蚯蚓活动对中国农业土壤中锑生物利用度的影响受土壤类型的影响

《Environmental Research》：Soil type-dependent effects of earthworm activity on antimony bioavailability in Chinese agricultural soils

本研究通过化学提取、回避测试和生长实验，评估了不同土壤（酸性、中性、碱性、钙质）中 earthworm 活动对 Sb 生物可利用性的影响，发现 earthworm 通过调节 pH 显著改变 Sb 移动性，且物种间敏感性存在差异，为制定土壤特异性风险评估提供依据。

　　

钟千云|李连珍|马丛利|吴文|何梦昌

北京师范大学科学技术仪器服务中心，中国珠海519087

摘要

随着全球工业化的加速，锑（Sb）污染对生态系统和人类健康构成了日益严重的威胁，锑污染问题日益受到关注。本研究评估了蚯蚓活动对不同农业土壤中锑生物可利用性的影响及其影响因素。从中国多个地区收集土壤样本，通过化学提取方法以及蚯蚓避避和生长测试来评估锑的生物可利用性。主要目的是确定蚯蚓活动如何影响锑的生物可利用性，并了解土壤特性对蚯蚓行为和生长的内在影响。结果表明，蚯蚓活动显著降低了酸性和中性土壤的pH值，从而增加了锑的生物可利用性；而在碱性和石灰质土壤中，pH值变化较小，导致锑的迁移性降低或不稳定。土壤特性——尤其是pH值和有机质——对蚯蚓的行为（如避避反应）和生长抑制具有关键影响。研究发现，地表蚯蚓Eisenia fetida对锑污染的敏感性高于地下蚯蚓Pheretima guillemi。这些发现强调了蚯蚓作为“生物工程师”通过pH驱动过程调节锑环境行为的作用。本研究强调了整合土壤特定特性（如pH值和有机质）以及不同蚯蚓物种之间的生态差异对于提高受污染农业环境中锑风险评估准确性的必要性。

引言

锑（Sb）及其化合物已被认为对人体健康有害，欧盟在1976年、美国环境保护署在1979年将其列为重点关注物质。环境中的锑污染来源主要包括采矿和冶炼作业、煤炭燃烧以及含锑产品的使用（He等人，2012；Wilson等人，2010）。鉴于锑在环境中的普遍存在，了解其在土壤中的生物可利用性对于评估生态和人类健康风险至关重要。中国的锑土壤污染主要集中在采矿和冶炼区域（He等人，2012；Wang等人，2011；Yang等人，2015），附近的农业土壤需要特别关注。例如，湖南省锡矿山的表土样本中锑含量高达10至2,159毫克/千克，导致水稻吸收的锑占总摄入量的33%，超过了世界卫生组织推荐的安全值（He等人，2019；He等人，2012；Wu等人，2011）。农田土壤中的锑可以通过植物根部被吸收，并可能造成毒性作用（Ainsworth等人，1991；Ma等人，2019；Shtangeeva等人，2011；Tschan等人，2009；Wang等人，2017）。蔬菜、谷物和其他作物中的锑（Cai等人，2016；He，2007；Wu等人，2011）可以通过食物链直接或间接被人体摄入，从而对人体造成不良影响（Feng等人，2013）。食物作物中的这种锑浓度可能无症状，但可能对生态系统和人类有害（Cai等人，2016；Corrales等人，2014；Zhong等人，2020）。

蚯蚓作为主要的土壤无脊椎动物，是评估土壤中重金属生物可利用性的有效生物指标。蚯蚓活动在改变土壤特性和金属生物可利用性方面起着关键作用（Duan等人，2016；Wu等人，2020b）。在受锑污染的土壤中，蚯蚓作为重要的生物指标，显示出其在生态风险评估中的显著价值（Leveque等人，2015；Nannoni和Protano，2016；Sanchez-Hernandez，2006）。蚯蚓避避测试因其敏感性、成本效益和操作简便性而被认为是生态风险评估中的有效初步筛选工具（Delgadillo等人，2017；Frankenbach等人，2014；Mosneang等人，2016；Natal-Da-Luz等人，2008）。蚯蚓对痕量金属的吸收存在双重风险：它对蚯蚓本身有毒，同时通过营养级传递过程也可能对陆地食物网中的捕食者和分解者构成威胁（Nahmani等人，2007；Richardson等人，2016）。因此，本文进行了一系列实验，研究蚯蚓活动对不同农业土壤中锑生物可利用性的影响及其影响因素。

土壤特性，特别是pH值和有机质含量，显著影响金属（包括锑）的生物可利用性（Siming等人，2021）。这些特性影响金属的迁移性和植物的吸收能力，从而影响金属通过食物链的传递（Xiao等人，2020b）。锑的形态强烈依赖于氧化还原条件：在氧化性碱性条件下（pH 8.5），Sb(V)占主导地位，具有高溶解度和迁移性；而在还原性酸性环境中（pH <5），Sb(III)占主导地位，由于配体交换反应增强了矿物表面吸附作用，其溶解度降低（Han和Park，2020）。蚯蚓与土壤成分之间的相互作用——通过颗粒重塑和有机质——根据土壤条件可以增加或降低金属的生物可利用性（Liao等人，2021；Owojori等人，2010）。值得注意的是，不同种类的蚯蚓对pH值的敏感性存在差异（Chan和Mead，2003），土壤pH值显著影响它们的生存、生长、繁殖、种群密度和物种多样性（Chan和Mead，2003；Moore等人，2013；Wu等人，2020a）。鉴于中国广阔的地理范围和多样的土壤类型（从酸性到石灰质碱性），每种土壤都有不同的特性，可能会影响锑的毒性，大多数生态毒理学研究依赖于人工土壤，限制了将其结果推广到野外条件的能力。因此，了解蚯蚓活动、土壤特性和自然土壤中锑生物可利用性之间的相互作用对于准确的生态风险评估至关重要。

本研究旨在通过结合化学提取、蚯蚓避避测试和生长测定，全面评估蚯蚓活动对中国代表性农业土壤中锑生物可利用性的影响。我们假设：（1）蚯蚓活动通过改变土壤特性（特别是pH值）来增强锑的生物可利用性；（2）土壤特性（如pH值和有机质）显著影响蚯蚓的行为和生长抑制，这体现在避避反应和生长速率上；（3）地表蚯蚓（Eisenia fetida）和地下蚯蚓（Pheretima guillemi）之间的生态差异导致在锑暴露实验中产生特定物种的结果。通过解决这些假设，我们的工作为理解生物和非生物因素之间复杂的相互作用提供了见解，有助于开发特定于土壤的风险评估框架。

部分摘要

土壤和蚯蚓的准备

为了评估不同农业土壤（蔬菜田）中锑生物可利用性的影响，我们从中国不同省份收集了12个表土样本（深度0-20厘米），涵盖了从酸性到石灰质碱性的各种土壤类型：广东省花岗岩风化的红土（GD）、安徽省下蜀黄土（AH）、黑龙江省第四纪黄土沉积物中的黑土（HLJ）以及各种风化产物形成的黄红色土壤

蚯蚓活动对农业土壤中锑生物可利用性的影响

土壤pH值是决定重金属在陆地生态系统中吸附-解吸动力学和生物可利用性的基本因素。监测蚯蚓活动引起的pH值变化对于理解这些过程至关重要。研究了Eisenia fetida活动对四种典型农业土壤（S1：酸性土壤；S2：中性土壤；S3：碱性土壤；S4：石灰质碱性土壤）在28天培养期间的pH值变化（表2）。

讨论

本研究的一个关键发现是，蚯蚓活动对土壤中锑生物可利用性的影响很大程度上取决于土壤的初始特性，这种依赖性与其对关键土壤参数（如pH值）的调节作用直接相关。如表2所示，蚯蚓活动显著降低了酸性和中性土壤的pH值，但对碱性土壤的pH值影响较小，甚至在石灰质碱性土壤中略微导致了碱化。

结论

本研究通过分析蚯蚓对不同类型土壤中锑的生态毒性反应，揭示了土壤特性在评估锑生物可利用性中的关键作用。结果表明，蚯蚓通过改变土壤特性（尤其是pH值）来影响锑的生物可利用性，这一过程受到土壤特性和蚯蚓生态类型的共同调控。这些发现支持建立特定于土壤的筛选值

作者贡献声明

何梦昌：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。吴文：写作——审稿与编辑。马丛利：写作——审稿与编辑、数据管理。李连珍：监督、资源管理、方法论。钟千云：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、实验设计

未引用的参考文献

Rusek和Marshall，2000年。

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42030706）和国家重点研发计划（编号：2016YFD0800405）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。