（环境科学专业论文）蚯蚓对土壤中有效态Pb、Zn含量的影响及其机理研究.pdf

山东师范太学硕士学位论文 蚯蚓活动显著提高了酸性棕壤中p b 、z n 各处理和褐土z n 处理的土壤p h ； 降低了潮棕壤中p b 、z n 各处理和褐土中p b 各处理的土壤p h i 在加p b 处理的三 种供试土壤中，加灰暗异唇蚓的土壤p h 均明显高于加赤子爱胜蚓的土壤p h ；在 加z n 处理的酸性棕壤和褐土中，加灰暗异唇蚓的土壤p h 明显低于加赤子爱胜蚓 的，在潮棕壤中则相反。蚯蚓活动降低土壤p h ，可能是蚯蚓提高土壤中熏金属 的生物有效性的机理之一。 添加蚯蚓均能显著增加三种p b 、z n 污染土壤中d o c 的含量。在z n 污染的潮 棕壤和酸性棕壤中，加赤子爱胜蚓的土壤中d o c 的含量明显高于加灰暗异唇蚓 的，在褐土中则相反；在p b 污染的三种土壤中，加赤子爱胜蚓或灰暗异唇蚓后， 均显著提高了土壤中d o c 的含量，但两者无显著差异。蚯蚓活动增加土壤d o c 含量，可能是蚯蚓活动提高土壤中重金属生物有效性的另一机理。 蚓粪中p b 、z n 的全量和d t p a 提取态的含量均随土壤添加p b 、z n 浓度的增 加而增高，d t p a _ z n 、p b 的含量占全量的5 0 以上，蚓粪中重金属的生物有效性 较高。且蚓粪中d t p a - z n 、p b 含量均显著高于相应处理的土壤中的含量，土壤 中d t p a z n 、p b 含量与蚓粪中d t p a z n 、p b 含量呈极显著正相关。因此，蚓粪中 的有效态d t p a z n 、p b 是土壤d t p a z n 、p b 的重要来源之一。土壤中d t p a z n 、 p b 含量与土壤p h 呈负相关，与土壤d o c 含量呈正相关。降低土壤p h ，提高土壤 中d o c 含量均能提高土壤中重金属的生物有效性。 上述研究表明，能存活于p b 、z n 污染土壤上的赤子爱胜蚓和灰暗异唇蚓， 可以通过降低土壤p h 、提高土壤中d o c 含量以及体内消化、蚓粪排泄等作用提 高土壤中重金属的生物有效性。有很大的潜力应用于重金属污染土壤的植物修复 技术，以提高植物修复效率。由于土壤、重金属、蚯蚓、微生物等的交互作用错 综复杂，明确蚯蚓对土壤中重金属生物有效性的影响机理，是今后研究的主要方 向。 关键词：蚯蚓；土壤；重金属；生物有效性：p h ：d o c ：植物修复 分类号：x 1 3 1 3 山东师范大学硕士学位论文 e f f e c t so fe a r t h w o r mo na v a i l a b l ep o o lo fp b ，z ni ns o i l sa n di t s m e c h a n i s m a b s t r a c t p h y t o r e m e d i a t i o nw a san e wa r i s i n gb i o l o g i c a lt e c h n o l o g y ；w h e na d o p t e dt od e a l w i t ht h eh e a v y - m e t a l - p o l l u t e ds o i l s ，t h el o we f f i c i e n c yo fh e a v ym e t a l si ns o i l sw a s t h em a i nh a n d i c a po ft h es u c c e s s f u lu s eo ft h et e c h n o l o g y t h o u g ha d d i t i o no f c h e l a t i n ga g e n t s h a sb e e ns h o w nt oi n c r e a s em e t a l b i o a v a i l a b i l i l i t y a n d p h y t o r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c y , i tc o s t s t o om u c ha n ds h o w se n v i r o n m e n t a lr i s k e a r t h w o r mc o u l di m p r o v es o i lq u a l i t ya n db i o a v a i l a b i l i l t yo fh e a v ym e t a li ns o i l sb y m e a n so f f c e d m g ，m e t a b o l i z a b l i n g , b u r r o w i n ga n de x c r e t i n g t h e r e f o r e ，t h e a p p l i c a t i o n o fe a r t h w o r mw o u l ds u p p l yan c ww a yo fp h y t o r e m e d i a t i o no f h e a v y - m e t a l p o l l u t e ds o i l sm o r ee c o n o m i c a l l ya n ds a f e l y t h r e es o i l s ，a c i db r o w ns o i la n da q u i cb r o w ns o i lf r o mt a i a n ，c i n n a m o ns o i l f r o mj i n a n ，w e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t si nt h i st h e s i s s o i l sw e r ea m e n d e d r e s p e c t i v e l yt oc o n t a i n0 ，2 0 0 ，4 0 0 ，8 0 0m g k 9 1p ba n d 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0m g k 9 1 z nb ya d d i n ga p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o n so fz n s 0 4 7 1 - 1 2 0a n dp b ( c h 3 c o o ) 2 。3 h 2 0 ， b yc o m p a r i n gw i t ht r e a t m e n t sw i t hw i l de a r t h w o r m ( a l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s a ) a n d c u l t u r e de a r t h w o r m s ( e i s e n i af o e t i d a ) ，s h o r tc u l t u r et i m ea n dl o n gc u l t u r et i m e ，t h i s t h e s i ss t u d i e dt h ee f f e c to fe a r t h w o r mo nb i o a v a i l a b i l i l t yo fp b 、z n ，a n a l y s e sa n d s h o w e dt h em e c h a n i s m so fe a r t h w o r me f f e c ti ns o i lf r o mt h r e ep e r s p e c t i v e so fs o i l p h 、d o c a n de a r t h w o r mc a s ta n dm a d eap r i m a r yr e s e a r c ho nc h o i c eo fe a r t h w o r m s p e c i e sa n de a r t h w o r mc u l t u r et i m ef o rp h y t o r e m e d i a i i o n a l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s a a n de i s e n i af o e t i d aa r et h es p e c i e st h a tc a nt o l e r a t e h e a v ym e t a l sw i t ht h el a t t e r sa b i l i t yt ot o l e r a t eh e a v ym e t a lb e t t e rt h a nt h ef o r m e r h o w e v e bt h ep o l l u t i o no fz na n dp bi ns o i l sw i l lr e s t r a i nt h ee a r t h w o r m sg r o w t h ， e s p e c i a l l yd u r i n gt h ef i r s t1 4d a y sw h e ne a r t h w o r mi s i n f l u e n c e db yh e a v ym e t a l s ， 3 山东师范大学硕士学位论文 t h ew e i g h to fa l lt h ee i s e n i af o e t i d ai nt r e a t m e n td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a v y m e t a lc o n c e n t r a t i o n t h ee a r t h w o r mi nz n a d d e dc i n n a m o ns o i la c i db r o w ns o i la n d a q u i c b r o w ns o i lg r o w e da ta na v e r a g er a t eo f 一1 0 - 3 8 一1 3 “- 4 8 a n d 一8 一 一5 2 r e s p e c t i v e l y ；w h i l et h a ti nt h o s ep b - a d d e dg r o w e da ta na v e r a g er a t eo f - 1 0 一 一3 8 ，- 1 3 一3 9 a n d 一8 一- 4 6 r e s p e c t i v e l y , t h ee i s e n i a 归e t i d ae n r i c h m e n t c o e f f i c i e n t so fp ba n dz ni nt h et h r e ek i n d so fs o i l sw e r el e s st h a n1 ，w h i c hi n d i c a t e d t h a te a r t h w o r mc o u l do n l ya b s o r bp a r to fh e a v ym e t a l sr a t h e rt h a ne n r i c ht h e m e i s e n i af o e t i d aw a sa b l et oi n c r e a s en o t a b l yd t p a - p bi na c i db r o w ns o i la n d a q u i cb r o w ns o i l ，w h i c ha l s oc a nb er e a l i z e db yt h ea d d i t i o no fz ni nc i n n a m o ns o i l t h a ti s4 0 0m g k 9 1c o n c e n t r a t i o na n dz ni na c i db r o w ns o i lt h a ti s2 0 0m g k f l c o n c e n t r a t i o n t h e r ei sa no b v i o u sd i f f e r e n c eo fe i s e n i af o e t i d af r o ma l l o l o b a p h o r a c a l i g i n o s ai nt h ea s p e c to fa c t i v a t i n gp ba n dz ni ns o i l st r e a t e db yd i f f e r e n th e a v y m e t a l s s o l lc h a r a c t e rj sa n o t h e rf a c t o rt h a te a r t h w o r mi m p r o v e sb i o a v a i l a b i l i l t yo f h e a v ym e t a li ns o i l s t h ea c t i v i t yo fe a r t h w o r mi m p r o v e dt h ep hi nb o t hp b t r e a t e da n dz n - t r e a t e da c i d b r o w ns o i la n dz n - t r e a t e dc i n n a m o ns o i l a m o n gt h et h r e ep b a d d e ds o i l s i nt h e e x p e r i m e n t ，t h ep hi nt h es o i lt h a tc o n t a i n s a l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s aw a sh i g h e rt h a n t h a to ft h eo n et h a tc o n t a i n se i s e n i af o e t i d a ，w h i l eb e t w e e nz n - t r e a t e da c i db r o w ns o i l a n dc i n n a m o ns o i l ，t h ep hi nt h es o i lt h a tc o n t a i n sa l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s aw a s l o w e rt h a nt h a to ft h eo n ec o n t a i n i n ge i s e n i af o e t i d aa n di ti sad i f f e r e n tc a s eu n d e r t h ec o n d i t i o no fa q u i eb r o w ns o i l t h ea c t i v i t yo ft h ee a r t h w o r mc a nd e c r e a s ep hi n s o i l ，w h i c hc a nb ea n o t h e rm e c h a n i s mt h a te a r t h w o r mc o u l di m p r o v eb i o a v a i l a b i l i l t y o fh e a v ym e t a li ns o i l s t h ee a r t h w o r mc a ni m p r o v et h eq u a n t i t yo fd o ci nt h et h r e ep ba n dz na d d e d s o i l s i nz na d d e da q u i cb r o w ns o i la n da c i db r o w ns o i l ，t h eq u a n t i t yo fd o ci nt h e s o i lt h a tc o n t a i n se i s e n i af o e t i d aw a s h i g h e rt h a nt h eo n e t h a tc o n t a i n sa l l o l o b a p h o r a c a l i g i n o s aw h i l ei ti sad i f f e r e n tc a s eu n d e rt h ec o n d i t i o no fc i n n a m o ns o i l a m o n g t h et h r e ep ba d d e ds o i l s ，t h ea d do fe i t h e ra l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s aa n de i s e n i a f o e t i d ao b v i o u s l yi n c r e a s e dt h eq u a n t i t yo fd o c i ns o i l s s u c ha ni n c r e a s el e db y e a r t h w o r ma c t i v i t ym a yb ya n o t h e rm e c h a n i s mt h a te a r t h w o r mc o u l di m p r o v e 4 山东师范大学硕士学位论文 b i o a v a i l a b i l i l t yo fh e a v ym e t a l i ns o i l s - e a r t h w o r mc a s tt o t a l i t ya n dd t p a - e x t r a c t e dp ba n dz nq u a n t i t yo fi n c r e a s e db y t h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fp ba n dz ni ns o i l s w h e nt h eq u a n t i t yo f d t p a - p ba n dz nw a sa b o v e5 0 ，t h eb i o a v a i l a b i l i l t yo fh e a v ym e t a li ne a r t h w o r m c a s tw i l lb ea c c o r d i n g l yh i g h b e s i d e s ，t h eq u a n t i t yo fd t p a - p ba n dz nw a sh i g h e r t h a nt h a to ft h es o i l s i ti sp o s i t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a n t i t yo fd e p a - z na n d p bi u s o i la n dt h a to fi ne a r t h w o r mc a s t t h e r e f o r e t h ed t p a - z na n dp bi n e a r t h w o r mc a s tw a st h em a i ns o u r c eo fd t p a - z na n dp bi ns o i la n dp hi ns o i l ，b u t p o s i t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h a ta n dt h eq u a n t i t yo fd o c i ns o i l t h ed e c r e a s eo f p hi ns o i la n di n c r e a s eo fd o c i ns o i lw i l lb o t hi m p r o v et h eb i o a v a l l a b i l i l t yo f h e a v y m e t a li ns o i l s i tc a nb ec o n c l u d e df r o mt h es t u d i e sa b o v et h a ta l l o t o b a p h o r ac a l i g i n o s aa n d e i s e n i af o e t i d at h a ts u r v i v ei np ba n dz na d d e ds o i lw e r ea b l et oi m p r o v et h e b i o a v a i l a b i l i l t yo fh e a v ym e t a li ns o i l sb ym e a n so ft h ed e c r e a s i n gp hi ns o i l ， i n c r e a s i n gd o c i ns o i l ，d i g e s t i o ni nb o d yo re x c r e t i o no fe a r t h w o r mc a s ta n da r eo f g r e a tp o t e n t i a lt o b e a p p l i e d i nt h ep h y t o r e m e d i a t i o nw h i c hd e a l sw i t ht h e h e a v y m e t a l - p o l l u t e ds o i l s oa st o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp h y t o r e m e d i a t i o n b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns o i l ，h e a v ym e t a l ，e a r t h w o r ma n d m i c r o o r g a n i s m ，t oh i g h l i g h t t h em e c h a n i s mt h a te a r t h w o r mi n f l u e n c e st h e b i o a v a i l a b i l i l t yo fh e a v ym e t a li ns o i l ss h o u l db et h em a i nc o n c e r uo ff u t u r es t u d y k e y w o r d s ：e a r t h w o r m ；s o i l ；h e a v ym e t a l ；p h ；d o c ；p h y t o r e m e d i a t i o n b i o a v a i l a b i l i l t y c a t e g o r yn u m b e r ：x 1 3 1 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：榭、 导师擗成生艮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 圭坠可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：省婷魍， 签字日期：2 0 0 箨口乒月知日 导师签字 戡圭阢 签字日期：2 0 0 璋妒月幻日 山东师范大学硕士学位论文 前言 土壤是农业生产的基础，同时也是各种污染物质的最终载体。随着工农业生 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， 寻找一种清洁高效的治理技术，恢复土壤原有生态功能，一直是环境科学研究的 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”( 吴 祖堂，1 9 9 2 ) 。 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 b c o s , t h l a s p ir o t u n d i f o l y 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、生物量小( 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 f i 等) 使被土壤同 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 dk 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 山东师范大学硕士学位论文 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。 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 nd 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 s r u b e l l u s ( s t u r z e n h a u m e ta 1 ，1 9 9 8 ) 、e u d r i l u se 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 1 ，1 9 9 2 ；n i ua n dc 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( 牟树森，1 9 9 1 ；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 ta 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。 土壤p h 与土壤中各种营养元素、重金属元素的有效性密切相关( 孟昭 福，2 0 0 4 ；李鱼，2 0 0 3 ；于君宝，2 0 0 3 ) 。p h 改变将导致土壤中重金属化学形态的 山东师范大学硕士学位论文 变化，尤其是在低p h 时更为明显( h a x t e xrd ，1 9 8 3 ) 。在未污染土壤上，大多 数研究已经证实了蚯蚓活动能明显影响土壤p h 。e d w a r d s 和l o f t y ( 1 9 7 7 ) 认 为蚯蚓可调节土壤p h ，使之趋于中性，多数研究者都观察到蚓粪p h 较原土升高 的现象，他们指出蚯蚓消化道可分泌相当数量的氨，蚯蚓的钙腺还可以产生 c a c o 。，从而导致蚓粪p h 的升高( l a v e r a c kms ，1 9 6 3 ) 。而俞协治( 2 0 0 2 ) 在对 铜、镉污染土壤研究时发现，蚯蚓活动能明显降低红壤的p h ，c h e n ge ta 1 ( 2 0 0 2 ) 在对锌污染土壤研究时也得到了同样的结论。显然，在污染土壤中和未污染土壤 中的研究结论有着较大的分歧。这就需要通过更多的土壤类型和更多的蚯蚓品种 研究证实，这对于揭示蚯蚓对土壤中重金属有效性的影响机理具有重要的理论意 义。 水溶性有机碳( d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ，d o e ) 是指可溶解在水中的低分 子量的有机酸和氨基糖等物质。由于它对重金属金属有螯合作用，因此是陆地生 态系统和水生生态系统中的一种重要的、很活跃的化学组份。蚯蚓作为土壤中的 天然动物，可以提高土壤中有机质的含量进而提高土壤中d o c 的含量作用已被前 人所证实( c o r t e z ，1 9 8 9 ：m a r i n i s s e n ，1 9 9 0 ) ，同时，蚯蚓也通过改变土壤的 理化性质和提高微生物含量对土壤中d o e 含量产生影响( h a r m s e n ，1 9 9 5 ： a n s t e t t ，1 9 5 1 ) 。多数研究结果证明，d o e 能增加重金属的溶解性( t e m m i n g h o f f e t a 1 ，1 9 9 7 ：y i ne ta 1 ，1 9 9 6 ：i _ a m ye ta 1 ，1 9 9 3 ：s t r o b e le ta 1 ，2 0 0 1 ；w i l c k ee ta 1 ，2 0 0 2 ， c h i r e n j ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。j o r d a n r n 等( 1 9 9 7 ) 发现d o e 对p b 在土壤中的吸附有影 响，加入d o e 以后p b 在土壤中的吸附量明显减少。t e m m i n g h o f f e j m 等( 1 9 9 7 ) 发现d o e 对c u 有同样的影响。蚯蚓可以提高未污染土壤中d o e 含量，那么能够 存活于重金属污染土壤中的蚯蚓能否提高污染土壤中d o e 的含量，进而提高污染 土壤中重金属的有效性呢? 问题的回答将为认识蚯蚓对土壤中重金属有效性的 影响机理提供有力的科学依据。 基于以上认识，设想在重金属污染土壤上，存在着利用蚯蚓改善土壤性质， 增加土壤中d o e 的含量，进而提高土壤中重金属的植物有效性的可能性。由此在 一定程度上解决植物修复的两个限制因素之一，为提高重金属污染土壤的植物修 复效率提供条更为经济、安全的技术途径。 本研究以酸性棕壤、褐土、潮棕壤为供试土壤，利用培养试验，通过对比接 山东师范大学硕士学位论文 种与不接种蚯蚓处理来研究：1 ) 土壤p b 、z n 污染对蚯蚓生长的影响研究；2 ) 蚯蚓对土壤中有效态p b 、z i l 含量的影响研究；3 ) 蚯蚓对土壤中有效态p b 、z i l 含量的影响机理研究；4 ) 蚯蚓对土壤中有效态p b 、z n 含量的影响机理推测。 其目的在于证实蚯蚓在提高污染土壤重金属生物有效性的作用，揭示其作用机 理，以便为进一步利用蚯蚓改善植物修复技术提供理论依据。 山东师范大学硕士学位论文 1 引言 第一章土壤z n 、p b 污染对蚯蚓生长的影响 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( 陈伟强，2 0 0 3 ；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 dr 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 na n dm 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 i o e t i d a ) 对c d 污染较为敏感，z i l 的污染毒害闽值也低于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 ，舡，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 g 一，p b 的浓 度达1 1 7 4 憎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 度内刊会对土壤的基本性质、重金属的化学形态产生影响。 出于土壤组成( 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 山东师范大学硕士学位论文 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 ) 。 本研究以酸性棕壤、潮棕壤和褐土为供试土壤，通过培养实验，着重研究不 同浓度的z n 、p b 污染对赤子爱胜蚓生长率的影响，研究不同的暴露时间对赤子 爱胜蚓和灰暗异唇蚓生长率的影响，并对蚯蚓体内的富集系数做了初步的探讨。 其目的在于了解不同生态条件、不同重金属种类、不同污染程度等对不同蚯蚓品 种的影响，为不同重金属污染土壤的治理筛选合适的蚯蚓品种奠定基础。 2 材料与方法 2 1 供试土壤与蚯蚓 供试土壤分别采自于泰安普照寺东酸性棕壤( a c i db r o w ns o i l ) 、山东农业大 学农场潮棕壤( a q u i cb r o w ns o i l ) 、千佛山石灰岩类褐土( c i n n a m o ns o i l ) 的耕 层土壤( 0 2 0 c m ) ，土壤基本性状见表1 - 1 。 供试蚯蚓为赤子爱胜蚓( e i s e n i a f o e t i d a ) ，购白天津宁河县蚯蚓饲养场。用 去离子水冲洗净蚯蚓身上的泥土，吸去水分，每1 0 条称重，实验一平均每条鲜 重约o 5 9 ，平均体长约8 c m 。实验二平均每条鲜重0 7 9 ，平均体长约1 2 c m a 实 验三平均每条鲜重o 9 9 ，平均体长约1 2 e m 。灰暗异唇蚂 ( a l l o l o b a p h o r ac a l i g i n o s a ) 采白济南祝甸菜地，平均每条鲜重约0 9 9 ，体长约7 c m 。 表1 - 1 供试土壤基本理化性状 t a b l e l - 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs o i l sf o rp o te x p e r i m e n t 山东师范大学硕士学位论文 2 2 研究方法 实验1 ：土壤中不同浓度的z n 、p b 对蚯蚓生长率的影响 称取1 5 k g 过2 0 目筛的风干土壤于塑料钵中，分别加入0 、i 0 0 、2 0 0 、4 0 0 m g k 百1 的z n ( z n s 0 4 7 h 2 0 ) 或2 0 0 、4 0 0 、8 0 0m g k 昏1 的p b ( p b ( c h 3 c o o ) 2 3 h 。o ) ，在室内干湿交替培养4 5 天，待土壤中重金属各形态分 配平衡后，每钵中加赤子爱胜蚓1 0 条，并以不加蚯蚓的相应处理为对照。温室 内培养3 0 天。培养过程中保持土壤水分在田间持水量的6 0 一7 0 。三种土壤共 设4 2 个处理，每个处理3 次重复。 实验2 ：土壤中相同浓度的z n 、p b 对不同品种的蚯蚓生长率影响 称取o 5 k g 过2 0 目筛的风干土壤于塑料钵中，分别加入0 、2 0 0 m g 】c 矿的 z n ( z n s 0 4 7 h 2 0 ) 或4 0 0m g k 9 1 的p b ( p b ( c h 3 c o o h 3 h 2 0 ) ，在室内干湿 交替培养4 5 天，待土壤中重金属平衡后，每钵中分别加入灰暗异唇蚓或赤子爱 胜蚓各7 条。温室内培养1 5 天。培养过程中保持土壤水分在田间持水量的 6 0 一7 0 。三种土壤共设2 4 个处理，每个处理3 次重复。 实验3 ：暴露时间对蚯蚓生长率的影响 称取0 5 k g 过2 0 目筛的风干土壤于塑料钵中，分别加入0