蚯蚓對煤礦區土壤重金屬的富集研究

樊 平 侯 樂＊ 李 芳，3 牛蓓蓓 李新舉 楊云輝 李大為

（1、山東省濱州市農業農村局，山東 濱州256600 2、山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安271000 3、山東農業大學經濟與管理學院，山東 泰安271000 4、山東省城鄉規劃設計研究院，山東 濟南250013 5、山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南250103）

蚯蚓普遍分布在陸地圈中各部分的生態系統中，約占土壤生物總數的59%～79%，在陸地圈生態系統中扮演著重要角色，能夠加速土質中營養循環利用和改良土質結構等[1]。蚯蚓可以通過體表皮膚來吸收土壤中的重金屬元素，也可以通過吞食土壤讓重金屬在腸道中吸收[2]，蚯蚓是公認的大陸圈中土壤動物的象征，并已被海內外大批學者用作土壤環境評估的生物學指標來反映土壤的污染水平[3]。本研究使用煤礦區實地采集的土壤樣品來養殖蚯蚓，通過實驗模擬蚯蚓在研究區土壤中的生存環境，來探究蚯蚓隨培養時間變化而出現的富集規律以及蚯蚓對重金屬的富集能力，為討論蚯蚓作為煤礦區土壤重金屬的生物指示的可行性提供科學的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 蚯蚓養殖實驗設計

首先將取自研究區的20 個土樣在實驗室里挑出大塊石子，并分別裝入20 個500mL 的玻璃燒杯中，每杯按照800g 土樣的重量放入，并噴灑一些去離子水，將每個燒杯外壁借助記號筆做好標記，然后每個燒杯中放入15 條赤子愛勝蚓，用透明塑料薄膜和皮筋封住杯口以防蚯蚓爬出，再用解剖針在塑料透明薄膜上戳幾個小洞，確保良好的透氣性，最后將它們放置在光照培養箱中，溫度設為（20±1）℃，保證在12 小時光照，12 小時黑暗中培養，要注意按期噴灑少量的去離子水，維持土壤環境的潮濕。本研究的實驗周期設定為28 天，應分別在7、14、21、28 天時，從每個燒杯中各取出3 條蚯蚓用做重金屬含量測定。

1.2 重金屬測定方法

先將養殖的蚯蚓放在燒杯里吐泥24 小時，用去離子水沖洗干凈，然后使用電子天平進行稱重。之后放入冰箱冷凍致死，取出之后放入烘箱中烘烤4 個小時，直到烘干之后拿出。將烘干過的蚯蚓樣品冷藏，再進行碾磨過篩（0.85mm），制作粉末狀的樣品以供檢測使用。稱量粉末0.25g 于聚四氟乙烯干鍋中，滴入20mL 濃硝酸，在干鍋上蓋好表面皿后放置過夜。一夜后滴入高氯酸5mL，置于通風櫥的電熱板上加熱消解，直到冒出大量濃白煙為止。如果樣品還未全部消解，冷卻之后再滴入高氯酸和濃硝酸，持續加熱直到消解液變得十分澄清。冷卻后再滴入1mL的濃硝酸和少許的蒸餾水，轉移至100mL 的容量瓶中定容后進行過濾，最后使用ICP-MS 質譜儀檢測蚯蚓體內的重金屬含量。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓體內重金屬含量富集規律

通過分析蚯蚓體內每種重金屬含量的平均值與時間變化的關系（圖1），發現蚯蚓體內的重金屬Pb、Cd、Cu 含量變化存在一定的規律：隨著時間的增長，在蚯蚓富集元素Pb、Cd、Cu 的過程中呈現出不斷上升的趨勢。在實驗初，蚯蚓便已經開始對這3種元素產生富集，到第四周時，蚯蚓對元素的富集值已經上升到最大，在這28 天的實驗周期內，元素Pb、Cd、Cu 的含量在蚯蚓體內呈現出不斷上升的趨勢，由此可以看出，蚯蚓對土壤重金屬元素Pb、Cd、Cu 有著顯著的富集作用。對于重金屬Ni、As的富集表現出先上升再下降的趨勢，研究發現，在實驗初期蚯蚓便開始對Ni、As 元素進行富集，到第三周時重金屬富集含量達到最大，第四周時蚯蚓對元素Ni、As 的富集量有所下降。由此可知，蚯蚓對元素Ni、As 也具有富集作用。對于Zn 的富集呈現出先減少再增加的趨勢，實驗初期的第一個周，蚯蚓已經開始對重金屬Zn 的富集，第二周時蚯蚓體內重金屬Zn 含量有所下降，等到第三周又開始上升，第四周也處于上升趨勢。

圖1 不同時間蚯蚓體內重金屬含量

2.2 蚯蚓對土壤重金屬的生物富集效應

選取富集系數（EC）來表示各種元素在生物體中的積累程度,計算公式如下：

式中：EC 是指富集系數，M生物是指生物體內的元素含量，M土壤是指表土中相應元素的含量。

由公式計算可知，只有Cd 在蚯蚓體內的富集系數大于1，且蚯蚓對Cd 和As 富集系數都比其它重金屬元素高，這表明蚯蚓對Cd 和As 的富集程度更強。計算數據還表明蚯蚓對Cd 的富集系數最大，表明蚯蚓對于Cd 具有很強的富集效應。而關于蚯蚓對Cd 的強烈富集，Sforzini 等[4]認為蚯蚓所具有的組織解毒功能可以使有毒元素被貯存與隔離起來，從而降低了排泄率，因此，富集系數才會不斷升高。

2.3 蚯蚓體內重金屬與土壤重金屬相關性分析

通過將蚯蚓體內的重金屬含量與表土中重金屬含量進行相關分析得出（表1），蚯蚓體內Cu 和As 的含量與土壤中Cu 的含量分別具有極顯著正相關性（p<0.01）；蚯蚓體內Cd 和土壤中Cd、Pb 分別呈現出顯著或極顯著正相關關系（Cd，p<0.05；Pb，p<0.01）；這表明在一定濃度范圍內，隨著土壤中Cu、Cd 含量的增加，蚯蚓體內的Cu、Cd 含量也在增加，土壤中Cu 元素對于蚯蚓富集重金屬As 存在一定協同作用，而土壤中Pb 元素對于蚯蚓吸收重金屬Cd 也存在一定協同作用。另外，通過分析蚯蚓體內重金屬含量之間的相關性，發現蚯蚓體內重金屬具有較高的同源性。表2 中，Ni 和Zn、Ni 和Pb 都表現出了顯著的正相關性；Cu 和Zn、Cu 和As 也表現出極顯著正相關性；Zn 與As、Pb呈顯著正相關性，同時也說明這幾種重金屬元素在蚯蚓體內具有互相的協同作用。

表1 蚯蚓體內重金屬含量與土壤重金屬含量相關性

表2 蚯蚓體內重金屬含量相關關系

3 討論

當蚯蚓處于土壤重金屬的脅迫下時，蚯蚓體內富集的重金屬含量會隨著暴露時間的變化而變化，伏小勇等[5]通過研究發現，蚯蚓會選擇性的吸收和忍耐污染元素，在耐受濃度值內，蚯蚓吸收各種元素的濃度值會隨著養殖時間延長而發生變化，且各種元素的最高富集值出現的時期也有差異。通過比較上文中的數據可以發現，蚯蚓對土壤重金屬的富集隨著培養時間變化而變化，這說明蚯蚓對于重金屬污染具有一定的耐受能力和富集能力，但是蚯蚓對不同種類的重金屬元素的耐受力和富集能力是不同的。蚯蚓體內對這6 種重金屬均有富集作用，在一定的濃度范圍內，蚯蚓機體可以很好的吸收并富集重金屬，當蚯蚓體內重金屬累積到一定程度時就會通過分泌物和糞便的形式排出體外。但如果土壤重金屬含量已經超過蚯蚓的耐受范圍，那么過高濃度的重金屬就會直接毒害蚯蚓，影響蚯蚓的生命活動，抑制其生長發育，甚至可能導致蚯蚓的死亡。

本實驗通過對蚯蚓體內的生物富集系數進行分析，得出蚯蚓對于Cd 具有很強的富集效應，且對As 也有很好的富集能力，再結合土壤重金屬污染的指示生物所具備的條件，如，具有較好的忍耐能力，能夠測定蚯蚓體內重金屬的含量，在實驗室內模擬的環境中依然可以產生富集反應，綜上分析，蚯蚓能夠成為研究煤礦區土壤重金屬污染的生物指示。

4 結論

4.1 蚯蚓中的重金屬含量會隨時間變化而呈現出各不相同的富集規律，蚯蚓體內重金屬Pb、Cd、Cu 的濃度隨時間的增加而呈現出不斷上升的趨勢，重金屬Ni、As 在蚯蚓體內的富集則呈現出先增加再降低的趨勢，對于蚯蚓體內Zn 的富集呈現出先減少再增加的趨勢，這表明了蚯蚓能夠很好的富集表土中的重金屬。

4.2 蚯蚓對煤礦區土壤中的Cd 和As 產生富集效應，且對Cd 的富集效應更為強烈，蚯蚓可以作為反應煤礦區土壤重金屬Cd 和As 污染指示生物。

4.3 通過多元統計分析得出土壤重金屬含量會對蚯蚓富集土壤重金屬產生一定的影響。研究區土壤中的Cu、Pb 分別會對蚯蚓體內重金屬As、Cd 的富集具有協同作用。