受污染土壤中重金屬的蚯蚓生物有效性評估研究進展

王漫莉,羅啟仕,冉雨靈,林匡飛,崔長征①

(1.華東理工大學資源與環境工程學院/ 國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室,上海 200237;2.永清環保股份有限公司上海分公司,上海 200051)

重金屬是廣泛存在于土壤中的一種污染物,它通過生物放大對人體健康和生態環境造成嚴重危害[1]。不同于有機污染物,重金屬一旦釋放到土壤環境中,很難通過化學或生物降解方法從土壤中去除[2]。穩定化修復技術因具有高效、經濟等優點,已成為我國現階段重金屬污染土壤修復的主要技術之一[3-4],該方法通過改變土壤中重金屬的賦存形態降低其生物有效性[5]。然而,目前僅通過浸出實驗反映重金屬由固相轉移到液相的程度來評估穩定化修復效果是不嚴謹的,浸出濃度無法用于評估穩定化修復是否降低了重金屬對土壤生物的危害。生物有效性能夠準確反映土壤生物對重金屬的利用程度,因此,近年來污染土壤中重金屬的生物有效性評估越來越多地被應用到穩定化修復效果評估中[6-7]。

土壤中蚯蚓數量巨大,因其易于在實驗室條件下培養和具有耐受較高濃度重金屬等特點,常用于指示土壤污染狀況和評估重金屬污染土壤的修復效果[8]。筆者歸納了穩定化處理后土壤中重金屬對蚯蚓的生物有效性評估方法及特點,并討論了影響生物有效性評估的相關因素。

1 生物有效性概念

土壤中重金屬的生物有效性能夠用于衡量重金屬的遷移性及其對土壤環境造成的影響,能夠更準確地表示生物對重金屬的利用程度。ISO 17402[9]中給出了生物有效性的定義:生物有效性指土壤中化學物質被人體或生態受體吸收或代謝的程度,或可與生物系統相互作用的程度。

土壤中重金屬以物理或化學方式與土壤中特定組分結合,導致土壤中一部分重金屬封存,不能與受體相互作用。土壤中未被封存的重金屬組分被稱為環境有效組分[10]。蚯蚓在土壤中移動,只能通過攝食、皮膚接觸等過程與土壤的一部分組分保持接觸或進行相互作用。將能夠與蚯蚓進行相互作用的環境有效重金屬組分稱為環境生物有效組分[10]。進入蚯蚓體內的重金屬通過蚯蚓的新陳代謝、轉化和排泄等作用,在蚯蚓體內累積或被排出體外。毒理學生物有效性指蚯蚓攝取和吸收的重金屬到達毒性作用位點并與其相互作用的部分[10],這個過程依賴于包括轉化、代謝和解毒在內的一系列復雜程序。LANNO等[10]將生物有效性分為環境有效性、環境生物有效性和毒理學生物有效性(圖1)。

2 生物有效性評估方法

重金屬的生物有效性評估主要采用化學或生物學方法,化學方法主要反映了土壤中重金屬的環境有效組分,生物學方法則主要反映了環境生物有效組分或毒理學生物有效性[11]。

2.1 化學方法

重金屬以不同形態存在于土壤中,重金屬形態與其生物有效性密切相關[12]。土壤中不穩定的重金屬組分能與土壤固相分離,轉移到土壤液相中,可通過化學手段從土壤中提取并測量,代表了土壤中能被蚯蚓吸收和攝取的重金屬組分,即為環境有效組分。化學方法因具有易操作、實驗周期短等優點,常用于評估穩定化處理后土壤中重金屬生物有效態含量。按照提取過程的不同,可將化學提取法分為單次提取法、連續提取法和梯度擴散薄膜技術(diffusion gradient in thin films technique,DGT)等。

圖1 生物有效性的圖解模型[10]

2.1.1單次提取法

單次提取法指使用一種試劑或多種試劑的組合,一次性提取土壤中特定組分的重金屬。不同提取劑的提取機制具有不同的特點,按照提取劑性質可分為中性鹽溶液、酸提取劑和有機絡合提取劑(表1)。

表1 單次提取法提取劑的提取機制及其適用范圍

Table 1 Extracting reagent extraction mechanism and its application scope

提取劑 提取機制適用范圍 中性鹽溶液模擬土壤溶液,提取土壤中可溶態重金屬移動性和遷移性較強的重金屬 酸提取劑提取劑中H+與土壤中重金屬陽離子發生離子交換反應移動性和遷移性較弱的重金屬,碳酸鹽含量低的酸性土壤 有機絡合提取劑螯合土壤中重金屬遷移性較弱的重金屬,堿性土壤

(1)中性鹽溶液提取劑

使用中性鹽溶液能夠有效地提取溶解在土壤孔隙水中的重金屬,人們普遍認為該組分的重金屬極易被蚯蚓攝取和吸收,可代表土壤中重金屬對蚯蚓的生物有效性。常用的中性鹽溶液包括0.001～0.1 mol·L-1CaCl2和1.0 mol·L-1MgCl2等。HOUBA等[13]推薦使用0.1 mol·L-1CaCl2來評估重金屬生物有效性。LEE等[14]使用0.01 mol·L-1CaCl2提取土壤中Cu,發現蚯蚓體內Cu累積量與CaCl2提取量的決定系數R2為0.860 4,說明使用CaCl2溶液作為提取劑能夠表征土壤中Cu對蚯蚓的生物有效性。中性鹽提取劑適用于移動性和遷移性較強的重金屬,如Cd、Ni、Zn等[15]。

(2)酸提取劑

酸提取劑主要包括醋酸和HCl等稀酸溶液,提取劑中H+通過與土壤中重金屬陽離子發生離子交換反應提取土壤中重金屬。RAHMAN等[16]以1 mol·L-1HCl作為提取劑評估As污染土壤的生物有效性,提取液中As含量與蚯蚓體內As生物累積因子的相關性R2為0.933。酸提取劑不適用于碳酸鹽含量高的土壤,主要是因為H+會與土壤中CO32-反應而降低土壤中重金屬的提取效率[15]。

(3)有機絡合提取劑

有機絡合提取劑又稱螯合劑,主要包括乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)等。提取劑通過與重金屬產生螯合作用從而將其從土壤中提取,能夠提取與土壤基質結合較緊密的重金屬組分,主要適用于Cu和Pb等遷移性弱的重金屬。LEE等[14]使用DTPA提取劑評估Cu的生物有效性,蚯蚓體內Cu含量與提取劑DTPA所提取的重金屬含量之間的回歸方程R2為0.898 1。WANG等[17]采集南京某廢棄銅礦附近農田土壤及土壤中蚯蚓,正蚓科(Lumbricidae)、鏈胃蚓科(Moniligastridae)和鉅蚓科(Megascolecidae)3種蚯蚓體內Cu含量與使用DTPA提取的Cu含量之間的R2分別為0.814、0.914和0.919,使用DTPA提取劑可有效預測土壤中生物有效態重金屬組分。DAVIES等[8]使用Ca5(PO4)3OH對土壤進行穩定化處理后,分析以DTPA作為提取劑提取的Pb含量和蚯蚓對Pb的累積。DTPA提取的Pb含量與蚯蚓體內Pb含量的R2在穩定化處理前后分別為0.66和0.99。DTPA提取法能夠很好地反映穩定化處理前后土壤中蚯蚓對Pb的累積情況,可用于穩定化處理效果的評估。

2.1.2連續提取法

連續提取法指使用不同提取劑的組合,分多個步驟,提取土壤中不同形態重金屬。通過連續提取法可分析土壤中重金屬的分布情況,其中,使用最多的是Tessier提取法[18]和BCR提取法[19]。許多研究者將連續提取法獲得的不同重金屬形態與蚯蚓體內重金屬含量進行相關性分析,確定土壤中重金屬存在形態與生物有效性的關系[20-21]。

NANNONI等[20]利用改進的BCR提取法研究不同形態重金屬在土壤中的分布,結果表明蚯蚓體內Cd含量與Cd可溶態和可提取態組分的相關系數分別為0.683和0.606;蚯蚓體內Cu含量與Cu氧化態組分的相關系數為0.839。LIU等[22]用水溶性硫脲-甲醛樹脂對土壤中重金屬Cr進行穩定化處理,并用Tessier連續提取法分析土壤中不同形態Cr的分布。結果顯示,經穩定化處理后,土壤中Cr由離子交換態轉化為鐵錳氧化態。穩定化之前,Cr離子交換態和鐵錳氧化態含量分別占總量的52.81%和5.27%;穩定化之后,Cr離子交換態和鐵錳氧化態含量分別占總量的4.33%和38.39%。離子交換態代表土壤中較活躍的重金屬形態,能反映重金屬生物有效性,離子交換態含量的減少標志著生物有效性降低。

2.1.3DGT

DGT裝置由過濾膜、擴散膜和吸附膜以及固定這3層膜的塑料外套組成,其中,過濾膜主要作用是避免待測環境中顆粒物進入DGT裝置;溶液態離子通過擴散膜自由擴散;可選擇不同的吸附材料作為吸附膜以達到良好的吸附效果[23]。

DGT通過模擬蚯蚓對重金屬的吸收過程來評估重金屬對蚯蚓的生物有效性,反映了土壤中重金屬從固相到液相的補充能力和動力學過程,以及土壤溶液中重金屬的實際有效濃度[24],強調了重金屬在土壤顆粒與間隙水之間的動態轉移過程。與生物體攝取一樣,DGT會降低裝置附近孔隙水中重金屬濃度,同時導致重金屬從土壤固相解吸到孔隙水中[25]。BADE等[25]使用DGT模擬蚯蚓攝取重金屬,預測金屬冶煉廠土壤中重金屬生物有效性,根據PEIJNENBURG等[26]描述的單室模型確定蚯蚓和DGT樹脂中重金屬濃度隨時間的動態變化,結果顯示DGT吸收量與蚯蚓體內Cu含量之間具有很好的相關性(R2=0.610～0.895)。

劉智敏等[27]使用DGT預測黑土中有效態Cd含量,研究發現DGT獲得的有效態Cd含量與蚯蚓體內Cd含量具有顯著相關性(P<0.01),證明DGT技術可用于表征土壤中赤子愛勝蚓對Cd的吸收。GU等[24]使用DGT測定土壤中Cd對蚯蚓的生物有效性,DGT對3種供試土壤中Cd的吸收量與蚯蚓體內Cd累積量的R2分別為0.91、0.99和0.99,DGT是預測Cd對蚯蚓生物有效性的可靠工具。

各個化學提取法僅提供了土壤中生物所暴露的不同重金屬組分含量,未考慮生物行為和暴露時間等因素,通過化學方法評估有效組分是經驗性結論[16]。研究者多通過化學方法獲取土壤中重金屬有效態含量,與暴露于土壤的蚯蚓生物累積量進行相關性分析。當兩者具有相關性時,則認為該方法獲取的有效態含量可以代表土壤中蚯蚓的生物有效性[17,27]。

2.2 生物學方法

蚯蚓與土壤的相互作用是一個復雜過程,僅僅采用化學分析方法評價重金屬對蚯蚓的生物有效性是不準確的。另外,在對污染土壤進行穩定化修復后,不僅要考慮土壤中重金屬的生物有效性,還要關注外源引入的穩定劑對土壤生物的影響；然而,使用化學提取法不能反映重金屬穩定劑的風險。以蚯蚓作為受體能更準確地反映污染土壤中重金屬對蚯蚓的生物有效性和穩定劑對土壤生物可能造成的影響,因此生物學方法常用于重金屬穩定化修復后的生物有效性評估。

2.2.1生物累積

污染土壤中蚯蚓體內累積的重金屬含量可反映重金屬的環境生物有效組分。蚯蚓對土壤中重金屬累積的方式主要有2種:(1)隨著暴露時間的延長,重金屬累積量不斷增加,蚯蚓最終死亡;(2)在一段時間內,重金屬累積量隨暴露時間延長而增加,隨后,蚯蚓對重金屬的攝取量與排出量處于動態平衡中,重金屬累積量達到穩定狀態[28]。

生物累積因子為蚯蚓體內重金屬累積量達到穩定時蚯蚓體內重金屬含量與土壤中重金屬總含量的比值;吸收速率常數為暴露一段時間后蚯蚓體內重金屬含量與土壤中重金屬總含量、暴露時間乘積的比值。PEARSON等[28]研究了污染土壤中蚯蚓體內Pb、Zn和Cd含量隨暴露時間的變化,其中,Pb和Zn累積量分別在暴露24和6 h后達到穩定,而Cd含量卻一直增加。因此,使用生物累積因子表征土壤中Pb和Zn對蚯蚓的生物有效性,使用吸收速率常數表示Cd對蚯蚓的生物有效性。

SESHADRI等[29]通過測量Cd、Pb和Zn在蚯蚓體內的累積,分析不同磷化合物對重金屬的穩定化效果。將重金屬對蚯蚓的生物有效性表示為蚯蚓攝取的重金屬總量占土壤中重金屬總量的百分比:生物有效性=(蚯蚓體內重金屬含量×蚯蚓生物量)/(土壤中重金屬含量×土壤質量)×100%。

2.2.2生物反應

蚯蚓暴露于重金屬污染土壤中,攝取的重金屬到達并累積在毒性作用位點,引起蚯蚓的生物反應,如體重減輕、繁殖率降低、死亡等。蚯蚓的生物反應能準確反映重金屬到達毒性作用位點后對蚯蚓的損害,即毒理學生物有效性。

土壤中重金屬生物有效性的改變會引起蚯蚓生物反應的變化,蚯蚓的生物反應可應用于穩定化修復前后重金屬的生物有效性評估。GONZLEZ等[6]通過測量安德愛勝蚓(Eiseniaandrei)存活率和體重損失率表征重金屬對蚯蚓的生物有效性,評估穩定劑對污染土壤中Cd、Pb和Zn的穩定化效果。結果發現有機穩定劑反而會導致重金屬生物有效性升高,蚯蚓存活率由100%降低為30%,體重損失率由7.6%升高至19.4%。DAVIES等[8]研究了使用Ca5(PO4)3OH對Pb污染土壤進行穩定化處理后Pb的蚯蚓生物有效性變化。在未處理土壤中,蚯蚓28 d半數致死濃度w(LC50)=(4 379±356) mg·kg-1,28 d體重損失半效應濃度w(EC50)=(1 408±198) mg·kg-1,產繭率半效應濃度w(EC50)=(971±633) mg·kg-1;穩定化處理后分別變為(5 203±401) 、(3 334±731)和(1 814±613) mg·kg-1。

生物學方法需要使用蚯蚓進行暴露實驗,實驗周期較長,在實際工程中應用較少。筆者認為應結合生物和化學方法進行綜合性評估。在實驗室條件下進行蚯蚓暴露實驗,并與化學方法結合,通過相關性分析驗證化學方法的可行性,在實際工程中使用已驗證的化學方法對重金屬生物有效性進行評估。

3 影響生物有效性的因素

重金屬的生物有效性與其存在形態密切相關,土壤物理化學性質(如pH、有機質含量等)的不同會導致重金屬存在形態的變化,從而影響其生物有效性。穩定化過程會造成土壤物理化學性質的改變,因此需要考慮由土壤性質變化引起的生物有效性的改變。

3.1 pH

土壤pH可控制重金屬在土壤基質中的溶解和沉淀,改變其溶解度和遷移性。pH升高,土壤中更易形成有機質,增大有機質-金屬絡合物形成的幾率;同時,在堿性條件下,鐵錳氧化物多帶負電荷,對重金屬元素的吸附作用增強,其遷移性變弱,生物有效性降低[30]。pH降低,大多數重金屬元素溶解性會增強,致使土壤液相中重金屬元素含量增加,更易被生物吸收利用。BRADHAM等[31]使用21種Pb總含量(2 000 mg·kg-1)相同但具有不同理化性質(pH為3.8～7.8)的土壤,通過測定蚯蚓致死率、體內Pb含量等指標驗證土壤理化性質對Pb生物有效性的影響。在相同含量Pb污染土壤中,蚯蚓致死率為0～100%,蚯蚓體內w(Pb)為28.7～782 mg·kg-1,說明Pb的生物有效性因土壤理化性質的變化而改變。分析結果表明,pH是影響蚯蚓致死率和體內Pb含量的最主要土壤性質,pH與致死率和蚯蚓體內Pb含量之間具有明顯負相關關系(線性相關系數r分別為-0.695和-0.506)。MING等[32]測定酸性(pH為5.99)和堿性(pH為8.44)土壤中Pb含量對蚯蚓致死率的影響,在酸性土壤中Pb的半數致死濃度w(LC50)為4 000 mg·kg-1,遠遠低于堿性土壤〔w(LC50)=6 000 mg·kg-1〕,該結果表明pH降低導致Pb對蚯蚓的生物有效性升高。

3.2 有機物

有機物含量是影響土壤中多種重金屬行為的重要因素[33-34]。土壤中大多數有機質不溶于土壤液相部分,帶負電荷的有機質能夠吸附重金屬陽離子,對重金屬陽離子具有很強的結合和固定作用[1],降低了土壤中重金屬的生物有效性。但一些小分子有機物能與重金屬離子結合形成可溶復合物,使其不被土壤固體表面吸附,增強重金屬的移動性和生物有效性。NANNONI等[35]使用主成分分析法分析土壤理化性質對蚯蚓體內重金屬含量的影響,結果顯示土壤樣品中有機碳含量影響蚯蚓對Cd、Cu、Pb、Sb和Zn的攝取和累積。土壤中有機物(如腐殖質)能夠通過離子交換和絡合作用吸附重金屬,蚯蚓在攝取有機物的過程中,重金屬亦隨之進入蚯蚓腸胃系統,蚯蚓對有機物的攝取可能是吸收重金屬的一個重要途徑。DELGADILLO等[36]使用52種具有不同污染程度和物理化學性質的土壤進行蚯蚓回避試驗,分析土壤理化性質對蚯蚓回避反應的影響,線性回歸分析結果表明土壤有機質對蚯蚓的回避反應具有很大影響。

3.3 土壤專性吸附能力

重金屬生物有效性與重金屬在土壤中的分配和形態密切相關,土壤膠體對重金屬的吸附,特別是專性吸附能力是影響重金屬分配和形態形成的重要因素,土壤專性吸附的主要載體是有機質和鐵鋁錳氧化物。JANSSEN等[37]選擇20種污染土壤,研究土壤性質對蚯蚓攝取Pb的影響,Pb生物累積因子和土壤性質的回歸方程顯示鐵氧化物是影響生物累積的主要因素。

3.4 其他土壤性質

土壤中黏粒比表面積大,帶有負電荷,對重金屬離子具有強吸附能力[1],可通過吸附作用影響重金屬生物有效性。此外,碳酸鈣含量、含鐵氧化物等也對土壤中重金屬生物有效性產生影響。

4 展望

對重金屬污染土壤穩定化修復效果進行生物有效性評價,有助于實現重金屬污染場地的風險控制,也有助于規范污染場地的修復市場。目前,生物有效性評估方法復雜多樣,由于缺乏標準的評估流程,不同數據之間可比性差,影響了生物有效性評估方法在穩定化后評估過程中的應用。建議盡快建立具有較強普適性的標準化評估方法體系和衡量標準,為生物有效性評估的應用提供理論基礎。