食土蚯蚓对土壤有机质和酚类有机污染物降解转化研究

【摘要】：土壤有机质是全球陆地生态系统中最大的碳库,其稳定性的变化对于农业可持续发展,温室气体的排放及全球气候变化具有重要影响。土壤生物特别是土壤动物对土壤的理化性质及微生物生境具有直接和强烈的影响,因而对土壤有机质的稳定性具有重要的调控作用。蚯蚓作为土壤动物中的典型代表,在土壤有机物的降解转化、营养的周转和流通过程中扮演着重要角色,同时蚯蚓的各类活动也会强烈影响和改变土壤中有机污染物的行为和归趋。然而,目前有关食土蚯蚓对土壤有机质,特别是稳态土壤有机质(如腐殖物质)的降解、活化等方面的影响仍不清楚,有关蚯蚓对腐殖物质、腐殖物质特定组分降解转化方面的研究尚处于空白。微生物生物量(Microbial biomass)是土壤中土壤有机质的重要组成成分,其细胞的主要组分糖类、多肽、儿丁质等是土壤中非腐殖物质的典型代表,食土蚯蚓对土壤中各类微生物及其细胞主要组分降解转化的影响以及蚯蚓对微生物生物量同化和利用情况也还缺乏相关研究。蚯蚓对土壤中传统有机污染物(如农药、石油烃、多环芳烃(PAHs)和多氯联苯(PCBs)等)降解转化的研究已有很多报道,但其对当前因城市污泥的农业资源化利用而在土壤中大量出现的新兴(Emerging)有机污染物(如苯酚类内分泌干扰物)的影响还鲜有涉及,此外,关于蚯蚓活动影响有机污染物土壤降解转化机理的研究也还很不足,目前多数实验只是研究了蚯蚓对土壤中污染物去除的总影响,蚯蚓活动对土壤中有机污染物生物有效性的影响以及蚯蚓体内有机污染物代谢和转化情况的研究还很少。针对目前上述研究中存在的问题,本文采用14C示踪技术,以实验室合成和制备得到的14C标记的天然有机质和酚类有机污染物为研究对象,以食土蚯蚓为目标生物,研究了其对土壤中各类天然有机质降解与转化,考察了典型苯酚类内分泌干扰物壬基酚在蚯蚓体内的富集、代谢及转化,并研究了食土蚯蚓对酚类有机污染物生物有效性和土壤环境归趋的影响。主要的研究结果如下： 1.研究了两种食土蚯蚓(深层种Metaphire guillelmi和内层种Amynthas corrugatus)对腐殖物质的降解与转化,发现,M. guillelmi和A. corrugatus均能够选择性的消化和利用腐殖物质中的蛋白质组分,表明食土蚯蚓可以矿化和利用稳态的土壤有机质,但蚯蚓对腐殖物质的总体利用率较低,实验中只有不到3%的腐殖物质可以被蚯蚓同化吸收。同时,食土蚯蚓对腐殖物质蛋白质组分的选择性消化提高了蚓粪中无机氮的含量,可能会对十壤中氮的循环产生潜在影响。 2.研究了食土蚯蚓M. guillelmi对微生物细胞(Escherichia coli,Bacillus megaterium, Penicillium. chrysogenum)及微生物细胞主要组分(蛋白质,肽聚糖和几丁质)的降解转化。结果表明,蚯蚓能够显著促进微生物细胞尤其是微生物细胞组分在土壤中的矿化,真菌和几丁质被蚯蚓的同化和利用率较高,表明真菌可能是蚯蚓相对重要的食物和能量来源。同时,上述微生物细胞及其细胞主要组分被蚯蚓降解和转化后,其在土壤中的腐殖化程度(在腐殖碳库中的相对分布)也发生了显著改变。 3.食土蚯蚓对土壤腐殖物质的选择性消化和降解会导致腐殖物质结构和功能的改变并可能进而影响其对土壤中有机污染物的吸附能力,为此我们研究了三种典型氯代苯酚化合物(2,4-氯苯酚,2,4,6-三氯苯酚及五氯苯酚)在不同老化时间蚓粪和母体土壤上的吸附／解吸行为。结果表明,在实验的浓度范围内,氯代苯酚在不同老化时间蚓粪和母体土壤上的吸附符合线性等温线模型,三种氯代苯酚在不同老化时间蚓粪和母体土壤上的吸附容量大小顺序为：五氯苯酚2,4-氯苯酚2,4,6-三氯苯酚。三种氯代苯酚在不同老化时间蚓粪上的吸附容量均大于母体土壤,表明蚯蚓的肠道传输过程提高了氯代苯酚在土壤上的吸附容量,蚓粪对氯代苯酚具有高吸附容量的主要原因是其内具有高含量的粘粒和粉粒及土壤有机质性质的改变。 4.研究了四种典型支链对位壬基酚(4-NP)异构体(14C-4-NP111,4-NP112,4-NP65和13C-4-NP38)和一种直链4-NP(4-NP1)在土壤中的好氧降解。研究发现,五种4-NP异构体在土壤中的降解符合生物有效性校正后的一级动力学模型,并且具有异构体特异性的特点,其降解半衰期大小为：4-NP111(10.3 d)4-NP112(8.4 d)4-NP65(5.8d)4-NP38(2.1d)4-NP1(1.4 d),该降解半衰期与其文献中报道的雌激素活性大小一致,暗示随着4-NPs降解的进行,残留在土壤中的4-NPs的单位雌激素活性将会升高。4-NP111在土壤中的降解形成了一种极性小于4-NP111的代谢产物,该代谢产物形成很快,并在实验周期内含量保持稳定。4-NP111在降解过程中也形成了大量的结合态残留,并且结合态残留在土壤有机质中的主要结合组分为胡敏素。 5.研究了14C-4-NP111在食上蚯蚓M. guillelmi体内的生物蓄积、消除及结合态残留形成情况。结果显示,14C-4-NP111在蚯蚓体内蓄积很快,20 d后,14C在蚯蚓体内的蓄积几乎达到平衡,此时蚯蚓体内的14C约有77%以结合态残留的形式存在。14C-4-NP111在蚯蚓体内的消除动力学符合生物有效性校正后的·级动力学模型,蚯蚓体内总14C,结合态残留14C以及可提取态14C的半哀期分别为25.1d,22.6 d和1.9 d,结合态残留14C的消除是蚯蚓体内总14C消除的限速步骤。放射性薄层色谱(14C-TLC)分析表明,蚯蚓体内有机溶剂可提取态14C中含有自由态4-NP111、代谢产物(M1)以及大量极性化合物,其中自由态4-NP111仅占9%。经β-葡萄糖醛酸酶酶解后的蚯蚓有机溶剂提取液中自由态4-NP111和M1的含量分别增加4.3%和6.2%,表明有4.3%的4-NP111以及6.2%的代谢产物M1以葡萄糖醛酸共轭物的形式结合在蚯蚓体内。 6.研究了双酚A (BPA)和壬基酚(4-NP111)在上壤中的矿化、降解及结合态残留的形成情况,并考察了食土蚯蚓Aporrectodea longa对土壤中BPA和4-NP111环境归趋的影响。结果表明,BPA和4-NP111在土壤中的归趋具有很大差异,BPA在土壤中的矿化和降解快于4-NP111,BPA及其残留物在腐殖物质上的结合相对均匀,而4-NP111及其残留物偏向于和腐殖物质中的大分子结合,BPA和4-NP111在土壤降解过程中均形成了大量污染物结合态残留。蚯蚓对土壤中BPA和4-NP111归趋的影响不同,蚯蚓抑制了4-NP111在土壤中的矿化、降低了4-NP111在土壤中结合态残留的形成及胡敏素中共价键结合形式的4-NP111及其残留物的含量,而蚯蚓仅改变了BPA残留物在土壤腐殖物质上的分布。 食土蚯蚓对腐殖物质蛋白质组分的选择性消化和降解不仅首次证明了食土蚯蚓可以利用腐殖物质中多肽形式存在的大量高质量氮源,同时也提供了食土蚯蚓可以矿化和同化腐殖物质的直接证据,但不同生态类型食土蚯蚓矿化和利用腐殖物质的差异还有待于进一步的研究。深层种食土蚯蚓对微生物生物量及其细胞组分的降解转化结果暗示,相比于细菌,真菌可能是食土蚯蚓相对重要的食物来源,但该结论是否适用于内层种食土蚯蚓也还有待于进一步研究。蚯蚓的肠道传输过程以及在该过程中蚯蚓对土壤腐殖物质的选择性降解改变了氯代苯酚在土壤中的吸附行为,并可能会对氯代苯酚在土壤中的生物有效性产生潜在影响。不同工业壬基酚异构体在上壤中的好氧降解具有异构体特异性的特点,并且壬基酚在土壤中降解形成了大量极性小于壬基酚的代谢产物,表明在评价壬基酚土壤生态风险时不仅要考虑不同异构体之间的差异,也要考察其在土壤中的降解产物形成情况。壬基酚可以以自由态、代谢产物、葡萄糖醛酸共轭物以及结合态残留的形式蓄积到蚯蚓体内,并且结合态残留形式的壬基酚是蚯蚓体内蓄积壬基酚的主要存在形态,表明在评价壬基酚的生物富集能力时不应仅只考虑蚯蚓体内自由态壬基酚含量,还须综合考察其在蚯蚓体内的代谢和结合态残留情况。食土蚯蚓对土壤中苯酚类内分泌干扰物(即BPA和4-NP111)环境归趋的影响因化合物自身结构的不同而不同。