全 文 ：土壤重金属污染对蚯蚓的急性毒性效应研究 3
宋玉芳1 3 3 　周启星1 　许华夏1 　任丽萍1 　孙铁珩1 　龚　平2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室 , 沈阳 110016 ;
2 加拿大国家研究院生物技术研究所 , 安大略 奎北克 H4P 2R2)
【摘要】　测定了草甸棕壤条件下 ,Cu、Zn、Pb、Cd 单一/ 复合污染对蚯蚓的急性致死及亚致死效应. 结果表
明 , Cu、Pb 浓度与蚯蚓死亡率显著相关 (α= 0. 05 , RCu = 0. 86 , RPb = 0. 87) ,Cu 浓度与生长抑制率显著相
关 (α= 0. 05 ,RCu = 0. 84) , 其他供试重金属浓度与蚯蚓死亡率和生长抑制率相关性不显著. 蚯蚓个体对重
金属毒性的耐受程度差别较大. 其毒性阈值 (引起个体蚯蚓死亡浓度) 分别为 :Cu 300mg·kg - 1 ,Zn 1300mg
·kg - 1 ,Pb 1700mg·kg - 1 ,Cd 300mg·kg - 1 . LC50分别为 :Cu 400～450mg·kg - 1 ,Zn1500～1900mg·kg - 1 , Pb
2350～2400mg·kg - 1 ,Cd 900mg·kg - 1 . 在 Cu、Zn、Pb、Cd 单一污染引起 > 10 %蚯蚓死亡的浓度下 ,复合污
染导致 100 %蚯蚓死亡 ,表明复合污染极强的协同效应.
关键词 　土壤 　重金属 　复合污染 　蚯蚓 　急性毒性
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 02 - 0187 - 04 　中图分类号 　X174 　文献标识码 　A
Acute toxicological effects of heavy metal pollution in soils on earthworms. SON G Yufang1 ,ZHOU Qixing1 ,
XU Huaxia1 ,REN Liping1 ,SUN Tieheng1 and GON G Ping2 (1 Open L aboratory of Terrest rial Ecological Pro2
cess , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 ;2 Biotechnology Research In2
stitute , N ational Research Council of Canada ,6100 Royal mount A venue , Mont real , Quebec H4P 2R2) . 2Chin.
J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (2) :187～190.
Acute and sub2acute lethal effects of single and combined Cu ,Zn ,Pb and Cd on earthworm was determined using
meadow brown soil. Results indicated that the mortality of earthworm was significantly related with the concen2
trations of Cu and Zn in the soil (α= 0105 ,RCu = 0186 ,RPb = 0187) ,and the inhibition rate of earthworm growth
was significantly related with the concentration of Cu in the soil (α= 0105 ,RCu = 0184) . There was no significant
relation between the concentrations of other heavy metals tested and the death rate and the growth2inhibition
rate. The degree of individual earthworm enduring the toxicity of heavy metals varied greatly. The threshold con2
centration of toxicity defined by statistical method ,the level to conduce the death of individual earthworm was
300 mg·kg - 1 for Cu ,1300mg·kg - 1 for Zn ,1700mg·kg - 1 for Pb ,300mg·kg - 1 for Cd. LC50 was 400～450mg·
kg - 1 for Cu ,1500～1900mg·kg - 1 for Zn ,2350～2400mg·kg - 1 for Pb and 900 mg·kg - 1 for Cd. Combined ef2
fects of single Cu ,Zn ,Pb and Cd to conduce more than 10 % of the death rate of earthworm could result in 100 %
of the death rate of earthworm ,thus showing the strong synergistic joint effect of the heavy metals.
Key words 　Soil , Heavy metal , Combined pollution , Earthworm , Acute toxicity.3 中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX2 - 401) 、国家重点基础研
究发展规划项目 (973) 、中国科学院“污染生态化学”百人计划项目和
中国科学院沈阳生态实验站资助项目.3 3 通讯联系人.
2001 - 05 - 19 收稿 ,2001 - 07 - 30 接受.
1 　引 　　言
蚯蚓是生态系统中的一个重要组成部分 ,是陆生
生物与土壤生态传递的桥梁.当土壤被各类化学品污
染后 ,必将对蚯蚓的生存、生长、繁殖产生不利影响 ,
甚至死亡.因此 ,利用蚯蚓指示土壤污染状况 ,已被作
为土壤污染生态毒理诊断的一项重要指标[4 ,6 , 9 ] .
有关蚯蚓生态毒性效应研究主要侧重于农药及
杀虫剂等对蚯蚓的毒性. 如蔡道基等[1 ]进行农药对
蚯蚓的急性毒性作用. Spurgeon 等[8 ]研究了蚯蚓对
Cu污染毒害的耐受性. Chang 等[2 ]以蚯蚓进行了
Pb 污染土壤毒性评价. 王振中等[9 ]进行了重金属污
染区对蚯蚓影响研究 ,郭永灿等[3 ]进行了 24h 和
48h 的重金属对蚯蚓的毒性研究. 但有关以 OECD
实验方法进行重金属单一与复合污染条件下蚯蚓急
性毒性实验的研究报道较少[2～4 ,6 ,9 ,10～13 ] . 本研究
选择赤子爱胜 ( Esisenia f oeli de) 为供试蚯蚓 ,进行
草甸棕壤中重金属 Cu、Zn、Pb、Cd 单一与复合污染
条件下 ,蚯蚓的急性毒性效应实验研究 ,为揭示重金
属对蚯蚓毒性的剂量2效应关系 ,以蚯蚓毒性实验作
为污染土壤毒理诊断指标提供实验依据[12 ] .
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 供试品 CuSO4·5H2O , ZnSO4·7H2O , Pb (NO3 ) 2 ,Cd2
Cl2·2. 5H2O ,均为分析纯.
应 用 生 态 学 报 　2002 年 2 月 　第 13 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2002 ,13 (2)∶187～190
21112 供试土壤和蚯蚓 　土壤为 0～20cm 表土 ,采自中国
科学院沈阳生态实验站 (表 1) . 蚯蚓购自市场. 实验开始前 ,
将蚯蚓置于湿润的滤纸上 3h ,使蚯蚓排除畅道内的内含物 ,
然后冲洗 ,滤纸吸干 ,备用.
表 1 　供试土壤的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of test soils
土壤类型
Soil type
T2P 3
( %)
T2K
( %)
K2N
( %)
p H 有机质
O2M ( %) CEC(cmol·kg - 1) T2Cu(mg·kg - 1) T2Zn(mg·kg - 1) T2Pb(mg·kg - 1) T2Cd(mg·kg - 1)
草甸棕壤 0. 04 0. 18 0. 091 6. 22 1. 65 12. 26 32. 9 28. 1 11. 1 0. 17
Meadow brown soil3 T2P :总 P Total P ; T2K: 全 K Total K; K2N : 凯氏氮 Kjedahl2nitrogen ;O2M :有机质Organic matter ; CEC :阳离子交换量 Cation exchange capac2
ity ; T2Cu , T2Zn , T2Pb , T2Cd :土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd 背景值 (总量) The background values of Cu , Zn , Pb and Cd (total amount) .
212 　主要仪器设备 　受控环境生长箱 ,硬质玻璃培养皿 ,1L
标本瓶. 无灰定性滤纸.
213 　实验方法
21311 蚯蚓急性毒性实验 　选用 1～2 月龄 ,体重 200～
300g 的健康蚯蚓赤子爱胜为供试品 [4 ] . 正式试验前 ,进行浓
度范围选择试验. 以几何级数系列设计至少 5 种浓度. 分别
将一定浓度的重金属水溶液与 750g 土壤混合. 调节土壤水
分含量为最大持水量的 60 %. 平衡 48h 后 ,转移到 1L 冲洗
干净的玻璃瓶中 ,加入 10 条已在人工条件中饲养 24h 蚯蚓.
将玻璃瓶用纱布或塑料薄膜扎好瓶口 ,置于 200 ℃±20 ℃,
湿度为 80 %的条件下连续光照培养. 实验期为 14d. 每个处
理组和对照组设 4 个平行样. 试验第 7 天时 ,将培养瓶内的
土壤倒入玻璃皿上 ,检查蚯蚓前尾部对机械刺激的反应后 ,
将土壤和蚯蚓重新置于培养瓶中继续培养直至 14d 实验结
束时 , 测定蚯蚓的平均体重和数量. 以重金属浓度2蚯蚓死
亡率和蚯蚓体重增长抑制率绘制剂量2反应曲线 [5 ] .
21312 重金属测定 　重金属全量采用 HNO32KClO5 (3∶1) ,
常温常压提取2ICP 光谱分析法 ,可溶性重金属采用 0. 1mol·
L - 1 HCl 提取2AAS法[8 ] .
3 　结果与讨论
311 　Cu 对蚯蚓的急性毒性效应
由图 1 可见 ,Cu 浓度 240mg·kg - 1以下时 ,对蚯
蚓不产生任何毒性效应. 蚯蚓死亡率和生长抑制率
均与对照无差别. Cu 浓度 300mg·kg - 1时 ,对蚯蚓产
生毒性作用. 个别蚯蚓死亡和个体体重下降. Cu 浓
度 400mg·kg - 1时 ,蚯蚓死亡率和个体体重下降的
亚致死效应并未随浓度上升. Cu 浓度 450mg·kg - 1
时 ,蚯蚓致死率迅速上升至 63 % , 480mg·kg - 1 为
90 % ,直至 Cu1000mg·kg - 1时 ,全部供试组蚯蚓死
亡 ,绝对致死率 100 %. 以蚯蚓死亡率和生长抑制率
对 Cu 浓度作图 ,进行回归分析 ,相关性显著 (α=
0. 05 , RCu = 0. 86 , RCu = 0. 84) . 结果表明 ,Cu 也是
蓄积性元素 ,Cu 在蚯蚓机体内的富集是一个逐渐慢
性中毒过程. 从图 1 所给标准偏差也表明 ,蚯蚓个体
对 Cu 毒性的耐受程度差别较大. 例如 ,当 Cu 为
450mg ·kg - 1 时 , 蚯蚓死亡率 63 % , 标准偏差
2513 %.
图 1 　土壤中 Cu 与蚯蚓急性毒性的剂量2效应关系
Fig. 1 A dose2effect relationship between Cu and its acute toxicity on
earthworms in soils.
Ⅰ1 死亡率 Death rate , Ⅱ1 抑制率 Inhibition rate. 下同 The same be2
low.
　　与植物根伸长抑制率相比 ,蚯蚓对 Cu 毒性的
耐受性更强. 此外 ,还有一点不同的是 ,引起 50 %蚯
蚓死亡的 LC50浓度不是一个固定的值 ,而是一个浓
度区间. 也就是说 ,由于蚯蚓个体对毒性感应程度的
差别 ,以及 Cu 本身蓄积性毒性的限制 ,在实验上
LC50浓度值具有不固定性. 通过统计方法确定的浓
度区间为 400～450mg·kg - 1 . 这一结果远低于有关
报道的 48h LC50值 633mg·kg - 1 [2 ] . 除了实验土壤
性质不同影响外 ,实验周期的长短影响 Cu 的蓄积
性毒性效应. 萝卜根伸长抑制率达 50 %的 Cu 浓度
为 50mg·kg - 1 . 显然 ,重金属对植物根伸长抑制的
毒性远大于对蚯蚓的毒性. 但蚯蚓急性毒性实验是
从土壤动物角度对土壤污染诊断的一个方面 ,是土
壤污染诊断系列中不可缺少的环节[6 ] .
312 　Zn 对蚯蚓的急性毒性效应
由图 2 可见 ,Zn 浓度 900mg·kg - 1以下时 ,蚯蚓
死亡率和生长抑制率均与对照无差别. Zn 浓度
1300 mg·kg - 1 时 ,对蚯蚓产生毒性作用 ,死亡率
20 % ,生长抑制率 40 %. 随着 Zn 浓度增加 ,死亡率
上升 ,1500mg·kg - 1时为 36. 7 % ,但生长抑制率下
降. Zn 为 1600mg·kg - 1时 ,供试组蚯蚓全部死亡 ,绝
对致死率 100 % ,蚯蚓死亡率和生长抑制率与 Zn 浓
881 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
度的相关性不显著 (α= 0. 05 , RZn死亡 = 0. 79 , RZn抑制
= 0. 56 ,) . 以上结果说明 ,在供试蚯蚓中存在两种
群体 :一种可称为敏感群 ,它们对毒性的响应十分敏
感 ,且响应的程度与重金属浓度存在明显剂量2效应
关系. 另一种为不敏感群 ,它们对重金属毒性具有很
强的适应性或抗性. 由于这两种群体的存在 ,导致蚯
蚓个体对 Zn 毒性耐受程度的显著差别. 从图 2 可
见 ,蚯蚓致死率随 Zn 浓度增加在较低浓度时是渐
进的、缓慢的 ,而后是迅速的 ,表明重金属的蓄积性
是毒性效应特征[2 , 7 ] .
图 2 　Zn 与蚯蚓急性毒性的剂量2效应关系
Fig. 2 A dose2effect relationship between Zn and its acute toxicity on
earthworms in soils
　　蚯蚓对 Zn 毒性的耐性也较植物强[11 ] . 例如 ,引
起 50 %蚯蚓死亡的 LC50浓度 > 1500mg·kg - 1 ,而萝卜
根伸长抑制率达 50 %的 Zn 浓度为 700mg·kg - 1 .
Spurgeon 等[6 ]通过对冶炼厂土壤进行蚯蚓对 Zn 污染
毒性效应研究时也发现 ,蚯蚓能忍受高浓度的 Zn.
313 　Pb 对蚯蚓的急性毒性效应
由图 3 可见 , Pb 浓度 1500mg·kg - 1以下时 ,蚯
蚓死亡率和生长抑制率与对照相当. 当 Pb 浓度
1700mg·kg - 1时 ,开始对蚯蚓产生毒性. 蚯蚓死亡率
和生长抑制率分别为 3. 0 %和 5. 0 %. Pb 浓度
2000mg·kg - 1时 ,蚯蚓致死率为零 ,但生长抑制率为
24 % ,说明高浓度 Pb 虽未造成蚯蚓死亡 ,但已经对
蚯蚓产生了明显的亚致死效应. Pb 浓度 2300mg·
kg - 1时 ,蚯蚓死亡率和生长抑制率分别为 13. 3 %和
12. 1 %. 以上数据说明 , Pb 为 1700～2300mg·kg - 1
是蚯蚓毒害的阈值区. 低于此浓度 , Pb 对蚯蚓无任
何毒害作用 ,在此浓度之间 Pb 含量的增加或减少
均未产生增强的毒害作用 ,高于此浓度 ,毒害作用随
Pb 含量增加而增强 ,3000mg·kg - 1时 ,全部供试组
蚯蚓死亡 ,致死率 100 %. 蚯蚓死亡率与 Pb 浓度之
间显著相关 (α= 0. 05 , RPb死亡 = 0. 87) , 与生长抑制
率相关不显著 ( RPb抑制 = 0. 60 ,) .
Pb 浓度 2800 mg·kg - 1所得的死亡率和生长抑
制率两组数据可知 (图 3) ,供试蚯蚓对 Pb 毒性反应
的差别极大. 例如 ,当一部分蚯蚓因耐受不了高浓度
Pb 而中毒死亡时 , 另一部分蚯蚓确安然无恙 ,生长
抑制率为 - 2 %的结果说明 ,高浓度的 Pb 没有对存
活蚯蚓造成任何毒害作用. 蚯蚓对 Pb 毒性的耐受
性同样较植物强 [7 ] . 例如 ,引起 50 %蚯蚓死亡的
LC50 浓度 > 2300mg·kg - 1 ,而萝卜根伸长抑制率达
50 %的 Pb 浓度为 700mg·kg - 1 .
图 3 　Pb 与蚯蚓急性毒性的剂量2效应关系
Fig. 3 A dose2effect relationship between Pb and its acute toxicity on
earthworms in soils.
　　由图 3 可见 ,Pb 剂量与蚯蚓死亡率相关性不及
植物显著. 其剂量2效应关系为线性相关.
314 　Cd 对蚯蚓的急性毒性效应
由图 4 可见 ,Cd 浓度 290mg·kg - 1以下时 ,蚯蚓
死亡率和生长抑制率与对照相同. Cd 浓度 300mg·
kg - 1时 ,蚯蚓死亡率和生长抑制率分别为 5. 0 %和
16. 0 %. Cd 浓度 800mg·kg - 1时 ,蚯蚓死亡率增加至
20 % ,生长抑制率略有提高. 但在 Cd 浓度 300～
800mg·kg - 1的浓度范围内 ,蚯蚓致死率无明显变
化. Cd 浓度 900mg·kg - 1时 ,对蚯蚓致死与亚致死效
应增强. 此后 ,致死率和生长抑制率随 Cd 浓度升高
而增大. Cd 1000mg·kg - 1时 ,全部供试组蚯蚓死亡 ,
致死率 100 %. 由此确定了 Cd 对蚯蚓毒害作用的几
个阶段为 :290mg·kg - 1为最大无害浓度 ,300～800
mg·kg - 1为毒害阈值浓度 ,1000mg·kg - 1为绝对致
死浓度. 蚯蚓死亡率和生长抑制率与 Cd 浓度相关
性不显著 (α = 0. 05 , RCd死亡 = 0. 78 , RCd抑制 =
0175 ,) . 由图 4 致死率和亚致死率两组数据分析可
见 ,Cd 在 300～800mg·kg - 1浓度范围 ,对蚯蚓毒害
的亚致死效应更加明显. 例如 ,蚯蚓死亡率仅为
1. 7 %、3. 0 %、5. 0 %和 10 %时 ,亚致死率分别达到
9812 期 　　　　　　　　　　　　宋玉芳等 :土壤重金属污染对蚯蚓的急性毒性效应研究 　　　　　　　　
17 %、17. 4 %、16 %和 19. 3 % ,说明在毒害浓度阈值
区 ,Cd 对所有供试蚯蚓都产生了明显毒害作用. 其
中一部分死亡 ,另一部分生长受到明显抑制. 这与
Cu、Zn 和 Pb 的情况有所不同.
蚯蚓对 Cd 毒性的耐受性也较植物强[8 ] . 例如 ,
引起 50 %蚯蚓死亡的 LC50浓度 > 900mg·kg - 1 ,而
萝卜根伸长抑制率达 50 %的 Cd 浓度为 230mg·
kg - 1 . 由图 4 可见 ,Cd 剂量与蚯蚓死亡率相关性不
及植物显著. 其剂量2效应关系为线性相关.
图 4 　Cd 与蚯蚓急性毒性的剂量2效应关系
Fig. 4 A dose2effect relationship between Cd and its acute toxicity on
earthworms in soils.
315 　重金属复合污染对蚯蚓的急性毒性效应
实验以引起 > 10 %蚯蚓死亡的重金属浓度为起
点 (Cu 400mg·kg - 1 , Zn 1400mg·kg - 1 , Pb 2300mg·
kg - 1 , Cd 700mg·kg - 1) ,进行 4 种重金属复合污染对
蚯蚓的急性毒性实验. 由图 5 可见 ,在此浓度下供试
蚯蚓 100 %死亡.分别将上述土壤按比例稀释 ,使土壤
中 4 种重金属浓度分别为原土浓度的 1/ 2、1/ 3 和 1/
4 ,由图 5 可见 ,蚯蚓死亡率分别为 25 %、8. 3 %和
3. 3 % ,抑制率分别为 18. 4 %、6. 4 %、215 %. 显然 ,复
合污染产生明显的协同作用 ,明显降低了蚯蚓急性致
图 5 　重金属复合污染与蚯蚓急性毒性的剂量2效应关系
Fig. 5 A dose2effect relationship between combined pollution of the test2
ed heavy metals and their acute toxicity on earthworms in soils.
死浓度.由图 5 可见 ,在同一污染浓度下 ,蚯蚓的亚致
死效应与重金属浓度呈明显剂量2效应关系. 亚致死
效应是蚯蚓受害过程和受害程度的体现 ,是蚯蚓对污
染条件的一种本能生理反应.它与个体蚯蚓因对污染
环境敏感而导致死亡的结果比较 ,同样是反映蚯蚓群
体对土壤整体质量的一种识别的一种方式[2 ] .
显然 ,蚯蚓对重金属复合污染的毒性响应远比
单一污染条件下敏感. 在自然界中 ,复合污染是一种
普遍存在的现象 ,而污染土壤中的复合污染程度更
加复杂 ,生物对此毒性响应也将更加敏感. Chang
等[2 ,9 ]用蚯蚓对处理前后的土壤进行毒理诊断时发
现 ,它可明显指示不同处理土壤毒性的差别.
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作者简介 　宋玉芳 ,女 ,1954 年生 ,博士 ,副研究员. 主要从
事污染生态学研究 ,发表文章 30 余篇. E2mail : Songyufang @
hotmail. com
091 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷