蚯蚓处理重金属的毒理学研究启示

蚯蚓处理重金属的毒理学研究启示2009-10-2716:01引言19世纪80年代．蚯蚓生态学家运用现代生态学手段和原理进行了蚯蚓生态、行为、功能与遗传特性的研究．推进了蚯蚓生态学研究的迅速发展。大量的研究表明。蚯蚓具有加速土壤结构形成，促进土、肥相融，加速有机质的分解转化，提高植物营养。改善土壤通透性和提高蓄水、保肥能力等重要功能11--21。近年在法国、美国召开的第4，5届国际蚯蚓专题讨论会及1998年在西班牙召开的蚯蚓生态学讨论会上．均把蚯蚓与环境污染列为大会专题进行交流。1。蚯蚓的生态毒理学研究试验方法蚯蚓生态毒理学是指利用蚯蚓作为载体对可能造成土壤环境污染的化学物质进行测试。并根据这些化学物质对蚯蚓的毒害程度来评价其可能对生态系统及其组分的危害程度。关于蚯蚓的生态毒理与环境安全指示研究试验方法可分为实验室急性毒性试验、真实生态系统中的田间毒性试验、污染环境的生物检测和生理、细胞及分子等微观水平毒性指标检测等几个方面．评价对象涉及到重金属、有机农药和一些持久性有机物(如PAHs)等几大类化学污染物。1-1急性毒性试验法急性毒性试验法并不是严格意义上的生态毒理学试验．但能简单、快速地对化学品的生态毒性做出初步的判断．鉴定出被测物质对蚯蚓有无明显的毒害作用。目前广为采用的有以下4种方法：(1)滤纸接触法(COntactfiltertest)。这种方法是通过成体赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)在填充标准化滤纸的玻璃器皿中与不同浓度的供试化学药品接触48h后测定其死亡率．并可通过统计学方法得出半致死浓度（LC50)。(2)人工土壤试验法(artificialsoiltest)。通过将成熟的赤子爱胜蚓置于含有不同浓度供试化学品的人工土壤中培养14d．观察其行为和存活状况，用统计学方法计算出半致死剂量(LD50)。通常，人工土壤质量分数分别由10％的苔藓泥炭细土(pH值为6)、20％的高岭粘土(高岭土)、69％的工业石英砂(含50％以上粒径为0．05～0．12mm的细小颗粒)和l％的CaC03(化学纯)组成。(3)人造土壤试验法(artsoiltest)。这是用一种无定形水和改性的二氧化硅粉(商品名：Levilite)，并在其中加入直径大约为1．5．2em的玻璃球以代替人工土壤的实验方法。(4)自然土壤试验法(naturalsoiltest)。即采用天然土壤为蚯蚓生活基质．其他与人工土壤相同的实验方法。这种方法对特定地区的环境安全评价具有重要意义。1．2田间试验法蚯蚓的田间生态毒性试验法是指在实际的生态系统中直接测试某化学物质对蚯蚓种群的生态毒性试验。评价指标包括蚯蚓种类、数量和生物量等。调查采样方法包括福尔马林法、电激法、手采法等，或几种方法混合使用。1．3生物检测法这种方法是指在可能已经受到污染的土壤中进行蚯蚓采样研究．并与没被污染的同类型土壤中蚯蚓种群和蚯蚓个体特征进行比较．同时进行实验室分析化学品的残留情况．从而对某种或某类化学品的生态毒性做出评估。1．4生物标记法生物标记法是指通过现代生物学实验手段．考察化学品或环境中化学残留物对蚯蚓的生殖、呼吸、代谢、免疫等生理指标和细胞微观结构、酶活性、染色体、基因等细胞和分子指标的影响．从而评价这些化学品的环境安全性。上述方法各具不同的特点．各种方法在环境安全指示中常综合运用。见表1。表1几种毒性试验法特点方法特点滤纸接触法喜冀蓑著裟旭鹏嫩龋雌鼠艄黼物模拟了蛎蚓毕活环墙屡可能反映蒋班勒对蛎蚓的影响佃方人工土壤法法繁杂．人工土壤组；难统一．不同试验结果可比性差。’人造土壤法简单易行，试验结果可比性好，能较好反映污染物对蚯蚓的真实影响。自然土壤法简单易行，可用于具体地区柯染物的环境安全性评价，但各地区试验结果司比性差。2．1重金属毒性对蚯蚓的影响重金属污染对蚯蚓的种群分布有一定的影响。1992年．LEE[4J提出分析蚯蚓体内重金属和有机污染物含量可作为评价土壤污染的重要指标。邓继福等和王振中等通过对重金属污染区和有机磷农药污染区的生物检测．发现蚯蚓种群数随污染程度减弱而增大。且污染区土壤重金属含量与蚯蚓体内Cd。As，Zn．Pb含量密切相关。SPURGEONm报道了金属污染对蚯蚓种群的影响．发现蚯蚓的分布密度与土壤中的金属浓度呈现负相关。在所研究的4种金属(Cd。Cu，Pb和Zn)中，只有Zn是蚯蚓分布的限制因子．不同蚯蚓在矿区周围的分布只与它们对Zn的敏感度有关，与土壤中的有机养料无关。此后，国内外开展了这方面大量的研究工作．在重金属研究方面尤为突出。2．2蚯蚓活动对重金属化学行为的影响蚯蚓在改良土壤、提高肥力和植物产量方面的作用已经为国内外大量试验所证实。蚯蚓在取食、作穴和排泄代谢产物等生命活动过程中可能对土壤性质和土壤中的重金属化学行为产生直接或间接的影响。如HU等的研究表明，蚓粪中有机碳、有效硼、Mo。Zn，pH值，CEC等明显高于原土；HU等在用蚯蚓处理垃圾时发现加入蚯蚓后重金属的出量明显增加：俞协志等研究蚯蚓活动对土壤中Cu．Cd生物有效性的影响时发现蚯蚓活动显著增加红壤中DTPA提取态Cu的含量．接种蚯蚓后各种重金属处理中黑麦草Cd的吸收量变化不大。因此。蚯蚓可通过提高重金属的生物有效性而间接影响植物对重金属的修复效率。2．3蚯蚓对重金属的富集作用王振中等研究指出．蚯蚓体对重金属吸收顺序为CdHgAsZnCuPb．其中Cd的富集系数大于1，表现为强烈富集作用。戴文龙等⋯l研究表明．蚯蚓对多种重金属有富集作用．蚯蚓体和蚯蚓粪中重金属浓度比由大到小次序为CdZnCrCuPb，与上述研究结果一致。戈峰等习研究表明，蚯蚓对Se和Cu有很强的富集作用．在试验研究中发现蚯蚓体最高富硒和富铜质量分数分别可达33215和136719mg／kg．分别相当于体重的0．03％和0．12％。HENDRIKS等ml的田间试验和室内模拟试验均证明了蚯蚓对Cd具有极强的富集能力。ANITA等f14l研究了污染土壤和富集于蚯蚓体中As的形态．认为土壤中的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2种主要形态外．还有二甲砷酸检出。EDWARDS等旧研究了蚯蚓体对Cu和Hg的生物可利用性，认为蚯蚓对两者均有富集作用。牛明芬等fIq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。3。剩余活性污泥中重金属的去除3．1剩余活性污泥中重金属的现状据国家环保局资料，1999．2001年我罔城市污水处理厂的数量增加了347座。现有污水处理厂约427座．污水年处理能力约113．6亿m3旧。污泥中除含有丰富的有机物质和矿质养分外．还含有一些难降解的有机物、病原菌、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质。如处理不当极易造成二次污染。虽然随着我国对污水排放重金属指标的严格控制．污泥中重金属含量呈下降趋势．但这并不意味着我国城市污泥直接农用不会导致重金属污染。大量研究表明长期使用污泥可导致重金属在土壤中富集．富集的重金属可在土层中发生迁移．既有可能污染地下水资源．又可被植物吸收富集．进而通过食物链危及人体健康。因此，如何对城市污泥进行预处理以有效降低其中的重金属含量已成为污泥能否大量农业利用的关键。3．2剩余活性污泥中重金属的去除方法早期的有关国内外城市污泥中重金属处理研究上面．主要集中在重金属的稳定化方面．但这种方法并不能降低污泥中重金属的总体含量。后来又有了污泥中重金属的去除技术．这种方法能从总量上减少重金属的含量。前者主要包括物理稳定：后者主要包括化学淋滤、生物方法、电化学方法。综观国内外污泥中重金属去除技术的研究现状，存在以下几方面的问题或不足|：稳定化技术治标不治本．只是使重金属的有效态和植物可利用态减少，总量上没有变动，潜在风险仍较大；化学方法在酸化污泥阶段需消耗大量的酸．中和淋出液中的酸又要消耗大量的石灰，成本较高且残留的药剂会降低污泥的肥料价值：微生物方法所采用的细菌适应性比较差．从氧化亚铁硫杆菌／氧化硫硫杆菌产出的硫酸盐也会污染土壤：化学方法和微生物方法的高浓度重金属淋出液的处理较困难．成本高：国内外基于电动力学技术的基本原理及其控制措施开展污泥中重金属污染物的去除研究至今尚少见报道。3．3蚯蚓处理剩余活性污泥中重金属的研究目前．国内对利用蚯蚓处理剩余活性污泥中重金属的研究还比较少．而试验研究方法大多是．先在污泥、垃圾中添加不同含量的蓐金属化合物．经堆制发酵后饲养蚯蚓．然后对蚯蚓吸收、富集重金属和改变蕈金属形态效应等方面进行研究。试验结果表明．蚯蚓对这些废物中的重金属有一定的吸收、富集作用。但过程复杂。不利于该技术的进一步推广。孙新利等1211将剩余活性污泥经破碎、凋pH值、不加碳素(掺加生活垃圾)和发酵与处理后，养殖蚯蚓。研究发现．发酵污泥经蚯蚓处理过后，其中的Zn，Cu。Pb．Cr等重金属含量明显降低。国内学者白春节阎．采用箱式养殖法．用城市生活污水处理后的活性污泥直接饲养蚯蚓。结果表明：城市生活污水经好氧处理后的活性污泥．按照常规管理。不经过发酵处理直接饲养蚯蚓是可行的。同时，白春节还以城市剩余污泥为饲料．根据蚯蚓的繁殖、生长时间，定时引出成蚓换料连续饲养．并改变留在原泥中蚓卵的生存环境来控制卵的发育．对城市剩余污泥直接饲养蚯蚓的可行性及其重金属转移规律进行研究。结果表明。城市剩余污泥直接饲养蚯蚓是可行的；饲养过程中蚯蚓体内的重金属含量随着饲养时间而上升，至4个月左右，蚯蚓体内重金属含量达到极限，且对不同的重金属元素有不同的积累度。该方法具有蚯蚓产量低．易于对蚯蚓进行处理和处置的优点。结论目前．国内对蚯蚓处理城市剩余污泥中重金属的研究较少。蚯蚓的种类、饲养方法等对处理效果的影响．以及处理过后蚯蚓的处理与处置问题等都有待于进一步研究。但是相对于其他污泥重金属的去除方法而言．利用蚯蚓去除污泥中重金属的方法操作简单、成本低、受环境的影响小，为城市剩余污泥处理和资源化利用提供了一条良好途径。