环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (10): 4026-4032
市政污水厂脱水污泥对赤子爱胜蚓生长与繁殖的影响    [PDF全文]
刘常青1 , 陈细妹2 , 赵由才3 , 郑育毅2 , 刘文伟2 , 吴春山2     
1. 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007;
2. 福建师范大学环境科学研究所, 福州 350007;
3. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092
摘要: 在人工土壤条件下,通过添加5%、10%、15%、20%、25%、35%、50%(质量分数,以干重计)的市政污水厂脱水污泥(以下简称"污泥"),研究了添加污泥后对赤子爱胜蚓存活、生长和繁殖的影响,旨在为污泥农用对土壤生物的影响提供基础的参考数据.结果表明,随污泥掺入量增大,蚯蚓的死亡率先减小后增大,繁殖率逐渐减小;添加适量的污泥有利于蚯蚓生长,但没有显著的剂量-效应关系.蚯蚓的死亡和生长主要受重金属(尤其是Cu)的影响,繁殖能力受重金属和聚丙烯酰胺(PAM)共同影响.PAM的降解与蚯蚓的生存情况紧密相关.最终确定污泥的掺入量不宜超过20%.
关键词: 市政污水厂脱水污泥     农用     赤子爱胜蚓     重金属     聚丙烯酰胺    
Effect of dewatered municipal sewage sludge on the growth and reproduction of Eisenia fetida
LIU Changqing1, CHEN Ximei2, ZHAO Youcai3 , ZHENG Yuyi2, LIU Wenwei2, WU Chunshan2    
1. College of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
2. Institute of Environmental Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
3. State Key Laboratory of Pollution Control & Resources Reuse, Tongji University, Shanghai 200092
Received 17 March 2017; received in revised from 28 April 2017; accepted 28 April 2017
Supported by the Office of Science and Technology Major Project in Fujian Province(No.2014YZ0002-1), the Natural Science Foundation of Fujian Province(No.2015J01187) and the Program of the Educational of Fujian Province (No.JB13029)
Biography: LIU Changqing (1970—), female, E-mail:mylcq@126.com
*Corresponding author: ZHAO Youcai, E-mail:zhaoyoucai@tongji.edu.cncn
Abstract: This study evaluated the effects of dewatered sewage sludge on the survival, growth and reproduction of Eisenia fetida in the artificial soil by adding various amounts of sludge (5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 35% and 50%, on dry weight basis). The results showed that the mortality rate of Eisenia fetida decreased initially and then increased, while the reproductive rate gradually declined with the increase of the sludge addition. Meanwhile, appropriate sludge addition had a positive effect on the growth of Eisenia fetida, but the obvious dose-effect relationship was not observed. In addition, the mortality and growth of Eisenia fetida were mainly affected by heavy metals, especially Cu, while the reproduction was affected by both heavy metals and polyacrylamide (PAM). The survival of Eisenia fetida was highly associated with the degradation of PAM, and therefore the amount of sludge addition in soil should be kept below 20% of the total dry weight. Overall, this study provided valuable information for the agricultural land application of sewage sludge through evaluation of the effects of sewage sludge addition on soil organisms.
Key words: dewatered municipal sewage sludge     land application     Eisenia fetida     heavy metal     polyacrylamide (PAM)    
1 引言(Introduction)

市政污水厂脱水污泥(以下简称“污泥”)含有植物所需的氮、磷、钾等元素和丰富的有机质(Wei et al., 2012), 其农用不仅实现了植物所需养分的循环, 增加了土壤的有机质, 还提高了土壤的稳定性、空隙率和透水性(Tom et al., 2008).宋凤敏(2010)研究发现, 添加适量污泥能显著增加菠菜的产量, 提高维生素C和叶绿素的含量.Sonia等(2015)研究显示, 添加适量污泥可增加硬质小麦的含水率、叶绿素a和生物产量, 减少干旱和半干旱地区低水压的影响.但污泥农用仍然存在风险, 《水污染防治行动计划》强调禁止处理处置不达标的污泥进入耕地.污泥中的重金属随农用会迁移到土壤、地下水和生物中, 有二次污染风险.

目前, 关于污泥农用的重金属影响研究较多.Singh等(2010)发现, 添加污泥会改变土壤的理化性质, 增加重金属对植物的有效性.Lakhdar等(2010)研究表明, 如果污泥添加过多会抑制小麦的生长, 致其各部位出现明显的重金属富集.陈茂林等(2004)则较系统地比较了我国部分城市污泥中重金属元素的含量和形态分布, 以及生物可利用性.因此, 关于污泥农用的研究主要包括重金属的迁移、形态变化及对植物的有效性, 而关于污泥农用的生态毒理研究则较少.Domene等(2010)较全面地研究了污泥施用对9种不同土壤中跳虫的生态毒理, 但仅关注污泥的基本理化性质(如氨盐基、C/N和pH值)可能引起的生物毒性, 而且使用的是比较少见的跳虫作为指示生物.大部分研究使用蚯蚓研究污泥的生物毒理, 例如, 马莉等(2013)将污泥和牛粪混合喂养赤子爱胜蚓, 发现污泥与牛粪的配比对蚯蚓的增重有极显著的影响, 但未考虑重金属对蚯蚓生长的影响.污泥的毒性主要和污泥中所含重金属有关, 例如, 陈学民等(2010)分析了蚯蚓对重金属的富集作用;Suthar(2009)开展了蚯蚓堆肥处理污泥混合甘蔗渣的研究, 发现形成的腐殖质能吸附重金属从而降低其毒性, 但污泥比例较大时, 重金属等生长抑制物会直接影响食物有效性和微生物量.目前, 人们就污泥, 特别是污泥中重金属对蚯蚓的生物毒理已做了一些研究, 但如前所述, 都是将蚯蚓直接加入到污泥中观察蚯蚓的生长情况, 而关于污泥施用到土壤后对蚯蚓的毒理作用则研究较少.而且对于污泥的毒性, 除了重金属, 还有一个因素也应加以考虑, 因为污泥脱水时添加了聚丙烯酰胺(PAM).例如, 郭非凡等(2012)通过急性和亚急性暴露试验研究PAM对赤子爱胜蚓的毒理效应, 发现PAM对蚯蚓繁殖能力有非常显著的影响.目前关于PAM环境行为(迁移、转化和生物效应)的研究很少(Guzzo et al., 2015), 陈世军等(2012)研究发现,过量PAM会导致土壤含水量和水势下降, 影响土壤生物的生活.但关于污泥农用后PAM的影响研究鲜有报道, 因此, 探究污泥农用后包括重金属及PAM可能引起的生态毒性具有一定的意义.

蚯蚓是土壤的典型生物, 也是土壤污染的敏感指示生物(高岩等, 2005; Liu et al., 2017; Wang et al., 2016).因此, 本文选用赤子爱胜蚓为指示生物, 通过向人工土壤添加污泥, 研究污泥的掺入量及污泥中重金属和PAM进入土壤后对赤子爱胜蚓的存活、生长、繁殖能力的影响, 以评价污泥农用对土壤生物的影响, 为污泥农用安全提供基础数据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验材料与试验设计

污泥取自福州市某污水处理厂带式脱水后污泥, 污泥的含水率为81.53%~85.86%, pH为7.59~8.02, 有机质占32.63%~39.47%, 总氮、总磷和总钾含量分别为0.52~0.76、7.82~10.12和10.45~11.89 g·kg-1, 污泥经自然腐熟(中间进行适当翻堆)无异味后使用(历时6个月).赤子爱胜蚓(以下称蚯蚓)取自福州尊龙生物技术有限公司, 选用2月龄有明显环带的健康蚯蚓.按7:2:1的比例(质量比)将石英砂、高岭土和草炭土配成人工土壤, 用碳酸钙调节pH为6.0±0.5(OECD, 1984; 2004).实验前, 蚯蚓先在人工土壤中驯化24 h(郭非凡等, 2012; OECD, 1984).

向人工土壤掺入比例分别为5%、10%、15%、20%、25%、35%、50%(干重)的污泥作为试验土壤, 以人工土壤作为空白对照(编号为CK), 并将含水率调至25%(为最大持水率的60%, 本研究人工土壤的最大持水率为40%(OECD, 2004).每个实验组设置3个平行样, 共24个样.用聚乙烯花盆作为培养容器, 每盆装600 g试验土壤和10条体长、体重相当(420~480 mg)的驯化蚯蚓.将蚯蚓放在土壤表层, 任其自行钻到土壤中, 用塑料薄膜封口, 扎孔, 防止花盆内的水分流失和蚯蚓逃逸.在3~6周, 每周在土壤表面添加一次磨细的干牛粪, 每条蚯蚓0.5 g(Kokta, 1992).分别于7、14、21和42 d时将蚯蚓挑出, 检查蚯蚓的生存情况, 计算死亡率、生长率, 然后放回盆中继续培养.42 d后取出蚯蚓成虫, 将含蚓茧和幼虫的土壤继续培养28 d, 结束后用热熏法将幼虫熏出并计数, 求繁殖率(郭非凡等, 2012).测定试验土壤的重金属和PAM含量及毒理实验后土壤的PAM含量.

本文实验依据OECD.guideline No.207和No.222的人工土壤法开展, 但由于实验条件限制, 没有严格控制培养温度和光照, 同时成蚓的暴露时间延长至42 d(主要是考虑长时间暴露下对成蚓的影响).虽然本实验没有严格按照OECD的要求开展, 但本文设置了空白对照组, 实验组与对照组在相同的环境下进行试验.由于本文仅关注污泥添加可能产生的生物毒性, 因此, 通过实验组与空白对照的对比分析, 可以达到预期的试验目标.

2.2 测定方法

有机质采用重铬酸钾氧化-油浴外加热法测定;pH用pH计测定(土水比为1:2.5);全氮用半微量凯氏法测定;全磷用酸熔-钼锑抗比色法测定;全钾用氢氧化钠熔融法测定;PAM用淀粉-碘化镉分光光度法(舒炼等, 2010)测定;重金属用三酸消解法测定.蚯蚓的死亡率和繁殖率用计数的方法测定, 生长率用称重的方法测定.

2.3 蚯蚓死亡率、生长率和繁殖率的计算

蚯蚓死亡的判定:用钝的探针刺激蚯蚓的头、尾部, 若无反应则视为死亡;蚯蚓死亡后会很快溶解, 其减少量同样视为死亡量(郭非凡等, 2012).死亡率、生长率、繁殖率的计算公式分别见式(1)~(3).

(1)
(2)
(3)

式中, η为死亡率;Ns为实验结束时存活蚯蚓数量(条);Nz为实验开始时蚯蚓总数(条);以同实验组的平均死亡率±标准差(即η±σ)表示蚯蚓的死亡情况;I为蚯蚓生长率, 表示蚯蚓的生长情况;w0为实验开始时蚯蚓的平均体重(g);wt是第t天蚯蚓的平均体重(g);λ为繁殖率, 用总的幼蚓数除以实验第42 d存活的蚯蚓数表示蚯蚓的繁殖率, 即单条蚯蚓的繁殖量来表示蚯蚓的繁殖能力;N1是实验结束时幼蚓总数(条), N0是第42 d蚯蚓存活数(条), 避免因蚯蚓死亡而造成的影响.

2.4 数据处理

采用Microsoft Excel和Origin 8.5对原始数据进行分析和绘图, 用SPSS 17.0对数据进行差异显著性检验和相关性分析.数据进行单因素方差分析(ANOVA), 用LSD(Least Significant Difference)多重比较法进行不同处理间的差异显著性检验, 用Pearson法进行相关性分析.

3 结果(Results) 3.1 土壤中重金属与PAM含量

污泥的掺入会改变试验土壤的重金属和PAM含量.由表 1可知, 随污泥掺入量的增大, 试验土壤中的重金属和PAM含量总体呈增大趋势, 50%污泥实验组中各金属和PAM的含量最大.对照《土壤环境质量标准》二级标准, 试验土壤中Zn和Cd的含量超标(Zn和Cd的限值分别为200 mg·kg-1和0.3 mg·kg-1), 其余重金属均达到要求.除Cu(尤其是50%污泥实验组, 为107.38 mg·kg-1)接近蚯蚓半致死浓度(LC50, 116.91 mg·kg-1)外, 其余重金属和PAM含量均低于对应的LC50值.

表 1 试验土壤的重金属和PAM含量及其对应的蚯蚓半致死浓度 Table 1 Content of heavy metals and PAM in test soil and median lethal concentration
3.2 土壤中蚯蚓的生长情况 3.2.1 死亡率

污泥的掺入对蚯蚓的死亡有显著的影响(表 2).随污泥掺入比例的增大, 蚯蚓的死亡率呈先减小后增大的趋势, 21 d时最明显, 从CK到50%污泥实验组, 蚯蚓的死亡率分别为10.00%、6.67%、3.33%、3.33%、0、6.67%、16.67%和40.00%, 20%污泥实验组的死亡率最小, 为0.从时间来看, 除20%污泥实验组蚯蚓死亡率始终为0外, 其他各组的蚯蚓死亡率随暴露时间的延长总体呈现增大趋势, 以50%污泥实验组为例, 从7 d到42 d, 蚯蚓的死亡率不断增大, 分别为0、26.67%、40.00%和46.67%.但CK、5%、10%污泥实验组在21 d后其死亡率就基本保持不变, 分别稳定在10.00%±5.77%、6.67%±11.55%和3.33%±0.00.

表 2 不同实验组中蚯蚓的死亡情况 Table 2 Changes of earthworm mortality rate for different treatments
3.2.2 生长率

污泥的含量与蚯蚓体重变化之间没有显著的剂量-效应关系, 但添加适量的污泥明显有利于蚯蚓的生长(图 1).除CK实验组, 蚯蚓的生长率随时间呈先增大再减小的趋势, 其中, CK和50%污泥实验组的生长率减小后又出现增大的趋势.差异显著性分析表明, CK和50%污泥实验组的生长率与其它各实验组间均呈显著差异(p<0.05), 15%和35%污泥实验组间存在显著差异(p<0.05), 其余各实验组间均无显著差异(p>0.05).

图 1 不同实验组中蚯蚓的生长率 Fig. 1 Changes of earthworm growth rate for different treatments
3.2.3 繁殖率

图 2可知, 随污泥掺入比例的增大, 蚯蚓的繁殖率总体呈下降趋势.对照组的单条蚯蚓繁殖量最大, 达8.5条, 50%污泥实验组的单条蚯蚓繁殖量最少, 仅为3.7条, 不到对照组的50%.对各重金属和PAM与蚯蚓繁殖率进行相关性分析, 进一步确定污泥掺入对蚯蚓繁殖的影响, 结果见表 3.由表 3可知, Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb 6种重金属与蚯蚓的繁殖率均呈现显著负相关(p<0.01), 相关系数在-0.92~-0.98之间, 其中, 与Cd的负相关系数最大, 为-0.98;Co与蚯蚓的繁殖率的相关性不显著, 相关系数仅为-0.59;PAM与蚯蚓的繁殖率呈显著负相关(p<0.05), 相关系数为-0.83.

图 2 不同实验组中蚯蚓的繁殖率 Fig. 2 Earthworm reproduction rate in different treatments

表 3 实验土壤中污染因子与蚯蚓繁殖率的相关性分析 Table 3 Correlation analysis between pollution factors in experimental soil and earthworm reproduction rate
3.3 实验前后土壤PAM含量

图 3所示为蚯蚓毒理实验前后土壤中PAM的变化情况.由图可知, 随污泥掺入比例的增大, PAM的降解率呈先增大后减小的趋势, 分别为-9.15%、20.58%、21.93%%、38.61%、23.18%、8.19%和3.91%, 其变化趋势与蚯蚓的死亡率变化趋势恰好相反, 20%污泥实验组的降解率最大, 达到38%, 其他实验组的PAM均有不同程度的降解.

图 3 不同实验组土壤中PAM的含量变化 Fig. 3 Changes of PAM content for different treatments
4 讨论(Discussion)

污泥的掺入引起土壤中重金属和PAM的含量发生变化, 重金属和PAM共同影响蚯蚓的生长和繁殖.本研究中随污泥掺入比例增大, 蚯蚓的死亡率呈先减小后增大的趋势, 当掺入比为20%时, 蚯蚓存活情况最好, 无死亡现象;污泥的含量与蚯蚓体重变化之间没有显著的剂量-效应关系, 但添加适量的污泥明显有利于蚯蚓的生长;蚯蚓的繁殖率随污泥的增加呈下降趋势, 有研究表明, 蚯蚓会更倾向于把能量用于生长而延迟产卵(Ledu et al., 2008).Suthar (2009)Bakar等(2011)证明添加适量的污泥有利于蚯蚓的生长, 但添加量过大反而不利于蚯蚓生存.

重金属在低剂量时会促进蚯蚓生长, 但高剂量时会抑制生长(Hormesis效应), 影响蚯蚓分解垃圾的生物活性(Suthar, 2009), Cu、Pb、Cd、Zn、Cr等的剂量均影响蚯蚓死亡和生长(郭非凡等, 2012; 宋玉芳等, 2005; Spurgeon et al., 1999), 当Cu2+剂量>60 mg·kg-1时对蚯蚓生长有抑制作用, 超过100 mg·kg-1时其生长明显受抑制, 甚至出现负增长(周垂帆等, 2012; 李志强等, 2009).本研究中Cu在污泥掺入比为20%时含量达到62.84 mg·kg-1, 当掺入比达为50%时含量达107.38 mg·kg-1, 接近蚯蚓半致死浓度.说明污泥高比例掺入会导致Cu对蚯蚓的存活和生长产生很大影响, 当掺入比为20%时其生长开始受Cu的抑制.虽然其余重金属的含量低于对应的LC50值, 但复合金属会产生协同作用.宋玉芳等(2005)发现, 在Cu、Zn、Pb、Cd单一污染引起> 10%蚯蚓死亡的浓度下, 复合污染会导致100%蚯蚓死亡, 表明存在极强的协同效应;贾秀英等(2005)研究发现Cu可以增加Cr(Ⅵ)对蚯蚓的毒性, 浓度越大越明显.可见掺入污泥时要考虑重金属, 尤其是Cu, 对蚯蚓的死亡和生长的影响.另外, 少量PAM可以保水保肥, 改善土壤结构, 有助于蚯蚓生存(员学锋等, 2002), 但过量PAM会破坏土壤环境(陈世军等, 2012).研究表明, PAM对蚯蚓的半致死剂量大于2000 mg·kg-1(郭非凡等, 2012).本试验中50%污泥实验组的PAM含量达749.65 mg·kg-1, 说明本试验中PAM对蚯蚓死亡影响不大.但重金属和PAM也可能存在协同作用, 关于这方面的生物毒性研究尚待进一步开展.此外, 掺入适量污泥可提高土壤的有机质等营养元素含量, 为蚯蚓的存活和生长提供能量, 但比例过大会导致重金属等有害物质的毒害作用加大, 甚至大于有机质等营养元素的促进作用, 因此, 随着污泥掺入比例的增大, 蚯蚓死亡率先减小后增大.本实验中, 当污泥掺入比达25%时, 实验组的死亡率大于空白组.

蚯蚓的繁殖率往往比死亡率和生长率更敏感, 研究发现, Cu、Zn和Pb均对蚯蚓的繁殖能力有影响(Spurgeon et al., 1994), Pb污染会影响蚯蚓精子的数量和质量(董炜华等, 2013), 而外幼蚓受环境的影响往往比成蚓更敏感(Zhou et al., 2008).Zaltauskait等(2014)发现, Cd和Pb对幼蚓的存活有很大影响, 存活率随浓度和时间的增大显著减小.当PAM含量>250 mg·kg-1时就会影响蚯蚓繁殖能力(郭非凡等, 2012).本研究中污泥掺入比为20%时, PAM含量超过250 mg·kg-1, 说明当掺入比≥20%时, 蚯蚓的繁殖能力会受PAM的影响.本研究以幼蚓成活数量表示繁殖率, 蚯蚓繁殖能力和幼蚓存活率均随重金属和PAM含量的增大而降低, 导致繁殖率随污泥掺入量增大而减小.从3.2.3节相关性分析可知, 蚯蚓的繁殖率与Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb 6种重金属均呈现显著负相关(p<0.01), 与PAM呈负相关性(p<0.05), 这与郭非凡等(2012)的研究结果相似.说明掺入污泥后, 重金属和PAM均对蚯蚓繁殖能力有很大的影响.

有研究报道, PAM可以作为能源和碳源被微生物利用(李蔚等, 2004).本研究中随污泥掺入比例的增大, PAM的降解率先增大后减小, 变化趋势正好与蚯蚓的死亡率相反, 说明PAM的降解和蚯蚓生存情况紧密相关, 蚯蚓生存情况越好, PAM的降解率越大, 污泥掺入比为20%时降解率最大.

总体而言, 暴露时间越长, 蚯蚓的死亡率越大, 生长率先增大后减小, 这可能是因为营养物质的消耗(Malińska et al., 2016; 周波等, 2015).但21 d后, CK、5%、10%污泥实验组的死亡率保持不变, 而从生长情况来看, CK和50%污泥实验组的生长率减小后又开始增大, 说明蚯蚓经一段时间的驯化最终能适应实验环境.

5 结论(Conclusions)

本研究中, 随着污泥掺入量的增大, 蚯蚓死亡率先减小后增大, 繁殖率逐渐减小;添加适量的污泥有利于其生长, 但没有显著的剂量-效应关系, 可见其体重变化不是理想的污泥农用生态毒理评价指标.掺入污泥后, 蚯蚓的死亡和生长主要受重金属(尤其是Cu)的影响, 繁殖能力受重金属和PAM的共同影响.蚯蚓经一段时间驯化最终能适应实验环境.PAM的降解和蚯蚓的生存情况紧密相关.重金属和PAM共同决定了污泥的添加量, 但综合各个指标考虑, 确定污泥的掺入量不宜超过20%.

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