蚯蚓分泌液在植物修复重金属污染土壤中的应用

孙伦涛 储燕 邵将 成德久

摘要：植物修复技术作为一种新兴的土壤修复技术，被广泛运用于重金属污染土壤治理中。蚯蚓分泌液中含有大量能够促进植物生长发育的营养元素和可络合、活化重金属的胶粘物质。该文综述了蚯蚓分泌液在植物修复重金属的应用研究，分析了其对植物修复重金属污染土壤的作用。

关键词：植物修复;蚯蚓分泌液;重金属

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）16-0155-03

近几十年来，我国土壤重金属污染因城市化和工业化进程而加剧，耕地、农田、矿区、城市居住区等土壤都存在不同程度的重金属污染[1]。由于重金属具有隐蔽性、长期性、累积性和不可逆性的特点，生物不可降解性和相对稳定性的特征，重金属一旦进入到土壤和其他环境介质中，最终可能会进入食物链威胁人类健康[2]。

传统的土壤重金属污染修复方法主要有客土、电动、淋洗等物理化学方法，这些方法虽然能够快速灵活地降低重金属污染，但也存在运行成本高，可能产生二次污染等问题[3]。植物修复技术作为一种新兴的土壤修复技术，操作方便，且具有保护土表、防止水土流失、美化环境等优点，是现阶段最重要的土壤修复技术之一[4]。研究报道，植物只能吸收其根系周围的重金属，植物吸收根际土壤中的重金属后，根系周围土壤的重金属浓度会下降[5]，并影响植物对重金属进一步的吸收。因此，众多研究者通过改良植物修复技术来提高植物富集重金属的效果[6-7]。而蚯蚓分泌液中含有大量植物所需的营养物质及-CO0H、-NH2、-C=O等活性基团的胶黏物质，其中胶粘物质能络合、螯合重金属，提高土壤中重金属活性，同时胶黏物质乂是微生物的生活基质[8-9]。本文综述了蚯蚓分泌液在植物修复重金属土壤中的应用研究进展，以期为蚯蚓分泌液应用于植物修复重金属污染土壤提供参考。

1 植物修复概况

植物修复重金属污染土壤可分为植物固定、植物提取、植物挥发及根系过滤4种类型。植物固定是植物根系对重金属的吸收、螯合等作用，降低重金属在土壤重的迁移转化能力;植物提取是通过超富集植物积累土壤中重金属到植物根茎叶壳籽等部位，最终对植物进行处理;植物挥发是通过植物根系分泌殊物质将吸收到体内的污染物转化为气态物质并释放到大气中;植物过滤主要是根系对重金属的沉淀和富集[10-11]。植物修复最终还是通过超积累植物对重金属进行吸收、富集的，然后通过处理植物来达成修复重金属污染土壤的目的。

已有研究表明，众多植物均能有效吸收和富集重金属元素，目前发现的超积累植物多达几百种[12]。由表1可知，1种重金属可以被多种植物富集，1种植物也可以积累多种重金属，如芒麻（Boehmerianivea）对As、Cd均有超富集作用，印度芥菜（Brassica junceL.）谢Pb、Cd均有超富集作用。

虽然植物修复被认为是最理想的土壤重金属修复技术，但修复植物对污染物质的耐性是有限的，当土壤中重金属浓度超过植物的耐受性界限，就不适合进行植物修复。一些植物生长具有地域性的差异性，植物生长由于光照周期长短或者季节变换，在不同生境下植物生长类型各不相同，在受污染地区一些污染地区土壤可能并不适合修复植物的生长发育。另有研究发现，大多数植物根系的大部分集中在土壤表层，植物吸收根际土壤中的重金属后，根系周围土壤的重金属浓度下降[5]，对于污染较严重，重金属迁移至深层土壤中，从而影响了植物对重金属进一步的吸收。一般植物生长周期较长，对需要快速治理的污染土壤不能够满足植物修复的要求。修复植物多数为野生植物，一般具有种子小、落粒性强，种子比较难于采集，并且在污染土壤达标后，修复植物的自然生长会像杂草一样影响作物生产[13-14]。

2 分泌液对植物的作用

众多研究表明，蚯蚓分泌液液中含有大量的有机物质、NH4+-N、NO-3-N、氮磷钾等植物可利用营养成分，促进了植物生长[15]。郑亮[16]研究表明，较高浓度的蚯蚓分泌液显著提高了绿豆种子的发芽势，降低了小麦和番茄种子的发芽势，幅度分别达到14.8%、13.3%和69.0%;分泌液对植物幼苗植株的增高、植物幼苗的叶面积以及平均叶长均有显著的促进作用（P<0.05）。卓少明等[17]研究表明，一定浓度的蚯蚓分泌液可以降低豌豆和相思豆的发病率，并且对它们的生长具有促进作用。葛成军等[18]研究表明，蚯蚓分泌液对朝天椒、菜心2种种子的萌发具有一定的影响，具体表现为“低促高抑”的现象。田华等[19]研究表明，蚯蚓分泌液能够延缓储存期间圣女果果实的衰老进程，保持果实的营养成分和贮藏品质。张树杰等[20-21]研究表明，蚯蚓分泌液液中含有大量的可溶性有机碳（DOC）、氮磷钾等植物可利用营养成分，促进了植物生长以及对重金屬的富集。在Cd污染胁迫下，蚯蚓分泌液分别使番茄幼苗根系、茎和叶的鲜重增加123.9%、16.2% 和 32.0%。Nadana Raja Vadivu Ganapathy 研究发现，对不同处理的植物生长参数进行比较，冷（4℃）分泌液（1：10）处理在根、芽和幼苗长度、活力指数和发芽率方面显著高于其他处理，而其他处理（温暖和正常）则显著低于低温处理，分泌液处理组均能够显著增强植物的生长[22-23]。史志明等[24]研究表明，蚯蚓分泌液促进了黑麦草的生长，添加分泌液处理组根系鲜重比不添加分泌液处理组增加33.6%～146%，地上部分和整株黑麦草生物量的鲜重比不添加分泌液处理组增加12.4%～35.8%和34.5%～59.6%。蚯蚓分泌液还促进了黑麦草对有机物质菲的吸收，吸收量增加62.8%。陈玉香[25]研究表明，蚯蚓分泌液能够促进秸秆中微生物的群落丰度，增加微生物多样性，分泌液对加速玉米秸秆的分解具有重要作用。

3 分泌液对植物修复重金属的作用

蚯蚓分泌液富含多种活性基团及有机物质，而有机物质，特别是小分子有机物，如有机酸及氨基酸能够溶解重金属化合物和含重金属的矿物，提高土壤中重金属的生物有效性[26-28]，以及分泌大量粘液蛋白对重金属的络合作用，这是蚯蚓分泌液提高土壤中重金属活性的主要机理之一[29]。低分子有机酸在土壤环境中可参与成土作用，促进矿物溶解，改变根际土壤理化性状，缓解植物根系缺氧症状，促进植物对养分的吸收。同时，它能促进土壤中重金属的溶解，有助于超富集植物对重金属的吸收和清除也有研究发现，蚯蚓可以通过分泌胞体蛋白、金属巯基基团、重金属螯合蛋白等降低Cu和Zn的有效性。zhang等[21]研究表明，在添加蚯蚓分泌液的情况下，植物体中重金属Cd浓度升高22.5%、14.4%和28.9%，Cd富集量增加173.2%、14.5% 和75.4%。

蚯蚓分泌液可以通过激活微生物活动调控土壤重金属的化学行为，提高植物修复重金属污染土壤的效率，从而达到修复土壤重金属污染的目的。蚯蚓分泌液的主要成分为糖类和蛋白质，其中含有大量的糖蛋白、缩氨酸、氨基酸等物质，这些物质可以作为微生物良好的同化碳源，与此同时也可促进微生物生长繁殖，增加微生物丰度及多样性[31-34]。微生物还可分泌出质子、有机化合物质等，这些物质对土壤中重金属具有活化作用。另外，微生物也可通过对重金属价态的转化或通过刺激植物根系的生长发育来影响植物对重金属的吸收[35]。但同时也有研究表明，微生物对重金属具有吸附作用，从而降低其可移动性和生物有效性，减少土壤内的金属含量[7]。

4 结语

由于蚯蚓分泌物中富含氮磷钾等利于植物生长的营养物质，可促进植物的生长。因此，在植物修复重金属土壤中，加入蚯蚓分泌液可直接加快植物吸收、富集重金属速度，加快植物修复进程，从而间接性的提高植物修复重金属的效率。分泌液中同样富含黏液蛋白等粘性物质，可络合、螯合土壤中重金属，降低土壤重金属活性。分泌液中的有机酸、氨基酸等物质，可增加植物根际微生物丰度和多样性，促进微生物与重金属发生络合、螯合、沉淀等作用，降低重金属迁移的能力。

从蚯蚓分泌液增快植物生长速率、促进植物根际微生物繁殖和降低重金属活性来看，蚯蚓分泌液缩短了植物修复周期，增强了植物富集能力，降低了土壤重金属含量等。因此，蚯蚓分泌液在植物修复重金属污染土壤中具有较强的可行性及应用价值。

参考文献

[1]马彦.土壤重金属污染及其植物修复研究综述[J].甘肃农业科技，2016（02） ：69-75.

[2]申嘉澍，冯宇佳，王倩倩，等.土壤重金属污染现状及其植物修复研究进展[J].绿色科技，2015（12）： 226-227，229.

[3]廖天录，廖天江，吕麟华.植物修复技术在重金属污染土壤中的应用[J].北京农业，2015（17）： 192.

[4]殷培培.植物修复重金属污染土壤的影响因素及应用前景分析[J].安徽农学通报（上半月刊），2009，15 （13）： 32-33，39.

[5]王一宁，王艳，王浙锋.重金属污染土壤植物修复技术发展现状分析[J].节能与环保，2020（ 05）： 26-27.

[6]魏树和，徐雷，韩冉，等.重金属污染土壤的电动-植物联合修复技术研究进展[J].南京林业大学学报（自然科学版），2019，43（01）： 154-160.30

[7]刘卫敏.重金属污染土壤的植物-微生物-土壤改良的联合修复技术研究[D].北京：北京林业大学，2016.

[8]李安琪，任露泉，陈秉聪，等.蚯蚓体表液的组成及其减黏脱土机理分析[J].农业工程学报，1990 （03）： 8-14.

[9]李安琪.蚯蚓体表液的初步研究[J].工业技术经济，1990（02）：34-35.

[10]李思聪.不同植物对典型重金属污染沉积物的修复及效果评价[D].天津：天津大学，2014.

[11]胡梦凌，曾和平，董达诚，等.腐殖质改良植物修复重金属污染土壤的研究进展[J].生态与农村环境学报，2020，36（03） ：273-280.

[12]侯丹迪.超积累植物东南景天根系对重金属的吸收积累及根际细菌群落特征[D].杭州：浙江大学，2017.

[13]杨晶，孟晓庆，李雪瑞.植物-微生物联合修复重金属污染土壤现状研究[J].环境科学与管理，2018，43 （11）： 67-70.

[14]杨卓心.Cd、Pb.Zn污染潮褐土的植物修复及其强化技术研究[D].保定：河北农业大学，2009.

[15]唐玉清，郭菊美，戴嘉澳，等.蚯蚓及其体腔液生化成分分析[J].江西医学院学报，1988（01） ：6-8.

[16]郑亮.热刺激条件下蚯蚓分泌的体腔液对植物生长的影响[D].南京：南京农业大学，2008.

[17]卓少明，赵茜.蚯蚓体腔液在豌豆、相思豆芽苗菜栽培中的控病效果试验[J].长江蔬菜，2010（04）： 58-60.

[18]葛成军，刁晓平，俞花美，等.蚯蚓体腔液对蔬菜种子萌发的影响[J].广东农业科学，2013，40（21）：46-48，65.

[19]田华，陈乐玲，钟晓航，等.蚯蚓体腔液对贮藏圣女果的保鲜研究[J].食品科技，2017，42（02） ：38-43.

[20]张树杰.赃蚓黏液对番茄幼苗生長及Cd富集的影响机理初探[D].南京：南京农业大学，2009.

[21] Shujie Zhang， Feng Hu， Huixin Li. Effects of earthworm mucusand amino acids on cadmium subcellular distribution and chemi-cal forms in tomato seedlings [J].Bioresource Technology， 2009，100（17）.

[22]Ganapathy Nadana Raja Vadivu， Senthamarai Kannan Balaji，Ka-ruppaiah Palanichelvam. Putative volatiles in coelomic fluid ofearthworm regulate the growth of Vigna radiata [J]. Biocatalysisand Agricultural Biotechnology，2019，18.

[23]Vadivu Ganapathy Nadana Raja，Kunjiappan Selvaraj，Pandian Si-vakumar， Palanichelvam Karuppaiah. Coelomic fluid of earth-worms extruded by cold stress method has commercially signifi-cant compounds and trigger seed germination in Vigna radiata L[J]Environmental rechnology & Innovation，2020（prepuhlish）.

[24] 史志明，马丽丽，胡飞龙，等.蚯蚓黏液对黑麦草幼苗生长及其对菲吸收的影响[J]. 土壤，2013，45（6）： 1091-1096.

[25] 陈玉香，赵婷婷，姚月，等.蚯蚓黏液促进玉米秸杆分解及其机理分析[J].农业工程学报，2019，35 （15）： 234-240.

[26]唐玉清，郭菊美，戴嘉澳，等.蚯蚓及其体腔液生化成分分析[J].江西医学院学报，1988（01 ）：6-8.

[27]张东光.蚯蚓黏液脱附减阻机理和仿生沃土应用[D].吉林：吉林大学，2016.

[28]黄福珍，张与真，葛律，等.利用蚯蚓变革土地利用方式[J].农业科技通讯，1981（05）：30.

[29] 蒋重合.蚯蚓行为及其在环境影响评价中的应用研究[D].長沙：湖南农业大学，2012.

[30] Jones D L. Organic acids in the rhizosphere — A critical review.Plant Soil，1998，205：25-44.

[31]刘政，杨绍斌，宋小美，等.氨基酸类营养对微生物生长及活性的影响[J].黑龙江农业科学，2010（05）： 13-15.

[32] 蚯蚓体腔液抗病毒活性及其机制的研究[J].现代预防医学，2008（06）：1132-1134.

[33]王庆洲.结秆分解过程中蚯蚓黏液引起的激发效应[D].吉林：吉林大学，2015.

[34]王晓媛.赤子爱胜蚓体腔液粗提物抗肿瘤机制研究[D].晋中：山西医科大学，2008.

[35]瞿攀，伏毅，刘绵学，等.植物-微生物联合修复镍污染土壤研究进展[J]. 土壤，2019，51（01）： 11 -18.

（责编：张宏民）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51878004;51978001 ;41471422;41402309）;研究生创新基金项目（2019CX2005）;大学生创新创业训练计划项目（201910361001 ;S201910361003;201810361009;201710361006）。

作者简介：孙伦涛（1994-），男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向：固废资源化利用。 收稿日期： 2020-06-30