第18卷第1-2期
2000年6月贵 州 科 学Vol.18,No.1-2
Jun.,2000
蚯蚓与环境保护
邱江平
(上海交通大学农学院园林环境科学系,上海市 201101)
摘要:蚯蚓是土壤中的主要动物类群,在生态系统系统中具有重要的功能。它们促进植物残枝落叶的降解,有机物质的分解和矿化这一复杂的过程,并具有混合土壤,改善土壤结构,提高土壤透气、排水和深层持水能力的作用。它们的这些作用与其生物量和3种生态类型(表层种、内层种和深层种)密切相关。根据它们的自然生态作用,我们可以有意识地利用合适的蚯蚓物种来为环境保护服务。它们是很好的土壤环境指示生物,我们可以利用蚯蚓,通过实验室或田间的生态毒理学试验来评价土壤中化学污染物的生态毒性。由于蚯蚓具有通过与微生物协同作用加速有机物质分解转化的功能,我们可以利用蚯蚓来处理有机垃圾——蚯蚓分解处理。城市生活污水的蚯蚓过滤处理是新近开发的一项利用蚯蚓的新技术,它可能具有更广泛的应用领域。本文主要介绍蚯蚓及其在自然生态系统中的功能和在环境保护方面的应用,同时指出土壤生物多样性的保护在环境保护上的重要性。
关键词:蚯蚓;生态类型;生态功能;环境保护;指示生物;生态毒理学;蚯蚓分解处理;蚯蚓过滤处理;生物多样性Earthwormsandenvironmentalprotection
QIUJiang-Ping (DepartmentofLandscapeandEnvironmentalScience,AgriculturalCollege,ShanghaiJiao-TongUniversity,Shanghai201101,China)
:Asamaingroupofanimalsinthesoil,theearthwormsplayimportantfunctionsinecosystem.TheyAbstract
contributetothecomplexprocessesofdecomposition,tothedegradationofplantdebrisandtothemineralizationoforganicmaterials.Theymixthesoil,improvesoilaeration,drainageandmoistureholdingcapacityandhelptomaintainsoilstructure.Thesefunctionslinkupwiththeirbiomassandecologicalcategories:epigeic,endogeicandanecic.Byexploitingthesefunctions,wecanconsciouslyusesuitableearthwormsforthepurposeofenvironmentalprotection.Theyaregoodbioindicatorsofsoilenvironment,forwhichtheecotoxicologicaltestbyusingearthwormsbothinlaboratoryandinfieldaresetupfortheevaluationofchemicalcontaminantsinthesoil.Theycanconsiderablyacceleratethedecompositionoforganicmaterialsbythesynergywithmicroorganism.Anewtechnologyofvermicompositionisdevelopedforthetreatmentoforganicwaste.Itseemsthatanothernewtechnologybyusingearthwormsforthetreatmentofurbansewage,vermifiltration,isdeveloping,whichwillhaveawiderapplication.Theauthorgivesageneralpresentationfortheearthwormsandageneralreviewfortheirapplicationsinenvironmentalprotectioninthispaper.Theauthoralsoindicatestheimportanceofprotectionofsoilbiodiversityfortheenvironmentalprotection.
Keywords:earthworm;ecologicalcategory;ecologicalfunction;environmentalprotection;bioindicator;ecotoxicology;vermicomposition;vermifiltration;biodiversity
文章编号:1003-6563(2000)01-2-0116-18 文献标识码:A 中图分类号:X174
1 引言
收稿日期:2000-01-16
作者简介:邱江平,男,副研究员、博士。1983年毕业于四川大学生物系,毕业后分配贵州科学院工作。1993～1998年到法国攻读博士学位,现在上海交通大学工作。长期从事陆栖寡毛类生物多样性及其在环境保护上的应用研究,先后发现了100多个蚯蚓新种和新亚种,建立了1个新亚科,16个新种(tribu)和24个新属和新亚属。并对正蚓超科(Lumbricoidea)进行了修订,重建了正蚓超科分类系统。同时在蚯蚓生态毒理学及利用蚯蚓处理有机废弃物和生活污水等方面也进行过深入的研究。在国内外重要刊物上发表论文40多篇。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护117蚯蚓是人们熟悉的一类土壤动物。但常常引起公众的厌恶和研究人员的轻视。然而这类动物却普遍地存在于地球上除了冰川,沙漠,南北极等极端环境之外的各种生态环境中,如森林,草地,花园和田间等。这种生态学上的广布性反映了这类被人们认为“原始的”或“低微的”动物的惊人的生态适应能力。事实上蚯蚓是陆地上生物量最大的一类动物(王献薄,刘玉凯,1994)。因而在陆地生态系统中具有十分重要的功能。达尔文认为蚯蚓是地球上的“第一劳动者”。其主要作用表现为:加速土壤结构的形成,促进土肥相融,加速有机物质的分解转化,提高植物营养,改善土壤通透性和提高蓄水、保肥能力等。然而,现代农业技术的应用,尤其是化学药品,如杀虫剂、杀菌剂、除草剂和化肥等的大量使用,给土壤动物区系造成了灾难性的后果,可能毁掉着一宝贵的自然财富。因此,让蚯蚓继续其在土壤中的生物、物理和化学活动不应该再仅仅是生态学家的兴趣和嗜好,同时也将有益于农业生产和环境保护。另外,近年来的研究表明我们还可以有意识地利用蚯蚓这类动物来为农业生产和环境保护服务。例如,在已经因为化学药品的使用而造成土壤动物和植被毁灭的地区引入适当的蚯蚓种类,以重建那里适合于农业生产的土壤结构(Bouché,1984)。同时,大量的试验显示,蚯蚓可以用来处理城市生活垃圾和农业有机废弃物,用来提高生活污水生物过滤处理器的效率,还可以作为指示生物用来进行生态毒理学试验和对土壤生态环境进行监测等。总之,这些都涉及到重建一个物质的自然再循环过程,蚯蚓以其在这一过程中的位置而起作用。本文将主要介绍蚯蚓及其在自然生态系统中的功能和在环境保护方面的应用。
2 蚯蚓及其在自然生态系统中的作用
尽管蚯蚓作为一类古老的动物在自然界已经存在了6亿年以上(Vannier,1970;Bouché,1983,1984;QiuetBouché,1998a),并且广泛分布于各种土壤环境中,但是我们对它的科学认识则只是最近1～2个世纪的事情。在1758年林奈的《自然系统》第十版中仅仅记载了一种蚯蚓(Lumricusterrestris),并且将其归入蠕虫类(Vermes)。是法国著名进化论先驱拉马克将蚯蚓从林奈的蠕虫类中划分出来,建立了现在的环节动物门(Lamarck,1801)。随后人们认识到在环节动物门中包括了主要生活海洋中的多毛类(Polygochaeta)和生活于淡水中或陆地上的寡毛类(Oligochaeta)及蛭类(或无毛类)(Acheata)。现在我们所说的通常意义上的蚯蚓是指生活于陆地上的寡毛类(其中一部分可以生活在较为潮湿,甚至水环境中),称之为陆栖寡毛类(TerrestrialOligochaeta)。
2.1蚯蚓的生物多样性
从Savigny1826年在巴黎近郊发现并报道20余种蚯蚓起,经过一百多年的研究,现在全世界已经记载了近3000种蚯蚓。根据最近的研究结果(Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980),它们分别归属于寡毛纲(Oligochaeta)的单向蚓目(Haplotaxida)和正蚓目(Lumbricida),包括4个亚目,5个超科,18个科(表1)。
单向蚓目中还包括Haplotaxioidea和Alluroidoidea两个超科,但它们一般被认为属于水栖寡毛类。在陆生蚯蚓中,Moniligastridae为最原始的类群,主要分布东南亚及东亚,从南印度到我国东北,韩国,日本,非律宾,加里曼丹及苏门达腊,已知的种类在150～200种之间。Megascolecidae,Lumbricidae和Eudrilidae科是陆生蚯蚓中最为发展的类群,也是已知的最大类群,其中Megascolecidae科记载的种类在1000种已上,主要分布中国、东南亚、日本、韩国、朝鲜、澳大利亚及新西兰等地,部分种类广布世界各地。Lumbricidae和Eudrilidae科已知的种类也都在500种以上,前者主要分布欧洲和北美,后者多见于撒哈拉沙漠以南的热带非洲地区。Glossoscolecidae科分布中美洲和南美洲,已知200余种。Microchaetidae仅见于南非,已知30余种。Ocnerodrilidae科分布热带美洲,非洲及印度,已记载20余属。Acanthodrilidae科已知20属以上,主要分布美洲,热带30,,热带
118贵 州 科 学18卷美洲和非洲,印度半岛及缅甸等地。Biwadrilidae和Lutodrilidae科单属单种,并且生活于河流、湖泊及稻田的底泥中,前者仅分布日本,后者发现于美国东南部。Almidae和Spargonophilidae科也为生活于水中或水底底泥中的蚯蚓类群,所包括的种类也不多。前者为6个属,40余种,主要分布热带美洲,非洲,南亚及东南亚等地;后者仅1个属,16种(亚种),主要分布北美和欧洲。Criodrilidae仅有2种的小科,分布欧洲和北非。Kynotidae科单属10余种,仅见于马达加斯加的原始森林中。Ailoscolecidae科在欧洲和北美各1属1种。Diporodrilidae科仅发现于法国科西嘉岛和意大利的撒丁岛,3种。Hormogastridae科原记载的种类不多,后经Bouché(1972)和QiuetBouché(1998b)的研究,现已知20余种,主要分布西地中海地区,包括西班牙,法国南方和意大利等。
蚯蚓的演化和发展是伴随着地球的古地理学变迁(大陆板块漂移)和陆地高等植物的演化和发展而进行的。它起源于冈瓦那(Gondwana)古陆,在泛古陆(Pangea)时期传到劳亚古陆(Laurisia),即今天的北美大陆和欧亚大陆的大部分,演化形成了今天以正蚓超科(Lumbricoidea)为主的区系。在泛古陆解体以后,Gondwana古陆分化和漂移形成了今天的南美大陆,澳洲大陆,欧亚大陆的东南部和非洲大陆。蚯蚓也随之演化形成了今天在亚洲、非洲及澳大利亚以巨蚓超科(Megascolecoidea)和连胃蚓超科(Moniligastroidea)为主和在中美洲和南美洲以沙蚓超科(Glossoscolecoidea)为主的区系(Bouché,1998;QiuetBouché,1998c)。
表1 陆栖寡毛类分类系统(根据Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980修改)
Table1.TaxonomicsystemofterrestrialOligochaeta(ref.Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980)
目
Haplotaxida
Lumbricida亚目HaplotaxinaBiwadrilina
Megascolecina超科MoniligastrioideaBiwadrioideaMegascolecoidea科MoniligastridaeBiwadrilidaeAcanthrodrilidae
Octochaetidae
Ocnreodrilidae
Megascolecidae
LumbricinaGlossoscolecoideaEudrilidaeKynotidae
Microchaetidae
Almidae
LumbricidaeGlossoscolecidaeSparganophilidae
Lutodrilidae
Ailoscolecidae
Hormogastridae
Lumbricidae
Diporodrilidae
Criodrilidae
2.2 蚯蚓的3种生态类型及其生态功能
蚯蚓的这种生物多样性的发展也是伴随着对各种生态环境的适应而进行的。根据其特化的适应能力和生态功能,我们可以将蚯蚓划分为3种生态类型(Bouché,1972)。(
1期邱江平:蚯蚓与环境保护119的有机腐植质为食,但是常常要经受恶劣气候条件(如寒冷,干旱等)的考验,并易被捕食动物捕食。因而为适应这种生活环境,这类蚯蚓常具有与环境一致的体色,以限制捕食动物的捕食,尤其是以极高的繁殖力来补偿种群数量上的损失,同时以其具有抗旱,抗寒性的卵来抵抗不利的环境条件(表2)。
2.内层种(endogeic),是指那些永久生活在土壤中的蚯蚓类群。它们以混合于土壤中的有机物质为食,没有体色,其繁殖力和种群数量也较低。这是与其所处的生活环境相适应的结果。P.Lavelle(1982)根据其对非洲蚯蚓的研究结果,又将这种生态类型分为3个亚型:1)寡腐植质亚型(oligohumic),以有机质非常贫乏的土壤为食,通常生活在很深层的土壤中;2)中腐植质亚型(mesohumic),以有机质较为丰富的土壤为食,生活于中层或亚上层土壤中;3)多腐植质亚型(polyhumic),个体细小,生活于靠近表层或沿植物根系的土壤中,其生物学特征也接近表层种,如运动能力较强,有的种类体壁具有较浅的色素,繁殖能力较强和种群数量较大等(表2)。
表2 (蚯蚓3种生态类型比较(参考AbdulRida,1994)
Table2.Comparisonofthreeecologicalcategoriesofearthworms(ref.AbdulRida,1994)
属性
性成熟
种群量
繁殖力(卵数/成体/年)
再生能力
呼吸作用
抵抗不良环境的方式
生物量·温带
大小(长度mm)
体色素
活动能力
洞穴
食物
生境
土壤Ph值
土壤C/N值
粘土(%)
砂土(%)
功能及应用价值表层种快大强(42～106)无强卵很小10～30有强无有机物质土表2.83～8.1610.5～16.50.1～34.23.7～83.6·有机物质的降解
·蚯蚓分解处理
·蚯蚓过滤处理
·渔耳
·野生动物及畜禽食物
·野生动物食物内层种较慢小中等(8～27)变化弱滞育中等变化无较强垂直洞穴有机物质+土壤垂直的洞穴中4.68～8.309.5～12.06.3～38.74.5～40.6·清除有机残落物质·形成土壤孔穴—通气—排水·形成土壤团粒结构深层种较慢小弱(3～13)强较弱休眠大200～1100背部有弱变化土壤+较少的有机物质深层土壤中2.83～8.5510.5～15.50.1～45.72.1～60.3·形成土壤团粒结构·形成土壤团粒结构—通气—排水
3.深层种(anecic),通常为一些体型较大的种类,个别种类体长可达1m以上(如ScherothecaoccidentalisthibautiBouché,1972)。它们在土壤中挖掘垂直的洞穴,其深度可达数米。这类蚯蚓通常以其尾部附着于洞穴壁上而将身体的大部分伸出地表,取食地表上的有机残落物质,并通过其消化道将这些有机物质与深层土壤混合,然后以蚓粪的形式排在地表。这类蚯蚓通常具有发达的砂囊,可以磨碎坚硬的树叶(如chünevert),再加上其消化道中的生物酶解作用,大大加速了生态系,
120贵 州 科 学18卷气性和保水能力。在温带这类蚯蚓的生物量占整个蚯蚓生物量的80%以上,因此在生态系统中的作用十分重要(表2)。
2.3 有机物质的分解转化和C、N循环
自达尔文1881的工作开始,蚯蚓具有促进植物生长,增加植物产量的重要作用已经为许多研究工作所证明(StodcdillandCossens,1969;EdwardsandLofty,1972,1978)。这一作用是蚯蚓通过对生态系统中有机物质的分解转化,促进C、N循环,从而提高土壤肥力和通过其在土壤中的活动对土壤结构的改善来实现的。Sharpleyetal.(1979),Syersetal.(1979),CortezandHameed,(1988)和Hameedetal.(1994)的研究表明蚯蚓具有增强土壤中N、P循环的作用。Cortezetal.(1989)指出在有微生物参与的情况下,蚯蚓明显促进土壤有机物质及植物残落物质中的C、N的循环转化,增加土壤中的可给态C、N(图1)。事实上,几乎所有的蚯蚓都参与环境中有机物质的降界过程。在其生命活动过程中,它们大量吞食有机残落物质,并将其与土壤混合,通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作用进行分解和转化。有机物质在蚯蚓消化道分泌的各种生物酶(包括蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶及甲壳素酶等)和微生物的联合作用下,能水解为易于同化的碳水化合物、脂肪、蛋白以及较稳定的纤维素和几丁质,并使土壤矿物发生一定程度的分解。这些有机物质和无机矿物质被进一步转化为植物易于利用的可给态化合物,如氨、碳酸和易矿化的尿素、尿嘌呤以及速效性的磷钾矿质养分。这些可给态的营养物质,除了一部分被蚯蚓本身吸收同化外,代谢剩余产物大部分和吞食的土壤密切复合,最后以蚓粪的形式排泄出来,形成土壤中营养丰富品质优良的团粒结构(黄复珍等,1984)。因此蚯蚓是默默无闻的劳动者。根据Bouché(1984),1吨深层种蚯蚓(也就是通常在法国每公顷面积土壤中蚯蚓生物量)每年吞食大约250吨土壤。这确实是一项巨大的工作。对其吞食物的进一步分析标明,其中包括了大约26%的有机物质,而这些有机物质主要包括2个部分:37.6%的较大块(大于100μm)且较为新鲜的有机物质,具有与植物残枝落叶相近的C/N比值。这一部分主要存在于蚯蚓消化道的前半部。另一部分(54%)则是与矿物质密切复合的有机物质(小于50μm),具有与环境中土壤相近的C/N比值(Bouché,1983)。应该强调指出的是蚯蚓的这种对有机物质进行降解的作用是在土壤微生物的共同参与下完成的。因此深入研究蚯蚓与微生物之间的相互作用关系具有重要的科学意义和应用价值。
2.4 土壤的通透性和水份保持
蚯蚓不仅参与和促进有机物质的分解,增加土壤养分,其活动还能在土壤中构成大量纵横交错的孔道。在法国1公顷草场土壤中其长度可达4000～5000km(Bouché,1984)。而且这些孔道又往往被蚯蚓所排出的粪粒填充,粪粒互相堆叠形成许多非毛管孔隙。土壤中这些网状孔道和孔隙大大增强了土壤的通气和透水能力。根据黄复珍等(1984),在蚯蚓数量不同的土壤中,土壤吸水的速度也不相同:在无蚯蚓的土壤中灌入20mm水,需要3分2秒才能吸完;在每平方米有板有33条蚯蚓的土壤中,需要24.2秒;而在每平方米有184条蚯蚓的土壤中,只要10.4秒,吸水速度分别比无蚯蚓的土壤提高了7.4和18.6倍。这对提高土壤渗透能力,减少暴雨迳流,增加土壤深层蓄水都具有重要的意义。
此外,研究工作工作还表明,蚯蚓活动所形成的孔道和孔隙有利于土壤中氮的循环。T.
%的土壤固氮菌都集中于蚯蚓孔Bhatnagar和J.Rouelle根据对法国一个天然草场的研究指出:50
道壁上(Loquetetal.,1977)。这说明蚯蚓孔道或孔隙环境十分有利于固氮菌的生长。3 蚯蚓生态毒理学
蚯蚓生态毒理学是指利用蚯蚓作为载体对可能造成土壤环境污染的化学物质进行测试,并根
1期邱江平:蚯蚓与环境保护121环境的一种指示生物。这方面的研究工作早在本世纪四、五十年代就已经有所开展(Satchell,1955),但只是在近二、三十年来随着化学药品(如杀虫剂,杀菌剂,除草剂等)在农业生态系统中的大量使用和城市及工业固体废弃物的大量排放,土地污染(也包括由于侵蚀作用而造成的水体污染)问题日夜严重的情况下,蚯蚓生态毒理学研究工作才得到了较为普遍的重视和发展。1981年欧共体(EEC)作出规定:一种新的化学药品登记进入市场之前要求具有其针对于一种藻类,一种水蚤,一种高等植物,一种鱼类,一种蚯蚓和一种有富积作用的物种的毒理试验资料以及生物降解试验资料(Reinecke,1992)
。
图1.蚯蚓在有机物质分解中的作用,*C、*N表示土壤表层枯枝落叶中的碳和氮,oC、oN表示土壤内有机物质中的碳和氮(据Cortezetal.,1989)
C、*NrepresentthecarbonandnitrogeninFig.1.Roleofearthwormsindecompositionoforganicmaterials.*
、oNrepresentthecarbonandnitrogeninsoilorganicmaterials.fromCortezetal.,1989plantdebris,oC
为什么选择蚯蚓作为土壤环境污染的指示生物?很显然这是因为蚯蚓对土壤环境的重要性和认为它是土壤动物区系的代表类群。但根据Greig-Smith(1992),选择一种或一类生物作为环境的指示生物必须至少满足下面两个条件;1)可以从一个常常是随机选择的种类所测定的适度范围得出一个统计性结论,也就是说可以通过对一个物种较少个体数量的毒理测试来决定某种化学药品;2),。蚯
122贵 州 科 学18卷蚓在土壤中有机物质的分解转化上具有重要作用,同时其活动可以改善土壤的结构,增强土壤的透气和排水保水功能。因此在土壤中保持健康的蚯蚓生态种群对于土壤环境的保护具有重要价值。而从生态学上来看,蚯蚓位于陆地生态食物链的底部,对大部分杀虫剂(EdwardsandThompson,1973)和重金属(Carteretal.,1983;Ireland,1983)都具有富积作用。这些被富积的化学物质可能并不对蚯蚓造成严重的伤害,但却可能影响食物链中更高级的生物。同时蚯蚓对某些污染物比许多其他土壤动物更为敏感,因此利用蚯蚓作为土壤环境的指示生物,可以提供一个保护整个土壤动物区系的安全域值(Greig-Smith,1992)。此外蚯蚓体型较大,分布广泛,易于养殖,因此十分便利于研究和监测工作的进行。
根据1991年国际蚯蚓生态毒理学专题讨论会(英国Shefield),1996年国际土壤动物科学讨论会(爱尔兰Dublin)和1998年国际蚯蚓生态学讨论会(西班牙Vigo)资料,当前蚯蚓生态毒理学研究工作主要涉及下面内容:
—用于试验的蚯蚓物种的选择;
—作为指示物种对化学药品影响整个土壤动物区系的潜在含义;
—蚯蚓自然种群半致死量的影响及其测试方法;
—对于与自然种群动态和人类活动影响有关的田间试验结果的阐述;
—一个连续评估和测试体系的建立和对蚯蚓有毒害的化学物质的标准的划分;
3.1 实验室毒理试验
蚯蚓的生态毒理学研究包括实验室急性试验和慢性试验以及在真实的生态系统中所进行的田间试验。严格地讲前者并不是真正意义上的生态毒理学试验,但因其实用价值而得到重视和发展,尤其是急性试验,通过简单、快速和便宜的方法对某种化学物质对蚯蚓的毒性进行测试,从而对这种化学物质的生态毒性作出初步的判断。在这种试验中,首先考虑的是鉴定出被测物质对蚯蚓没有明显的毒害作用,以避免错误的负面影响。而对于那些被测试出在相应的浓度上对蚯蚓具有明显毒害作用的物质则应考虑进行进一步的研究(图2)。
针对实验室毒理试验,世界各地的研究人员提出了许多不同的方法(Reincke,1992)。这些方法在试验的标准化程度,方便和可操作性,结果的准确性以及相对于对现实生态系统的影响的相关性等方面各有利弊(Greig-Smith,1992)。一些学者在实验室的容器加入一定量的土壤和一定浓度的被测物质来测试其对蚯蚓的影响(Atlavinyte,1975;Agarwaletal.,1978;StringerandWright,1973;Lots-Holmin,1980和Rhettetal.,1988)。这些试验试图得到稳定和可重复的结果,因为试验使用固定数量的单种蚯蚓个体,而且蚯蚓在容器中于土壤中均匀混合的化学物质深度接触。但是不同类型的土壤往往具有不同的吸附性质,因而针对某种化学物质所得出的LC50值可能有很大的差异,完全决定于测试所用的土壤(Edwards,1984)。
另一种方法是将蚯蚓浸入含有不同浓度的液体中一段时间,然后将其转移至干净的土壤中并测定其死亡率(EdwardsandLofty,1973;Stenersen,1979)。利用这种方法可以测得能够重复的LC50值。然而Lordetal.(1980)指出,对许多化学物质来讲它们对蚯蚓的毒性与在土壤中的毒性具有很好的相关性,但是也存在很多例外。因此我们不可能得出一种对蚯蚓非常有害的物质是否被看为造成土壤污染的物质的可靠结论,因为不同类型的土壤具有不同的吸附性质(Reincke,1992)。
此外,还有把被测物质直接注射入蚯蚓口中(StringerandWright,1976)或身体中(Stenersen,1979)或将被测物质混入喂养蚯蚓的食物中(Fayolle,1979)等方法,以及神经分析法(Drewesetal.,1988),Daniel漏斗法(Bieri,1991)及Tubifex测试法(Ammon,1985)等,但是这些方法在结果,、
1期邱江平:蚯蚓与环境保护123不同程度的不足。因此目前还没有一种比较满意的标准化测试方法。下面是向欧共体建议针对化学品登记的3种测试方法
。
图2 化学污染物的蚯蚓生态毒理学评估模式(据Greig-Smith,1992)
Fig.2.Patternecotoxicologicalassessmentfortheeffectsofchemicalcontaminantsonearthworms.fromGreig-Smith,1992)
1.滤纸接触试验(Contactfilterpapertest)(OECD-guidelineNo.207)。这种方法是通过1个成体Eiseniafoetida/Eiseniaandrei在填充标准化的滤纸条的玻璃瓶中与不同浓度的化学药品接触48小时后来测定其死亡率。其优点是快速,简便易行,并可以通过标准化的统计方法(LitchfieldandWilcoxon,1949)得到LC50值。缺点是仅仅给出通过皮肤接触所产生的毒性信息。因此很难评估化学物质对环境的真实影响,其结果与下面介绍的人工土壤试验的结果相关程度很小(Reincke,1992)。
2.人工土壤试验(Artificielsoiltest)(OECD-guidelineNo.207)。这是在人工土壤中进行的试验。这种人工土壤由10%的苔藓泥炭细土(Ph=6),20%的高岭粘土(高岭土大于50%),69%的工业石英砂(含50%以上0.05～0.2mm的细小颗粒)和1%的CaCO3(化学纯)组成。使用的蚓种/,
124贵 州 科 学18卷目的是尽可能模拟一个蚯蚓生活的真实环境,从而使试验结果尽可能真实地反映污染物在自然界中的实际影响。实验的结果也确实显示了这方面的优点。然而方法的设计者忽略了实验应当简便易行这一原则。而且象苔藓泥炭细土、高岭粘土等很难准确定义的混合物往往致使不同地方、不同时间或不同的人所作出的试验结果不具有可比性,更不要说这些混合物可能与被测物质发生反应而对试验结果造成影响。因此人造土壤试验方法被提出来了。
3.人造土壤试验(Artsoltest)(Edwards,1984;AFNORX31-250)。这是一种在上述方法上进行改进,以一种无定形水合性的二氧化硅粉(商品名:Lévilite),并在其中加入直径1.5～2cm的玻璃球以代替人工土壤的试验方法。这种方法的优点是使用确切定义的物质作为基质,便于操作,其结果也更具有可比性。而且由于这种物质的化学惰性,基本上可以确定不会与试验容器及被测物质发生化学反应。同时加入玻璃球一方面创造了一个类似土壤结构的环境,另一方面增加了接触被测物质的面积。从试验的结果来看,与人工土壤试验一样也能较好反映污染物的真正影响。根据两种方法对比研究的结果,其相关性系数在0.9以上(Reincke,1992)。因此,尽管人工土壤试验已经被EEC确定为化学品登记时的蚯蚓毒性试验方法,但是人造土壤试验方法更为简便易行,更易于实现标准化。作者1996年对此方法进行了改进和完善,重新测定了大部分试验条件和参数,使其更接近于一种标准化的试验方法(BouchéetQiu,1996,1998)。
实验室试验的另一个重要问题是试验用物种的选择。目前还没有一种用于蚯蚓毒理试验的标准动物。大部分专家和EEC推荐使用Eiseniafoetida(Savigny,1826)或EiseniaandreiBouché,1972(Bouché,1972,1992;QiuetBouché,1998d)。但也有人在试验中使用其他物种,如Lumbricusterrestris(Dean-Ross,1982),Nicodriluscaliginosus(Martin,1985,1986)。EdwardsandCoulson(1992)指出,对某些杀虫剂来说Eiseniafoetida或Eiseniaandrei没有其他物种敏感。Bouché(1992)则进一步指出,从蚯蚓的生态学功能上来讲,至少应该从表层种,内层种和深层种三种生态类型中各选出一代表物种来进行毒理试验,以便更真实地反映污染物对土壤动物区系的影响,从而更客观地评价污染物的生态毒性。因为一种化学药品的生态毒性不仅与其本身的毒性大小有关,而且与环境中生物的行为和功能密切相关。然而一种试验动物的确定,并不仅仅与试验的效果相联系,而是常常受到许多与试验无关的因素的制约,如繁殖能力、养殖成本等。因此,试验动物的选择及其标准化仍然是困扰蚯蚓生态毒理学发展的一个重要因素。
实验室慢性毒理试验是指有害的化学残留物质对蚯蚓的生殖、生理、代谢、染色体以及基因等更深层次影响的研究。这是一个十分有意义的研究领域。然而,遗憾的是目前有用的资料还不多。
3.2 田间生态毒理试验
蚯蚓的田间生态毒理试验是指在现实的生态系统中直接测试某种化学物质对蚯蚓种群的生态毒性的试验。由于试验直接在现实的土壤环境中进行,因而其结果也更直接地反映被测物质对环境的实际影响。因此它至少有如下优点:1)在试验中蚯蚓所接触到的污染物的量与今后这种农业化学物质使用时或工业化学物质排放时是一致的;2)蚯蚓是在自然气候和环境条件下接触到污染物的;
3)在田间试验中,蚯蚓生长发育的大部分阶段都暴露给污染物,污染物的影响被加在了种群的自然死亡率和捕食作用之上,而实验室试验只是在蚯蚓的一个生活阶段进行,而且通常使用最健康的蚯蚓;4)在实验室试验中通常使用单一的物种,而田间试验常常针对不同生态类型的不同种类;5)田间试验通过一系列的采样分析,将其结果与标准化条件下的实验室短期影响比较,可能得出某种污染物毒性影响的寿命;6)实验室试验只能测出毒性的直接影响,而田间试验可以同时评估毒性的间接影响,包括对蚯蚓的食物和生活习性等的影响;7)通过田间试验我们还可以测定蚯蚓在自然条件
1期邱江平:蚯蚓与环境保护125尽管田间试验具有上述明显优点,但由于其试验条件的复杂性,其试验结果常常不具有可比性,如不同的土壤性质,蚯蚓的行为,不同的蚯蚓种类及其活动都可能影响试验的结果。同时试验方法的标准化和评价标准的科学定义也是至关重要的。尽管已经进行了许多蚯蚓的生态毒理试验,但由于方法和评价标准的多样化,可用的数据是很有限的。因此Edwards(1992)建议,在设计进行一个田间生态毒理试验时至少应该遵循下列标准。
首先在试验地点的选择上:1)试验地点土壤中至少应该包括6种普通蚯蚓,其数量最好在每平方米100条以上;2)选择壤土为基质的土壤进行试验,避免粘质土或砂质土,因为前这可能使化学药品凝结,而后者则不利于蚯蚓的生长。同时试验最好在同一类型的土壤中进行。另外对试验土壤的特征应进行全面的陈述;3)选择至少在过去5年中没有使用过化学药品的土壤进行试验,建议在试验前对土壤的化学药品残留进行分析。
其次试验本身:1)被测物质的化学结构(包括其异构体)应该清楚定义。如果是杀虫剂,则应该知道其商品名。同时应该了解其与毒性影响有关的物理化学性质,如溶解度、水/脂肪分配系数和挥发性等;2)试验浓度应该与其在自然条件下的使用情况一致。对农业化学药品来讲,推荐用其最高使用浓度(Kg/公顷有效成分)进行试验,对工业化学药品,其试验浓度应与环境调查中的浓度一致;3)应该设计重复组试验,通常对每一种浓度至少应有4个重复;4)尽管蚯蚓的迁移能力很小,但试验样本不应低于5m2,而如果样本大于10m2,则可能引起土壤类型的变化,从而影响试验结果;
5)试验地点的耕种情况应该被清楚地陈述;6)试验时间的选择十分重要。在温带国家,蚯蚓在春秋两季活动力最强,因此建议试验从春季开始,持续到秋季结束。但是对于持久性化学药品,试验时间则应更长(2年或更长);7)在可能的情况下,推荐与标准化学药品的毒性进行对比。可能的标准化学药品包括苯均灵(benomyl)和西维因(carbaryl)(Edwards,1984);8)应该测试化学药品在蚯蚓及土壤中的残留情况,以便评估化学药品在蚯蚓体内的富积作用和对食物链的影响。
最后毒性的评价标准;在田间试验中,评价化学药品对蚯蚓的生态毒性的最重要标准就是其对蚯蚓种群的影响(包括种类、数量和生物量等)(Edwards,1992)。然而蚯蚓的种群数量调查非常困难(Edwards,1991)。这主要是由于采样方法上的困难所致。尽管可以使用或混合使用福尔马林发、电激法及手采法,但效果均不理想。
总之,尽管蚯蚓田间生态毒理试验在评价化学药品的生态毒性上很有价值,但在试验方法的标准化方面和评价标准的制定上还有许多工作要做。
3.3 生物检定
蚯蚓生态毒理学研究的另外一个方面是生物检定(bioassay),即在可能已经受到污染的土壤中直接进行蚯蚓采样研究,并与没有被污染的同类型土壤中的蚯蚓种群进行比较,同时在实验室分析化学药品的残留情况,从而对某种或某类化学药品的生态毒性作出评估。这种研究方法的优点是评价可能同时针对几种混合使用的化学药品,费用较低,而且结果直接反映化学药品对整个土壤动物区系的生态毒性。缺点是生物检定不能对化学药品的生态毒性提前作出评估。尽管如此,长期对蚯蚓种群监测研究工作所取得的数据和资料对评价使用化学药品的生态效益是很有价值的(Greig-Smith,1992)。AbdulRida对法国南方5种重金属(Cd、Cu、Ni、Pb和Zn)的系统采样分析研究,在方法上及对结果的评价上提供了有益的经验(AbdulRida,1992)。
3.4 结语
尽管EEC和OECD已经作出规定,一种新的化学药品登记时必须具有针对于一种蚯蚓的生态毒理学资料。然而,蚯蚓生态毒理学本身,无论是实验室试验还是田间试验都因为研究方法和评。,
126贵 州 科 学18卷蚯蚓生态毒理学研究工作的当务之急。而更深层次的问题则涉及蚯蚓生态学及生态毒理学的理论基础。
4 利用蚯蚓处理城市生活垃圾和农业有机废弃物
垃圾是人类社会经济发展的产物。在远古时代,人口的稀少和低下的劳动生产力尚不足以产生对人类生存环境构成威胁的垃圾。这是因为人类所产生的垃圾量尚在自然生态系统物质循环过程分解处理能力的范围之内。农业革命,尤其是工业革命极大地提高了人类生产力,促进了人口的快速增长和城市的兴起。但同时也严重地打破了自然生态系统平衡。人类为了提高生活质量,其生产活动往往以追求某种产品的最大产量为目的,而忽略了生产这种产品所带来的附属物质和废弃物质。这些附属物质和废弃物质往往就是我们所说的垃圾。这些垃圾种类繁多,数量巨大,遍布人类生活的各种环境之中,造成环境(包括陆地、水和大气)的严重污染,而自然生态系统已经没有能力对其进行自然的循环处理了。因此垃圾问题已经成为威胁人类本身生存和发展的问题了。然而遗憾的是面对如此严峻的问题,人类并没有找到什么行之有效的解决办法。古老的自然堆放、发酵、焚烧和填埋仍然是我们今天处理垃圾的主要方法。这一方面与对垃圾问题严重性的认识不足有关,同时也与我们所面对的问题远比想象要复杂和困难得多。因为它所涉及的不仅仅是一个垃圾处理本身,而且涉及到整个社会经济系统,不仅仅是一个科学技术问题,同时也是政策、管理、生产及人的思想和行为等方面的问题。不仅仅是某个地方,某个国家的问题,而通常是一个全世界和全人类的问题。因此,如何解决这一问题是公众、管理人员、技术人员和科学家共同的任务。
有机垃圾的蚯蚓分解处理(vermicomposting)是近年来根据蚯蚓在自然生态系统系统中具有促进有机物质分解转化的功能而在垃圾发酵处理(composting)的基础上发展起来的一项主要针对城市有机生活垃圾和农业有机垃圾的生物处理技术。它涉及到重建一个物质的再循环过程。在这一过程中蚯蚓以其特有的生态学功能,与环境中的微生物的协同作用而加速垃圾中有机物质的分解转化。
4.1 蚯蚓在垃圾处理中的作用
在垃圾的生物发酵处理中,蚯蚓的引入可以带来如下好处:
—蚯蚓对垃圾中的有机物质有选择作用;
—通过砂囊和消化道,蚯蚓具有研磨和捣碎有机物质的功能;
—垃圾中的有机物质通过消化道的作用后,以颗粒状结构排出体外,利于与垃圾中其他物质的分离;
—蚯蚓的活动改善垃圾中的水气循环,同时也使得垃圾和其中的微生物得以运动;
—蚯蚓本身通过同化和代谢作用使得垃圾中的有机物质逐步降解,并释放出可为植物所利用的N、P、K等。研究结果显示,蚯蚓组织中的氮每天以10%以上的比例更新(Hammedetal.,1994);
—利用蚯蚓,我们可以非常方便地对整个垃圾处理过程及其产品进行毒理监测。
4.2 蚯蚓和微生物的协同作用
蚯蚓与微生物的相互作用是一个非常复杂的过程。研究显示,沿着蚯蚓消化道的前后,微生物区系发生了十分深刻的变化(Parle,1963;Rafidison,1982)。利用蚯蚓处理有机垃圾的一个最根本的原因就是通过蚯蚓与微生物的协同作用可以加速有机物质的分解转化。结果表明,加入蚯蚓以后比没加蚯蚓垃圾中有机物质的发酵分解速度提高了3～4倍,并获得稳定的低C/N值(10～13)的产品(BouchéetNougaret,1997)。,。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护127气等对蚯蚓是有害的。
4.3 利用蚯蚓处理垃圾的局限性
在利用蚯蚓处理垃圾中,我们通常选用那些喜有机质和能忍受较高温度的蚯蚓种类,以获得最好的处理效果。但即使是最耐热的蚯蚓种类,温度也不能超过30℃,否则蚯蚓的生存将受到严重影响。另外,蚯蚓的生存还需要一个较为潮湿的环境,理想的情况是其吸收压为49.23Pa(～2.7pF)。因此在利用蚯蚓处理垃圾时,应该从技术上考虑到避免不利于蚯蚓生长的因素。通常蚯蚓分解处理的温度应控制在0℃～30℃之间,最好是25℃～29℃,湿度pF=2.7,最低不能超过pF=3.4。应该避免环境缺氧情况的出现。
4.4 垃圾的工厂化蚯蚓分解处理
利用蚯蚓处理城市生活垃圾的技术已经较为成熟。1991年法国在罗纳河畔的LaVoulte市建起了世界上第一座利用蚯蚓处理城市生活垃圾的工厂(SOVADEC)。工厂包括4个车间:
1.分检车间(Sortingblock)
未经任何处理的城市生活垃圾直接到达这个车间,经过机械的、物理的和人工的分检,部分分离出垃圾中的玻璃、塑料、金属及废旧电池等和大的纸箱、纸桶等。这些被分检出来的物质被分别送往或垃圾填埋场(碎玻璃等),或焚烧厂(塑料等),或专业处理工厂(废旧电池等)进行处理,或回收再利用(玻璃瓶、纸箱等)。剩下的(约占垃圾总重量的72%)包括垃圾中的有机物质和一些碎石块、小的玻璃碎片、金属碎片和塑料碎片等。它们被送往第2车间。
2.生物消毒车间(Bisanitizationblock)
在这里,有机垃圾通过喜温性微生物进行初级的耗氧发酵处理。处理过程中产生较高的温度(70℃～75℃),可以杀死垃圾中的致病菌、害虫和植物种子等。这一过程需要30天。经过初级发酵处理,当温度降到40℃～45℃时,就可以将垃圾送往第3车间。
3.蚯蚓分解处理车间(Vermicompostingblock)
垃圾的蚯蚓分解处理是在专门设计的便于通气和散热的装置里进行的。经过初步发酵分解的垃圾,在洒水或浸水后(以降低温度和增加湿度),从上部送入装置。装置中的蚯蚓种群数量随着垃圾的量(蚯蚓的食物)变化而变化。在环境条件(温度、湿度等)和营养条件合适的情况下,好的蚓种成体每天可以繁殖1.2个后代。因此食物是限制种群增长的主要因素。在这一过程中,所有的有机物质都在蚯蚓和微生物的共同作用下继续分解,并被蚯蚓吞食后排出,形成颗粒状从装置的底部排出。这将便于下一步的分检。这一过程需要60天左右。
4.精检车间(Refiningblock)
经过蚯蚓分解处理所得到的产品中,还包括有一些玻璃碎片、金属碎片、塑料碎片及小型废旧电池等杂物。为了获得干净的有机肥产品,需要进行进一步的分检。在这里主要采用了筛选、磁选和风选等方法。最后所得有机肥可用作花肥或回田。
这是一座现代化程度较高的工厂,日处理垃圾20～30吨,仅用4个工人操作。垃圾的处理成本为每吨360法国法郎。
综上所述,利用蚯蚓处理有机垃圾就是重建一个物质的再循环过程。在这一过程中利用蚯蚓和微生物的协同作用,加速有机物质的分解转化,并最终形成一种可以利用的产品。尽管在处理的设计和技术上可能还有许多值得改进的地方,但利用生物方法来处理有机垃圾不仅成本较低,没有二次污染,而且使有机废物再生增值。因此具有广泛的推广应用价值。当然,垃圾的组成成分十分复杂,垃圾的处理也是一个十分复杂的问题,单一的方法不可能完全解决问题。将其中的有机部分再,,
128
济效益。贵 州 科 学18卷
5 生活污水的蚯蚓过滤处理
生活污水的蚯蚓过滤处理(vermifiltration)是近年来在法国和智利发展起来的一项针对生活污水的处理技术(Tohaetal.,inpress;Bouchéetal.,1998;BouchéetQiu,1998)。这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化等生态学功能而设计的。事实上早在1947年,Reynoldson就曾经报道了在污水生物过滤处理器中蚯蚓的存在。但只是在近几年人们才有意识地对这项技术加以开发,并在法国,尤其是智利的试验中取得了初步成功,从而为这项技术的推广应用奠定了基础。
表3 生活污水的传统生物过滤处理与蚯蚓生物过滤处理比较
Table3.Comparisonoftheclassicalbiologicalfiltrationandvermifiltrationfortheurbansewage废水处理
输入
1)大的漂浮物
2)沙、碎石等传统的生物过滤处理方式50mm网格过滤倾析作用50mm网格过滤/吸附
处理:——→在水中进行(容器、氧化塘)·在短时间内获得清澈的水
·不受时间限制的固态发酵
3)油、脂的清除
4)有机物质的清除
5)含氮量的减少漂浮冲洗—好氧分解*—厌氧分解*好氧的硝化作用*
+厌氧的脱氮作用*、不完全、、不完全*
*
6)含磷量的减少
7)病菌的清除
需要面积容器中的化学处理无/紫外线/化学方法**结果好好用全部清除不受时间限制无污泥82%的N2释放**减少73%大肠杆菌全部清除通常在分开的容器中进行,,需要1m2/人(过滤器)—10m2/人(氧化塘)0.1m2/人利用生物过滤器来处理有机污水是一种常用的污水处理方法。在这一过程中,水的生物学净化与物理学过滤联系在一起,即污水首先通过水中微生物好氧和厌氧发酵处理,使其中的有机污染物降解转化,然后再经过过滤处理以达到水的净化的目的。由于在一处理过程中,有机物质的降解通常需要较长时间(40～60天),因此处理装置也就相应要求相当大的容积和面积,处理成本也相应提高。同时,由于发酵分解的不完全,部分有机物沉淀堵塞过滤器,可能造成处理效率的逐步下降。通常这样的装置在运行一段时间后就逐步失去了其处理功能。
在生物过滤器中引进适合的蚯蚓种类后,由于蚯蚓具有增加过滤层通透性和清除未完全分解有机物沉淀堵塞的功能,使得水的物理性过滤处理过程和有机物质的分解处理过程得以分开进行。水在过滤器中停留的时间从40～60天缩短到只有几天或几小时,而有机物质则在过滤器的表层进()。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护129分离,大大降低了处理器所需要的体积和处理所需要的时间,从而极大地提高了过滤器的处理效率,降低了成本。根据智利圣地亚哥大学生物物理实验室和法国国家农业科学院土壤动物生态学实验室利用蚯蚓生物过滤器处理城市生活污水的结果,其处理效率比常规的生物过滤器提高了十倍以上。即按每人每天产生100升生活污水计算,蚯蚓生物过滤处理仅需0.1m2的处理面积,而常规的生物过滤处理和氧化塘处理则需要1m2和10m2的处理面积。对城市污水处理的结果显示:BOD值较处理前降低了96%,固体总悬浮物减少了93.5%,水中的含氮量降低了82%,磷降低了73%。处理后水体呈透明状,可以进行紫外线照射杀菌处理。经紫外线照射处理后,水中的大肠杆菌从104/ml降到了零(表3)。然而我们现在对这一过程的发生机理并不十分清楚,比如我们或许可以用好氧的硝化作用(nitrification)和厌氧的脱氮作用(denitrification)来解释含氮量的减少,但还不能说明磷减少的原因。由于蚯蚓的引入,生物过滤器中可能发生了更深刻的生物、化学和物理作用,进一步的研究工作正在法国和智利的实验室中进行。
蚓种的选择是这一处理过程中的关键因素之一。因此选择到更好的蚓种将可能进一步提高过滤器的处理效率和扩宽其应用范围,如农业有机污水和食品厂有机废水的处理等。
总之,水是人类生存和发展的要素之一。然而在当今世界,人类面对水的问题却处于一种十分被动的位置。一方面是水资源的相对缺乏,另一方面则是水资源的大量浪费和污染。因此,积极地研究开发实用的污水处理方法和技术只是问题的一部分,更为重要的是根据社会经济发展的现状和未来,从政策、管理、科学研究、工程技术和对公众的宣传教育等方面综合考虑,合理有效地使用我们有限的水资源。
6 结语:生物多样性与环境保护
环境保护问题提出的一个最深刻和最根本的原因就是人类所赖以生存的资源和空间是有限的:我们只有一个地球。生物多样性是地球上最宝贵的资源之一。它不仅为我们创造了这个丰富多彩的世界,而且从功能上来讲构成了人类生存的基础:形成人类赖以生存的生态环境,并为人类的生存和发展提供丰富的资源。然而很长一段时间内,人类忘记了本身就是其中的一部分。没有节制的索取已经造成了地球上总体生物多样性的严重损失。Myers(1993)指出,如不抓紧研究和保护工作,地球上四分之一到二分之一的物种将面临灭绝的危险。这将从根本上危急我们的生存环境。因此生物多样性的保护是环境保护工作中最基本的部分。也正因为如此,1992里约热内陆世界环发大会所紧紧围绕的正是生物多样性、可持续发展和全球环境变化这3个主题。
土壤中包含有十分巨大的生物多样性(H。agvar,1998)。而且土壤生物是陆地生态系统物质和能量循环过程中不可缺少的组成部分。事实上在自然生态系统中,60%～90%的陆地初级生产力都是在土壤中被分解掉的(Giller,1996)。土壤生态学功能的破坏将可能导致整个陆地生态系统的崩溃。因此保护包括蚯蚓在内的土壤生物及其生存环境对于生态环境的保护具有十分重要的现实意义。
根据生态系统的运动规律和物种的生态学功能,有意识地利用生物学方法来对环境污染进行监测和治理是环境保护工作的另外一个方面。然而长期以来,由于生物多样性性研究与应用工作的分离阻碍这方面的工作的发展。可喜的是在蚯蚓这一类重要的动物的利用方面已经有了良好的开端。图3总结了蚯蚓在生态系统中的功能及在环境保护上的应用。
130贵 州 科 学18卷
图3 蚯蚓在生态系统中的功能及在环境保护上的应用
Fig.3.Thefunctionsofearthwormsinecosystemandtheirapplicationsinenvironmentprotection
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第18卷第1-2期
2000年6月贵 州 科 学Vol.18,No.1-2
Jun.,2000
蚯蚓与环境保护
邱江平
(上海交通大学农学院园林环境科学系,上海市 201101)
摘要:蚯蚓是土壤中的主要动物类群,在生态系统系统中具有重要的功能。它们促进植物残枝落叶的降解,有机物质的分解和矿化这一复杂的过程,并具有混合土壤,改善土壤结构,提高土壤透气、排水和深层持水能力的作用。它们的这些作用与其生物量和3种生态类型(表层种、内层种和深层种)密切相关。根据它们的自然生态作用,我们可以有意识地利用合适的蚯蚓物种来为环境保护服务。它们是很好的土壤环境指示生物,我们可以利用蚯蚓,通过实验室或田间的生态毒理学试验来评价土壤中化学污染物的生态毒性。由于蚯蚓具有通过与微生物协同作用加速有机物质分解转化的功能,我们可以利用蚯蚓来处理有机垃圾——蚯蚓分解处理。城市生活污水的蚯蚓过滤处理是新近开发的一项利用蚯蚓的新技术,它可能具有更广泛的应用领域。本文主要介绍蚯蚓及其在自然生态系统中的功能和在环境保护方面的应用,同时指出土壤生物多样性的保护在环境保护上的重要性。
关键词:蚯蚓;生态类型;生态功能;环境保护;指示生物;生态毒理学;蚯蚓分解处理;蚯蚓过滤处理;生物多样性Earthwormsandenvironmentalprotection
QIUJiang-Ping (DepartmentofLandscapeandEnvironmentalScience,AgriculturalCollege,ShanghaiJiao-TongUniversity,Shanghai201101,China)
:Asamaingroupofanimalsinthesoil,theearthwormsplayimportantfunctionsinecosystem.TheyAbstract
contributetothecomplexprocessesofdecomposition,tothedegradationofplantdebrisandtothemineralizationoforganicmaterials.Theymixthesoil,improvesoilaeration,drainageandmoistureholdingcapacityandhelptomaintainsoilstructure.Thesefunctionslinkupwiththeirbiomassandecologicalcategories:epigeic,endogeicandanecic.Byexploitingthesefunctions,wecanconsciouslyusesuitableearthwormsforthepurposeofenvironmentalprotection.Theyaregoodbioindicatorsofsoilenvironment,forwhichtheecotoxicologicaltestbyusingearthwormsbothinlaboratoryandinfieldaresetupfortheevaluationofchemicalcontaminantsinthesoil.Theycanconsiderablyacceleratethedecompositionoforganicmaterialsbythesynergywithmicroorganism.Anewtechnologyofvermicompositionisdevelopedforthetreatmentoforganicwaste.Itseemsthatanothernewtechnologybyusingearthwormsforthetreatmentofurbansewage,vermifiltration,isdeveloping,whichwillhaveawiderapplication.Theauthorgivesageneralpresentationfortheearthwormsandageneralreviewfortheirapplicationsinenvironmentalprotectioninthispaper.Theauthoralsoindicatestheimportanceofprotectionofsoilbiodiversityfortheenvironmentalprotection.
Keywords:earthworm;ecologicalcategory;ecologicalfunction;environmentalprotection;bioindicator;ecotoxicology;vermicomposition;vermifiltration;biodiversity
文章编号:1003-6563(2000)01-2-0116-18 文献标识码:A 中图分类号:X174
1 引言
收稿日期:2000-01-16
作者简介:邱江平,男,副研究员、博士。1983年毕业于四川大学生物系,毕业后分配贵州科学院工作。1993～1998年到法国攻读博士学位,现在上海交通大学工作。长期从事陆栖寡毛类生物多样性及其在环境保护上的应用研究,先后发现了100多个蚯蚓新种和新亚种,建立了1个新亚科,16个新种(tribu)和24个新属和新亚属。并对正蚓超科(Lumbricoidea)进行了修订,重建了正蚓超科分类系统。同时在蚯蚓生态毒理学及利用蚯蚓处理有机废弃物和生活污水等方面也进行过深入的研究。在国内外重要刊物上发表论文40多篇。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护117蚯蚓是人们熟悉的一类土壤动物。但常常引起公众的厌恶和研究人员的轻视。然而这类动物却普遍地存在于地球上除了冰川,沙漠,南北极等极端环境之外的各种生态环境中,如森林,草地,花园和田间等。这种生态学上的广布性反映了这类被人们认为“原始的”或“低微的”动物的惊人的生态适应能力。事实上蚯蚓是陆地上生物量最大的一类动物(王献薄,刘玉凯,1994)。因而在陆地生态系统中具有十分重要的功能。达尔文认为蚯蚓是地球上的“第一劳动者”。其主要作用表现为:加速土壤结构的形成,促进土肥相融,加速有机物质的分解转化,提高植物营养,改善土壤通透性和提高蓄水、保肥能力等。然而,现代农业技术的应用,尤其是化学药品,如杀虫剂、杀菌剂、除草剂和化肥等的大量使用,给土壤动物区系造成了灾难性的后果,可能毁掉着一宝贵的自然财富。因此,让蚯蚓继续其在土壤中的生物、物理和化学活动不应该再仅仅是生态学家的兴趣和嗜好,同时也将有益于农业生产和环境保护。另外,近年来的研究表明我们还可以有意识地利用蚯蚓这类动物来为农业生产和环境保护服务。例如,在已经因为化学药品的使用而造成土壤动物和植被毁灭的地区引入适当的蚯蚓种类,以重建那里适合于农业生产的土壤结构(Bouché,1984)。同时,大量的试验显示,蚯蚓可以用来处理城市生活垃圾和农业有机废弃物,用来提高生活污水生物过滤处理器的效率,还可以作为指示生物用来进行生态毒理学试验和对土壤生态环境进行监测等。总之,这些都涉及到重建一个物质的自然再循环过程,蚯蚓以其在这一过程中的位置而起作用。本文将主要介绍蚯蚓及其在自然生态系统中的功能和在环境保护方面的应用。
2 蚯蚓及其在自然生态系统中的作用
尽管蚯蚓作为一类古老的动物在自然界已经存在了6亿年以上(Vannier,1970;Bouché,1983,1984;QiuetBouché,1998a),并且广泛分布于各种土壤环境中,但是我们对它的科学认识则只是最近1～2个世纪的事情。在1758年林奈的《自然系统》第十版中仅仅记载了一种蚯蚓(Lumricusterrestris),并且将其归入蠕虫类(Vermes)。是法国著名进化论先驱拉马克将蚯蚓从林奈的蠕虫类中划分出来,建立了现在的环节动物门(Lamarck,1801)。随后人们认识到在环节动物门中包括了主要生活海洋中的多毛类(Polygochaeta)和生活于淡水中或陆地上的寡毛类(Oligochaeta)及蛭类(或无毛类)(Acheata)。现在我们所说的通常意义上的蚯蚓是指生活于陆地上的寡毛类(其中一部分可以生活在较为潮湿,甚至水环境中),称之为陆栖寡毛类(TerrestrialOligochaeta)。
2.1蚯蚓的生物多样性
从Savigny1826年在巴黎近郊发现并报道20余种蚯蚓起,经过一百多年的研究,现在全世界已经记载了近3000种蚯蚓。根据最近的研究结果(Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980),它们分别归属于寡毛纲(Oligochaeta)的单向蚓目(Haplotaxida)和正蚓目(Lumbricida),包括4个亚目,5个超科,18个科(表1)。
单向蚓目中还包括Haplotaxioidea和Alluroidoidea两个超科,但它们一般被认为属于水栖寡毛类。在陆生蚯蚓中,Moniligastridae为最原始的类群,主要分布东南亚及东亚,从南印度到我国东北,韩国,日本,非律宾,加里曼丹及苏门达腊,已知的种类在150～200种之间。Megascolecidae,Lumbricidae和Eudrilidae科是陆生蚯蚓中最为发展的类群,也是已知的最大类群,其中Megascolecidae科记载的种类在1000种已上,主要分布中国、东南亚、日本、韩国、朝鲜、澳大利亚及新西兰等地,部分种类广布世界各地。Lumbricidae和Eudrilidae科已知的种类也都在500种以上,前者主要分布欧洲和北美,后者多见于撒哈拉沙漠以南的热带非洲地区。Glossoscolecidae科分布中美洲和南美洲,已知200余种。Microchaetidae仅见于南非,已知30余种。Ocnerodrilidae科分布热带美洲,非洲及印度,已记载20余属。Acanthodrilidae科已知20属以上,主要分布美洲,热带30,,热带
118贵 州 科 学18卷美洲和非洲,印度半岛及缅甸等地。Biwadrilidae和Lutodrilidae科单属单种,并且生活于河流、湖泊及稻田的底泥中,前者仅分布日本,后者发现于美国东南部。Almidae和Spargonophilidae科也为生活于水中或水底底泥中的蚯蚓类群,所包括的种类也不多。前者为6个属,40余种,主要分布热带美洲,非洲,南亚及东南亚等地;后者仅1个属,16种(亚种),主要分布北美和欧洲。Criodrilidae仅有2种的小科,分布欧洲和北非。Kynotidae科单属10余种,仅见于马达加斯加的原始森林中。Ailoscolecidae科在欧洲和北美各1属1种。Diporodrilidae科仅发现于法国科西嘉岛和意大利的撒丁岛,3种。Hormogastridae科原记载的种类不多,后经Bouché(1972)和QiuetBouché(1998b)的研究,现已知20余种,主要分布西地中海地区,包括西班牙,法国南方和意大利等。
蚯蚓的演化和发展是伴随着地球的古地理学变迁(大陆板块漂移)和陆地高等植物的演化和发展而进行的。它起源于冈瓦那(Gondwana)古陆,在泛古陆(Pangea)时期传到劳亚古陆(Laurisia),即今天的北美大陆和欧亚大陆的大部分,演化形成了今天以正蚓超科(Lumbricoidea)为主的区系。在泛古陆解体以后,Gondwana古陆分化和漂移形成了今天的南美大陆,澳洲大陆,欧亚大陆的东南部和非洲大陆。蚯蚓也随之演化形成了今天在亚洲、非洲及澳大利亚以巨蚓超科(Megascolecoidea)和连胃蚓超科(Moniligastroidea)为主和在中美洲和南美洲以沙蚓超科(Glossoscolecoidea)为主的区系(Bouché,1998;QiuetBouché,1998c)。
表1 陆栖寡毛类分类系统(根据Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980修改)
Table1.TaxonomicsystemofterrestrialOligochaeta(ref.Qiu,1998;Bouché,1998;Sims,1980)
目
Haplotaxida
Lumbricida亚目HaplotaxinaBiwadrilina
Megascolecina超科MoniligastrioideaBiwadrioideaMegascolecoidea科MoniligastridaeBiwadrilidaeAcanthrodrilidae
Octochaetidae
Ocnreodrilidae
Megascolecidae
LumbricinaGlossoscolecoideaEudrilidaeKynotidae
Microchaetidae
Almidae
LumbricidaeGlossoscolecidaeSparganophilidae
Lutodrilidae
Ailoscolecidae
Hormogastridae
Lumbricidae
Diporodrilidae
Criodrilidae
2.2 蚯蚓的3种生态类型及其生态功能
蚯蚓的这种生物多样性的发展也是伴随着对各种生态环境的适应而进行的。根据其特化的适应能力和生态功能,我们可以将蚯蚓划分为3种生态类型(Bouché,1972)。(
1期邱江平:蚯蚓与环境保护119的有机腐植质为食,但是常常要经受恶劣气候条件(如寒冷,干旱等)的考验,并易被捕食动物捕食。因而为适应这种生活环境,这类蚯蚓常具有与环境一致的体色,以限制捕食动物的捕食,尤其是以极高的繁殖力来补偿种群数量上的损失,同时以其具有抗旱,抗寒性的卵来抵抗不利的环境条件(表2)。
2.内层种(endogeic),是指那些永久生活在土壤中的蚯蚓类群。它们以混合于土壤中的有机物质为食,没有体色,其繁殖力和种群数量也较低。这是与其所处的生活环境相适应的结果。P.Lavelle(1982)根据其对非洲蚯蚓的研究结果,又将这种生态类型分为3个亚型:1)寡腐植质亚型(oligohumic),以有机质非常贫乏的土壤为食,通常生活在很深层的土壤中;2)中腐植质亚型(mesohumic),以有机质较为丰富的土壤为食,生活于中层或亚上层土壤中;3)多腐植质亚型(polyhumic),个体细小,生活于靠近表层或沿植物根系的土壤中,其生物学特征也接近表层种,如运动能力较强,有的种类体壁具有较浅的色素,繁殖能力较强和种群数量较大等(表2)。
表2 (蚯蚓3种生态类型比较(参考AbdulRida,1994)
Table2.Comparisonofthreeecologicalcategoriesofearthworms(ref.AbdulRida,1994)
属性
性成熟
种群量
繁殖力(卵数/成体/年)
再生能力
呼吸作用
抵抗不良环境的方式
生物量·温带
大小(长度mm)
体色素
活动能力
洞穴
食物
生境
土壤Ph值
土壤C/N值
粘土(%)
砂土(%)
功能及应用价值表层种快大强(42～106)无强卵很小10～30有强无有机物质土表2.83～8.1610.5～16.50.1～34.23.7～83.6·有机物质的降解
·蚯蚓分解处理
·蚯蚓过滤处理
·渔耳
·野生动物及畜禽食物
·野生动物食物内层种较慢小中等(8～27)变化弱滞育中等变化无较强垂直洞穴有机物质+土壤垂直的洞穴中4.68～8.309.5～12.06.3～38.74.5～40.6·清除有机残落物质·形成土壤孔穴—通气—排水·形成土壤团粒结构深层种较慢小弱(3～13)强较弱休眠大200～1100背部有弱变化土壤+较少的有机物质深层土壤中2.83～8.5510.5～15.50.1～45.72.1～60.3·形成土壤团粒结构·形成土壤团粒结构—通气—排水
3.深层种(anecic),通常为一些体型较大的种类,个别种类体长可达1m以上(如ScherothecaoccidentalisthibautiBouché,1972)。它们在土壤中挖掘垂直的洞穴,其深度可达数米。这类蚯蚓通常以其尾部附着于洞穴壁上而将身体的大部分伸出地表,取食地表上的有机残落物质,并通过其消化道将这些有机物质与深层土壤混合,然后以蚓粪的形式排在地表。这类蚯蚓通常具有发达的砂囊,可以磨碎坚硬的树叶(如chünevert),再加上其消化道中的生物酶解作用,大大加速了生态系,
120贵 州 科 学18卷气性和保水能力。在温带这类蚯蚓的生物量占整个蚯蚓生物量的80%以上,因此在生态系统中的作用十分重要(表2)。
2.3 有机物质的分解转化和C、N循环
自达尔文1881的工作开始,蚯蚓具有促进植物生长,增加植物产量的重要作用已经为许多研究工作所证明(StodcdillandCossens,1969;EdwardsandLofty,1972,1978)。这一作用是蚯蚓通过对生态系统中有机物质的分解转化,促进C、N循环,从而提高土壤肥力和通过其在土壤中的活动对土壤结构的改善来实现的。Sharpleyetal.(1979),Syersetal.(1979),CortezandHameed,(1988)和Hameedetal.(1994)的研究表明蚯蚓具有增强土壤中N、P循环的作用。Cortezetal.(1989)指出在有微生物参与的情况下,蚯蚓明显促进土壤有机物质及植物残落物质中的C、N的循环转化,增加土壤中的可给态C、N(图1)。事实上,几乎所有的蚯蚓都参与环境中有机物质的降界过程。在其生命活动过程中,它们大量吞食有机残落物质,并将其与土壤混合,通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作用进行分解和转化。有机物质在蚯蚓消化道分泌的各种生物酶(包括蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、淀粉酶及甲壳素酶等)和微生物的联合作用下,能水解为易于同化的碳水化合物、脂肪、蛋白以及较稳定的纤维素和几丁质,并使土壤矿物发生一定程度的分解。这些有机物质和无机矿物质被进一步转化为植物易于利用的可给态化合物,如氨、碳酸和易矿化的尿素、尿嘌呤以及速效性的磷钾矿质养分。这些可给态的营养物质,除了一部分被蚯蚓本身吸收同化外,代谢剩余产物大部分和吞食的土壤密切复合,最后以蚓粪的形式排泄出来,形成土壤中营养丰富品质优良的团粒结构(黄复珍等,1984)。因此蚯蚓是默默无闻的劳动者。根据Bouché(1984),1吨深层种蚯蚓(也就是通常在法国每公顷面积土壤中蚯蚓生物量)每年吞食大约250吨土壤。这确实是一项巨大的工作。对其吞食物的进一步分析标明,其中包括了大约26%的有机物质,而这些有机物质主要包括2个部分:37.6%的较大块(大于100μm)且较为新鲜的有机物质,具有与植物残枝落叶相近的C/N比值。这一部分主要存在于蚯蚓消化道的前半部。另一部分(54%)则是与矿物质密切复合的有机物质(小于50μm),具有与环境中土壤相近的C/N比值(Bouché,1983)。应该强调指出的是蚯蚓的这种对有机物质进行降解的作用是在土壤微生物的共同参与下完成的。因此深入研究蚯蚓与微生物之间的相互作用关系具有重要的科学意义和应用价值。
2.4 土壤的通透性和水份保持
蚯蚓不仅参与和促进有机物质的分解,增加土壤养分,其活动还能在土壤中构成大量纵横交错的孔道。在法国1公顷草场土壤中其长度可达4000～5000km(Bouché,1984)。而且这些孔道又往往被蚯蚓所排出的粪粒填充,粪粒互相堆叠形成许多非毛管孔隙。土壤中这些网状孔道和孔隙大大增强了土壤的通气和透水能力。根据黄复珍等(1984),在蚯蚓数量不同的土壤中,土壤吸水的速度也不相同:在无蚯蚓的土壤中灌入20mm水,需要3分2秒才能吸完;在每平方米有板有33条蚯蚓的土壤中,需要24.2秒;而在每平方米有184条蚯蚓的土壤中,只要10.4秒,吸水速度分别比无蚯蚓的土壤提高了7.4和18.6倍。这对提高土壤渗透能力,减少暴雨迳流,增加土壤深层蓄水都具有重要的意义。
此外,研究工作工作还表明,蚯蚓活动所形成的孔道和孔隙有利于土壤中氮的循环。T.
%的土壤固氮菌都集中于蚯蚓孔Bhatnagar和J.Rouelle根据对法国一个天然草场的研究指出:50
道壁上(Loquetetal.,1977)。这说明蚯蚓孔道或孔隙环境十分有利于固氮菌的生长。3 蚯蚓生态毒理学
蚯蚓生态毒理学是指利用蚯蚓作为载体对可能造成土壤环境污染的化学物质进行测试,并根
1期邱江平:蚯蚓与环境保护121环境的一种指示生物。这方面的研究工作早在本世纪四、五十年代就已经有所开展(Satchell,1955),但只是在近二、三十年来随着化学药品(如杀虫剂,杀菌剂,除草剂等)在农业生态系统中的大量使用和城市及工业固体废弃物的大量排放,土地污染(也包括由于侵蚀作用而造成的水体污染)问题日夜严重的情况下,蚯蚓生态毒理学研究工作才得到了较为普遍的重视和发展。1981年欧共体(EEC)作出规定:一种新的化学药品登记进入市场之前要求具有其针对于一种藻类,一种水蚤,一种高等植物,一种鱼类,一种蚯蚓和一种有富积作用的物种的毒理试验资料以及生物降解试验资料(Reinecke,1992)
。
图1.蚯蚓在有机物质分解中的作用,*C、*N表示土壤表层枯枝落叶中的碳和氮,oC、oN表示土壤内有机物质中的碳和氮(据Cortezetal.,1989)
C、*NrepresentthecarbonandnitrogeninFig.1.Roleofearthwormsindecompositionoforganicmaterials.*
、oNrepresentthecarbonandnitrogeninsoilorganicmaterials.fromCortezetal.,1989plantdebris,oC
为什么选择蚯蚓作为土壤环境污染的指示生物?很显然这是因为蚯蚓对土壤环境的重要性和认为它是土壤动物区系的代表类群。但根据Greig-Smith(1992),选择一种或一类生物作为环境的指示生物必须至少满足下面两个条件;1)可以从一个常常是随机选择的种类所测定的适度范围得出一个统计性结论,也就是说可以通过对一个物种较少个体数量的毒理测试来决定某种化学药品;2),。蚯
122贵 州 科 学18卷蚓在土壤中有机物质的分解转化上具有重要作用,同时其活动可以改善土壤的结构,增强土壤的透气和排水保水功能。因此在土壤中保持健康的蚯蚓生态种群对于土壤环境的保护具有重要价值。而从生态学上来看,蚯蚓位于陆地生态食物链的底部,对大部分杀虫剂(EdwardsandThompson,1973)和重金属(Carteretal.,1983;Ireland,1983)都具有富积作用。这些被富积的化学物质可能并不对蚯蚓造成严重的伤害,但却可能影响食物链中更高级的生物。同时蚯蚓对某些污染物比许多其他土壤动物更为敏感,因此利用蚯蚓作为土壤环境的指示生物,可以提供一个保护整个土壤动物区系的安全域值(Greig-Smith,1992)。此外蚯蚓体型较大,分布广泛,易于养殖,因此十分便利于研究和监测工作的进行。
根据1991年国际蚯蚓生态毒理学专题讨论会(英国Shefield),1996年国际土壤动物科学讨论会(爱尔兰Dublin)和1998年国际蚯蚓生态学讨论会(西班牙Vigo)资料,当前蚯蚓生态毒理学研究工作主要涉及下面内容:
—用于试验的蚯蚓物种的选择;
—作为指示物种对化学药品影响整个土壤动物区系的潜在含义;
—蚯蚓自然种群半致死量的影响及其测试方法;
—对于与自然种群动态和人类活动影响有关的田间试验结果的阐述;
—一个连续评估和测试体系的建立和对蚯蚓有毒害的化学物质的标准的划分;
3.1 实验室毒理试验
蚯蚓的生态毒理学研究包括实验室急性试验和慢性试验以及在真实的生态系统中所进行的田间试验。严格地讲前者并不是真正意义上的生态毒理学试验,但因其实用价值而得到重视和发展,尤其是急性试验,通过简单、快速和便宜的方法对某种化学物质对蚯蚓的毒性进行测试,从而对这种化学物质的生态毒性作出初步的判断。在这种试验中,首先考虑的是鉴定出被测物质对蚯蚓没有明显的毒害作用,以避免错误的负面影响。而对于那些被测试出在相应的浓度上对蚯蚓具有明显毒害作用的物质则应考虑进行进一步的研究(图2)。
针对实验室毒理试验,世界各地的研究人员提出了许多不同的方法(Reincke,1992)。这些方法在试验的标准化程度,方便和可操作性,结果的准确性以及相对于对现实生态系统的影响的相关性等方面各有利弊(Greig-Smith,1992)。一些学者在实验室的容器加入一定量的土壤和一定浓度的被测物质来测试其对蚯蚓的影响(Atlavinyte,1975;Agarwaletal.,1978;StringerandWright,1973;Lots-Holmin,1980和Rhettetal.,1988)。这些试验试图得到稳定和可重复的结果,因为试验使用固定数量的单种蚯蚓个体,而且蚯蚓在容器中于土壤中均匀混合的化学物质深度接触。但是不同类型的土壤往往具有不同的吸附性质,因而针对某种化学物质所得出的LC50值可能有很大的差异,完全决定于测试所用的土壤(Edwards,1984)。
另一种方法是将蚯蚓浸入含有不同浓度的液体中一段时间,然后将其转移至干净的土壤中并测定其死亡率(EdwardsandLofty,1973;Stenersen,1979)。利用这种方法可以测得能够重复的LC50值。然而Lordetal.(1980)指出,对许多化学物质来讲它们对蚯蚓的毒性与在土壤中的毒性具有很好的相关性,但是也存在很多例外。因此我们不可能得出一种对蚯蚓非常有害的物质是否被看为造成土壤污染的物质的可靠结论,因为不同类型的土壤具有不同的吸附性质(Reincke,1992)。
此外,还有把被测物质直接注射入蚯蚓口中(StringerandWright,1976)或身体中(Stenersen,1979)或将被测物质混入喂养蚯蚓的食物中(Fayolle,1979)等方法,以及神经分析法(Drewesetal.,1988),Daniel漏斗法(Bieri,1991)及Tubifex测试法(Ammon,1985)等,但是这些方法在结果,、
1期邱江平:蚯蚓与环境保护123不同程度的不足。因此目前还没有一种比较满意的标准化测试方法。下面是向欧共体建议针对化学品登记的3种测试方法
。
图2 化学污染物的蚯蚓生态毒理学评估模式(据Greig-Smith,1992)
Fig.2.Patternecotoxicologicalassessmentfortheeffectsofchemicalcontaminantsonearthworms.fromGreig-Smith,1992)
1.滤纸接触试验(Contactfilterpapertest)(OECD-guidelineNo.207)。这种方法是通过1个成体Eiseniafoetida/Eiseniaandrei在填充标准化的滤纸条的玻璃瓶中与不同浓度的化学药品接触48小时后来测定其死亡率。其优点是快速,简便易行,并可以通过标准化的统计方法(LitchfieldandWilcoxon,1949)得到LC50值。缺点是仅仅给出通过皮肤接触所产生的毒性信息。因此很难评估化学物质对环境的真实影响,其结果与下面介绍的人工土壤试验的结果相关程度很小(Reincke,1992)。
2.人工土壤试验(Artificielsoiltest)(OECD-guidelineNo.207)。这是在人工土壤中进行的试验。这种人工土壤由10%的苔藓泥炭细土(Ph=6),20%的高岭粘土(高岭土大于50%),69%的工业石英砂(含50%以上0.05～0.2mm的细小颗粒)和1%的CaCO3(化学纯)组成。使用的蚓种/,
124贵 州 科 学18卷目的是尽可能模拟一个蚯蚓生活的真实环境,从而使试验结果尽可能真实地反映污染物在自然界中的实际影响。实验的结果也确实显示了这方面的优点。然而方法的设计者忽略了实验应当简便易行这一原则。而且象苔藓泥炭细土、高岭粘土等很难准确定义的混合物往往致使不同地方、不同时间或不同的人所作出的试验结果不具有可比性,更不要说这些混合物可能与被测物质发生反应而对试验结果造成影响。因此人造土壤试验方法被提出来了。
3.人造土壤试验(Artsoltest)(Edwards,1984;AFNORX31-250)。这是一种在上述方法上进行改进,以一种无定形水合性的二氧化硅粉(商品名:Lévilite),并在其中加入直径1.5～2cm的玻璃球以代替人工土壤的试验方法。这种方法的优点是使用确切定义的物质作为基质,便于操作,其结果也更具有可比性。而且由于这种物质的化学惰性,基本上可以确定不会与试验容器及被测物质发生化学反应。同时加入玻璃球一方面创造了一个类似土壤结构的环境,另一方面增加了接触被测物质的面积。从试验的结果来看,与人工土壤试验一样也能较好反映污染物的真正影响。根据两种方法对比研究的结果,其相关性系数在0.9以上(Reincke,1992)。因此,尽管人工土壤试验已经被EEC确定为化学品登记时的蚯蚓毒性试验方法,但是人造土壤试验方法更为简便易行,更易于实现标准化。作者1996年对此方法进行了改进和完善,重新测定了大部分试验条件和参数,使其更接近于一种标准化的试验方法(BouchéetQiu,1996,1998)。
实验室试验的另一个重要问题是试验用物种的选择。目前还没有一种用于蚯蚓毒理试验的标准动物。大部分专家和EEC推荐使用Eiseniafoetida(Savigny,1826)或EiseniaandreiBouché,1972(Bouché,1972,1992;QiuetBouché,1998d)。但也有人在试验中使用其他物种,如Lumbricusterrestris(Dean-Ross,1982),Nicodriluscaliginosus(Martin,1985,1986)。EdwardsandCoulson(1992)指出,对某些杀虫剂来说Eiseniafoetida或Eiseniaandrei没有其他物种敏感。Bouché(1992)则进一步指出,从蚯蚓的生态学功能上来讲,至少应该从表层种,内层种和深层种三种生态类型中各选出一代表物种来进行毒理试验,以便更真实地反映污染物对土壤动物区系的影响,从而更客观地评价污染物的生态毒性。因为一种化学药品的生态毒性不仅与其本身的毒性大小有关,而且与环境中生物的行为和功能密切相关。然而一种试验动物的确定,并不仅仅与试验的效果相联系,而是常常受到许多与试验无关的因素的制约,如繁殖能力、养殖成本等。因此,试验动物的选择及其标准化仍然是困扰蚯蚓生态毒理学发展的一个重要因素。
实验室慢性毒理试验是指有害的化学残留物质对蚯蚓的生殖、生理、代谢、染色体以及基因等更深层次影响的研究。这是一个十分有意义的研究领域。然而,遗憾的是目前有用的资料还不多。
3.2 田间生态毒理试验
蚯蚓的田间生态毒理试验是指在现实的生态系统中直接测试某种化学物质对蚯蚓种群的生态毒性的试验。由于试验直接在现实的土壤环境中进行,因而其结果也更直接地反映被测物质对环境的实际影响。因此它至少有如下优点:1)在试验中蚯蚓所接触到的污染物的量与今后这种农业化学物质使用时或工业化学物质排放时是一致的;2)蚯蚓是在自然气候和环境条件下接触到污染物的;
3)在田间试验中,蚯蚓生长发育的大部分阶段都暴露给污染物,污染物的影响被加在了种群的自然死亡率和捕食作用之上,而实验室试验只是在蚯蚓的一个生活阶段进行,而且通常使用最健康的蚯蚓;4)在实验室试验中通常使用单一的物种,而田间试验常常针对不同生态类型的不同种类;5)田间试验通过一系列的采样分析,将其结果与标准化条件下的实验室短期影响比较,可能得出某种污染物毒性影响的寿命;6)实验室试验只能测出毒性的直接影响,而田间试验可以同时评估毒性的间接影响,包括对蚯蚓的食物和生活习性等的影响;7)通过田间试验我们还可以测定蚯蚓在自然条件
1期邱江平:蚯蚓与环境保护125尽管田间试验具有上述明显优点,但由于其试验条件的复杂性,其试验结果常常不具有可比性,如不同的土壤性质,蚯蚓的行为,不同的蚯蚓种类及其活动都可能影响试验的结果。同时试验方法的标准化和评价标准的科学定义也是至关重要的。尽管已经进行了许多蚯蚓的生态毒理试验,但由于方法和评价标准的多样化,可用的数据是很有限的。因此Edwards(1992)建议,在设计进行一个田间生态毒理试验时至少应该遵循下列标准。
首先在试验地点的选择上:1)试验地点土壤中至少应该包括6种普通蚯蚓,其数量最好在每平方米100条以上;2)选择壤土为基质的土壤进行试验,避免粘质土或砂质土,因为前这可能使化学药品凝结,而后者则不利于蚯蚓的生长。同时试验最好在同一类型的土壤中进行。另外对试验土壤的特征应进行全面的陈述;3)选择至少在过去5年中没有使用过化学药品的土壤进行试验,建议在试验前对土壤的化学药品残留进行分析。
其次试验本身:1)被测物质的化学结构(包括其异构体)应该清楚定义。如果是杀虫剂,则应该知道其商品名。同时应该了解其与毒性影响有关的物理化学性质,如溶解度、水/脂肪分配系数和挥发性等;2)试验浓度应该与其在自然条件下的使用情况一致。对农业化学药品来讲,推荐用其最高使用浓度(Kg/公顷有效成分)进行试验,对工业化学药品,其试验浓度应与环境调查中的浓度一致;3)应该设计重复组试验,通常对每一种浓度至少应有4个重复;4)尽管蚯蚓的迁移能力很小,但试验样本不应低于5m2,而如果样本大于10m2,则可能引起土壤类型的变化,从而影响试验结果;
5)试验地点的耕种情况应该被清楚地陈述;6)试验时间的选择十分重要。在温带国家,蚯蚓在春秋两季活动力最强,因此建议试验从春季开始,持续到秋季结束。但是对于持久性化学药品,试验时间则应更长(2年或更长);7)在可能的情况下,推荐与标准化学药品的毒性进行对比。可能的标准化学药品包括苯均灵(benomyl)和西维因(carbaryl)(Edwards,1984);8)应该测试化学药品在蚯蚓及土壤中的残留情况,以便评估化学药品在蚯蚓体内的富积作用和对食物链的影响。
最后毒性的评价标准;在田间试验中,评价化学药品对蚯蚓的生态毒性的最重要标准就是其对蚯蚓种群的影响(包括种类、数量和生物量等)(Edwards,1992)。然而蚯蚓的种群数量调查非常困难(Edwards,1991)。这主要是由于采样方法上的困难所致。尽管可以使用或混合使用福尔马林发、电激法及手采法,但效果均不理想。
总之,尽管蚯蚓田间生态毒理试验在评价化学药品的生态毒性上很有价值,但在试验方法的标准化方面和评价标准的制定上还有许多工作要做。
3.3 生物检定
蚯蚓生态毒理学研究的另外一个方面是生物检定(bioassay),即在可能已经受到污染的土壤中直接进行蚯蚓采样研究,并与没有被污染的同类型土壤中的蚯蚓种群进行比较,同时在实验室分析化学药品的残留情况,从而对某种或某类化学药品的生态毒性作出评估。这种研究方法的优点是评价可能同时针对几种混合使用的化学药品,费用较低,而且结果直接反映化学药品对整个土壤动物区系的生态毒性。缺点是生物检定不能对化学药品的生态毒性提前作出评估。尽管如此,长期对蚯蚓种群监测研究工作所取得的数据和资料对评价使用化学药品的生态效益是很有价值的(Greig-Smith,1992)。AbdulRida对法国南方5种重金属(Cd、Cu、Ni、Pb和Zn)的系统采样分析研究,在方法上及对结果的评价上提供了有益的经验(AbdulRida,1992)。
3.4 结语
尽管EEC和OECD已经作出规定,一种新的化学药品登记时必须具有针对于一种蚯蚓的生态毒理学资料。然而,蚯蚓生态毒理学本身,无论是实验室试验还是田间试验都因为研究方法和评。,
126贵 州 科 学18卷蚯蚓生态毒理学研究工作的当务之急。而更深层次的问题则涉及蚯蚓生态学及生态毒理学的理论基础。
4 利用蚯蚓处理城市生活垃圾和农业有机废弃物
垃圾是人类社会经济发展的产物。在远古时代,人口的稀少和低下的劳动生产力尚不足以产生对人类生存环境构成威胁的垃圾。这是因为人类所产生的垃圾量尚在自然生态系统物质循环过程分解处理能力的范围之内。农业革命,尤其是工业革命极大地提高了人类生产力,促进了人口的快速增长和城市的兴起。但同时也严重地打破了自然生态系统平衡。人类为了提高生活质量,其生产活动往往以追求某种产品的最大产量为目的,而忽略了生产这种产品所带来的附属物质和废弃物质。这些附属物质和废弃物质往往就是我们所说的垃圾。这些垃圾种类繁多,数量巨大,遍布人类生活的各种环境之中,造成环境(包括陆地、水和大气)的严重污染,而自然生态系统已经没有能力对其进行自然的循环处理了。因此垃圾问题已经成为威胁人类本身生存和发展的问题了。然而遗憾的是面对如此严峻的问题,人类并没有找到什么行之有效的解决办法。古老的自然堆放、发酵、焚烧和填埋仍然是我们今天处理垃圾的主要方法。这一方面与对垃圾问题严重性的认识不足有关,同时也与我们所面对的问题远比想象要复杂和困难得多。因为它所涉及的不仅仅是一个垃圾处理本身,而且涉及到整个社会经济系统,不仅仅是一个科学技术问题,同时也是政策、管理、生产及人的思想和行为等方面的问题。不仅仅是某个地方,某个国家的问题,而通常是一个全世界和全人类的问题。因此,如何解决这一问题是公众、管理人员、技术人员和科学家共同的任务。
有机垃圾的蚯蚓分解处理(vermicomposting)是近年来根据蚯蚓在自然生态系统系统中具有促进有机物质分解转化的功能而在垃圾发酵处理(composting)的基础上发展起来的一项主要针对城市有机生活垃圾和农业有机垃圾的生物处理技术。它涉及到重建一个物质的再循环过程。在这一过程中蚯蚓以其特有的生态学功能,与环境中的微生物的协同作用而加速垃圾中有机物质的分解转化。
4.1 蚯蚓在垃圾处理中的作用
在垃圾的生物发酵处理中,蚯蚓的引入可以带来如下好处:
—蚯蚓对垃圾中的有机物质有选择作用;
—通过砂囊和消化道,蚯蚓具有研磨和捣碎有机物质的功能;
—垃圾中的有机物质通过消化道的作用后,以颗粒状结构排出体外,利于与垃圾中其他物质的分离;
—蚯蚓的活动改善垃圾中的水气循环,同时也使得垃圾和其中的微生物得以运动;
—蚯蚓本身通过同化和代谢作用使得垃圾中的有机物质逐步降解,并释放出可为植物所利用的N、P、K等。研究结果显示,蚯蚓组织中的氮每天以10%以上的比例更新(Hammedetal.,1994);
—利用蚯蚓,我们可以非常方便地对整个垃圾处理过程及其产品进行毒理监测。
4.2 蚯蚓和微生物的协同作用
蚯蚓与微生物的相互作用是一个非常复杂的过程。研究显示,沿着蚯蚓消化道的前后,微生物区系发生了十分深刻的变化(Parle,1963;Rafidison,1982)。利用蚯蚓处理有机垃圾的一个最根本的原因就是通过蚯蚓与微生物的协同作用可以加速有机物质的分解转化。结果表明,加入蚯蚓以后比没加蚯蚓垃圾中有机物质的发酵分解速度提高了3～4倍,并获得稳定的低C/N值(10～13)的产品(BouchéetNougaret,1997)。,。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护127气等对蚯蚓是有害的。
4.3 利用蚯蚓处理垃圾的局限性
在利用蚯蚓处理垃圾中,我们通常选用那些喜有机质和能忍受较高温度的蚯蚓种类,以获得最好的处理效果。但即使是最耐热的蚯蚓种类,温度也不能超过30℃,否则蚯蚓的生存将受到严重影响。另外,蚯蚓的生存还需要一个较为潮湿的环境,理想的情况是其吸收压为49.23Pa(～2.7pF)。因此在利用蚯蚓处理垃圾时,应该从技术上考虑到避免不利于蚯蚓生长的因素。通常蚯蚓分解处理的温度应控制在0℃～30℃之间,最好是25℃～29℃,湿度pF=2.7,最低不能超过pF=3.4。应该避免环境缺氧情况的出现。
4.4 垃圾的工厂化蚯蚓分解处理
利用蚯蚓处理城市生活垃圾的技术已经较为成熟。1991年法国在罗纳河畔的LaVoulte市建起了世界上第一座利用蚯蚓处理城市生活垃圾的工厂(SOVADEC)。工厂包括4个车间:
1.分检车间(Sortingblock)
未经任何处理的城市生活垃圾直接到达这个车间,经过机械的、物理的和人工的分检,部分分离出垃圾中的玻璃、塑料、金属及废旧电池等和大的纸箱、纸桶等。这些被分检出来的物质被分别送往或垃圾填埋场(碎玻璃等),或焚烧厂(塑料等),或专业处理工厂(废旧电池等)进行处理,或回收再利用(玻璃瓶、纸箱等)。剩下的(约占垃圾总重量的72%)包括垃圾中的有机物质和一些碎石块、小的玻璃碎片、金属碎片和塑料碎片等。它们被送往第2车间。
2.生物消毒车间(Bisanitizationblock)
在这里,有机垃圾通过喜温性微生物进行初级的耗氧发酵处理。处理过程中产生较高的温度(70℃～75℃),可以杀死垃圾中的致病菌、害虫和植物种子等。这一过程需要30天。经过初级发酵处理,当温度降到40℃～45℃时,就可以将垃圾送往第3车间。
3.蚯蚓分解处理车间(Vermicompostingblock)
垃圾的蚯蚓分解处理是在专门设计的便于通气和散热的装置里进行的。经过初步发酵分解的垃圾,在洒水或浸水后(以降低温度和增加湿度),从上部送入装置。装置中的蚯蚓种群数量随着垃圾的量(蚯蚓的食物)变化而变化。在环境条件(温度、湿度等)和营养条件合适的情况下,好的蚓种成体每天可以繁殖1.2个后代。因此食物是限制种群增长的主要因素。在这一过程中,所有的有机物质都在蚯蚓和微生物的共同作用下继续分解,并被蚯蚓吞食后排出,形成颗粒状从装置的底部排出。这将便于下一步的分检。这一过程需要60天左右。
4.精检车间(Refiningblock)
经过蚯蚓分解处理所得到的产品中,还包括有一些玻璃碎片、金属碎片、塑料碎片及小型废旧电池等杂物。为了获得干净的有机肥产品,需要进行进一步的分检。在这里主要采用了筛选、磁选和风选等方法。最后所得有机肥可用作花肥或回田。
这是一座现代化程度较高的工厂,日处理垃圾20～30吨,仅用4个工人操作。垃圾的处理成本为每吨360法国法郎。
综上所述,利用蚯蚓处理有机垃圾就是重建一个物质的再循环过程。在这一过程中利用蚯蚓和微生物的协同作用,加速有机物质的分解转化,并最终形成一种可以利用的产品。尽管在处理的设计和技术上可能还有许多值得改进的地方,但利用生物方法来处理有机垃圾不仅成本较低,没有二次污染,而且使有机废物再生增值。因此具有广泛的推广应用价值。当然,垃圾的组成成分十分复杂,垃圾的处理也是一个十分复杂的问题,单一的方法不可能完全解决问题。将其中的有机部分再,,
128
济效益。贵 州 科 学18卷
5 生活污水的蚯蚓过滤处理
生活污水的蚯蚓过滤处理(vermifiltration)是近年来在法国和智利发展起来的一项针对生活污水的处理技术(Tohaetal.,inpress;Bouchéetal.,1998;BouchéetQiu,1998)。这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化等生态学功能而设计的。事实上早在1947年,Reynoldson就曾经报道了在污水生物过滤处理器中蚯蚓的存在。但只是在近几年人们才有意识地对这项技术加以开发,并在法国,尤其是智利的试验中取得了初步成功,从而为这项技术的推广应用奠定了基础。
表3 生活污水的传统生物过滤处理与蚯蚓生物过滤处理比较
Table3.Comparisonoftheclassicalbiologicalfiltrationandvermifiltrationfortheurbansewage废水处理
输入
1)大的漂浮物
2)沙、碎石等传统的生物过滤处理方式50mm网格过滤倾析作用50mm网格过滤/吸附
处理:——→在水中进行(容器、氧化塘)·在短时间内获得清澈的水
·不受时间限制的固态发酵
3)油、脂的清除
4)有机物质的清除
5)含氮量的减少漂浮冲洗—好氧分解*—厌氧分解*好氧的硝化作用*
+厌氧的脱氮作用*、不完全、、不完全*
*
6)含磷量的减少
7)病菌的清除
需要面积容器中的化学处理无/紫外线/化学方法**结果好好用全部清除不受时间限制无污泥82%的N2释放**减少73%大肠杆菌全部清除通常在分开的容器中进行,,需要1m2/人(过滤器)—10m2/人(氧化塘)0.1m2/人利用生物过滤器来处理有机污水是一种常用的污水处理方法。在这一过程中,水的生物学净化与物理学过滤联系在一起,即污水首先通过水中微生物好氧和厌氧发酵处理,使其中的有机污染物降解转化,然后再经过过滤处理以达到水的净化的目的。由于在一处理过程中,有机物质的降解通常需要较长时间(40～60天),因此处理装置也就相应要求相当大的容积和面积,处理成本也相应提高。同时,由于发酵分解的不完全,部分有机物沉淀堵塞过滤器,可能造成处理效率的逐步下降。通常这样的装置在运行一段时间后就逐步失去了其处理功能。
在生物过滤器中引进适合的蚯蚓种类后,由于蚯蚓具有增加过滤层通透性和清除未完全分解有机物沉淀堵塞的功能,使得水的物理性过滤处理过程和有机物质的分解处理过程得以分开进行。水在过滤器中停留的时间从40～60天缩短到只有几天或几小时,而有机物质则在过滤器的表层进()。
1期邱江平:蚯蚓与环境保护129分离,大大降低了处理器所需要的体积和处理所需要的时间,从而极大地提高了过滤器的处理效率,降低了成本。根据智利圣地亚哥大学生物物理实验室和法国国家农业科学院土壤动物生态学实验室利用蚯蚓生物过滤器处理城市生活污水的结果,其处理效率比常规的生物过滤器提高了十倍以上。即按每人每天产生100升生活污水计算,蚯蚓生物过滤处理仅需0.1m2的处理面积,而常规的生物过滤处理和氧化塘处理则需要1m2和10m2的处理面积。对城市污水处理的结果显示:BOD值较处理前降低了96%,固体总悬浮物减少了93.5%,水中的含氮量降低了82%,磷降低了73%。处理后水体呈透明状,可以进行紫外线照射杀菌处理。经紫外线照射处理后,水中的大肠杆菌从104/ml降到了零(表3)。然而我们现在对这一过程的发生机理并不十分清楚,比如我们或许可以用好氧的硝化作用(nitrification)和厌氧的脱氮作用(denitrification)来解释含氮量的减少,但还不能说明磷减少的原因。由于蚯蚓的引入,生物过滤器中可能发生了更深刻的生物、化学和物理作用,进一步的研究工作正在法国和智利的实验室中进行。
蚓种的选择是这一处理过程中的关键因素之一。因此选择到更好的蚓种将可能进一步提高过滤器的处理效率和扩宽其应用范围,如农业有机污水和食品厂有机废水的处理等。
总之,水是人类生存和发展的要素之一。然而在当今世界,人类面对水的问题却处于一种十分被动的位置。一方面是水资源的相对缺乏,另一方面则是水资源的大量浪费和污染。因此,积极地研究开发实用的污水处理方法和技术只是问题的一部分,更为重要的是根据社会经济发展的现状和未来,从政策、管理、科学研究、工程技术和对公众的宣传教育等方面综合考虑,合理有效地使用我们有限的水资源。
6 结语:生物多样性与环境保护
环境保护问题提出的一个最深刻和最根本的原因就是人类所赖以生存的资源和空间是有限的:我们只有一个地球。生物多样性是地球上最宝贵的资源之一。它不仅为我们创造了这个丰富多彩的世界,而且从功能上来讲构成了人类生存的基础:形成人类赖以生存的生态环境,并为人类的生存和发展提供丰富的资源。然而很长一段时间内,人类忘记了本身就是其中的一部分。没有节制的索取已经造成了地球上总体生物多样性的严重损失。Myers(1993)指出,如不抓紧研究和保护工作,地球上四分之一到二分之一的物种将面临灭绝的危险。这将从根本上危急我们的生存环境。因此生物多样性的保护是环境保护工作中最基本的部分。也正因为如此,1992里约热内陆世界环发大会所紧紧围绕的正是生物多样性、可持续发展和全球环境变化这3个主题。
土壤中包含有十分巨大的生物多样性(H。agvar,1998)。而且土壤生物是陆地生态系统物质和能量循环过程中不可缺少的组成部分。事实上在自然生态系统中,60%～90%的陆地初级生产力都是在土壤中被分解掉的(Giller,1996)。土壤生态学功能的破坏将可能导致整个陆地生态系统的崩溃。因此保护包括蚯蚓在内的土壤生物及其生存环境对于生态环境的保护具有十分重要的现实意义。
根据生态系统的运动规律和物种的生态学功能,有意识地利用生物学方法来对环境污染进行监测和治理是环境保护工作的另外一个方面。然而长期以来,由于生物多样性性研究与应用工作的分离阻碍这方面的工作的发展。可喜的是在蚯蚓这一类重要的动物的利用方面已经有了良好的开端。图3总结了蚯蚓在生态系统中的功能及在环境保护上的应用。
130贵 州 科 学18卷
图3 蚯蚓在生态系统中的功能及在环境保护上的应用
Fig.3.Thefunctionsofearthwormsinecosystemandtheirapplicationsinenvironmentprotection
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