r e a t m e n to fe a r t h w o r mi n t e s t i n a le n z y m ep o dw i t ht h el o c a t i o na n d b a n d w i d t ha r ed i f f e r e n tu n d e rc o p p e rc o n t a m i n a t i o n a f t e raw e e ko fc o p p e r 3 e x p o s u r e ，p o di s o z y m er e l a t i v et r a n s f e ro ft h et r e a t m e n ta r eg r e a t e rt h a nt h e b l a n k t h em a i n l i g h ts t a i n i n gw i t hs h a l l o w , s u b b a n d sa p p e a r 1 1 1 ez i n c p o l l u t i o n i sd i f f e r e n tf r o m c o p p e rp o l l u t i o n p e r o x i d a s ee n z y m eo nt h e l o c a t i o na n db a n d w i d t h p e r f o r m a n c ew i t ht h em o r eo b v i o u s 。w h e n c o n c e n t r a t i o nr e a c h e dt h el e v e lo f2 6 0 m g k g t h eb a n d w i d t ho fi s o z y m e s a c t i v a t e db yz i n ci sw i d e rt h a nt h ec o p p e r t h i si sc o n d u c i v et oe a r t h w o r m r e s i s t a n c et oi t sp o i s o n i n ge f f e c to f h e a v ym e t a l si ni n t e s t i n a l 4e a r t h w o r ma c t i v i t yo ns o i li nt h e f o r mo fc o p p e rh a sac e r t a i n 1 n f l u e n c e a tt h es a m et i m e ，e a r t h w o r m sh a v e g r e a t e ri n f l u e n c eo nt h e e x c h a n g e a b l eo fs o i lw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ne n h a n c e t h ec o n c e n t r a t i o no f e x c h a n g e a b l ei n c r e a s e h o w e v e r , e a r t h w o r m sh a v eas e r i o u sa d v e r s e e a r t h w o r m sa r el i m i t e dr e s i s t a n c e r e a c t i o nw h e nr e a c ht o 2 0 0 m g k g 。t h e i n f l u e n c eo fe a r t h w o r m so ns o i lb e c a m ei n f e r i o r p a t t e m sf r o mt h es a m et i m e d e a lw i t ht h ed i s t r i b u t i o no ft h et r e n d 。e a r t h w o r m s s t a y a t l o n g e ra ta c o n c e n t r a t i o nh a v eg r e a t e ri n f l u e n c eo nt h e e x c h a n g e a b l ec o p p e ro fs o i l e x c h a n g e a b l ec o p p e rc o n t i n u e dt oi n c r e a s e ，a n do t h e rf o r m so fc o p p e rl e s s p r o n o u n c e dt r e n d e a r t h w o r ma c t i v i t yo nh e a v ym e t a l so fs o i li nt h ef o r mo f z i n ch a v eag r e a t e r i m p a c t d e m o n s t r a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t sw i mt i l e p a s s a g eo f t i m ee a r t h w o r ma c t i v i t yo ns o i le x c h a n g e a b l ez i n ci nt h ei m p a c to f al a r g e rv o l u m ea n df r o mt h i sf o r mo ft r e a t m e n ti nt h ep e r c e n t a g eo f b o t ho n a nu p w a r dt r e n d ，t h ee x c h a n g eo fs t a t et h e r ei sa ni n c r e a s ei nz i n cc o n d u c i v et o t h ei m p r o v e m e n to fs o i lr e s t o r a t i o n k e yw o r d s ：e a r t h w o r m ；g r o w t hg a t e ；c o p p e r ；z i n c ；e n r i c h m e n t ； p e r o x y d a s es y s t e m a t i c s 4 缩写 c u z n d t p a c u t c u e x c u 0 c c u s u b c u r e s c u o m c e c c m 0 e c d p o d r f d n a 符号或缩略词说明 英文 c o p p e r z i n c a v a i l a b l ec o p p e r e x c h a n g e a b l ec o p p e r e x c h a n g e a b l ec o p p e r o r g a n i s mc o m b i n e dc o p p e r s u b s i d ec o p p e r r e s i d u a lc o p p e r o r g a n i cm a t t e r c e n t i m e t e r d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d 中文说明 铜 锌 有效铜 全铜 交换态铜 有机结合态铜 沉淀态铜 矿物残留态铜 有机质 阳离子交换量 厘米 经济合作发展组织 过氧化物酶 相对迁移率 脱氧核糖核酸 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所 取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个 人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同 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农业生产的发展，土壤承受着来自工业废水、生活污水、固体废物、农药 化肥、大气沉降、金属矿山酸性废水污染等的重金属污染。重金属进入土 壤后具有潜伏期长、危害大、不可逆等特性，会对农业生产造成很大的影 响。寻找一种清洁高效的治理技术，恢复土壤原有生态功能，一直是土壤 科学研究的重点和难点之一。采用传统的工程措施或化学方法治理重金属 污染土壤，不仅成本昂贵，而且可能破坏土壤结构和土壤微生态系统，还 可能造成“二次污染”。 5 蚯蚓对铜离子的富集及e 对人工土壤铜锌形态的影响 金属污染土壤的植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是一种新兴的治理重金 属污染土壤的绿色生物技术。它是利用自然生长植物或者遗传工程培育植 物及其根际微生物群落来移去、挥发或稳定土壤环境污染物，由于其绿色 净化和低成本的特点，已成为一种修复重金属污染土地的经济、有效的方 法( 骆永明，1 9 9 9 ；k u m a r e ta 1 ，1 9 9 5 ) ，引起全球范围极大地关注。然而 植物修复技术成功与否受制于两个因素。一是超积累植物的生长速度和生 物量大小。目前文献报道的超积累植物( 如b r a s s i c aj u n c e a ，t h l a s p i r o t u n d i f o l i u m 等) 虽然体内能积累很高浓度的重金属，但绝大多数生长缓 慢、生物量d x ( b l a y l o c ke ta 1 ，1 9 9 7 ；r e e v e sa n d b r o o k s ，1 9 8 3 ) ( 蒋先军等， 2 0 0 0 a ) ，因而限制了植物修复效率。二是土壤中重金属的生物有效性高低。 重金属一旦进入土壤，将通过沉淀、老化、专性吸附等物理、化学过程成 为难溶态( 袁可能，1 9 9 0 ) ，而溶解态和易溶态才是植物吸收的主要形态 ( m a n ，1 9 9 1 ) 。因此，重金属的生物有效性往往是植物修复效率的限制因素。 就第一个限制因素而言，一方面要继续筛选生长快、生物量大的超积累植 物品种；另一方面是要努力改善土壤的水分、养分等条件以提高植物生物 量。就第二个限制因素而言，提高土壤中重金属的生物有效性是关键。为 此，近年人们提出一种“鳌合诱导修复”技术，即通过外加螯合剂 ( e d t a ，d t p a 等) 使被土壤固相键合的重金属重新释放并进入土壤溶液， 成为溶解态或易溶态( h u a n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；e b b sa n dk o c h i a n ，1 9 9 7 ；e b b sa n d k o c h i a n ，1 9 9 8 ；v a s s i le ta 1 ，1 9 9 8 ；吴龙华等，2 0 0 0 ) ，从而提高植物对重金 属的吸收、富集效率。然而该技术治理成本过高，而且过量溶出重金属会 造成水质污染并影响土壤结构和土壤微生物区系。因此应用前景暗淡 ( b l a y l o c ke t a l ，1 9 9 7 ；骆永明，1 9 9 9 ) ，需要寻求更好的方法。 1 2 蚯蚓的研究现状 蚯蚓是属于环节动物门寡毛纲，低等无脊椎环节动物，为多功能性生 物资源，既能肥沃土壤，净化环境，又能提供动物需要的蛋白质、氨基酸、 维生素、矿物元素等营养物质，还含有溶栓酶、抗氧化酶、抗肿瘤成分及 溶血素等生物活性成分。作为重要的重要的腐蚀食物链的土壤动物，蚯蚓 在农业有机废弃物处理上具有重要意义并在前人的努力下已经实现了从 理论到实际的运用。但如何提高蚯蚓处理污染物尤其是处理重金属污染物 6 山东农业大学硕士学位论文 的能力是摆在科研工作者面前的一个难题。首先要了解蚯蚓的土壤重金属 的适应能力，这方面前人做了很多方面的研究，主要包括各种重金属的急 性染毒试验和人工模拟土壤试验，通过这些实验了解了蚯蚓能够在多大的 重金属离子浓度下正常生活，多大的重金属离子浓度能够引起蚯蚓逃逸甚 至杀死蚯蚓，这为后续的各种蚯蚓试验提供一个理论根据。 近年来人们利用高科技手段研究了蚯蚓对土壤结构形成的速度等， 认为蚯蚓具有较高的水稳性以及优良的供肥保肥能力，称之为“微型的改 土车间”。蚯蚓通过不断地纵横钻洞和吞吐排粪等生命活动，不仅能改变 土壤的物理性质，使板结贫瘠土壤变成疏松多孔、通气透水、保墒肥沃而 能促进作物根系生长的土壤。研究证明，有蚯蚓栖息的周围土壤中，许多 无机盐的元素如磷、钾、钙、镁等会增加数倍。蚯蚓粪与原土养分相比， 蚓粪中腐殖含量较原土提高3 6 , - - , 1 6 0 ，全氮增加7 5 1 0 5 ，其中速 效磷增加2 0 6 8 ，速效钾增加1 9 3 6 。 1 2 1 处理垃圾和农业废弃物 可利用园林中的落果，农村的秸秆、厩肥、沼气池内容物、废渣、食 用菌渣、生活垃圾等有机物，并且还可与种蘑菇、养蜗牛、养猪、养牛等 结合起来进行蚯蚓养殖，发展生态农业，不仅提高有机物中氮素、磷素的 利用率，而且由于进行了综合利用，能产生明显的经济效益。美国从治理 环境出发，利用蚯蚓处理生活垃圾，在全国推行“庭院蚯蚓堆肥法”，有效 地从源头遏制了生活垃圾r 积月累的堆积趋势。随着这一技术的产业化， 洛杉矶市首先建立了一座蚯蚓养殖场，饲养蚯蚓10 0 0 万条，每月处理垃 圾达2 7 5 万k g 。1 9 7 8 年，日本建成占地1 6 5 万m 的养殖场，月处理废 弃物30 0 0k g 。此后，德、法、英、加、澳、印等国及我国的台湾省纷纷 建起了不同处理规模的处理有机垃圾的蚯蚓养殖场。2 0 0 0 年悉尼奥运会 利用40 0 0 万条蚯蚓使奥运村的垃圾实现了“不出村处理”。我国从2 0 世纪8 0 年代中期才开始由清华大学环境工程研究所开展了养殖蚯蚓处理 生活垃圾的可行性研究，1 9 8 9 年通过成果鉴定，肯定了该方法的可行性 与优越性。2 0 世纪9 0 年代末，上海市环境工程学校从上海城市生活垃 圾特点出发，开展了蚯蚓处理城市生活垃圾应用研究，确定了蚯蚓处理生 活垃圾是一项很有发展前景的方法，并具有良好的环境、经济和社会效益。 7 蚯蚓对铜离子的富集及其对人工土壤铜锌形态的影响 但这些成果尚处于试验阶段，未能继续中试和推广应用。直到2 0 0 0 年在 北京市海淀区环卫局的支持下，在三星庄垃圾场建了一座中试基地，标志 着这一技术在中国实现产业化正拉开帷幕。 1 2 2 作为饲料添加剂 蚯蚓肉能散发出特殊气味，极易引诱和刺激鱼类、其他水产经济动物 以及水产名贵动物的食欲。如，应用“太平二号”蚓作为中国对虾索饵引诱物 质时试验结果表明，蚯蚓的效果比文蛤好。在饵料中添加1 0 的蚯蚓浆液 可获得较好的引诱效果。蚯蚓为动物性饵料，蛋白质含量高，能刺激蛋白 酶的分泌，使其活性提高。用异唇蚓带丝蚓和爱胜蚓的冻存品养殖虹鳟，结 果表明鱼类生长快投喂冻存品爱胜蚓的净增重量达0 0 1 极显著水平，投 喂异唇蚓和带丝蚓的净增重量分别比鳟鱼颗粒饲料提高1 0 4 8 和2 0 1 6 。另在亲龟的日粮中加入3 0 左右的鲜活蚯蚓其产蛋、孵化、成活 率综合提高8 6 以上( 李典友，2 0 0 8 ) 。 1 2 3 在兽医临床上的应用 蚯蚓味咸，性寒，有清热镇痉，利尿通淋，滋补通乳，敛疮解毒，平喘 通咯的功效，主治高热惊狂、肺热咳喘、痉挛抽搐、尿涩水肿等疾患，其 疗效颇佳在兽医临床上的应用主要治疗以下疾病：家畜高热不退、家畜小 便不利、家畜尿血、牛马大便秘结、母畜产后缺乳、猪牛肛门脱出、家畜 水火烫伤、家畜抽搐、家畜心热风邪、畜禽促长、催肥、增蛋。 1 2 4 蚯蚓粪的作用 可以改善作物生长的土壤环境；增加土壤酶活性；提高土壤全氮及几种 有效养分含量，其中有效磷增加最显著。蚯蚓粪还可以显著提高草莓的产 量及其品质。研究表明：在有蚓粪的土壤中栽培和种植豌豆、油菜、黑 麦、玉米、稞麦或马铃薯，可增产豌豆3 倍、油菜6 2 倍、黑麦0 6 倍、 玉米2 5 倍、稞麦1 6 4 倍、马铃薯1 3 5 倍。土壤元素测定结果表明， 蚯蚓粪中可溶性大量元素的含量：硝态氮0 4 6 m g k g ，氨态氮1 2 7 4 7 m g k g ，磷10 6 2 2 7 m g k g ，钾60 0 8 8 3 m g k g ，微量元素含量：铁5 1 o o m g k g ，锰2 6 0 5 m g k g ，铜5 7 0 m g k g ，锌3 5 0 5 m g k g ，硼3 3 5 m g k g ， 含水量8 2 1 0 施用蚓粪可以明显降低土壤容重，增加土壤总孔隙度。不 同施肥处理对土壤微团聚体组成也有显著的影响。施用垃圾肥和蚓粪能显 8 山东农业大学硕士学位论文 著提高小于1 0 a m 粒级微团聚体的含量，其中蚓粪的效果又优于垃圾肥。 施用蚓粪对土壤农化性质的影响氮、磷、钾化肥配施蚓粪或垃圾肥后，土 壤有效养分含量均显著提高，而蚓粪的效果要优于垃圾肥。氮、磷、钾化 肥配合施用蚓粪处理的土壤全氮、碱解氮、有效磷和有效钾比单施氮、磷、 钾化肥处理分别提高3 0 、3 2 、4 3 4 和1 7 。施用蚓粪可提高土壤 中性磷酸酶、蛋白酶、脲酶和蔗糖酶的活性，蚓粪比垃圾肥及单施氮、磷、 钾化肥更有利于提高土壤中这些酶的活性，这主要是蚓粪中含有大量微生 物类群所致。土壤中的蔗糖酶对增加易溶性营养物质起重要作用；蛋白酶 是一类作用于肽键的水解酶，其活性大小对土壤氮素影响较大；磷酸酶可 加速土壤有机磷的脱磷速度；脲酶的多少则决定土壤有机氮的矿化速度。 蚓粪对提高上述4 种土壤酶的活性，势必提高供试土壤的供肥性能，最终会 表现在作物的生长发育乃至产量和品质上。 1 3 土壤重金属污染对蚯蚓的影响 蚯蚓是土壤生态系统中的一个重要组成部分，是陆生生物与土壤生态 传递的桥梁。当土壤被各类重金属污染后，必将对蚯蚓的生存、生长、繁 殖产生不利影响，甚至死亡。一些蚯蚓品种对重金属十分敏感，土壤中重 金属污染严重影响它们的个体数量( p i z la n dj o n s e n s ，1 9 9 5 ) 和生长繁殖 ( s p u r g e o ne ta 1 ，1 9 9 4 ) 。当蚯蚓受重金属危害后，体表刚毛基部溃烂，角 质层增厚，呼吸强度下降( 李文芳，2 0 0 1 ) ，体内消化道胃粘膜层、肠道 粘膜的微绒毛和纤毛溃疡( 王振中，1 9 9 4 ) 。土壤中重金属对蚯蚓的影响 随重金属浓度的增加而加剧( s p u r g e o n 和h o p h i n ，1 9 9 9 ) ，随暴露时间的 延长而减弱( 李文芳，2 0 0 1 ) 。因此，对重金属敏感的蚯蚓品种常作为土 壤重金属污染的指示生物( v a nc e s t e la n dv a nd i s ，1 9 8 8 ) 。一些蚯蚓种类能 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 金属如c d 、p b 、c u 、z n 、a s 等而不受伤害或伤害较轻( l a s z c z y c a ， 2 0 0 4 ) ，这类蚯蚓是对重金属忍耐品种。这类蚯蚓可以通过体内产生金 属硫因和金属结合蛋白络合重金属元素( h a m e r ，1 9 8 6 ) 、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理解毒( i r e l a n da n d r i c h a r d s ，1 9 7 7 ；i r e l a n d ，1 9 7 8 ；m o r g a na n dm o r r i s ，1 9 8 2 ；m o r g a n a n d m o r g a n ，1 9 8 9 ) 。有研究表明对重金属耐受的蚯蚓品种可以用于污染土壤的 9 蚯蚓对铜离子的富集及其对人工土壤铜锌形态的影响 复垦( v i m m e r s t e da n df i n n e y ，1 9 7 3 ) 。同一种群蚯蚓对不同的重金属耐受 能力不同，如赤子爱胜蚓( e i s e n i a f o e t i d a ) 对c d 污染较为敏感，z n 的污 染毒害阈值也低于p b ( 宋玉芳，2 0 0 2 ) 。对重金属富集系数( k 值) 从大 到小依次为：c d ，h g ，a s ，z n ，c u ，p b ( s p u r g e o n ，1 9 9 6 ；p i z l ，1 9 9 5 ； 张友梅，1 9 9 6 ) 。土壤中重金属浓度不同，对蚯蚓的毒害效应也不同。如 灰暗异唇蚓在低浓度z n 、p b 污染土壤中，蚓体细胞无明显损害，蚓体内 可以富集一定量的重金属，但当土壤中z n 的浓度达9 8 2 0 9 9 g 一，p b 的浓 度达1 1 7 4 9 9 g - 1 时，蚓体细胞明显受损，甚至出现死亡( j o a n n ah o m a ， 2 0 0 3 ) 。因此，即使对重金属忍耐的蚯蚓品种，其耐受能力也有个限度， 只有在其耐受限度内才会对土壤的基本性质、重金属的化学形态产生影 响。由于土壤组成( c a c 0 3 、铁锰氧化物、粘粒含量等) 的复杂性和土壤 物理化学性状( p h ，e h 等) 的可变性，造成了重金属在土壤环境中的赋存 形态的复杂性和多样性( 袁可能，1 9 9 0 ) 。不同的赋存形态的重金属对蚯 蚓的影响也有差异。由于不同类型的土壤，土壤p h 、有机质含量、粘粒 含量等存在着差异，土壤中重金属的赋存形态也将存在着不同。因此，即 使同一种重金属元素和等量的重金属浓度，在不同的土壤类型中对蚯蚓的 毒理效应也不尽相同( 俞协治，2 0 0 3 ) 。 土壤重金属污染对蚯蚓可产生两种效应。一是，当土壤中重金属含量 超过一定限度时，蚯蚓便逃逸、引起蚯蚓体重下降、蚓体畸形等毒害症状 ( 戈峰，2 0 0 1 ) ，严重者甚至死亡( 宋玉芳，2 0 0 2 ) 。这类对重金属敏感的 蚯蚓种群，可以作为土壤重金属污染的指示生物( v a ng e s t e la n dv a n d i s ，1 9 8 8 ) 。二是，白颈环毛蚓、壮伟环毛蚓、湖北环毛蚓和毛利环毛蚓等 可以通过解毒和富集机制，存活于重金属污染土壤中( 张友梅，1 9 9 6 ) 。 据文献报道，l u m b r i c u sr u b e l l u s ( s t u r z e r d l a u m e ta 1 ，19 9 8 ) 、e u d r i l u s e u g e n i a e ( m a b o e t ae ta 1 ，1 9 9 9 ) 也可以忍耐重金属，有的品种甚至还可以选 择性地吸收重金属( 牛明芬和崔玉珍。1 9 9 7 ；m o r g a ne t a l ，1 9 9 2 ；n i ua n d c u i ，1 9 9 7 ) ，这类对重金属耐受的蚯蚓品种包括一些金属矿区的蚯蚓品种 ( m a t i nmh ) ，可以用于重金属污染土壤的复垦( v i m m e r s t e da n df i n n e y ， 1 9 7 3 ) 。引入蚯蚓提高污染土壤中重金属的生物有效性，需要耐受重金属 的蚯蚓品种。只有筛选更多的蚯蚓品种才有可能满足不同生态条件、不同 i o 山东农业大学硕士学位论文 污染程度、不同重金属污染的土壤的治理要求。 蚯蚓对土壤中的重金属化学行为直接或间接的影响研究鲜见报道，但有研 究迹象表明蚯蚓通过取食、作穴和排泄等生命活动、体表分泌物以及与微 生物的相互作用可能会提高土壤中重金属的生物有效性( w i l l e m se t a 1 ，1 9 9 6 ：w i n d i n g e ta 1 ，1 9 9 7 ；c h e n ge ta 1 ，2 0 0 2 ；俞协治，2 0 0 2 ) 。有实验 发现蚯蚓( d e n d r o b a e n a r u b i d a ) 蚓粪中水溶态p b 比土壤中增加了 5 0 ( i e l a n d ，1 9 7 5 ) 。d e v l i e g h e r 和v e r s t r a e t e ( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 的研究也证实 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( m g 、 c a 、f e 、m n ) 含量和土壤中金属元素( c r 和c o ) 的有效性。胡秀仁( 1 9 9 0 ) 等在用蚯蚓处理垃圾时发现加入蚯蚓后重金属的溶出量明显增加。在重金 属污染土壤中是否存在着利用蚯蚓的活动来提高土壤中重金属的生物有 效性可能性? 问题的解决将为金属污染土壤的植物修复技术开辟一条更 为经济、安全的途径。 1 4 蚯蚓在修复污染土壤上的运用现状 以往人们更多地利用蚯蚓对污染物的敏感性来为环境保护服务，而 忽略了蚯蚓对污染物的耐性。目前，关于蚯蚓对污染物耐性的研究也主要 集中在蚯蚓对重金属耐性的研究。对于蚯蚓来说，它们对金属具有耐性的 最直接证据就是从污染土壤中能找到蚯蚓的存在。正如前面在阐述蚯蚓种 群数量、结构与土壤污染的关系时提到的，即使在污染地区也存在着某些 蚯蚓的优势种，如王振中等在含z n 6 5 7 8m g k g 、p b6 7 0 5m e , k g 、a s 5 6 6m g k g 的重金属复合污染土壤中发现了巨蚓科种类的蚯蚓。 虽然很多证据都证明了蚯蚓对金属具有耐性，但其耐性机理还很不 清楚，对这方面的研究也不多。目前存在着一种共识，就是生物体暴露于 重金属后，就可能会受到氧化胁迫的威胁。为了避免受到伤害，生物体内 某些与抗氧化相关的酶的活性就会升高。蚯蚓体内也含有丰富的酶类，其 中包括过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶及超氧化物歧 化酶等酶类构成的脂质过氧化保护酶系统。当蚯蚓接触重金属后，产生了 氧化胁迫，激发了这些酶的活性，能缓解活性氧对生物体造成的危害。当 然，这是生物体普遍存在的一种反应。m o r g a n 等认为分隔、固定作用或许 能在某种程度上解释蚯蚓耐受重金属的机制。他们的研究结果表明：蚯蚓 蚯蚓对铜离子的富集及其对人工土壤铜锌形态的影响 体内大部分c d 、p b 、z n 都分布在后消化道中，这部分组织集中了蚯蚓所 累积的大部分的c d 、p b 、z n 。细胞内的泡囊是这些金属的主要容身之所， 并且它们与磷键相结合，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。蚯蚓耐受重金属另外一个可能的机制就是：金属与小分子 量、富含半胱氨酸的蛋白质或金属硫蛋白相结合，从而降低其毒性。蚯蚓 还能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。蚯 蚓既然有耐受重金属的基因潜力，那么我们完全有可能利用它为污染土壤 的修复工作服务。 关于蚯蚓在促进植物生长方面起的积极作用已被大量研究证明。蚯蚓 也能通过取食、排泄等生命活动影响土壤一植物系统中重金属的化学行 为。i r e l a 等发现蚯蚓的蚓粪中水溶态p b 的含量比土壤中增加了5 0 。 c h e n g 币i w o n g 研究了蚯蚓对红壤、水稻土、冲积土中z n 分级情况的影响， 结果表明在有机质较高、污染程度较低的土壤中，培养蚓能提高金属的有 效性。m a 等用p b 、z n 尾矿中的土壤培养蚯蚓，结果发现有效态p b 、z n 的 含量分别升高了4 8 2 和2 4 8 。 1 5 重金属对蚯蚓体内酶活性影响的研究现状 研究表明在蚯蚓超氧化物歧化酶提取过程中外加铜、锌离子可使酶活 性提高。单独加铜离子时最适浓度为0 5 m m o l l ，可以提高蚯蚓超氧化物 歧化酶活性17 o ；单独加锌离子处理时最适浓度为0 0 4 m m o l l ，提高蚯 蚓超氧化物歧化酶活性为1 6 0 ；以0 0 4 m m o l l 锌离子浓度和0 。3 3 m m o l l 铜离子浓度配合，为提高蚯蚓超氧化物歧化酶活性的最佳浓度配比，能提 高蚯蚓超氧化物歧化酶活性1 9 6 。铜、锌离子处理的超氧化物歧化酶同 工酶谱分析表明：铜、锌离子处理只提高各同工酶的活性，不影响其带数。 无论土壤单一镉或锌污染还是镉、锌混合污染，添加污染物的处理与对照 相比，蚯蚓体内纤维素酶活性都受到不同程度的一只，在同一处理中，蚯 蚓体内的纤维素酶活性在不同处理时间也存在很大差异。土壤单一镉污染 培养试验前期，蚯蚓体内纤维素酶活性随着镉质量分数的增加而减少，表 现为极显著的负相关，中后期培养的线性相关不明显。土壤单一锌污染试 验的情况与镉相似。之后，由于蚯蚓对污染物产生一定的抗性，污染物对 蚯蚓纤维素酶活性的抑制不再随质量分数产生显著变化，到末期趋于平 1 2 山东农业大学硕士学位论文 缓。添加剂量和所产生的生物学效应比较表明，土壤中镉对于蚯蚓体内纤 维素酶活性的毒性强于锌。 有研究表明c u 和p b 单一作用时，对蚯蚓蚯蚓体内的蛋白含量和 s o d 活性呈现不同变化。当c u 单一作用时，随着铜浓度增加蚯蚓体内 蛋白含量总体呈现略有升高的趋势随着c u 暴露时间延长，蚯蚓体内蛋白 含量均降低，蚯蚓体内的s o d 活性随着铜浓度的增加总体上表现为下降 的趋势