中禾简析土壤重金属污染--修复方法

土壤是生态环境的重要组成部分,是人类社会赖以生存的主要资源之一。过去数十年间,城市与现代工业快速发展,矿床过度开采和冶炼等导致大量污染物进入环境,土壤重金属污染日益严重。重金属可以通过植物的吸附作用进入植物体内,还可能通过径流和淋洗等作用污染地表水和地下水,*终通过食物链或直接接触等途径危害人们身体健康。
据报道----我国受重金属污染土壤面积约2000万hm2,占全部耕地面积的1/5,每年因土壤重金属污染带来的粮食减产达1000多万t,被重金属污染的粮食每年约1200万t,年经济损失在200亿以上。我国华南地区有的城市有50％的农地遭受Cd、As、Hg等有毒重金属和石油类的污染。长江三角洲地区有的城市有万亩连片农田受Cd、Pb、As、Cu、Zn等多种重金属污染,致使生态环境和农业生产受到极大破坏。

土壤重金属污染--修复方法
　 土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点,加上土壤中的重金属具有生物不可降解性和相对稳定性,重金属污染土壤的修复治理比较困难。
目前,常用的重金属污染土壤修复方法主要有物理化学修复和生物修复等方法。物理化学法和微生物修复对于重金属污染土壤的修复适用性较差,治理成本高,容易造成二次污染,不能从根本上解决大面积的土壤环境污染问题。与传统的物理化学修复方法相比较,植物修复、动物修复等生物修复技术在重金属污染治理中具有不可替代的优势,并以其治理过程的原位性、治理成本的低廉性、管理与操作的简易性及环境美学的兼容性日益受到人们的重视,并成为污染土壤修复研究的热点之一。

蚯蚓与土壤
　　蚯蚓作为大型土壤动物,是土壤中的主要动物类群,其生物量占据土壤动物生物总量的60％以上,在维持土壤生态系统功能中起着不可替代的作用。蚯蚓活动可使土壤疏松,促进植物残枝落叶的降解,促进有机物质的分解和矿化,增加土壤中Ca、P等速效成分,促进土壤中硝化细菌的活动,从本质上改善了土壤的化学成分和物理结构。因此,近年来蚯蚓在土壤重金属污染及修复中的应用也日益受到人们重视。
蚯蚓---是属于环节动物门寡毛纲(Oligochaeta)的一类低等动物,在自然界已经存在6亿年之久,世界上的蚯蚓约有2500多种,我国已记录的有近300种。所以,达尔文认为蚯蚓是地球上的“*一劳动者”。
蚯蚓是土壤中*常见的杂食性陆生环节动物,对环境变化具有较强的适应能力,可利用皮肤呼吸,在氧分压低于21533kPa时也能维持正常呼吸,在暂时缺氧条件下还能利用体内糖元的嫌气进行分解,为生命活动提供能源。
蚯蚓消化能力强、食性广,在生态系统中担当着分解者的角色,人们也利用蚯蚓来处理城市生活垃圾,工业污泥、废渣,以及农作物秸秆、沼气废渣等有机废物。
蚯蚓作为土壤重金属污染指示生物
自20世纪90年代以来,用蚯蚓的分子、生物化学和生理反应(生物标志物)来监测土壤污染的变化情况已越来越受到人们的关注,生物标志物为田间条件下指示土壤污染情况提供了有效的工具。传统的生态毒理学研究通常只测量蚯蚓体内污染物的残留量或环境中化学物质的残留量,生物标志物的主要优势就在于它们弥补了传统环境毒理学方法的一些局限性。蚯蚓通常被视为土壤动物区系的代表类群而被用于指示、监测土壤污染,蚯蚓在陆地生态系统中的特殊地位及其毒理学特性使它成为土壤有害化学物质的理想指示生物,近30年来,国际上几乎将蚯蚓用于所有重要土壤污染物的指示研究,蚯蚓的种群数量、种类丰度、多样性等参数都是评价污染物环境危害的有用工具。从生态学的角度来看,蚯蚓处于食物链的底端,与土壤中的各种污染物接触密切,利用蚯蚓作为指示物监测、评价土壤污染,可为保护整个土壤动物区系提供一个相对安全的污染物浓度阈值。

AbudulRida和Bouch在一项研究中的大量分析证实,土壤重金属含量与蚓体含量的相关关系很密切,蚯蚓对Cd、Pb、Zn具有极强的富集能力。Paoletti的研究指出,农业用地、城市及工业区土壤中的蚯蚓是监测各种污染的良好指示者。早期Bengtsson对瑞士东南部某黄铜制造厂附近土壤中正蚓科蚯蚓(Lumbricidae)的种类、种群密度进行了调查,得到了相同的规律:蚯蚓的密度和数量与污染源的距离成比例,离制造厂越近,污染越严重,蚯蚓的数量及种类越少。此外,近年来Mari?a等人对蚯蚓体DNA甲基化和重金属污染胁迫的潜在关系进行了探索,研究指出蚯蚓DNA甲基化作为土壤重金属污染生物标志物的可能性,还可用于评估DNA甲基化的表观遗传变化风险。
国内学者也在该领域进行了一定的研究,袁方曜等对华北地区代表性重金属污染农田与洁净农田蚯蚓群落比较发现,污染农田中灰暗异唇蚓、湖北远盲蚓和日本杜拉蚓3个当地潮土农田的建群种消失,而威廉腔蚓的种群密度大大增加,说明蚯蚓群落中的污染敏感种消失后,同时改变了耐受性种的生态位,耐受性种可以代替敏感种在土壤生态系统中的功能。王振中等对湖南株洲市某金属冶炼区附近土壤中的蚯蚓种群结构、数量进行了调查,结果表明:随着Cd、As、Pb、Zn、Cu、Hg污染程度的增加,蚯蚓种类减少,污染严重的地区优势种表现出更强的优势度,重污染区3个种均为巨蚓科种类。朱江等报道了以蚯蚓的死亡率和细胞的凋亡率等敏感生物标志物评估土壤中重金属Cd和多环芳烃菲单一与复合污染的方法。常忠连等的研究指出,蚯蚓不仅可以监测土壤重金属总量,而且可以与土壤因素相结合监测重金属的生态有效性。

蚯蚓对重金属的富集与释放
　　 相关研究表明,蚯蚓对重金属有一定的忍耐和富集能力,蚯蚓对重金属的富集主要是通过被动扩散作用(passivediffusion)和摄食作用(resorption)2种途径,前者是污染物从土壤溶液穿过体表进入蚯蚓体内,而后者则是污染物由土壤通过吞食作用进入蚯蚓体内,并在内脏器官内完成吸收作用。有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而不受伤害或伤害较轻。蚯蚓体内富集的重金属可以在食物链中传递和生物放大,其过程取决于重金属化合物的持久性和可富集性。在蚯蚓的忍受范围内,当蚯蚓吸收的重金属积累到一定程度就会通过粪便和分泌物排出;如果蚯蚓吸收的重金属超过了蚯蚓的忍受范围,则会直接毒害蚯蚓。
Hendriks和Ma通过室内模拟试验和田间试验,均证明了蚯蚓对Cd具有极强的富集能力,这与寇永纲等的研究结论一致,随着Pb浓度的增加,蚯蚓体内的富集量也增加;单位质量蚯蚓培养期内吸收Pb量与Pb浓度梯度表现出极显著差异。Edwards等研究了蚯蚓体对Cu和Hg的生物可利用性,认为蚯蚓对两者均有富集作用。吴国英等采用室内接种法的研究结果表明,赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)对猪粪中重金属Cu、Zn具有一定的吸收能力,富集系数分别为0.43、0.73。戈峰等的研究揭示了蚯蚓对Se、Cu有很强的富集作用,体内*高富集量分别可达33215和136719mg/kg,分别相当于体重的0.03％和0.12％,这些都表明蚯蚓对重金属均有较强的富集能力。郭永灿等的研究证明重金属在蚯蚓体内富集量随污染程度增加而上升,重污染区为中污染区的2.27倍,轻污染区的7.30倍。

　　同时,蚯蚓对重金属的忍耐和富集能力是有选择性的,对不同重金属*大富集量的出现时间也不相同,对各种重金属的富集量随着培养时间的增加而变化。牛明芬和崔玉珍通过蚯蚓处理垃圾及纳污河流底泥实验研究发现,蚯蚓可选择吸收并富集垃圾及底泥中的Cd,但对其他重金属元素Pb,Cu,Zn等并无此种富集吸收现象。通过对富集系数K的比较研究,王振中等发现蚯蚓体对重金属吸收顺序为Cd>Hg>As>Zn>Cu>Pb,其中Cd的富集系数大于1,表现为强烈富集作用。Gregor等对8种不同蚯蚓在森林土壤中对Hg、Cd、Pb的富集情况进行了系统研究,结果表明蚯蚓对重金属的富集能力依次为Cd>Hg>Pb,与上述研究结果一致。伏小勇等对微小双胸蚯蚓的研究表明,蚯蚓对Cu、Pb富集量在第2周时达到*大,而对Zn的富集量在第4周时达到*大。陈玉成等研究表明,重金属富集系数与转化方式之间没有明显相关性,蚯蚓*易富集的金属元素是As和Cd,而不易富集Hg。此外,对于重金属在蚯蚓体内的富集形态也进行了一定的研究,Anita等的研究表明,土壤中的As主要以砷酸盐形态存在,而蚯蚓体内的As除了砷酸和亚砷酸盐两种主要形态外,还有二甲砷酸检出。尽管蚯蚓富集重金属后不能像超富集植物那样容易移除,但其对重金属的富集与释放对于土壤重金属污染修复具有积极意义,蚯蚓活动及其生理过程将能有效地促进重金属在土壤中的迁移,并能提高其生物可利用性。

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