蚯蚓对污泥理化性质及重金属含量的影响研究进展

罗天相，姜国清，龚国勇

（宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000）

污泥由水、细菌、有机物和无机物混合而成，包含氮、磷化合物、重金属和病原体等多种污染物。污泥中的有机污染物、病原物或超标重金属等进入环境中，如果未经适当处置，可能使生态系统的风险增加并威胁到人体健康。近年来，污泥的减量化和资源化一直是人们所关注的重要生态环境问题。

蚯蚓素有生态系统工程师之称，种类繁多，约有6 000余种被定名，在我国分布的大约有200余种，其生活方式、取食特点及生态功能具有较大差异，一般可被分为三大生态型，即表层种、深层种及内层种［1］，不同生态型蚯蚓在分类上差异并不大，中间类群的蚯蚓亦较常见。在评估蚯蚓的生态功能时，不同生态类型的差异性是必须考虑的因素。

蚯蚓是土壤生态系统中最重要的一类无脊椎动物，在生物总量中占比达60%～80%，能够通过不同途径如生物的积累、排放氮素等方式对有机污染物迁移转化过程产生影响。蚯蚓在处理城市污泥上具有重要作用，在有机废物循环利用方面，蚯蚓堆肥处理被认为是一种替代性的生态友好方式。蚯蚓与好氧微生物的相互作用加速了有机废弃物的生物降解过程［2-3］。因此，蚯蚓通过降解和混合作用直接影响基质或蚓触圈，也间接使微生物活性得以增加。无脊椎动物能取食各种类型的有机物，每天能将等同于自身重量的物质转化为硝酸盐、磷素、钾素、钙素和镁素等多种产物［4］。

接种蚯蚓作用后的污泥中，一些有毒有害物质含量能被降低，从而改善污泥性质［5-6］。污泥的理化性质亦得以改变，从而有助于实现污泥资源化的利用，拓展污泥处置后的利用途径。然而，蚯蚓种类繁多，不同类群的蚯蚓取食习性和生理特征不同，其对污泥处理的结果亦有差异。基于此，本文综述了不同生活型蚯蚓作用对污泥理化性质和污泥重金属含量的影响，旨在了解不同蚯蚓在城市污泥处置过程中的地位和作用。

1 不同蚯蚓对污泥理化性质的影响

1.1 不同蚯蚓对污泥pH值的影响

近中性的pH 值一般更适于大多数微生物、植物和蚯蚓的新陈代谢活动。pH值是污泥处理过程中的一个重要条件。由于污泥中微生物最适宜的pH 值偏碱性，大多数经处理的污泥亦偏碱性，pH值接近于6～9［7］。

不同生活型蚯蚓对污泥pH值的影响观点较为一致，普遍认为接种蚯蚓处理污泥后，能降低碱性污泥中pH值，使污泥pH值趋向于中性（表1）。

表1 不同蚯蚓对污泥理化性状的影响

当蚯蚓接种于酸性污泥中时，蚯蚓能提高污泥中pH值。朱小平等［15］研究发现，接种内层种壮尾环毛蚓于酸性污泥中，能使污泥pH值升高。蚯蚓对pH值的要求较宽容，但蚯蚓可以防止酸性土壤pH值低于4.5，因为蚯蚓长时间生活在这样的土壤中会对其造成致命危险［17］。

蚯蚓消化管壁两侧具有1对或几对的囊状钙腺。一般认为，钙腺功能丰富，排出能中和有机酸的碳酸盐和含钙物质，特别有助于有益微生物活动和酸碱度的调节。不同土壤类型接种蚯蚓后的实验表明，蚯蚓取食及活动使微碱性和碱性环境中团聚体pH 值下降，却提高了微酸性环境中的团聚体pH 值［18］，这也说明蚯蚓在调节环境pH 值中的角色。陈学民等［19］认为，蚯蚓接种后污泥中有机碳、氮代谢发生变化，使污泥酸碱容量发生改变从而影响污泥pH值。

1.2 不同蚯蚓对污泥有机质的影响

在农业中作为富含有机质和养分的肥料进行利用是污泥处置的有效方式。我国市政污泥中富含有机质，含量接近384 g/kg。而且，污泥里有机质的含量在经济较发达的城市中往往较高，且有逐渐升高的趋势［20］。

蚯蚓与有机质分解关系密切。蚯蚓通过肠道消化、排出新鲜蚓粪、蚓触圈内的陈旧蚓粪作用及基质的长期演化发展，最终使基质中有机质的含量发生变化并影响养分的循环［21］。接种蚯蚓污泥处理后，表层种蚯蚓一般会导致污泥中有机质含量降低（表1）。这类蚯蚓的身体构造适应生活在基质的表层，并在表层处起分解者的作用，有一定的分解有机物功能。蚯蚓的摄食作用可以消解污泥中部分有机质，一般认为微生物在有机物分解时起重要作用，异养微生物通过摄取有机物质为碳源，无机或有机物作为氮源，在污泥的有机物矿化、分解和物质循环（C、N和P）过程中起主要作用。但是，考虑到蚯蚓取食过程及肠道和蚓触圈的微域环境条件，蚯蚓可以改变有机分解底物构成、使复杂有机物转化为易被微生物利用的形态、调节酶的分泌并促使相关微生物数量和活性的增加，从而推动有机质的分解［22］。Wardle［23］认为，蚯蚓的活动促使以真菌为主、养分周转较慢的污泥生态系统转变为以细菌为主、养分快速周转的系统。有机质在蚯蚓肠道内被碾破及压挤，这些过程促使有机质含量的降低；此外，微生物的数量及活性因为蚯蚓的取食得以增加，进而与蚯蚓互作并形成一个高效的生态处置系统，促使有机质分解加快，从而降低了污泥中有机质含量。虽然污泥消解后有机质和养分含量总体呈下降趋势，但其肥力水平还是较一般土壤的肥力高，也能提供植物生长以充足的养分。

内层种壮尾环毛蚓堆肥可能促使污泥有机质成分增多［15］，一方面是由于该实验中进行了堆肥处理，能够增多有机质（特别是腐殖质）的含量；另一方面，内层种主要生活在距表层20～40 cm的范围内，体型大，上食下居的生活习性使蚯蚓对基质有机物的空间格局产生影响，有机物在基质中呈现错落分布特征。碳多均匀分布在表-深层种陆正蚓蚓触圈及孔道内；但内层种背暗流蚓孔道壁上的碳则随蚓触圈向下延伸而明显减少［24］。因此，针对深层种和内层种种类的实验应设置足够的深度以反映这种有机质的空间分布差异。

1.3 不同蚯蚓对污泥全氮、全磷、全钾含量的影响

N、P、K元素的含量水平是市政污泥处置中的关键性指标。污泥中往往含有过量的N、P等植物生长发育必需的营养元素，但超量的N、P如果直接应用于农业栽培中将对植物生长产生不利影响，并可使污泥中有益微生物的代谢活动受到抑制。接种不同生活型蚯蚓对污泥氮、磷、钾含量的影响有差异，即使接种同种生活型的蚯蚓，被处理后的污泥全氮、全磷、全钾含量变化动态也不尽一致（表1）。

全氮含量是一个较为稳定的性质，受多种因素的影响。从已有的研究结果分析，在没有外源氮素施入的情况下，蚯蚓新陈代谢的产物能以如蚓粪、尿液及黏液蛋白液包括蚯蚓尸体等形式返回于土壤［25］。由于蚯蚓具有不同生态型，接种蚯蚓基质中不同形态的氮包括可利用态氮亦存在差异［26］。在陈旭飞等［8］研究中，接种赤子爱胜蚓后污泥全氮、全钾含量减少，全磷含量增加；而另一种表层种微小双胸蚓处理污泥后，全氮、全磷和全钾含量均有一定增加［14］。

多项研究表明，接种蚯蚓处理可提高污泥中的N、P、K浓度，这有利于植物生长［27］。蚯蚓在氮素转化中受污泥环境条件和微生物的影响，一般认为蚯蚓可提高基质中的氮含量。磷素含量发生改变受多种途径影响，如有机物转化为矿物质、细菌主要群落发生转变以及蚓触圈及蚓粪中多种酶类（如磷酸酶）活性改变。此外，蚯蚓肠道内相关酶类及蚓触圈中的微生物群落亦受增加的磷素影响而得以提高数量及活性，从而使有机磷的矿化分解作用加强［14］。由于污泥中微生物产酸过程，钾含量亦有可能增加。蚯蚓在取食消化过程形成的蚓粪含有较多的细菌、真菌和放线菌等微生物，蚓粪中含有较多水溶性有机质及有机胺，蚯蚓研磨及消化作用亦增进了矿物盐的排放，同时排出富含氮、磷、钾的排泄物，从而引起 TN、TP和 TK 逐渐增加。

也有研究表明，接种蚯蚓可能降低污泥中全氮、全磷、全钾含量［10，13］。蚯蚓利用了污泥所含的有机物质合成了自身的成分和增强了其自身的活动能力。此外，接种蚯蚓处理的污泥中，微生物群落数量显著增加，即放线菌和真菌数量显著提高，放线菌和真菌是化能有机营养型的微生物，它们以糖类等碳水化合物作为碳源和能源，以有机氮和无机氮作为氮源，在蚯蚓和微生物的共同作用下，也可导致污泥中全氮、全钾等含量的降低。由于污泥中往往含有过量的氮、磷、钾元素，接种蚯蚓后有助于降解污泥中高浓度的氮、磷等元素。

1.4 不同蚯蚓对污泥碱解氮、速效磷、速效钾含量的影响

蚯蚓通过多种途径影响污泥中的速效养分含量。从表1可以看出，接种不同种蚯蚓对污泥碱解氮、速效磷、速效钾的含量影响是不同的。污泥中往往含有大量的有机残片和无机颗粒，蚯蚓取食和排泄活动过程中，分解有机残片并促使污泥内部升温，可能使污泥中的氨氮加速挥发，硝化速度加快，从而促使污泥中速效养分的流失。污泥处置过程前期微生物活性较高，微生物固定了大量的速效磷以满足其自身生长需要，也可能导致速效磷含量的减少；另一方面，蚯蚓加快了微生物对有机质矿化的过程，增加了土壤C、N的释放。蚯蚓取食污泥微生物可加速微生物量氮的矿化，提高污泥中矿质N含量。当有外源N输入，提高N供给时，蚯蚓活动会显著提高N的矿化潜力，导致污泥中速效养分含量发生变化。

从研究结果分析，接种表层种赤子爱胜蚓和内层种毛利远盲蚓可能使污泥中速效养分含量减少［8］。存在争议的是，接种深层种威廉环毛蚓可能增加污泥中碱解氮、速效磷含量［11］。污泥中氮含量的增多可能是因为蚯蚓在活动过程中，矿化了污泥中的有机氮。接种蚯蚓后，污泥中微生物对氮转化的能力加强，使有机态氮转化为无机态氮（硝态氮、铵态氮）并保留在污泥中。此外，蚯蚓新陈代谢过程中产生的排泄物、蚓粪、氨基酸、植物生长素等也会导致污泥中氮素的增加。氮含量增加的另一个可能因素是接种蚓体的死亡，蚓体中的含氮有机物质经过分解转化为无机态进入到污泥里，当实验中接种了过量的蚯蚓，如果出现较大面积死亡，可能也会成为速效氮增加的一个主要因素。蚯蚓的存在（作穴及蚓粪）会改变微生物赖以生存的微环境，而微环境的改变会加快微生物对氮的转化，以至于间接的改变氮的循环。蚯蚓活动也可能增强全钾向速效钾的转化能力从而使污泥中速效钾含量增加。由于蚯蚓产生的胞外酶（蛋白酶及葡萄糖苷酶等）和粘液能加速营养盐释放，同时改变氮、磷等在污泥中的存在形态，亦有可能使污泥的速效养分含量增加［28］。

从已有结果分析，即使同生态型蚯蚓处置过的污泥速效性成分含量亦有不同的变化。陈旭飞等［8］研究赤子爱胜蚓接种处理污泥（实验30 d），使污泥中碱解氮、速效磷、速效钾含量均下降；而孙颖等［9］在研究的赤子爱胜蚓活动改善污泥性状的实验（实验为期63 d）中，碱解氮含量增加。由于实验持续的时间存在差异，蚯蚓处理的前期微生物的活性较高，大量的速效磷等被微生物固定以满足其自身生长需要，速效磷等含量随之下降，这或许是短期实验中速效养分降低的原因之一。

2 不同蚯蚓引起污泥重金属含量的变化

污泥中所含重金属的种类及浓度差别较大，受所处置污水的来源影响。城市污泥中的重金属主要包括铜、锌、镉、铬、铅、汞和砷等。重金属在低浓度下有益于蚯蚓生长，而高浓度则会阻碍其生长，影响蚯蚓的生物活性。蚯蚓生物量大，是土壤圈中重要的功能类群，对于重金属具有较强的耐受性，能通过多种途径进行重金属的生物积累。尽管对其内在机理尚了解不多，但接种蚯蚓确实能活化污泥中的重金属［29］。

从实验数据分析，接种表栖型和深层种的蚯蚓均可以减少污泥重金属的含量（表2）。有研究表明，蚯蚓通过取食能够吸收、积累重金属，降低污泥中重金属含量，进而在食物链中传递及生物放大［28］；蚯蚓还通过分泌产物及调控蚓触圈微生物数量及活性，间接活化重金属；以及利用其钙腺分泌的碳酸盐和代谢过程产生的酶类、生长素及含羧基、氨基等的胶粘物质，分解、螯合、沉淀部分重金属，活化基质中的重金属［35］。此外，蚯蚓能改变污泥pH值和酸碱度，从而活化重金属以降低其含量［36］。内层种由于横向挖掘，深居土壤底部，因此不易采集且不易培养，目前在国内的研究中还罕有接种内层种的。蚯蚓对重金属的吸收量也受蚯蚓的种类、生态型以及污泥的性质影响。

表2 不同蚯蚓对污泥重金属的影响

3 问题与展望

不同生活型蚯蚓对污泥理化性质会产生不同的影响。蚯蚓能降低碱性污泥中pH值，提高酸性污泥pH值，使污泥pH值趋向于中性。表层种蚯蚓易使污泥中有机质含量降低，内层种蚯蚓则可能使有机质成分增多。接种蚯蚓处理可提高污泥中的N、P、K浓度，这有利于植物生长。部分蚯蚓则可降低污泥中全氮、全磷、全钾含量，这有助于降解污泥中高浓度的氮、磷等元素。接种表层种和内层种可能使污泥中速效养分含量减少，深层种可能增加污泥中碱解氮、速效磷含量，但即使同生态型蚯蚓处置过的污泥速效性成分含量亦有不同的变化。接种蚯蚓能活化污泥中的重金属并减少其含量。

总之，当前对蚯蚓改善污泥理化性质、降解有机物、活化重金属等的影响研究较多，但对污泥中相关微生物群落功能基因的影响研究较少，相关机理性的分析亦较缺乏。微生物与蚯蚓的相互作用是研究的重要领域，未来可以蚓触圈及蚯蚓排泄物与重要功能基因的相互作用为重点展开研究，结合不同生态型蚯蚓的比较分析，深入探索蚯蚓在污泥稳定化和资源化利用中的作用机理。

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