蚯蚓对饵料中Pb·Cr·Cd的吸收富集

2024-01-15张素冰李鑫王晓霄赵金磊

安徽农业科学 2024年1期

张素冰李鑫王晓霄赵金磊

摘要［目的］探究蚯蚓对饵料中重金属的吸收富集情况。［方法］通过在蚯蚓饵料中添加外源重金属盐调节Pb、Cr、Cd浓度，研究饵料重金属含量的变化，分析饵料的Pb、Cr、Cd浓度对蚯蚓体内重金属的影响。［结果］重金属饵料经蚯蚓处理后，蚯蚓处理产物的TN、TP含量显著上升（P＜0.05），TK、OM含量显著降低（P＜0.05），pH变化不显著（P＞0.05）；不同处理饵料中Pb、Cr、Cd浓度与处理前相比出现不同程度的下降；蚯蚓对Pb、Cr、Cd的富集系数分别为0.18、0.55、17.97。［结论］蚯蚓对农业固体废弃物中的Pb、Cr、Cd具有不同程度的吸收富集作用。

关键词蚯蚓处理；理化性质；重金属

中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）01-0061-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Bioenrichment of Pb， Cr， Cd in Agricultural Solid Waste by Earthworms

ZHANG Su-bing， LI Xin， WANG Xiao-xiao et al

（Zhoukou Environmental Science and Technology Information Service Center， Zhoukou， Henan 461400）

Abstract ［Objective］In view of the absorption and enrichment of heavy metals in agricultural solid waste by earthworms.［Method］This paper regulates the concentrations of Pb， Cr and Cd by adding exogenous heavy metal salts， studies the changes of the physicochemical properties and the total amount of heavy metals in the bait， and analyzes the influence of the concentrations of Pb， Cr and Cd in the bait on the enrichment of heavy metals by earthworms. ［Result］The results showed that： after vermicomposting， the contents of TN， TP were significantly increased （P<0.05）， the contents of TK and organic matter were significantly decreased （P<0.05）， and pH value was not significantly changed （P>0.05）. The concentrations of Pb， Cr and Cd decreased in different degrees compared with those before treatment.The enrichment coefficients of earthworms on Pb， Cr and Cd were 0.18， 0.55 and 17.97， respectively. ［Conclusion］Studies have shown that earthworms have different levels of absorption and enrichment of Pb， Cr and Cd in agricultural solid waste.

Key words Vermicomposting;Physicochemical properties;Heavy metals

作者簡介张素冰（1993—），女，河南周口人，硕士，从事固体废弃物处理与处置研究。

收稿日期 2023-02-22

为了提高畜禽抗病能力及加快畜禽生长，饲料中普遍添加抗生素和铜、锌等重金属。研究证明，畜禽饲料中的添加剂利用率很低，大部分会随着粪便排出体外［1］。目前我国畜禽养殖业产生粪污量约38亿t/a［2］，养殖场对畜禽粪便缺少有效的处理措施［3］，导致畜粪中的重金属居高不下［4-5］。

蚯蚓对可腐有机固体废物具有较强的分解腐熟能力，利用蚯蚓这种环境友好动物处理畜禽粪便等可腐有机固废使之转化为有机肥，过程温和、条件自然，不需要消耗矿物能和电能，是值得倡导和推广的生物制造法［6-7］。

现有研究中蚯蚓处理饵料中重金属总量不同［8-13］。笔者以农业固体废弃物（牛粪、秸秆、蔬菜废弃物）为蚯蚓养殖饵料，通过添

加外源重金属Pb、Cr、Cd，控制蚯蚓饵料中3种

重金属浓度，分别在大田

和室内进行蚯蚓处理。分析了蚯蚓处理前后物料的理化性质［含水率（WC）、有机质（OM）、总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）、pH］、重金属（Pb、Cr、Cd）总量的变化，以及在不同浓度Pb、Cr、Cd饵料饲养下，蚯蚓体内重金属的变化情况，旨在探明蚯蚓饵料中重金属的迁移转化规律，为蚯蚓的科学养殖及环境安全提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大田蚯蚓养殖在蚯蚓循环农业示范园进行，蚯蚓饵料主要为牛粪、秸秆和蔬菜废弃物。室内蚯蚓养殖在周口环境科技信息服务中心实验室进行，蚯蚓饵料纯牛粪来自农家畜禽生态养殖场。试验原料的基本理化性质及重金属含量见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计。

试验分为大田试验和室内试验，大田试验在高度0.4 m、长度1.5 m、宽度1.0 m的试验池内进行，每处理3次重复，每个试验池投放饵料250.0 kg、蚯蚓1.5 kg。室内试验蚯蚓在23 m×17 cm的塑料花盆中养殖，每处理设3个重复，每个重复投放饵料2.5 kg、蚯蚓0.2 kg。饵料中添加的外源重金属浓度梯度参考中国NY 525—2012有机肥料中重金属的限量指标设定。Pb，100、200、300 mg/kg（分别标记为Pb1、Pb2、Pb3）；Cr，150、200、250 mg/kg（分别标记为Cr1、Cr2、Cr3）；Cd，5、10、15 mg/kg（分别标记为Cd1、Cd2、Cd3）。空白对照（CK）除了不添加外源重金属外，其他条件相同。

试验前对蚯蚓饵料进行预处理，牛粪饵料预处理包括调节C/N、水分、pH；发酵腐熟；添加试剂A、B、C混匀（试剂A，醋酸铅；试剂B，硝酸铬；试剂C，硫酸镉）。大田蚯蚓在处理0 d（前期）、30 d（中期）、60 d（后期）采样，室内蚯蚓在处理0 d（前期）、30 d（后期）采样，并进行指标测定。

1.2.2 样品采集。

大田采样：采用五点采样法，试验池4个角及中心处为采样点，采样深度10～20 cm，各点饵料采样量为400 g，混匀，四分法留取1 kg，用塑封袋密封；同时对采样点的蚓床下表层土壤利用环刀进行采集，五点采样后混匀、留取，装入密封袋；在饵料采样点进行蚯蚓的采样，放入密封袋中（用针扎小孔供蚯蚓呼吸）；带回实验室风干、过筛，以备分析测定。

室内采样：将花盆内处理产物倒进塑料盆内，挑出蚯蚓，将处理产物混匀后留取1 kg，风干、过筛，以备分析测定。

1.3 测定方法

WC，重量法；

OM，重铬酸钾外加热法；

TN，凯氏定氮法；

TP，氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；

TK，氢氧化钠熔融后火焰光度法；

pH，按1∶5（m/V）比例加入去离子水，25 ℃振荡2 h，电极法测定；

重金属总量，HNO3微波消解法，原子吸收分光光度法（AA）。

1.4 数据统计

1.4.1 蚯蚓处理前后饵料理化性质。

试验数据用SPSS 21.0进行处理与分析，采用单因素方差分析比较处理前后指标的差异（P＜0.05），用Origin 2018制图，试验结果表示为平均值±标准误差。

有机质分解率（%）=（C1-C2）/C1×100（1）

式中：C1为处理前有机质含量；C2为处理后有机质含量［14］。

1.4.2 蚯蚓处理前后饵料、蚯蚓、蚓床下土壤中Pb、Cr、Cd含量。

分析蚯蚓处理前后饵料、蚯蚓、蚓床下土壤中重金属Pb、Cr、Cd含量的变化，用Origin 2018制图，试验结果表示为平均值±标准误差，并计算蚓体内重金属Pb、Cr、Cd的富集系数。

富集系数（enrichment factor，EF）是评价重金属元素对环境污染程度的指标，是试样中某种元素的浓度与背景中对应元素的比值［3］。

EF=C1，sediment/C2，background（2）

式中：C1，sediment为重金属浓度；C2，background为重金属的背景值。

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓处理过程中饵料理化性质的变化

添加外源重金属的处理组pH、TN、TP、TK、OM含量與空白组之间的差异均不显著（P＞0.05），因此用试验中处理组均值代表整体理化性质变化趋势。蚯蚓处理前后物料理化性质变化见表2。经蚯蚓处理后，室内试验与大田试验的各指标变化趋势相同，蚯蚓处理产物的TN、TP含量显著上升（P＜0.05），TK、OM含量显著降低（P＜0.05），pH变化不显著（P＞0.05）。

TP含量上升、OM含量下降与其他学者［15］的研究结论相同，TP含量增加主要是由于OM的矿化和物料总量的减少，使物料中TP的相对含量升高。OM含量减少的主要原因：一是随着蚯蚓活动，有OM逐渐被降解，使之转化为CO2和H2O［16］而释放；二是蚯蚓在生长和繁殖过程中需要吞食饵料中大量腐殖质以维持自身的生命活动，致使蚯蚓处理后的产物OM含量降低。TN含量上升，与许晓玲等［10，17］的研究结果一致，这是由于OM的矿化和物料总量的减少，使物料中TN的相对含量升高。另外，也与物料中微生物总量的升高有关系。

TK含量的下降与柏彦超等［18-19］的研究结果相同，与其他学者得出结论相反的原因有以下几点：①饵料中重金属盐的加入改变了蚯蚓的生存环境，如饵料的酸碱度、微生物的群落、数量、种类等，因而TK含量变化不同于单纯的蚯蚓处理；②蚯蚓种类不同对TK的影响不同，有研究表明赤子爱胜蚓处理污泥后TK含量减少，同种条件下另一种表层蚓处理后TK含量升高［20］。

无论是混合饵料还是单纯牛粪饵料，对比饵料与蚯蚓处理产物pH的变化发现，处理前后pH变化不显著（P＞0.05），这与其他研究者结论存在差异，同时物料的pH在试验前后都较其他研究结果略大，这是由于蚯蚓处理添加外源重金属不同于其他研究。蚯蚓处理使产物pH下降，原因是蚯蚓处理期间释放NH3，物料中N和P被矿化［21］。

2.2 蚯蚓处理过程中重金属含量的变化

2.2.1 饵料中重金属含量的变化。

利用蚯蚓处理有机固体废物，处理前后物料中重金属含量的变化如图1～3所示。从图1～3可以看出，蚯蚓处理能显著降低饵料中Pb、Cr、Cd浓度。

由试验结果可知，蚯蚓處理产物中重金属Pb、Cr、Cd浓度比初始饵料中重金属浓度下降（表3～5）；经蚯蚓处理后，饵料中Pb、Cr、Cd浓度最高降低率分别为46.91%、64.99%、69.92%。这与王振中等［22-23］的研究结果一致，蚯蚓对蚯蚓饵料中的重金属具有去除作用。由图1～3可知，蚯蚓处理前后空白组饵料中重金属浓度变化不显著，由此知空白组中重金属浓度的变化是样品之间的浓度差异。研究结果表明，空白饵料中的Pb、Cr、Cd浓度达不到蚯蚓对其富集的浓度。这对Su等［8，10］的研究结论有一定的解释，蚯蚓处理产物中重金属含量上升是由于蚯蚓处理使物料总量减少，所以使得重金属的相对浓度增大。

由图1可知，随着饵料Pb浓度的增大处理产物中Pb浓度逐渐增大。一方面是由于蚯蚓对Pb的耐受浓度达到了极限；另一方面是试验处理组的放蚓比例相同。随着饵料Cr、Cd浓度的增大，处理产物中Cr、Cd浓度逐渐增大。大田与室内试验中饵料中Pd、Cr、Cd的去除差异不显著（P＞0.05），大田试验3个浓度组试验中期饵料的重金属Pb、Cr、Cd浓度降低幅度均小于后期的，这是由于蚯蚓体内初期的Pb、Cr、Cd浓度较低，而后期的蚯蚓体内有一定量的Pb、Cr、Cd，蚯蚓对重金属的富集量和富集速度下降。大田与室内试验忽略空白处理后期饵料中Cr浓度为75.36～117.39 mg/kg（表4），结果表明蚯蚓处理后期饵料中可利用态Cr含量占比较小，不会再进行迁移。图3表明，试验饵料中Cd浓度远远达不到蚯蚓对Cd的耐受极限。

2.2.2 蚯蚓体内重金属含量的变化。

从图4～6可见，蚯蚓体内的Pb、Cr、Cd含量显著增加，初始蚓体内Pb、Cr、Cd浓度为0.67、3.93、0.49 mg/kg，分别增加到20.40、45.85、60.49 mg/kg，蚯蚓富集3种重金属能力的顺序为Cd＞Cr＞Pb，富集系数分别为17.97、0.55、0.18；蚯蚓富集重金属量与饵料中重金属浓度呈正比。有研究表明，蚯蚓通过体表的被动扩散作用和主动的摄食作用，内脏器官完成吸收作用［24］。

大田试验中Pb1的中期结果出现特例，原因是采样时现场采样点分布不均匀、蚯蚓控食过夜时吐泥不彻底，因此影响了试验结果。室内试验蚓体内Pb浓度的变化趋势与大田不同，随着饵料中Pb浓度的不断增大，蚓体内Pb浓度变化不显著，是因为两者的试验饵料性质与放蚓比例不同。大田试验与室内试验的后期各浓度梯度组别之间蚓体内Cr浓度差别不大，这是由于试验设置的梯度较少以及浓度梯度差别不大，难以看出随着饵料中Cr浓度的增大对蚯蚓富集Cr的影响。饵料中的Cd浓度并未达到蚯蚓对Cd的耐受极限，蚯蚓对重金属Cd元素具有绝佳的耐受性。

从图4～6大田试验的3个浓度组试验中期蚓体内Pb、Cr、Cd的富集量上升幅度均大于后期，是由于蚓体内初期的Pb、Cr、Cd浓度较低，而后期蚓体内Pb、Cr、Cd浓度在中期的基础上，后期蚯蚓对Pb、Cr、Cd的富集量和富集速度下降。

2.2.3 蚓床下土壤重金属含量的变化。

蚯蚓处理过程中蚓床下土壤重金属Pb、Cr、Cd浓度变化如图7所示，除CK外，样品中Pb、Cr、Cd浓度均呈先上升后下降的趋势，试验结束时土壤中的重金属浓度远高于初始土壤中的重金属浓度。初始土壤中Pb、Cr、Cd浓度为18.20、37.43、0.59 mg/kg，试验结束时Pb、Cr、Cd的浓度分别增加至59.63、118.35、2.33 mg/kg，表明饵料中部分重金属迁移至土壤中。

土壤中重金属Pb、Cr、Cd浓度的增加是由于在蚯蚓处理过程中，外界水的冲刷使饵料中重金属随水的流动转移到土壤中。在处理后期土壤中Pb、Cr、Cd浓度的下降是由于蚯蚓处理过程中，饵料中可迁移重金属已经流失，土壤中的重金属逐渐扩散，使蚓床下土壤重金属浓度降低。与Pb、Cr不同的是土壤中Cd浓度并没有随着饵料中Cd浓度的增加而增加，是由于试验设置的Cd的浓度梯度较小，饵料中Cd含量较少，流失到土壤中的Cd不足以形成梯度。

3 结论

（1）蚯蚓处理牛粪饵料后，蚯蚓处理产物的pH降低，蚯蚓处理产物的TN、TP含量上升，OM、TK含量显著下降。2组试验经蚯蚓过腹处理前后，对各处理化学性质进行差异显著分析，处理前后pH差异不显著（P＞0.05）；处理前后OM、TN、TP、TK的差异显著（P＜0.05）。添加外源重金属的试验处理组pH、OM、TN、TP和TK含量与空白对照（CK）间差异均不显著（P＞0.05），表明饵料中含一定浓度的重金属对蚯蚓正常的消化代谢活动影响不显著。

（2）通过在蚯蚓饵料中添加外源重金属调节饵料重金属浓度，蚯蚓处理能显著降低饵料中Pb、Cr、Cd浓度，蚯蚓处理产物中重金属浓度的去除率与初始饵料中重金属浓度呈正比，经蚯蚓处理后，饵料中Pb、Cr、Cd浓度最高降低率分别为46.91%、64.99%、69.92%。蚯蚓体内的Pb、Cr、Cd含量显著增加，蚯蚓富集3种重金属能力表现为Cd＞Cr＞Pb，富集系数分别为17.97、0.55、0.18，蚯蚓富集重金属量与饵料中重金属浓度呈正比。蚓床下土壤中重金属的浓度均有明显升高，表明在蚯蚓处理时物料中部分重金属迁移至土壤中。CK中饵料、蚓床、蚓体内的重金属含量均无明显变化。

（3）综合分析蚯蚓处理前后饵料、蚓体、蚓床下土壤中重金属Pb、Cr、Cd浓度之间的变化，重金属Pb、Cr、Cd随着蚯蚓的吞食进入到蚯蚓体内，经过一系列转化之后部分富集至蚯蚓体内，部分随着蚓粪排出。研究结果表明，蚯蚓对环境的重金属Pb、Cr、Cd具有富集作用，同时会随着环境中重金属Cd浓度的增大而富集量增大。

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