蚯蚓对污染土壤的生物修复研究进展
蚯蚓在陆地生态系统中占有非常重要的地位.它们参与土壤有机质的分解和养分循环,其取食活动间接地对土壤起到了机械翻动的作用，并改造了土壤的结构性、通气性和透水性，使土壤迅速熟化。蚯蚓在正常代谢过程中产生的蚯蚓粪便含有大量的微生物群落和复杂的有机化学成分，并具有特殊的物理结构，因而在改善土壤的各种理化结构和提高土壤肥力等方面具有非常重要的作用，被称为“农业的犁手”和“改良土壤的能手”。随着工业进程的发展和人类对蚯蚓研究的不断深入，蚯蚓的生态功能和经济应用价值日趋明显。蚯蚓对土壤中的重金属和有机物等多种化学污染物具有较好的耐受性，可以在组织内进行生物蓄积。Contreras—Ramos等研究证实，蚯蚓可以移除土壤中的重金属(cd、Pb、Cu、Hg等)、杀虫剂和亲脂性有机微量污染物——多环芳烃(PAH)等。重金属和多环芳烃对生物体具有一定的毒性，且不同种蚯蚓对污染程度的忍受力不同，因而蚯蚓的分布还可以作为污染地区受污染程度的监测指标。蚯蚓粪便中含有的微生物可以抑制植物土传病害。蚓粪中还含有一些特殊的植物生长激素，因此施加蚓粪可以明显地促进植物的生长和发育。
1蚯蚓的生物学和生态学特性
蚯蚓是一种营土栖生活的低等动物，是完全的土壤环节动物，寡毛纲。蚯蚓喜食土壤中的腐殖质,适于生活在温暖、湿润、疏松、有机质丰富的中性土壤中。蚯蚓生长的适宜温度为18—25℃，高于35℃或低于6℃生长繁殖受到抑制。蚯蚓培养基适宜含水量为35％一55％。一般在每公顷土壤中,蚯蚓的数量可达30万条，在森林和沼泽土壤表面的枯枝落叶层中数量较多，每公顷可达294万条。蚯蚓营穴居生活，通过吞食土壤来形成通道。土壤中蚯蚓的分布依赖于土壤湿度、有机物质的利用度、土壤pH等因子。蚯蚓很少生活在粗糙组织的土壤中，而大量存在于黏土或pH<4的土壤中。蚯蚓触觉发达，对光和干燥亦非常敏感。蚯蚓靠皮肤呼吸，土壤介质的适当通风是其生活所必需的，土壤水分不宜过高。
2蚯蚓提高土壤质量的特性
蚯蚓每天吞食大量的泥土，在胃中将其磨碎，在肠中进行酶消化。只有5%一10％的摄取物被吸收，其余以生态土的形式被排出，这些生态土中富含N、P、K微量元素和土壤益生菌(固氮菌和食用菌根真菌等)。
蚯蚓可以在肠内对有机物质腐殖质化，将大量的有机颗粒转化为复杂的包含酚类物质的无定形胶质。大约1/4的有机物质被转化为腐殖质，这些胶质腐殖质可作为土壤中的缓释肥。
土壤的生物修复过程中，蚯蚓的数量明显增加，可通过多种途径改善土质。蚯蚓可加速土壤破碎和通气，可翻转土壤并进行再分散。平均而言，蚯蚓1a可摄人12t的土壤或有机物，每年可翻转18t土壤。研究表明，蚯蚓在每公顷土壤中的数量达到0.2x10^6-1.0x10^6条时，可在3个月内有效修复污染土壤,蚯蚓可作为优良肥沃土壤的生物指示剂。
蚯蚓所排出的生态土含有淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶和壳多糖酶等多种酶类，这些酶可以继续分解土壤中的有机物质，释放营养物质促进植物根系生长。由蚯蚓肾管排出的含氮废弃物大部分是尿素和氨。土壤中的铵被生物转化为硝酸盐。蚯蚓可在土壤中进行快速氮循环，氮循环量为20~200kg/n。Singleton等研究发现，蚯蚓肠道内可寄生包括固氮菌在内的数百万益生菌，这些菌体随同生态土一块排出。
蚯蚓不仅可提高土壤物理、化学和生物学方面的特性，以此来增强土壤的肥力，还可以降低土壤盐度，中和土壤pH，改善土壤质量。
3蚯蚓的化学耐受性
一般而言，蚯蚓对土壤中的许多化学污染物，有机和无机的都具有高的耐受性，通常可在组织内进行生物蓄积而不受影响。
3.1蚯蚓对重金属的生物蓄积
Ireland研究发现，蚯蚓可在组织内蓄积高质量浓度的重金属而不受生理学影响。蚯蚓摄取土壤中金属，在肠道内通过生理学反应转化金属的离子形式，排出对植物可有效利用的金属矿物离子。研究显示，蚯蚓不仅可吸收和蓄积汞、铅、铜、锰、钙、铁等金属，并且对镉和锌具有极高的吸收能力。镉的流动性很强，易与蚯蚓体内软的不含镉组织结合，组织中质量分数可达100mg/kg大部分蚯蚓物种都可较好地蓄积镉和铅。Ireland的研究表明，在不同的物种中铅的蓄积量可分别达90~180、2600、7600mg/g。Contreras—Ramos等同样证实，蚯蚓可以降低土壤中铬、铜、铅和锌的质量分数。蚯蚓对路旁和矿区重金属的富集量明显多于其他地区，因此,可作为土壤重金属污染的生物指示器。
3.2蚯蚓对杀虫剂的生物蓄积
杀虫剂阿尔德林的土壤追踪实验发现,5a后土壤中的残留量仍可高达66%，残留体或以阿尔德林本体形式存在，或以其初级分解物的形式存在。土壤中有机氯杀虫剂的残留量与蚯蚓体内的量存在一定联系。Ireland研究证实，蚯蚓可通过食物介质蓄积或降解有机氯杀虫剂和多环芳烃的残留物。
4生物修复——蚯蚓对土壤中化学物质的吸收和固定
蚯蚓以扩散和促进扩散的方式通过表皮吸收溶解在土壤空隙水中的化学物质。其摄取的泥土通过胃肠道时也可完成对化合物的吸收。进入肠道的污染物经过代谢、混合后被排泄出来，或隐藏在蚯蚓的组织中，或在空泡中。虽然大部分污染物可转化为无毒物质，但有些物质仍会以其他毒性形式存在，因此，还需进一步研究。
4.1土壤中金属污染物的生物转化
蚯蚓吸收金属后用金属硫蛋白进行固定。Ire—land研究发现，添加的黄色细胞对镉和铅具有强的吸收力，镉和铅分别以镉一金属硫蛋白、铅一金属硫蛋白的形式存在，少量的金属被存储在废弃的根瘤(空泡)中。经肠道吸收的重金属在蚯蚓的黄色细胞中累积，在黄色细胞的小球形黄色素和囊泡中固定化。
4.2土壤中化学污染物的生物降解
Ma等研究发现，土壤中的蚯蚓能促进邻苯二甲酸盐、菲和荧蒽等有机污染物的降解。蚯蚓体内的细胞色素P450系统酶可降解污染物。Acha-zi等研究表明，生长在苯芘化合物污染区的赤子爱胜蚓体内的上述酶系统可以富集高达1000mg/kg的化合物。几种土壤微生物，特别是细菌和真菌，也可生物降解包括烃在内的几种化合物。然而，蚯蚓进入土壤后增加了土壤微生物的数量，并增加了土壤的透气性，这进一步刺激和增加了微生物的活性，最终加快生物降解的速度。蚓粪中不仅含有起生物降解作用的微生物，还有大量的营养素N、P等。这些营养物质促进了土壤微生物的生长，从而促进了有机物质的生物降解。
5多环芳烃污染土壤的生物修复
美国环保署已鉴定出l6种主要的污染物。由两个或多个苯环组成的多环芳烃在生物体内具有生物放大效应，可对活体生物造成侵害。多环芳烃可在植物及包括人类在内的动物体内生物蓄积。多环芳烃涉及100多种化合物，常见的有蒽、萘、菲、芘等。它们来自煤、石油、木材的不完全燃烧，由炼油厂和各种发电厂释放而出。沥青、铝、机械装置、纸浆和纸的生产过程也可产生多环芳烃。某些多环芳烃具有挥发性。在燃烧过煤、木材、石油的土壤上结出的果实会含有多环芳烃。芘、蒽和草屈可使哺乳动物致癌，可诱变动物和细菌细胞并产生畸变。某些多环芳烃还可诱导免疫抑制效应。这些化合物具有热力学稳定性、低的水溶性、强疏水性，易于与环境颗粒表面牢固结合。某些多环芳烃可在数天或几周内发生光降解，土壤微生物可在数周或数月内降解多环芳烃。Sims和Overcash研究指出，多数多环芳烃具有不挥发性和光稳定性。在自然条件下，土壤中的菲半衰期为26d,蒽为6250d。
蚯蚓既可通过刺激土壤微生物的生长来加速多环芳烃的生物降解，也可通过被动吸收和生物积累的方式移除多环芳烃。Contreras—Ramos等研究指出，蚯蚓可利用其体内脂肪沉着物来生物积累多环芳烃。Parish等研究发现，废弃制造业工厂中的蚯蚓更易于积累3～4个苯环的多环芳烃。
蚯蚓以2种方式吸收疏水有机化合物：1)真皮吸收——利用蚯蚓的外膜从土壤溶液中进行被动扩散；2)肠吸收——土壤化合物经过肠道时进行吸收(消化)。被动扩散的推动力是土壤空隙水和蚯蚓组织的浓度梯度。蚯蚓对多环芳烃的蓄积随周围土壤水或吞食泥土中多环芳烃质量浓度的增加而增加。多环芳烃的生物降解以微生物破裂芳环为开始，产生易于参加活体细胞三羧酸循环的脂肪族化合物。Kanaly和Harayama研究了用绮丽小克银汉霉菌和热带念珠菌降解多环芳烃。Singleton等对与蚯蚓肠道和蚯蚓粪有关的细菌群落进行了一系列研究，发现其中存在假单胞菌属、芽孢杆菌、固氮弧菌属、博克霍尔德菌、产碱菌属和酸杆菌属等一系列菌种，其中，假单胞菌、酸杆菌和产碱菌属可降解烃类物质。Johnsen等研究表明，存在于蚯蚓肠道内的真菌也可降解烃类物质，产碱菌属甚至可降解聚氯联苯，毛霉菌可降解六氯萘。Contreras—Ramos等研究了赤子爱胜蚓对菲、苯芘、蒽等3种多环芳烃化合物的吸收，测量了土壤及其生存在其中的蚯蚓组织内的多环芳烃的质量分数。在50g土壤中加入10条蚯蚓，湿度控制在70%。加入蚯蚓后蒽的降解率达到80%平均移除率为51%，而未加入蚯蚓土壤的降解率则只有23%。平均而言，苯芘的对应数据分别为60%、47%、13%。土壤中菲浓度低于100mg/kg时，蚯蚓可将其完全降解，无蚯蚓时降解率则只有77%。当土壤中化合物质量分数超过150mg/kg时，蚯蚓会死亡。结果表明，无论是直接降解(消化和酶降解)，还是间接降解(刺激微生物的活性)，蚯蚓对土壤中多环芳烃的降解都发挥了重要作用。
6结语
利用蚯蚓的特殊功能，使其与微生物协同共生，构建新型的组合生物处理技术用于治理有机固体废弃物及农药残留等环境污染，具有高效性、低能耗性、环境友好性(降低二次污染)、操作简便性等优点。蚯蚓的快速再生能力是其有效去除多环芳烃的保证。
生物修复是可以提供一种低成本、环境可承受的土壤污染处理方式，可以在几周或几个月内完成污染物移除，具有耗时短的优势，并且这种新型的生物处理技术能在治理环境污染的同时，同步实现资源再利用，是环境、资源可持续发展的新举措。与传统的机械去除土壤污染物相比，蚯蚓生物修复技术具有经济适用性。因此，将蚯蚓用于生物修复污染土壤具有重要的实际意义，而且随着研究的进一步深入，其应用前景也将越来越广阔。
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