蚯蚓在环境污染治理及其资源化应用中的研究进展_宋凤敏

蚯蚓在环境污染治理及其资源化应用中的研究进展

宋凤敏

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

摘要：蚯蚓是土壤中的重要生物，具有促进物质分解转化的特点，在固体废弃物的资源化利用处置和土壤的重金属污染生态修复及其生态风险评价中发挥重要作用。综述了蚯蚓处理各类固体废弃物的方法、在废弃物资源化利用发挥的作用以及蚯蚓在废水处理、污染土壤修复和土壤污染生态监测中的应用，并对今后的研究方向进行了展望。

关键词：蚯蚓；固体废弃物处理；污水处理；土壤污染

中图分类号：X53；X7文献标识码：A文章编号：1004-874X（2013）06-0164-05

Progress on environmental pollution control and

resource application using earthworms

SONG Feng-min

（School of Chemistry and Environmental Science,Shaanxi University of Technology,Hanzhong723001,China）

Abstract:The earthworm is an important living beings in soil,it has the characteristic of promoting the transformation of the matter, especially for the decomposition of organic matter and adsorption of heavy metal.Eearthworms can be more widely applied to environmental pollution control and resource processing.Various soild waste treatment methods by using earthworm were summarized,and function and effect of earthworm on resource utilization of solid waste as well as remediation of soil contaminated with earthworm were introduced.And the future research direction was given.

Key words:earthworm;solid waste treatment;wastewater treatment;soil contamination

蚯蚓属环节动物门寡毛纲(Oligochaeta)，是土壤中生物量最大的无脊椎动物，它的身体由许多彼此相似的体节组成，属于环节动物。蚯蚓生活在土壤中，昼伏夜出，以腐败有机物为食，连同泥土一同吞入，也摄食植物的茎叶等碎片。蚯蚓可使土壤疏松、改良土壤、提高肥力，促进农业增产。

近百年来随着工农业的飞速发展，大量的环境污染物也随之排入环境，而土壤和水体是污染物的最终汇集地。而蚯蚓由于其本身的特性，对某些污染物具有降解转化作用，这使得蚯蚓在固体废弃物的资源化利用处置和土壤的重金属污染生态修复及其生态风险评价中发挥重要作用。随着人们对蚯蚓特性认识的深入，蚯蚓在环境污染治理及其资源化利用中应用越来越广泛。本文结合蚯蚓自身的特点综述了近年来蚯蚓在环境污染治理及其资源化利用方面的应用研究进展。

1蚯蚓在固体废弃物处理中的应用

蚯蚓的消化道能分泌出一系列具有分解有机质的酶，这些酶和蚯蚓体内的微生物共同作用使得蚯蚓表现出极强的消化能力，能够将大分子有机物质分解成一系列低分子化合物，水解成易于同化的碳水化合物、脂肪、蛋白质以及较稳定的纤维素和几丁质，然后进一步分解并部分矿质化，使之转化为氨、尿素、碳酸、尿嘌呤以及速效性的易吸收的磷钾矿质养分[1]，其结合土壤中的矿物质后作为蚯蚓粪便而排入环境中。研究发现，蚯蚓粪便含有大量有机质、腐植酸，氮、磷、钾等养分，而且酶、微量元素和氨基酸含量也较高，是理想的土壤改良剂和肥料添加剂，有些甚至还可以作为畜禽饲料添加剂。由于蚯蚓有这样的消化特点和资源化优势，使得其在固体废弃物处理及其资源化利用中发挥着越来越大的优势，许多学者在这方面进行研究并将成果用于实践，取得了良好的效果。

1.1蚯蚓处理固体废弃物的应用研究

固体废弃物按其来源可分为工矿业固体废弃物、城市生活固体废弃物、农业固体废弃物和放射性固体废弃物。根据蚯蚓的消化特点，蚯蚓对城市生活固体废弃物和农业固体废弃物有很好的处理效果，并且可以实现资源化利用。蚯蚓对城市生活固废和农业固废的处理主要是对其有机成分的消化，因此又称之为有机固体废弃物的蚯蚓处理[2]。根据蚯蚓在自然生态系统中具有消化分解有机物质的功能而发展起来的一项主要针对城市生活垃圾、城市污泥以及农业有机垃圾的生物处理技术，是实现有机固体废弃物饲料化、肥料化和材料化的最好途径。

1.1.1蚯蚓对城市生活垃圾的处理随着生活水平的不断提高，城市生活垃圾的有机组分含量也越来越高，这些有机组分是垃圾中臭气的源头，而且还会污染地下水、土壤等。利用蚯蚓分解处理，不仅可以解决环境污染问题，还可使有机废弃物转变为生物有机肥、饲料等有价值的东西。美国、法国、澳大利亚等发达国家早在20世纪90年代初期就建立了利用蚯蚓处理城市垃圾的工厂。美国洛杉矶市蚯蚓养殖场有10万余条蚯蚓，每月可处理垃圾

收稿日期：2013-01-29

基金项目：陕西省教育厅项目（11JK0760）

作者简介：宋凤敏（1978-），女，硕士，讲师，E-mail:sfm3297@163. com 广东农业科学2013年第6期

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75000t。加拿大安大略省克劳克利用蚯蚓每天处理垃圾20t，同时获得十几吨蚯蚓粪和大量鲜蚯蚓。我国从80年代开始对蚯蚓处理城市生活垃圾进行研究，通过这些研究找到最适宜的条件，近年来也有部分城市在用蚯蚓规模化处理城市生活垃圾。清华大学环境工程研究所的胡秀仁等[3-4]开展养殖蚯蚓处理城市生活垃圾的可行性研究，通过大量试验确定垃圾配比、蚯蚓种类、生长条件等，得出了一定的成果，肯定了养殖蚯蚓处理生活垃圾的可行性与优越性。陈玉成等[5]研究得出蚯蚓处理城市生活垃圾成分效果的影响因素，垃圾的碳氮比和铵态氮与硝态氮的消长关系。刘庄泉等[6]通过对上海市某居住小区的垃圾进行了好氧堆肥与蚯蚓处理相结合的综合生态处理法试验，证明了垃圾发酵加蚯蚓处理是一个生态环保处理垃圾方法。崔美香等[7]收集3个居住小区的生活垃圾并用蚯蚓处理床进行规模化研究蚯蚓处理城市生活垃圾的条件因素，为实际应用提供参数。周晓等[8]将EM菌用于蚯蚓处理垃圾的预处理中，通过用EM菌和蚯蚓粪结合有机生活垃圾进行腐熟预处理，提高了蚯蚓在垃圾中生长的存活率和垃圾处理率。

经过20多年的探索，国内出现了规模化蚯蚓处理城市垃圾的产业。内蒙古呼和浩特市西郊垃圾场试建667 m2的蚯蚓床，放养1000kg适于呼和浩特气候条件的日本大平2号蚯蚓。北京市为消纳厨余垃圾，在一些城区进行了利用蚯蚓处理厨余垃圾的养殖试点，虽然成功率和产业化率还远远跟不上欧美国家，但是有了这个开端，随着研究的进一步深入，蚯蚓处理城市生活垃圾这种生态方法将在我国城市中越来越受重视。

1.1.2蚯蚓对农业固体废弃物的处理农业固体废弃物中含有机质含量较高的物质，如秸秆、果皮菜叶、畜禽粪便等。对这些常见的农业固体废弃物以前主要通过简易的堆肥使用或者直接丢弃在环境中，不但使其中有用的物质没有得到充分有效利用而流失，而且会污染农村环境卫生。蚯蚓有机固体废物处理技术发展以来，这类农业废弃物的资源化处理技术也日趋成熟。

Elvira等[9-10]侧重研究了对农业废弃物堆肥处理的蚓种选择和处理条件。廖新弟等[11]用腐熟的猪粪和牛粪饲养日本大平2号、澳洲1号和本地等3种蚯蚓，并比较研究其生长繁殖特性，结果表明，在合适的配比下大平2号（赤子爱胜蚯蚓）比较适合处理畜禽粪便，这与国外学者研究结果一致。陈玉水等[12]将蚯蚓用于菠萝皮处理，通过结合牛粪和菠萝不同配比，找到蚯蚓在菠萝皮中生长的条件，以人工养殖蚯蚓的方式处理菠萝加工皮渣是可行的。卓少民等[13]研究蚯蚓处理香蕉皮的方法和各种影响因素，通过长期研究得出了香蕉皮通过蚯蚓资源化处理的合适条件和方法。王霞等[14-15]在秸秆还田实验中加入蚯蚓，比较普通方式秸秆还田与蚯蚓作用下秸秆还田不同方式对土壤肥力的影响，结果表明，在蚯蚓作用下秸秆还田的效果更好，蚯蚓起了协同作用，土壤的有机碳、氮、磷含量变化与蚯蚓作用有关。邹星星等[16]针对高浓度秸秆厌氧发酵过程存在酸化现象，采用蚯蚓堆制预处理玉米秸秆进行厌氧发酵产气特性研究，改善在厌氧发酵产气过程中产气不稳定的状况，pH值也处于正常范围内。

将蚯蚓培养在单纯的玉米秸秆类植物废弃物或者畜禽粪便中，蚯蚓的生长受到多种因素限制，而将植物类废弃物与畜禽粪便结合形成物料，蚯蚓却能很好地生长，消化植物中的纤维素和粪便中的有机物。已有研究采用室内接种的方法，用不同C/N的玉米秸秆与纯牛粪混合物为物料饲养赤子爱胜蚓，探讨了不同物料组合对土壤中酶活性的影响，比较不同配比蚯蚓的生长情况[17-19]。朱维琴等[20]将猪粪与稻草结合，研究不同配比对蚯蚓堆制物性状的变化。将蚯蚓用于集约化养殖场的粪污处理中，并将蚯蚓处理过的生物肥料与普通肥料对比，结果显示蚯蚓处理过的产品中还混有大量的蚯蚓粪便，含有抑制植物病害及促进作物生长的有效成分，是优良的生物有机肥产品[21-22]。

多数研究认为接种EM（Effect Microorganism）菌剂可加速堆肥反应进程，成杰明等[23]将EM菌添加在蚯蚓处理鲜牛粪的过程，许第发等[24]研究蚯蚓与EM菌协同作用处理猪粪的效果，结果都表明蚯蚓和EM菌的协同作用能够加快猪粪的腐熟，提高产物的矿化程度和稳定程度。1.1.3蚯蚓对污水处理剩余污泥的处理污水处理产生的大量污泥的任意堆放和投弃对环境造成了新的污染，如何妥善处置这些污泥已成为全球共同关注的课题。当今的共识是将污泥视为一种资源加以有效利用，在治理污染的同时变废为宝。剩余污泥尤其是通过生物处理过的污水产生的剩余污泥，其中还有大量的有机质以及碳氮磷等营养物质，通过一定条件的控制可以使蚯蚓在污泥中生长，减少污泥的体积，改变污泥的性状，结合蚯蚓粪便使其更有利于使用。

吴敏和杨健等[25-26]利用蚯蚓和微生物共同组成的人工生态系统对城市污水厂初沉池和二沉池混合污泥进行稳定处理，结果表明，剩余污泥经蚯蚓污泥稳定床处理后，可全部被生态系统吸收利用和转化，副产品具有一定的经济价值，开创了剩余污泥生态处理的新途径。白春节[27]对城市生活污水经好氧处理产生活性污泥，不经发酵处理直接饲养蚯蚓，该方法具有蚯蚓产量低、易于对蚯蚓处理和处置的优点。刘昭兵[28]研究了堆肥处理以及蚯蚓处理对污泥中重金属Cd、Pb及养分生物有效性的影响，并通过盆栽作物对蚯蚓处理污泥的效果进行验证，分析了Cd、Pb复合污染的污泥中，Cd、Pb浓度对蚯蚓增长率影响的双因素交互作用。孙颖等[29]利用赤子爱胜属蚓的活动来改善污泥性状，研究了污泥酸碱性的改变、有机物的降解、浸出毒性的减小和肥效的改善情况，结果表明，蚯蚓处理后污泥的肥效得到提高，污泥水溶性有机碳含量大幅减少。白向玉[30]以4个不同规模和类型的污水处理厂的剩余污泥为研究对象，将花卉和蚯蚓结合起来对污泥中重金属联合修复，并为污泥无害化处置提供新途径。陈菊香[31]通过在人工蚯蚓培养床上对剩余污泥进行为期1年的脱水、干化等稳定处理，结果表明蚯蚓培养床集浓缩、脱水、稳定、处置和综合利用等多种功能于一身。

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蚯蚓多用于城市生活污水剩余污泥处理，但其在工业废水生物处理产生的污泥处理中也有大规模的使用。山东亚太森博造纸公司用蚯蚓处理造纸污泥，改善了污泥的性状，实现了造纸污泥的无害化[32]。四川维尼纶厂也有将蚯蚓用于处理化工、化纤废水剩余污泥的中试研究，并取得很好的效果，为化工废水剩余污泥的处理找到了新途径[33]。

2蚯蚓在污水处理中的应用

利用蚯蚓处理有机废水，蚯蚓将从污水中摄入有机物并在体内进行生物转化，通过蚯蚓粪排出。早在20世纪70年代印度、澳大利亚等国对污水喷洒养殖蚯蚓进行研究[34]。Garg等[35]应用蚯蚓有机废物处理法处理各种有机废水。在我国罗固源和吉方英等[36-37]最早将蚯蚓引入污水土地处理系统中，通过蔗糖废水以菜地土壤作蚯蚓床进行试验，发现利用蚯蚓对污水土地处理优于常规的污水土地处理法，开启了蚯蚓处理污水的研究。在后来的研究中，蚯蚓逐渐被用在生物滤池中加强生物滤池处理高浓度有机废水的效率，减少污泥产量，改变污泥的性状和用途。同济大学的杨居川、娄山杰、邢美燕等[38-40]在生物滤池处理污水时引进蚯蚓，利用蚯蚓的活动实现滤池通气供氧和解决滤池堵塞问题，采用不同的填料处理污水，研究蚯蚓在系统中存在的可行性及其发挥的作用以及蚯蚓对不同填料的适应性，研究表明蚯蚓生态滤池能提高生物滤池的处理能力，减少污泥的产出。边静[41]研究了蚯蚓生物滤池处理垃圾渗滤液，取得了较好的处理效果和经济效益。王永谦等[42]研究将蚯蚓引入生态滤池后，生物滤池中微生物群落功能多样性的变化。张晓伟等[43]将一种特殊的蚯蚓引入农村生活污水土地处理中，它能利用蚯蚓的生活习性强化土地处理效果，开辟了农村生活污水处理的新方式。徐德福等[44]将蚯蚓引入人工湿地污水处理系统中，结果表明蚯蚓能提高湿地植物对氮的吸收，增加植株中的氮含量，促进湿地植物的光合速率和蒸腾速率，从而提高对污水的净化能力。

3蚯蚓在土壤污染生态修复中的应用

蚯蚓对土壤系统有重要的生态环境作用，且作为土壤中的主要生物，在长期的不断进化和适应中，逐渐形成了一些对某些重金属产生耐受机制的种类，对重金属也有强烈的富集和迁移转化作用[45-46]。研究发现，蚯蚓通过自身分泌物而改变一些重金属的生物有效性，从而降低其对植物的毒性，而土壤某些酶活性也随之改变，使其能够指示土壤污染状况。

有研究表明，蚯蚓体内黄色组织中的黄色细胞具有蓄积某些重金属的作用。戈峰等[47]研究发现，蚯蚓对Se和Cu元素的富集能力很强，且富集Cu的能力比富集Se的能力强。Ma等[48]在种植木本豆科植物Leucaena leucocephala 的同时引入蚯蚓，研究其对恢复广东省某Pb/Zn尾矿土壤的影响，结果发现由于蚯蚓的存在，Leucaena leucocephala 的产量提高了10%~30%，植物吸收金属比率的提高可达16%~53%。成杰明和刘德鸿等[49-50]研究了蚯蚓对于Cd、Cu 污染土壤的修复，结合植物修复重金属污染土壤，研究蚯蚓存在对于植物生长以及对重金属富集程度的影响，结果发现蚯蚓活动加快黑麦草生长和增加植物根、茎的Cd、Cu富集量。马淑敏等[51]采用蚯蚓—甜高粱复合系统对土壤镉污染的修复作用及机理进行了研究，结果表明，蚯蚓能显著提高高粱生物量以及对镉的吸收量，因此可以利用蚯蚓富集污染物质的特性，对土壤重金属环境污染进行修复。戈峰等[52]将蚯蚓用于铜矿区废弃地的生态恢复中，蚯蚓对铜矿中的铜元素富集能力很强，由于蚯蚓的存在，复垦地中植物生物量明显提高。Langdon等[53]发现，在As污染土壤中长期生活的蚯蚓(Lubricious rubellas和Dendrodrilus rubidus)，对As会产生抗性；白剑峰等[54]研究在As矿区蚯蚓对As污染土壤酶活性及其P养分供给的影响，结果表明在施用秸秆条件下接种蚯蚓有利于改善As污染土壤的养分供给，从而改善根际营养。

土壤中有机污染多通过利用自然环境中的微生物或接种特殊驯化与构建的工程微生物将其强化降解。微生物对有机污染物降解时会受到土壤环境条件的限制，如碳源和能源、微生物代谢所需的无机营养物质等。而蚯蚓作为典型的土壤动物，被称为“改良土壤的能手”。研究表明，蚯蚓作为土壤生态环境的一个重要组成部分，能够通过自身的生命活动促进土壤接种菌的传播，以及土壤水分养料的分配[55-57]。Singer[58]等研究表明，在PCBs污染土壤中若引入蚯蚓培养，PCBS的降解率为55%，而在未培养蚯蚓的污染土壤中，PCBs的降解率仅为39%。土壤中多环芳烃类（PAHs）污染可以通过植物修复加快其从土壤环境中转移。袁馨和潘声旺等[59-62]将蚯蚓用于土壤PAHs污染治理中，将土壤—植物体系降解PAHs与蚯蚓活动对其的影响进行详细考察，蚯蚓活动可以促进芘、菲污染土壤中修复植物黑麦草的生长，其根冠比明显增大。蚯蚓能通过直接或间接作用强化植物、微生物对于土壤中重金属和有机污染物修复的效果，在强化土壤污染的原位修复方面具有很大的潜力和优势。

4蚯蚓在土壤生态风险环境监测和评价中的作用

蚯蚓是土壤中最大的生物种群，也是最易受到环境有毒有害物质伤害的土壤生物之一，因此也成为开展土壤污染生态风险评价的重要指示生物。蚯蚓毒理试验已广泛应用于对土壤生态环境进行监测和评价，尤其在污染土壤环境风险分级、污染物土壤质量标准与基准的制定、特定污染场地环境风险评价、污染场地修复效果评价等方面有重要的应用价值。

蚯蚓对土壤中的一些有机污染物、无机污染物（重金属）具有一定的富集作用，它可以作为研究土壤污染物生物有效性的标志动物，利用蚯蚓对污染物的浓缩因子或富集系数，可以对直接测定的土壤污染物浓度进行生物有效性换算和预测污染土壤的潜在生态风险，或用于对污染土壤修复效果进行评价[63]。蚯蚓体内存在多种可受污染物抑制或对污染物的诱导有响应的酶系，通过蚯蚓体

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内酶活性的改变，可以对污染暴露作出敏锐的响应，因而也是检测土壤污染的有益标志物。蚯蚓体内的乙酰胆碱酶对有机磷农药作出响应，体腔融体酶对重金属污染土壤的监测与评价中[64]，对农药、石油烃、多环芳烃、TNT、奥克托金(HMX)等土壤污染物的评价也有报道[65]。金属硫蛋白具有解毒和调节机体内微量元素平衡的双重功能，蚯蚓金属硫蛋白已成功应用于对镉、铜、锌等重金属暴露的评价[66]，证明其适用于特异性诊断土壤中的重金属污染。

蚯蚓种群数量、结构均与土壤污染程度有良好的对应性，其变化情况可以在一定程度上反映土壤生态系统受污染的程度。王振中等[67]对金属矿区和农药污染区的蚯蚓种类、数量做了调查，研究发现，重金属和农药含量越高，蚯蚓的种类数量越少，种群的密度与污染源的距离成比例，距污染源越近数量种类越少。Hankard等[68]对瑞士东南部某黄铜制造厂附近土壤中正蚓科蚯蚓(Lumbricidae)的种类、种群密度进行了调查，得到了相同的结论。

5展望

由于蚯蚓特殊的消化功能，蚯蚓在20世纪70~80年代被应用于处理有机固体废弃物，到目前已经被广泛应用于环境污染治理和资源化处理中。从最初在有机固体废弃物的资源化处理中应用到近年来在有机废水处理、污泥处理、土壤重金属吸附、土壤难降解有机污染物处理、土壤生态监测中应用，人们对其作用机理研究也越来越深入，而它在固体废弃物处理中不仅发挥分解有机物转变为可利用蚯蚓粪的作用，并且在秸秆的高效利用、剩余污泥以及粪便处理中发挥了特有作用，为这些特殊的固体废弃物处理提供了新方法。蚯蚓在土壤的重金属、有机物污染修复方面，虽然只是协助植物修复，且仅有蚯蚓对镉、铜等几种重金属以及苯并芘类有机污染土壤修复的报告，但是蚯蚓在这类土壤污染的生态监测和评价中应用领域非常广泛，充分说明其对各类污染物存在降解性，这些污染物如果在土壤中存在，蚯蚓也应具备一定的修复功能，这是需要继续深入研究探讨的方向。

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