The effect of Eisenia fetida earthworm on bioavailability of lead-contaminated soils in the presence of organic matter

Authors

1 Assoc. Prof., Soil Science Dept., Bou-Ali Sina University, Hamedan, Iran

2 M.Sc. Graduated, Soil Science Dept., Bou-Ali Sina University, Hamedan, Iran

Abstract

The aim was to evaluate the efficacy of Eisenia fetida soil earthworms in the biological treatment of Lead-contaminated soils in the presence of organic matters. 6 soil samples from zero to 15 cm depth were collected at different distances around the mine and a soil sample (control) was collected from the non-contaminated area. This experiment was investigated as a factorial in the form of a complete randomized block design with first factor of organic fertilizers (cow manure, carrot pulp, vermicompost and control) and the second factor of the presence or absence of earthworms. 12 earthworms weighing between 0.3 and 0.6g were selected for each soil sample (300g). For 42 days, the worms were exposed to lead-contaminated soils with a concentration of 133.19 to 13250 mg/kg. At the end of the experiment, the concentration of lead in soil and earthworms body was measured. Results of this study show that the highest concentration of lead in the body of earthworms was found in all treatments at S3 and S2, which were more polluted than other sampling points to this metal. Soil earthworms have different capacities for absorbing and accumulating lead. The amount of bioaccumulation factor for lead metal at point S7 was greater than one, which was similar to previous studies. A significant increase in the amount of exchange lead (50 mg/kg) was observed in the treatment of cow manure without inoculation with earthworms. While the application of organic fertilizer with earthworm reduced the amount of Lead metal in the carbonate sector.

Keywords

Full Text

مقدمه

فلزات سنگین که در نقاط مختلف دنیا به شکل­های گوناگون از لحاظ فیزیکی و شیمیایی و در عین حال در غلظت­های مختلف به عنوان آلوده کننده محیط­زیست وارد اکوسیستم می­شوند تاکنون اثرات زیانباری را بوجود آورده­­اند. این فلزات سمی معمولا در فرایند ضایعات حاصل از استخراج معدن، آبکاری  فلزات، تجهیزات تولید برق، دستگاه­های الکترونیکی واحدهای تولیدی و دباغ خانه­ها وجود دارند (وانگ 2009). صنعتی شدن جوامع بشر منجر به آزاد سازی مقادیر قابل توجهی از عناصر فلزی به زیست کره گردیده است (لست و همکاران 1988).در مناطق متعددی که تحت تاثیر فعالیت­های معدن هستند همواره غلظت بالایی از عناصر سمی تولید می­کنند که اثرات سوء بر اکوسیستم دارند (ویگلب و فلینکف 2001). بنابراین فعالیت معدن یکی از خطرناک­ترین فعالیت­های انسان در جهان (آدرینو 1986) و یکی از بزرگترین منابع آلودگی زیست محیطی ناشی از فلزات سنگین است که محیط زیست را در معرض خطر قرار می­دهد. فلزات سنگین دارای ویژگی­هایی نظیر: تجمع پذیری زیستی، سمیت بالا، ثبات شیمیایی، تجزیه پذیری ضعیف و نیز قابلیت انحلال زیاد در آب هستند که سبب آلودگی­های وسیع در سطح خاک می­شوند (سیزمور و هادسون 2009). فلزات سنگین به دلیل سمیت و ماندگاری آنها در محیط زیست تهدیدی جدی برای سلامت جامعه بحساب می­آیند (لی و همکاران 2014). از جمله فلزات سنگین موجود در خاک می­توان به سرب اشاره کرد، سرب فلزی است که بیشترین عوارض را بر روی سلامتی انسان دارد و بسیار سمی می­باشد، اختلال بیوسنتز هموگلوبین و کم خونی، افزایش فشارخون، آسیب به کلیه، اختلال سیستم عصبی، آسیب به مغز، کاهش قدرت یادگیری و اختلالات رفتاری در کودکان از عوارض افزایش غلظت سرب در بدن است (برلین 1985). کرم های خاکی موجودات زنده خاک هستند که به طور معمول در مطالعات زیست محیطی و سمیت شناسی زیستی استفاده می­شوند (دای و همکاران 2004؛ هابلن و همکاران 2006 ). این موجودات یکی از بهترین اجزای خاک می­باشند که نقش اساسی در حفظ ساختمان خاک، توسعه­ی خاک و اثرات کلیدی در فرایندهایی مانند تجزیه مواد آلی و مواد مغذی معدنی دارند (دای و همکاران 2004). این موجودات زنده خاک اطلاعات مهمی برای ارزیابی خطرات زیست محیطی را تامین می­کنند و به دلیل ارتباط نسبتا مداوم بین غلظت برخی از آلوده کننده­ها در بافت­شان و در بخش­های خاک یک شاخص مفید بیولوژیکی جهت ارزیابی آلودگی به حساب می­آیند (لنو و همکاران 2004). استفاده از کرم­های خاکی در پالایش زیستی خاک یک روش زیستی است، به طوری که غلظت آلاینده­ها در خاک از طریق مکانیسم تجمع زیستی در بدن کرم­های خاکی کاهش پیدا می­کند (سایزوسکی و کلسی 2010). مطالعات آسمان و همکاران (2015)، نشان داد که ارتباط معنی داری بین میزان کاهش غلظت فلزات از خاک و تجمع این فلزات در بدن کرم خاکی وجود دارد. در مطالعه ای که توسط شاه منصوری و همکاران (2005) در خصوص تجمع زیستی فلزات سنگین در بدن کرم خاکی در طی فرآیند ورمی کمپوست صورت گرفت، مشخص گردید غلظت فلزات سنگین از جمله سرب با گذشت زمان در ورمی کمپوست کاهش و در بدن کرم خاکی افزایش یافته است.

حضور کرم­های خاکی در محیط خاک می­تواند قابلیت دسترسی زیستی آلاینده­ها و فعالیت میکروبی را بهبود ببخشدکه منجر به تجزیه میکروبی بیشتر آلاینده­های خاک می­شود، همچنین از جمله مهم­ترین موارد کاربرد این موجودات شامل تصفیه در مدیریت مواد زاید، به عنوان جاذب بیولوژیک در سمیت­زدایی و پالایش خاک از فلزات سنگین و برخی از آفت کش­های آلی، افزایش جمعیت و تقویت فعالیت­های آنزیمی میکروارگانیسم­های مفید خاک، بهبود کیفیت خاک و توسعه کشاورزی است (زالتوسکیت و سدین 2010؛ سان و همکاران 2011). کرم­های خاکی به طور گسترده در فرآوری طیف وسیعی از ضایعات آلی مثل لجن فاضلاب، بقایای گیاهی، ضایعات صنعتی و کودهای حیوانی استفاده میشوند. مواد آلی پس از بلعیده شدن و عبور از دستگاه گوارش کرم­ها  دستخوش تغییرات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی زیادی می­شوند، از جمله این تغییرات، افزایش قابلیت دسترسی فلزات می­باشد (مارتین 1991). گزارش­های زیادی مبنی بر تاثیر فعالیت­ کرم­های خاکی بر تغییر توزیع فلزات در بخش­های مختلف خاک وجود دارد (ما و همکاران 2002). ون و همکاران (2006) افزایش بخش محلول، تبادلی و کربناته و کاهش در بخش مواد آلی را گزارش کردند. این نتایج توسط یودوک و لستن (2010) نیز گزارش شده است. چنگ و وانگ (2002) نیز طی مطالعه ای نشان دادند که روی پیوند شده با مواد آلی در اثر فعالیت کرم­های خاکی به طور قابل توجهی افزایش یافت.

با توجه به اینکه امروزه یکی از مهم­ترین مشکلات زیست محیطی در سراسر دنیا آلودگی خاک­های مناطق صنعتی و معادن و به ویژه زمین­های کشاورزی اطراف این معادن، به فلزات سنگین می­باشد و به دلیل اینکه استفاده از کرم­های خاکی روش بیولوژیکی مناسبی برای حذف این فلزات از محیط خاک بشمار می­آید، این مطالعه به منظور تعیین کارایی کرم خاکی  Eisenia fetida در پالایش زیستی خاک­های کشاورزی آلوده اطراف معدن آهنگران و فراهمی زیستی سرب اجرا گردید.

References

Abbaspour A and Golchin A, 2011. Immobilization of heavy metals in a contaminated soil in Iran using di-ammonium phosphate, vermicompost and zeolite. Environmental Earth Sciences 63: 935-943.
Adriano D, 1986. Heavy Metals in the Environment. Springer-Verlag. New York.
Aghababaei F, Raiesi F and Hosseinpur A, 2014. The combined effects of earthworms and arbuscular mycorrhizal fungi on microbial biomass and enzyme activities in a calcareous soil spiked with cadmium. Applied Soil Ecology 75: 33-42.
Arnold R and Hodson M, 2007. Effect of time and mode of depuration on tissue copper concentrations of the earthworms Eisenia andrei, Lumbricus rubellus and Lumbricus terrestris. Environmental Pollution. 148:21-30.
Aseman E, Mostafaei G, Sayaf H, Asgharnia H, Akbari H and Iranshahi L, 2015. Investigation of bioremediation of soils contaminated with chromium and cadmium by earthworms Eisenia fetida. Health and the Environment. 8:357-366 (In Persian with English abstract ).
Basta N, Gradwohl R, Snethen K and Schroder J, 2001. Chemical immobilization of lead, zinc, and cadmium in smelter-contaminated soils using biosolids and rock phosphate. Journal of Environmental Quality. 30: 1222-1230.
Basta NT, Gradwohl R, Snethen KL and Schroder JL, 2001. Chemical immobilization of lead, zinc, and cadmium in smelter‐contaminated soils using biosolids and rock phosphate. Journal of Environmental Quality, 30(4), 1222-1230.‏
Bauycos G. J, 1962. Hydrometer methods improved for making particle size of soils. Agronomy  Journal 56: 464-465.
Berlin M, 1985. Handbook of the Toxicology of Metals. Elsevier Science Publishers, 2nd ed. London.
Bolan NS, Adriano D, Mani P and Duraisamy A, 2003. Immobilization and phytoavailability of cadmium in variable charge soils. Effect of lime addition. Plant and Soil. 251: 187-198.
Chapman P M, Allen H E, Godtfredsen K and Z'Graggen MN, 1996. Evaluation of Bioaccumulation Factors in Regulating Metals. Environmental Science &Technology. 30: 448A-452A.
Chen M, Ma LQ, Cao RX, Melamed R and Singh SP, 2003. Field demonstration of in situ immobilization of soil Pb using Pamendments. Journal of Advances in Environmental Health Research 8: 93-102.
Cheng J and Wong MH, 2002. Effects of earthworms on Zn fractionation in soils. Biology and Fertility of Soils 36:72–78.
Dai  J, Becquer T, Rouiller  JH, Reversat  G, Bernhard-Reversat  F, Nahmani  J and Lavelle P. 2004. Heavy metal accumulation by two earthworm species and its relationship to total and DTPA-extractable metals in soils. Soil Biology and Biochemistry. 36: 91-98.
Feng Peng F, Hui Song Y, Yuan P, Cui X and Qiu G, 2009. The remediation of heavy metals contaminated sediment. Journal of  Hazardous Materials. 161: 633–640.
Feng W, Banner JL, Guilfoyle AL, Musgrove M and James EW, 2012. Oxygen isotopic fractionation between drip water and speleothem calcite: A 10-year monitoring study, central Texas, USA. Chemical Geology 304–305: 53-67.
Hobbelen P, Koolhaas J and Van Gestel C, 2006. Bioaccumulation of heavy metals in the earthworms Lumbricus rubellus and Aporrectodea caliginosa in relation to total and available metal concentrations in field soils. Journal of  Environmental Pollution. 144: 639-646.
Lanno R, Wells J, Conder J, Bradham K and Basta N, 2004. The bioavailability of chemicals in soil for earthworms. Ecotoxicology and Environmental Safety. 57: 39-47.
Lasat MM, Baker AJM and Kochian LV, 1998. Altered Zn compartmentation in the root symplasm and stimulated Zn absorbtion into the leaf as mechanisms involved in Zn hyperaccumulation in thlaspi caerulescens. Plant Physiology 112:1715-1722
Li Z, Ma Z, van der Kuijp T J, Yuan  Z and Huang  L, 2014. A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment. Science of the Total Environment 468: 843-853.
Lingxiangyu L, Zhenlan X, Jianyang W and Guangming T, 2010. Bioaccumulation of heavy metals in the earthworm Eisenia fetida in relation to bioavailable metal concentrations in pig manure. Bioresource Technology 101: 3430–3436.
Lipoth  SL and Schoenau JJ, 2007. Copper, zinc, and cadmium accumulation in two prairie soils and crops as influenced by repeated applications of manure. Plant Nutrition and Soil Science 170: 378–386.
Lund LJ, Page A L and Sposito G, 1980. Determination and prediction of chemical forms of trace matal in sewage sluges and sluge-amended soils. Final technical report, Grant no. R804516010, USEPA,Cincinnati, Ohio.
Ma Y, Dickinson NM and Wong MH, 2002. Toxicity of Pb/Zn mine tailings to the earthworm Pheretima and effects of burrowing on metal availability. Biology and Fertility of Soils 36: 79-86.
Martin A, 1991. Short and long term effects of the endogenic earthworms Millsonia anomala of tropical savannas, on soil organic matter. Biology and Fertility of Soils 11: 234-238.
Nahmani J, Hodson ME and Black S, 2007. A review of studies performed to assess metal uptake by earthworms. Juornal of Environmental Pollution. 145: 402-424.
Nannoni F, Protano G and Riccobono F, 2011. Fractionation and geochemical mobility of heavy elements in soils of a mining area in northern Kosovo. Geoderma 161:63-73.
Nannoni F, Protano G and Riccobono F, 2011. Uptake and bioaccumulation of heavy elements by two earthworm species from a smelter contaminated area in northern Kosovo. Soil Biology and Biochemistry. 43(12): 2359-2367.‏
Reinecke AJ, 1992. A review of ecotoxicological test methods using earthworms. Pp.7–19, In: Greig-Smith PW, Becker H, Edwards PJ and Heimbach F, (Eds.), Ecotoxicology of Earthworms. Intercept, Hants.
Roades JD, 1996. Salinity: electrical conductivity and and total dissolved solids. Pp.417-436, Method of Soil Analysis, Part 2, Chemical Methods, Madison, Wisconsin, USA. 
Rowell DL, 1994. Soil ScienceMethods and Application. Part7, P.146, Mesurement of the Composition of Soil Solution.
Shahmansouri M, Pourmoghadas H, Parvaresh A and Alidadi H, 2005. Heavy metals bioaccumulation by Iranian and Australian earthworms (Eisenia fetida) in the sewage sludge vermicomposting. Iranian Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2(1): 28-32 (in Persian with English abstract ).
Sizmur T and Hodson ME, 2009. Do earthworms impact metal mobility and availability in soil?–A review. Environmental Pollution 157(7):1981-89.
Slizovskiy IB and Kelsey JW. 2010. Soil sterilization affects aging-related sequestration and bioavailability of p, p′-DDE and anthracene to earthworms. Environmental Pollution 158(10):3285-89.
Sposito G, Lund LJ and Chang AC, 1982. Trace metal chemistry in arid zone field soils amended with sewage sludge: i. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd and Pb in solid phases. Journal of Soil Science Society of America. 46: 260-264.
Sun H, Li J, Wang C, Wang L and Wang Y, 2011. Enhanced microbial removal of pyrene in soils in the presence of earthworms. Soil and Sediment Contamination 20(6):617-30.
Udovic M and Lestan D, 2010. Fractionation and bioavailability of Cu in soil remediated by EDTA leaching and processed by earthworms (Lumbricus terrestris L.). Environmental Science and Pollution Research. 17: 561-570.
Walker DJ, Clemente R and Bernal MP, 2004. Contrasting effects of manure and compost on soil pH, heavy metal availability and growth of Chenopodium album L. in a soil contaminated by pyritic mine waste. Chemosphere 57(3): 215-224.
Walkey A and Black IA, 1934. An Examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Journal of Soil Science 37:29–38.
Wang XS, 2009. Antimony in urban roadside surface soils: concentration, sourceand mode of occurrence. Journal of Open Environmental Pollution & Toxicology 1: 89–92.
Wen B, Hu XY, Liu Y, Wang WS, Feng MH and Shan XQ, 2004. The role of earthworms (Eisenia fetida) in influencing bioavailability of heavy metals in soils. Biology and Fertility of Soils 40: 181-187.
Wen B, Liu Y, Hu X and Shan X, 2006. Effect of earthworms (Eisenia fetida) on the fractionation and bioavailability of rare earth elements in nine Chinese soils. Chemosphere 63: 1179-1186.
Wiegleb G and Felinks B, 2001. Predictability of early stages of primary succession in post‐mining landscapes of Lower Lusatia, Germany. Applied Vegetation Science. 4: 5-18.
Zaltauskaite J and Sodiene I, 2010. Effects of total cadmium and lead concentrations in soil on the growth, reproduction and survival of earthworm Eisenia fetida. Ekologija 56(1-2):10-16.
Water and Soil Science
Volume 32, Issue 3
September 2022
Pages 61-75

Files

Share

How to cite

Statistics