蚯蚓对煤矿区土壤重金属的富集研究

樊 平 侯 乐＊ 李 芳，3 牛蓓蓓 李新举 杨云辉 李大为

（1、山东省滨州市农业农村局，山东 滨州256600 2、山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安271000 3、山东农业大学经济与管理学院，山东 泰安271000 4、山东省城乡规划设计研究院，山东 济南250013 5、山东省产品质量检验研究院，山东 济南250103）

蚯蚓普遍分布在陆地圈中各部分的生态系统中，约占土壤生物总数的59%～79%，在陆地圈生态系统中扮演着重要角色，能够加速土质中营养循环利用和改良土质结构等[1]。蚯蚓可以通过体表皮肤来吸收土壤中的重金属元素，也可以通过吞食土壤让重金属在肠道中吸收[2]，蚯蚓是公认的大陆圈中土壤动物的象征，并已被海内外大批学者用作土壤环境评估的生物学指标来反映土壤的污染水平[3]。本研究使用煤矿区实地采集的土壤样品来养殖蚯蚓，通过实验模拟蚯蚓在研究区土壤中的生存环境，来探究蚯蚓随培养时间变化而出现的富集规律以及蚯蚓对重金属的富集能力，为讨论蚯蚓作为煤矿区土壤重金属的生物指示的可行性提供科学的基础数据。

1 材料与方法

1.1 蚯蚓养殖实验设计

首先将取自研究区的20 个土样在实验室里挑出大块石子，并分别装入20 个500mL 的玻璃烧杯中，每杯按照800g 土样的重量放入，并喷洒一些去离子水，将每个烧杯外壁借助记号笔做好标记，然后每个烧杯中放入15 条赤子爱胜蚓，用透明塑料薄膜和皮筋封住杯口以防蚯蚓爬出，再用解剖针在塑料透明薄膜上戳几个小洞，确保良好的透气性，最后将它们放置在光照培养箱中，温度设为（20±1）℃，保证在12 小时光照，12 小时黑暗中培养，要注意按期喷洒少量的去离子水，维持土壤环境的潮湿。本研究的实验周期设定为28 天，应分别在7、14、21、28 天时，从每个烧杯中各取出3 条蚯蚓用做重金属含量测定。

1.2 重金属测定方法

先将养殖的蚯蚓放在烧杯里吐泥24 小时，用去离子水冲洗干净，然后使用电子天平进行称重。之后放入冰箱冷冻致死，取出之后放入烘箱中烘烤4 个小时，直到烘干之后拿出。将烘干过的蚯蚓样品冷藏，再进行碾磨过筛（0.85mm），制作粉末状的样品以供检测使用。称量粉末0.25g 于聚四氟乙烯干锅中，滴入20mL 浓硝酸，在干锅上盖好表面皿后放置过夜。一夜后滴入高氯酸5mL，置于通风橱的电热板上加热消解，直到冒出大量浓白烟为止。如果样品还未全部消解，冷却之后再滴入高氯酸和浓硝酸，持续加热直到消解液变得十分澄清。冷却后再滴入1mL的浓硝酸和少许的蒸馏水，转移至100mL 的容量瓶中定容后进行过滤，最后使用ICP-MS 质谱仪检测蚯蚓体内的重金属含量。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓体内重金属含量富集规律

通过分析蚯蚓体内每种重金属含量的平均值与时间变化的关系（图1），发现蚯蚓体内的重金属Pb、Cd、Cu 含量变化存在一定的规律：随着时间的增长，在蚯蚓富集元素Pb、Cd、Cu 的过程中呈现出不断上升的趋势。在实验初，蚯蚓便已经开始对这3种元素产生富集，到第四周时，蚯蚓对元素的富集值已经上升到最大，在这28 天的实验周期内，元素Pb、Cd、Cu 的含量在蚯蚓体内呈现出不断上升的趋势，由此可以看出，蚯蚓对土壤重金属元素Pb、Cd、Cu 有着显著的富集作用。对于重金属Ni、As的富集表现出先上升再下降的趋势，研究发现，在实验初期蚯蚓便开始对Ni、As 元素进行富集，到第三周时重金属富集含量达到最大，第四周时蚯蚓对元素Ni、As 的富集量有所下降。由此可知，蚯蚓对元素Ni、As 也具有富集作用。对于Zn 的富集呈现出先减少再增加的趋势，实验初期的第一个周，蚯蚓已经开始对重金属Zn 的富集，第二周时蚯蚓体内重金属Zn 含量有所下降，等到第三周又开始上升，第四周也处于上升趋势。

图1 不同时间蚯蚓体内重金属含量

2.2 蚯蚓对土壤重金属的生物富集效应

选取富集系数（EC）来表示各种元素在生物体中的积累程度,计算公式如下：

式中：EC 是指富集系数，M生物是指生物体内的元素含量，M土壤是指表土中相应元素的含量。

由公式计算可知，只有Cd 在蚯蚓体内的富集系数大于1，且蚯蚓对Cd 和As 富集系数都比其它重金属元素高，这表明蚯蚓对Cd 和As 的富集程度更强。计算数据还表明蚯蚓对Cd 的富集系数最大，表明蚯蚓对于Cd 具有很强的富集效应。而关于蚯蚓对Cd 的强烈富集，Sforzini 等[4]认为蚯蚓所具有的组织解毒功能可以使有毒元素被贮存与隔离起来，从而降低了排泄率，因此，富集系数才会不断升高。

2.3 蚯蚓体内重金属与土壤重金属相关性分析

通过将蚯蚓体内的重金属含量与表土中重金属含量进行相关分析得出（表1），蚯蚓体内Cu 和As 的含量与土壤中Cu 的含量分别具有极显著正相关性（p<0.01）；蚯蚓体内Cd 和土壤中Cd、Pb 分别呈现出显著或极显著正相关关系（Cd，p<0.05；Pb，p<0.01）；这表明在一定浓度范围内，随着土壤中Cu、Cd 含量的增加，蚯蚓体内的Cu、Cd 含量也在增加，土壤中Cu 元素对于蚯蚓富集重金属As 存在一定协同作用，而土壤中Pb 元素对于蚯蚓吸收重金属Cd 也存在一定协同作用。另外，通过分析蚯蚓体内重金属含量之间的相关性，发现蚯蚓体内重金属具有较高的同源性。表2 中，Ni 和Zn、Ni 和Pb 都表现出了显著的正相关性；Cu 和Zn、Cu 和As 也表现出极显著正相关性；Zn 与As、Pb呈显著正相关性，同时也说明这几种重金属元素在蚯蚓体内具有互相的协同作用。

表1 蚯蚓体内重金属含量与土壤重金属含量相关性

表2 蚯蚓体内重金属含量相关关系

3 讨论

当蚯蚓处于土壤重金属的胁迫下时，蚯蚓体内富集的重金属含量会随着暴露时间的变化而变化，伏小勇等[5]通过研究发现，蚯蚓会选择性的吸收和忍耐污染元素，在耐受浓度值内，蚯蚓吸收各种元素的浓度值会随着养殖时间延长而发生变化，且各种元素的最高富集值出现的时期也有差异。通过比较上文中的数据可以发现，蚯蚓对土壤重金属的富集随着培养时间变化而变化，这说明蚯蚓对于重金属污染具有一定的耐受能力和富集能力，但是蚯蚓对不同种类的重金属元素的耐受力和富集能力是不同的。蚯蚓体内对这6 种重金属均有富集作用，在一定的浓度范围内，蚯蚓机体可以很好的吸收并富集重金属，当蚯蚓体内重金属累积到一定程度时就会通过分泌物和粪便的形式排出体外。但如果土壤重金属含量已经超过蚯蚓的耐受范围，那么过高浓度的重金属就会直接毒害蚯蚓，影响蚯蚓的生命活动，抑制其生长发育，甚至可能导致蚯蚓的死亡。

本实验通过对蚯蚓体内的生物富集系数进行分析，得出蚯蚓对于Cd 具有很强的富集效应，且对As 也有很好的富集能力，再结合土壤重金属污染的指示生物所具备的条件，如，具有较好的忍耐能力，能够测定蚯蚓体内重金属的含量，在实验室内模拟的环境中依然可以产生富集反应，综上分析，蚯蚓能够成为研究煤矿区土壤重金属污染的生物指示。

4 结论

4.1 蚯蚓中的重金属含量会随时间变化而呈现出各不相同的富集规律，蚯蚓体内重金属Pb、Cd、Cu 的浓度随时间的增加而呈现出不断上升的趋势，重金属Ni、As 在蚯蚓体内的富集则呈现出先增加再降低的趋势，对于蚯蚓体内Zn 的富集呈现出先减少再增加的趋势，这表明了蚯蚓能够很好的富集表土中的重金属。

4.2 蚯蚓对煤矿区土壤中的Cd 和As 产生富集效应，且对Cd 的富集效应更为强烈，蚯蚓可以作为反应煤矿区土壤重金属Cd 和As 污染指示生物。

4.3 通过多元统计分析得出土壤重金属含量会对蚯蚓富集土壤重金属产生一定的影响。研究区土壤中的Cu、Pb 分别会对蚯蚓体内重金属As、Cd 的富集具有协同作用。