蚯蚓對污泥理化性質及重金屬含量的影響研究進展

羅天相，姜國清，龔國勇

（宜春學院生命科學與資源環境學院，江西 宜春 336000）

污泥由水、細菌、有機物和無機物混合而成，包含氮、磷化合物、重金屬和病原體等多種污染物。污泥中的有機污染物、病原物或超標重金屬等進入環境中，如果未經適當處置，可能使生態系統的風險增加并威脅到人體健康。近年來，污泥的減量化和資源化一直是人們所關注的重要生態環境問題。

蚯蚓素有生態系統工程師之稱，種類繁多，約有6 000余種被定名，在我國分布的大約有200余種，其生活方式、取食特點及生態功能具有較大差異，一般可被分為三大生態型，即表層種、深層種及內層種［1］，不同生態型蚯蚓在分類上差異并不大，中間類群的蚯蚓亦較常見。在評估蚯蚓的生態功能時，不同生態類型的差異性是必須考慮的因素。

蚯蚓是土壤生態系統中最重要的一類無脊椎動物，在生物總量中占比達60%～80%，能夠通過不同途徑如生物的積累、排放氮素等方式對有機污染物遷移轉化過程產生影響。蚯蚓在處理城市污泥上具有重要作用，在有機廢物循環利用方面，蚯蚓堆肥處理被認為是一種替代性的生態友好方式。蚯蚓與好氧微生物的相互作用加速了有機廢棄物的生物降解過程［2-3］。因此，蚯蚓通過降解和混合作用直接影響基質或蚓觸圈，也間接使微生物活性得以增加。無脊椎動物能取食各種類型的有機物，每天能將等同于自身重量的物質轉化為硝酸鹽、磷素、鉀素、鈣素和鎂素等多種產物［4］。

接種蚯蚓作用后的污泥中，一些有毒有害物質含量能被降低，從而改善污泥性質［5-6］。污泥的理化性質亦得以改變，從而有助于實現污泥資源化的利用，拓展污泥處置后的利用途徑。然而，蚯蚓種類繁多，不同類群的蚯蚓取食習性和生理特征不同，其對污泥處理的結果亦有差異。基于此，本文綜述了不同生活型蚯蚓作用對污泥理化性質和污泥重金屬含量的影響，旨在了解不同蚯蚓在城市污泥處置過程中的地位和作用。

1 不同蚯蚓對污泥理化性質的影響

1.1 不同蚯蚓對污泥pH值的影響

近中性的pH 值一般更適于大多數微生物、植物和蚯蚓的新陳代謝活動。pH值是污泥處理過程中的一個重要條件。由于污泥中微生物最適宜的pH 值偏堿性，大多數經處理的污泥亦偏堿性，pH值接近于6～9［7］。

不同生活型蚯蚓對污泥pH值的影響觀點較為一致，普遍認為接種蚯蚓處理污泥后，能降低堿性污泥中pH值，使污泥pH值趨向于中性（表1）。

表1 不同蚯蚓對污泥理化性狀的影響

當蚯蚓接種于酸性污泥中時，蚯蚓能提高污泥中pH值。朱小平等［15］研究發現，接種內層種壯尾環毛蚓于酸性污泥中，能使污泥pH值升高。蚯蚓對pH值的要求較寬容，但蚯蚓可以防止酸性土壤pH值低于4.5，因為蚯蚓長時間生活在這樣的土壤中會對其造成致命危險［17］。

蚯蚓消化管壁兩側具有1對或幾對的囊狀鈣腺。一般認為，鈣腺功能豐富，排出能中和有機酸的碳酸鹽和含鈣物質，特別有助于有益微生物活動和酸堿度的調節。不同土壤類型接種蚯蚓后的實驗表明，蚯蚓取食及活動使微堿性和堿性環境中團聚體pH 值下降，卻提高了微酸性環境中的團聚體pH 值［18］，這也說明蚯蚓在調節環境pH 值中的角色。陳學民等［19］認為，蚯蚓接種后污泥中有機碳、氮代謝發生變化，使污泥酸堿容量發生改變從而影響污泥pH值。

1.2 不同蚯蚓對污泥有機質的影響

在農業中作為富含有機質和養分的肥料進行利用是污泥處置的有效方式。我國市政污泥中富含有機質，含量接近384 g/kg。而且，污泥里有機質的含量在經濟較發達的城市中往往較高，且有逐漸升高的趨勢［20］。

蚯蚓與有機質分解關系密切。蚯蚓通過腸道消化、排出新鮮蚓糞、蚓觸圈內的陳舊蚓糞作用及基質的長期演化發展，最終使基質中有機質的含量發生變化并影響養分的循環［21］。接種蚯蚓污泥處理后，表層種蚯蚓一般會導致污泥中有機質含量降低（表1）。這類蚯蚓的身體構造適應生活在基質的表層，并在表層處起分解者的作用，有一定的分解有機物功能。蚯蚓的攝食作用可以消解污泥中部分有機質，一般認為微生物在有機物分解時起重要作用，異養微生物通過攝取有機物質為碳源，無機或有機物作為氮源，在污泥的有機物礦化、分解和物質循環（C、N和P）過程中起主要作用。但是，考慮到蚯蚓取食過程及腸道和蚓觸圈的微域環境條件，蚯蚓可以改變有機分解底物構成、使復雜有機物轉化為易被微生物利用的形態、調節酶的分泌并促使相關微生物數量和活性的增加，從而推動有機質的分解［22］。Wardle［23］認為，蚯蚓的活動促使以真菌為主、養分周轉較慢的污泥生態系統轉變為以細菌為主、養分快速周轉的系統。有機質在蚯蚓腸道內被碾破及壓擠，這些過程促使有機質含量的降低；此外，微生物的數量及活性因為蚯蚓的取食得以增加，進而與蚯蚓互作并形成一個高效的生態處置系統，促使有機質分解加快，從而降低了污泥中有機質含量。雖然污泥消解后有機質和養分含量總體呈下降趨勢，但其肥力水平還是較一般土壤的肥力高，也能提供植物生長以充足的養分。

內層種壯尾環毛蚓堆肥可能促使污泥有機質成分增多［15］，一方面是由于該實驗中進行了堆肥處理，能夠增多有機質（特別是腐殖質）的含量；另一方面，內層種主要生活在距表層20～40 cm的范圍內，體型大，上食下居的生活習性使蚯蚓對基質有機物的空間格局產生影響，有機物在基質中呈現錯落分布特征。碳多均勻分布在表-深層種陸正蚓蚓觸圈及孔道內；但內層種背暗流蚓孔道壁上的碳則隨蚓觸圈向下延伸而明顯減少［24］。因此，針對深層種和內層種種類的實驗應設置足夠的深度以反映這種有機質的空間分布差異。

1.3 不同蚯蚓對污泥全氮、全磷、全鉀含量的影響

N、P、K元素的含量水平是市政污泥處置中的關鍵性指標。污泥中往往含有過量的N、P等植物生長發育必需的營養元素，但超量的N、P如果直接應用于農業栽培中將對植物生長產生不利影響，并可使污泥中有益微生物的代謝活動受到抑制。接種不同生活型蚯蚓對污泥氮、磷、鉀含量的影響有差異，即使接種同種生活型的蚯蚓，被處理后的污泥全氮、全磷、全鉀含量變化動態也不盡一致（表1）。

全氮含量是一個較為穩定的性質，受多種因素的影響。從已有的研究結果分析，在沒有外源氮素施入的情況下，蚯蚓新陳代謝的產物能以如蚓糞、尿液及黏液蛋白液包括蚯蚓尸體等形式返回于土壤［25］。由于蚯蚓具有不同生態型，接種蚯蚓基質中不同形態的氮包括可利用態氮亦存在差異［26］。在陳旭飛等［8］研究中，接種赤子愛勝蚓后污泥全氮、全鉀含量減少，全磷含量增加；而另一種表層種微小雙胸蚓處理污泥后，全氮、全磷和全鉀含量均有一定增加［14］。

多項研究表明，接種蚯蚓處理可提高污泥中的N、P、K濃度，這有利于植物生長［27］。蚯蚓在氮素轉化中受污泥環境條件和微生物的影響，一般認為蚯蚓可提高基質中的氮含量。磷素含量發生改變受多種途徑影響，如有機物轉化為礦物質、細菌主要群落發生轉變以及蚓觸圈及蚓糞中多種酶類（如磷酸酶）活性改變。此外，蚯蚓腸道內相關酶類及蚓觸圈中的微生物群落亦受增加的磷素影響而得以提高數量及活性，從而使有機磷的礦化分解作用加強［14］。由于污泥中微生物產酸過程，鉀含量亦有可能增加。蚯蚓在取食消化過程形成的蚓糞含有較多的細菌、真菌和放線菌等微生物，蚓糞中含有較多水溶性有機質及有機胺，蚯蚓研磨及消化作用亦增進了礦物鹽的排放，同時排出富含氮、磷、鉀的排泄物，從而引起 TN、TP和 TK 逐漸增加。

也有研究表明，接種蚯蚓可能降低污泥中全氮、全磷、全鉀含量［10，13］。蚯蚓利用了污泥所含的有機物質合成了自身的成分和增強了其自身的活動能力。此外，接種蚯蚓處理的污泥中，微生物群落數量顯著增加，即放線菌和真菌數量顯著提高，放線菌和真菌是化能有機營養型的微生物，它們以糖類等碳水化合物作為碳源和能源，以有機氮和無機氮作為氮源，在蚯蚓和微生物的共同作用下，也可導致污泥中全氮、全鉀等含量的降低。由于污泥中往往含有過量的氮、磷、鉀元素，接種蚯蚓后有助于降解污泥中高濃度的氮、磷等元素。

1.4 不同蚯蚓對污泥堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響

蚯蚓通過多種途徑影響污泥中的速效養分含量。從表1可以看出，接種不同種蚯蚓對污泥堿解氮、速效磷、速效鉀的含量影響是不同的。污泥中往往含有大量的有機殘片和無機顆粒，蚯蚓取食和排泄活動過程中，分解有機殘片并促使污泥內部升溫，可能使污泥中的氨氮加速揮發，硝化速度加快，從而促使污泥中速效養分的流失。污泥處置過程前期微生物活性較高，微生物固定了大量的速效磷以滿足其自身生長需要，也可能導致速效磷含量的減少；另一方面，蚯蚓加快了微生物對有機質礦化的過程，增加了土壤C、N的釋放。蚯蚓取食污泥微生物可加速微生物量氮的礦化，提高污泥中礦質N含量。當有外源N輸入，提高N供給時，蚯蚓活動會顯著提高N的礦化潛力，導致污泥中速效養分含量發生變化。

從研究結果分析，接種表層種赤子愛勝蚓和內層種毛利遠盲蚓可能使污泥中速效養分含量減少［8］。存在爭議的是，接種深層種威廉環毛蚓可能增加污泥中堿解氮、速效磷含量［11］。污泥中氮含量的增多可能是因為蚯蚓在活動過程中，礦化了污泥中的有機氮。接種蚯蚓后，污泥中微生物對氮轉化的能力加強，使有機態氮轉化為無機態氮（硝態氮、銨態氮）并保留在污泥中。此外，蚯蚓新陳代謝過程中產生的排泄物、蚓糞、氨基酸、植物生長素等也會導致污泥中氮素的增加。氮含量增加的另一個可能因素是接種蚓體的死亡，蚓體中的含氮有機物質經過分解轉化為無機態進入到污泥里，當實驗中接種了過量的蚯蚓，如果出現較大面積死亡，可能也會成為速效氮增加的一個主要因素。蚯蚓的存在（作穴及蚓糞）會改變微生物賴以生存的微環境，而微環境的改變會加快微生物對氮的轉化，以至于間接的改變氮的循環。蚯蚓活動也可能增強全鉀向速效鉀的轉化能力從而使污泥中速效鉀含量增加。由于蚯蚓產生的胞外酶（蛋白酶及葡萄糖苷酶等）和粘液能加速營養鹽釋放，同時改變氮、磷等在污泥中的存在形態，亦有可能使污泥的速效養分含量增加［28］。

從已有結果分析，即使同生態型蚯蚓處置過的污泥速效性成分含量亦有不同的變化。陳旭飛等［8］研究赤子愛勝蚓接種處理污泥（實驗30 d），使污泥中堿解氮、速效磷、速效鉀含量均下降；而孫穎等［9］在研究的赤子愛勝蚓活動改善污泥性狀的實驗（實驗為期63 d）中，堿解氮含量增加。由于實驗持續的時間存在差異，蚯蚓處理的前期微生物的活性較高，大量的速效磷等被微生物固定以滿足其自身生長需要，速效磷等含量隨之下降，這或許是短期實驗中速效養分降低的原因之一。

2 不同蚯蚓引起污泥重金屬含量的變化

污泥中所含重金屬的種類及濃度差別較大，受所處置污水的來源影響。城市污泥中的重金屬主要包括銅、鋅、鎘、鉻、鉛、汞和砷等。重金屬在低濃度下有益于蚯蚓生長，而高濃度則會阻礙其生長，影響蚯蚓的生物活性。蚯蚓生物量大，是土壤圈中重要的功能類群，對于重金屬具有較強的耐受性，能通過多種途徑進行重金屬的生物積累。盡管對其內在機理尚了解不多，但接種蚯蚓確實能活化污泥中的重金屬［29］。

從實驗數據分析，接種表棲型和深層種的蚯蚓均可以減少污泥重金屬的含量（表2）。有研究表明，蚯蚓通過取食能夠吸收、積累重金屬，降低污泥中重金屬含量，進而在食物鏈中傳遞及生物放大［28］；蚯蚓還通過分泌產物及調控蚓觸圈微生物數量及活性，間接活化重金屬；以及利用其鈣腺分泌的碳酸鹽和代謝過程產生的酶類、生長素及含羧基、氨基等的膠粘物質，分解、螯合、沉淀部分重金屬，活化基質中的重金屬［35］。此外，蚯蚓能改變污泥pH值和酸堿度，從而活化重金屬以降低其含量［36］。內層種由于橫向挖掘，深居土壤底部，因此不易采集且不易培養，目前在國內的研究中還罕有接種內層種的。蚯蚓對重金屬的吸收量也受蚯蚓的種類、生態型以及污泥的性質影響。

表2 不同蚯蚓對污泥重金屬的影響

3 問題與展望

不同生活型蚯蚓對污泥理化性質會產生不同的影響。蚯蚓能降低堿性污泥中pH值，提高酸性污泥pH值，使污泥pH值趨向于中性。表層種蚯蚓易使污泥中有機質含量降低，內層種蚯蚓則可能使有機質成分增多。接種蚯蚓處理可提高污泥中的N、P、K濃度，這有利于植物生長。部分蚯蚓則可降低污泥中全氮、全磷、全鉀含量，這有助于降解污泥中高濃度的氮、磷等元素。接種表層種和內層種可能使污泥中速效養分含量減少，深層種可能增加污泥中堿解氮、速效磷含量，但即使同生態型蚯蚓處置過的污泥速效性成分含量亦有不同的變化。接種蚯蚓能活化污泥中的重金屬并減少其含量。

總之，當前對蚯蚓改善污泥理化性質、降解有機物、活化重金屬等的影響研究較多，但對污泥中相關微生物群落功能基因的影響研究較少，相關機理性的分析亦較缺乏。微生物與蚯蚓的相互作用是研究的重要領域，未來可以蚓觸圈及蚯蚓排泄物與重要功能基因的相互作用為重點展開研究，結合不同生態型蚯蚓的比較分析，深入探索蚯蚓在污泥穩定化和資源化利用中的作用機理。

［1］Edwards C A，Bohlen P J.Biology and Ecology of Earthworms［M］.London：Chapman and Hall，1996.

［2］Rorat A，Suleiman H，Grobelak A，et al.Interactions between sewage sludge-amended soil and earthworms-comparison betweenEisenia fetidaandEisenia andreicomposting species［J］.Environmental Science and Pollution Research， 2015，23（4）：3026-3035.

［3］Lim S L，Lee L H，Wu T Y.Sustainability of using composting and vermicomposting technologies for organic solid waste biotransformation：recent overview，greenhouse gases emissions and economic analysis［J］.Journal of Cleaner Production，2016，111：262-278.

［4］El-Haddad M，Zayed M S，El-Sayed G，et al.Evaluation of compost，vermicompost and their teas produced from rice straw as affected by addition of different supplements［J］.Annals of Agricultural Sciences，2014，59（2）：243-251.［5］Hait S，Tare V.Vermistabilization of Primary Sewage Sludge［J］.Bioresource Technology，2011，102（ 3）：2812-2820.

［6］Domene X，Sola L，Ramilaz W，et al.Soil bioassays as tools for sludge compost quality assessment［J］.Waste Management，2011，31（3）：512-522.

［7］尹軍，陳雷，王鶴立.城市污水的資源化再生及熱能回收利用［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［8］陳旭飛，張池，戴軍，等.赤子愛勝蚓和毛利遠盲蚓對添加造紙污泥土壤的化學和生物學特征的影響［J］.生態學報，2014，34（5）：1114-1125.

［9］孫穎，桂長華，孟杰，等.利用蚯蚓活動改善污泥性狀的實驗研究［J］.環境化學，2007，26（3）：343-346.

［10］徐軼群，吳小飛，許健，等.蚯蚓堆肥對城市生活污泥氮、磷營養物質礦化的影響［J］.家畜生態學報， 2016，37（4）：54-58.

［11］李秀啟，賈寶華，牛小沛，等.不同品種蚯蚓對城市污泥的處理效果［J］.安徽農業科學，2016，44（ 36）：112-113，153.

［12］霍慶霖，徐小遜，張世熔，等.蚯蚓消解后污泥的性質變化及對彩葉草生長的影響［J］.生態與農村環境學報，2016，32（1）：126-132.

［13］徐軼群，周璟，董秀華，等.蚯蚓活動對城市生活污泥重金屬的影響［J］.農業環境科學學報，2010，29（12）：2431- 2435.

［14］陳學民，黃魁，伏小勇.微小雙胸蚓處理城市污泥的試驗研究［J］.安全與環境學報，2010，10（2）：61-64.

［15］朱小平，李曉敏，李永濤，等.全滅菌環境下蚯蚓和堆肥對土壤五氯酚老化過程的影響［J］.農業環境科學學報，2011，30（11）：2218-2224.

［16］郭茂新，朱明山，樓菊青.環境因子對水蚯蚓污泥減量效果的影響［J］.環境科學學報，2011，31（12）：2657-2662.

［17］Emamjomeh M M，Tahergorabi M，Farzadkia M，et al.A review of the use of earthworms and aquatic worms for reducing sludge produced：An innovative ecotechnology［J］.Waste and Biomass Valorization，2017（1）：1-15.

［18］黃福珍.蚯蚓［M］.北京：農業出版社，1982，75-79，107-110.

［19］陳學民，高承煜，伏小勇，等.蚯蚓處理對城鎮造粒污泥酸堿緩沖容量的影響［J］.環境科學學報，2016，36（8）：2941- 2946.

［20］李艷霞，陳同斌，羅維，等.中國城市污泥有機質及養分含量與土地利用［J］.生態學報，2003，23（11）：2464-2474.

［21］Lavelle P，Martin A.Small-scale and large-scale effects of endogeic earthworms on soil organic matter dynamics in soils of the humid tropics［J］.Soil Biology and Biochemistry，1992，24：1491–1498.

［22］Gó mez-Brandón M，Aira M，Lores M，et al.Epigeic earthworms exert a bottle neck effect on microbial communities through gut associated processes［J］.PLoS ONE，2011，6（9）：e24786.

［23］Wardle D.Communities and ecosystems：Linking the aboveground and belowground components［M］.Princeton University Press，2013.

［24］Jeagou D，Cluzeau D，Balesdent J，et al.Effects of four ecological categories of earthworms on carbon transfer in soil［J］.Applied Soil Ecology，1998，9：249-255 .

［25］Lee K E.Earthworms：Their ecology and relationships with soils and land use［M］. Sydney：Academic Press，1985.

［26］張衛信，陳迪馬，趙燦燦.蚯蚓在生態系統中的作用［J］.生物多樣性，2007，15（2）：142-153.

［27］楊敬輝，張松林.蚯蚓堆肥污泥研究述評［J］.湖北農業科學，2011，50（9）：1729-1730，1758.

［28］Suleiman H，Rorat A，Grobelak A，et al.Determination of the performance of vermicomposting process applied to sewage sludge by monitoring of the compost quality and immune responses in three earthworm species：Eisenia fetida，Eisenia andreiandDendrobaena veneta［J］.Bioresource Technology，2017，241：103-110.

［29］Sizmur T，Hodson M E. Do earthworms impact metal mobility and availability in soil-a review［J］Environmental Pollution，2009，157（7）：1981-1989.

［30］李雄勇，常文越，張帆.赤子愛勝蚓處理農村生活污水污泥的技術研究［J］.科技創新導報，2014，11（4）：35-37.

［31］Ma Y，Dickinson N M，Wong M H.Toxicity of Pb/Zn mine tailings to the earthworm Pheretima and the effects of burrowing on metal availability［J］.Biology and Fertility of Soils，2002，36（1）：79-86.

［32］Yu X，Cheng J，Wong M H.Earthwormmycorrhiza interaction on Cd uptake and growth of ryegrass［J］.Soil Biology and Biochemistry，2005，37（2）：195-201.

［33］Kyzylkaya R.Cu and Zn accumulation in earthwormLumbricus terrestrisL.in sewage sludge amended soil and fractions of Cu and Zn in casts and surrounding soil［J］.Ecological Engineering，2004，22（2）：141-151.

［34］Sizmur T，Palumbo-Roe B，Watts M J，et al.Impact of the earthwormLumbricus terrestris（L.）on As，Cu，Pb and Zn mobility and speciation in contaminated soils［J］.Environmental Pollution，2011，159（3）：742-748.

［35］丁炳紅，俞巧鋼，葉靜，等.土壤重金屬有效性影響因素及其防治對策［J］.浙江農業科學，2012，1（5）：729-732.

［36］俞協治，成杰民.蚯蚓對土壤中銅、鎘生物有效性的影響［J］.生態學報，2003，23（5）：922-928.