張慧琦，王坤，岳士忠，喬玉輝

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193

土壤鎘污染對(duì)赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）和加州腔蚓（Metaphire californica）體表角質(zhì)層的影響

張慧琦，王坤，岳士忠，喬玉輝*

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193

利用鎘（Cd）污染土壤（0.15、7.28、13.53、16.45 mg?kg-1）在室內(nèi)培養(yǎng)赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）和采集野外原位污染（0.84、2.17、5.16、6.38、9.83 mg?kg-1）土壤中的加州腔蚓（Metaphire californica），使用JEM-1230型透射電鏡觀察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤對(duì)赤子愛勝蚓與加州腔蚓體表角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)的影響，分析其與土壤中Cd的關(guān)系，探尋其在Cd污染條件下的變化規(guī)律，并對(duì)蚯蚓體壁在防御重金屬毒性中的作用進(jìn)行初步研究，旨在揭示 Cd長(zhǎng)期污染條件下蚯蚓的生態(tài)適應(yīng)性，為正確地開展土壤污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，在Cd低污染條件下赤子愛勝蚓（Cd＜7.28 mg?kg-1）和加州腔蚓（Cd＜5.16 mg?kg-1）上角質(zhì)層突起（微絨毛）排列較為整齊有序，在Cd高污染條件下其上角質(zhì)層突起變得稀疏無序，并且污染嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)顆粒化或缺失現(xiàn)象。赤子愛勝蚓和加州腔蚓的角質(zhì)層均隨著土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及蚯蚓體內(nèi)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈現(xiàn)出先增厚后變薄的變化規(guī)律，且在各處理?xiàng)l件下都能正常生存。由此可知，在Cd污染土壤中，不同種的蚯蚓可以通過調(diào)節(jié)角質(zhì)層厚度來適應(yīng)受污染的土壤環(huán)境。

鎘；蚯蚓；角質(zhì)層；超顯微結(jié)構(gòu)

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，而人類活動(dòng)造成的土壤重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境（Zhao et al.，2015；周楊，2015）。土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和污染修復(fù)治理已成為環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。有毒有害污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)過程與毒理效應(yīng)研究是準(zhǔn)確識(shí)別污染物環(huán)境危害性和進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。目前絕大多數(shù)評(píng)估通常采用實(shí)驗(yàn)室高濃度、短時(shí)間的急性毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而在長(zhǎng)期污染條件下，生物通過自身的生理生化調(diào)整適應(yīng)了這種污染的環(huán)境，因而如果不考慮生物適應(yīng)性，往往會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)高估的情況（章海波等，2007）。

蚯蚓作為土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指示生物，不僅對(duì)污染土壤具有凈化能力，同時(shí)在土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中也起著重要的作用（Eijsackers et al.，2005）。近年來研究發(fā)現(xiàn)，即使在較高污染地區(qū)也存在著優(yōu)勢(shì)種蚯蚓，表明蚯蚓對(duì)重金屬污染土壤環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性（袁方曜等，2004；金亞波等，2009；唐浩等，2013；Lévêque et al.，2015），但其對(duì)重金屬毒害的適應(yīng)機(jī)理尚不清楚。蚯蚓體壁是抵御外界土壤污染的第一屏障，蚯蚓體表角質(zhì)層主要是由上角質(zhì)層突起、上角質(zhì)層、膠原纖維和穿過其間的微絨毛構(gòu)成；可以抵抗外源污染物質(zhì)的毒害（Gao et al.，2008；李輝龍等，2011）。生存在重金屬污染土壤中的蚯蚓，其體表組織能夠直接接觸土壤。環(huán)境中重金屬或農(nóng)藥以及大腸桿菌等外源污染物質(zhì)可能對(duì)蚯蚓體壁的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響（高玉紅，2007；袁方曜等，2004）。但是由于蚯蚓的習(xí)性和生存環(huán)境的嗜性不同，不同種蚯蚓體壁的超微結(jié)構(gòu)也有細(xì)微差異（肖億群等，2002；Anderson et al.，1967；Burke，1974；Jamieson，1982）。

目前大部分相關(guān)研究都是在實(shí)驗(yàn)室人為往土壤中添加重金屬的條件下，開展關(guān)于蚯蚓的急性或亞急性毒性方面的研究（郭永燦等，1996；吳波等，2011），通常采用急性毒性實(shí)驗(yàn)研究赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）短期內(nèi)的應(yīng)激反應(yīng)，而在長(zhǎng)期污染的野外條件下，蚯蚓是否能夠通過自身的生理生化調(diào)整來適應(yīng)這種污染的環(huán)境，有關(guān)這方面的研究還比較少（竇晶晶，2015，肖億群等，2002）。本研究利用鎘（Cd）污染地區(qū)的原位污土在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)，利用透射電子顯微鏡觀察生態(tài)毒理試驗(yàn)常用的赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）的角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)，與生存于湖南地區(qū)長(zhǎng)期重金屬Cd污染土壤中的優(yōu)勢(shì)種野生蚓——加州腔蚓（Metaphire californica）的角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)變化，分析蚯蚓在鎘污染條件下角質(zhì)層的變化規(guī)律，對(duì)蚯蚓適應(yīng)污染土壤環(huán)境的機(jī)理進(jìn)行初步探討，為更好地開展土壤污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試蚯蚓

赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）：購(gòu)于北京市順義區(qū)赤子愛勝蚓的商業(yè)養(yǎng)殖場(chǎng)，均為有環(huán)帶且體型相近、活性相似的成年蚯蚓。

加州腔蚓（Metaphire californica）：在湖南省衡陽市地區(qū)附近，取不同重金屬污染程度下的活體野生蚯蚓帶回實(shí)驗(yàn)室，并選取大小相近、活性相似的成年蚯蚓進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 供試儀器和試劑

透射電鏡切片所用儀器和試劑均由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院生命科學(xué)研究中心的電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室提供。

主要儀器：LEICAUC6型超薄切片機(jī)；JEM-1230型透射電鏡。

主要試劑：2.5%戊二醛和 1%鋨酸、磷酸緩沖液、丙酮、環(huán)氧樹脂、乙醇。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置與樣品處理

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將赤子愛勝蚓置于原位污染土壤中培養(yǎng)，將取自湖南省衡陽市地區(qū)的原位污土與本地清潔土進(jìn)行配比，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)A：0.15 mg?kg-1，B：7.28 mg?kg-1，C：13.53 mg?kg-1，D：16.45 mg?kg-1，4個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cd污染土壤處理（表1），每個(gè)處理設(shè) 3個(gè)重復(fù)；培養(yǎng)期間室溫保持在23 ℃左右，土壤含水量為最大田間持水量的50%～70%，培養(yǎng)35 d后進(jìn)行取樣。

加州腔蚓（Metaphire californica）取自湖南省衡陽市附近不同污染程度土壤（0.84、2.17、5.16、6.38、9.83 mg?kg-1），每一個(gè)樣地隨機(jī)選取9個(gè)小樣點(diǎn)，采用手撿法采集蚯蚓，每個(gè)樣點(diǎn)大小為 50 cm×50 cm×25 cm，同時(shí)采集土樣，土壤樣品裝入塑封袋中，風(fēng)干后研磨過篩（0.15 mm）后分裝。

1.3.2 樣品及切片處理

每個(gè)處理或采樣地隨機(jī)選取3條具有環(huán)帶且體型、活性相近的成年蚯蚓進(jìn)行24 h清腸處理，并用去離子水將體表洗凈，然后用15%酒精麻醉，75%酒精殺死，保存于90%酒精中；送到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院生命科學(xué)研究中心的電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切片處理，切片取材位置位于蚯蚓環(huán)帶后 1～2 cm處。

表1 赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層厚度變化Table 1 The change of Eisenia fetida cuticles′s thickness

切片處理：將所取樣品用2.5%戊二醛固定2 h后用0.1 mL磷酸緩沖液沖洗3次，再用1%鋨酸固定2 h，0.1 mL磷酸緩沖液沖洗3次，分別用30%、50%、70%、90%、100%丙酮梯度水脫水3次，隨后用環(huán)氧樹脂SPURR包埋、聚合，LEICA UC6型超薄切片機(jī)切片，醋酸雙氧鈾、檸檬鉛雙染色，最后在透射電子顯微鏡室，用JEM-1230透射電鏡觀察并拍照。

1.3.3 蚯蚓及土壤重金屬測(cè)定

經(jīng)過24 h清腸后，測(cè)定蚯蚓體內(nèi)重金屬Cd含量，使用HNO3-H2O2消化爐消解，土壤使用王水（V硝酸∶V鹽酸=1∶3）微波消解（MARS-5，CEM Microwave Technology Ltd，Matthews，NC，USA)，ICP-MS 測(cè)定（ICP-MS，7700ce，Agilent Technologies，Santa Clara，CA，USA）。

2 結(jié)果與討論

2.1 赤子愛勝蚓對(duì)Cd的吸收累積

在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cd污染土壤中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加（圖1），赤子愛勝蚓的活性和活動(dòng)能力都逐漸下降，但在第5次（35 d）取樣時(shí)并沒有出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。并且隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，對(duì)照處理A（0.15 mg?kg-1）赤子愛勝蚓體內(nèi) Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未出現(xiàn)明顯升高；而其他各處理赤子愛勝蚓體內(nèi)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加呈明顯的上升趨勢(shì)。雖然其他處理中赤子愛勝蚓體內(nèi)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于A（CK）處理都有明顯升高，但是相對(duì)的富集能力變化并不明顯，其富集系數(shù)分別為B處理0.86、C處理0.83、D處理0.50；隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，赤子愛勝蚓對(duì)Cd的富集能力有所下降，這很可能與赤子愛勝蚓對(duì)土壤中Cd的毒性產(chǎn)生適應(yīng)后，調(diào)節(jié)自身的生理結(jié)構(gòu)和生化活動(dòng)來降低自身對(duì)Cd的富集作用有關(guān)。因此，本研究將從蚯蚓體壁超顯微結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析探究。

圖1 赤子愛勝蚓在Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的污染土壤中體內(nèi)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig. 1 The mass fraction of Cd in Eisenia fetida living in different Cd mass fraction of soil varies with time

2.2 重金屬Cd對(duì)赤子愛勝蚓角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)的影響

在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤中培養(yǎng)35 d后對(duì)赤子愛勝蚓進(jìn)行取樣觀察，各處理赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層和超顯微結(jié)構(gòu)如表1和圖2所示。通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：各處理蚯蚓上角質(zhì)層突起的稀疏程度隨土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化而出現(xiàn)差異，甚至在處理 C、D中上角質(zhì)層突起與上角質(zhì)層的連接處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；處理A中赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層突起排列整齊規(guī)律，而當(dāng)土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高為7.28 mg?kg-1時(shí)，上角質(zhì)層突起出現(xiàn)了少量的斷裂缺失的現(xiàn)象（圖2B）；隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步升高時(shí)，上角質(zhì)層突起的損傷程度較為嚴(yán)重，出現(xiàn)顆粒化或缺失現(xiàn)象（圖2C、圖2D）。

圖2 Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的土壤中赤子愛勝蚓的體表超顯微結(jié)構(gòu)Fig. 2 The ultramicroscopic structure of Eisenia fetida cuticle within different mass fraction of Cd pollution soil

觀察赤子愛勝蚓角質(zhì)層的超顯微結(jié)構(gòu)，對(duì)照處理A赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層厚度為1.63 μm，暴露在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤下后，赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層顯微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化（圖2中粗箭頭所在位置）；不同處理赤子愛勝蚓角質(zhì)層平均厚度分別為 B：2.04 μm；C：1.85 μm；D：1.42 μm，最大增幅達(dá)到144%（B）。處理B、C赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層厚度顯著大于對(duì)照處理，而處理D赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層厚度顯著小于對(duì)照處理，且隨著土壤中和蚯蚓體內(nèi)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，赤子愛勝蚓的上角質(zhì)層出現(xiàn)先增厚后變薄的變化。

2.3 重金屬Cd對(duì)加州腔蚓角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)的影響

在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤下，加州腔蚓角質(zhì)層的超顯微結(jié)構(gòu)具有與赤子愛勝蚓相似的變化規(guī)律（表2和圖3）。隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，加州腔蚓上角質(zhì)層突起（細(xì)箭頭）排列的整齊程度呈現(xiàn)出與赤子愛勝蚓相似的變化：圖3a（0.84 mg?kg-1）顯示加州腔蚓的上角質(zhì)層突起排列整齊且更為緊密，但是隨著土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步升高（Cd＞5.16 mg?kg-1），各采樣點(diǎn)下加州腔蚓的上角質(zhì)層突起出現(xiàn)不同程度的縮短和稀疏無序的現(xiàn)象，甚至有些地方出現(xiàn)斷裂（圖 3d、3e）或顆?；▓D3c）現(xiàn)象。

表2 加州腔蚓的體表角質(zhì)層厚度變化Table 2 The change of Metaphire californica cuticles′s thickness

通過觀察分析加州腔蚓的角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤中加州腔蚓的上角質(zhì)層厚度（圖3中粗箭頭所在位置）也有所不同，除b處理中加州腔蚓的上角質(zhì)層厚度（1.49 μm）小于比對(duì)照處理（1.71 μm）外，其他處理的平均厚度分別為c處理：2.76 μm；d處理：1.93 μm；e處理：1.79 μm，最大增幅達(dá) 185%（處理 c）。處理 c、d加州腔蚓的上角質(zhì)層顯著厚于對(duì)照處理，且隨著土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，加州腔蚓上角質(zhì)層同樣出現(xiàn)先增厚后變薄的變化。

2.4 討論

蚯蚓對(duì)重金屬有一定的耐受和富集能力，Dai et al.（2004）研究表明，蚯蚓對(duì)諸如鎘、鉛、鋅等重金屬都有富集作用，并且蚯蚓組織中污染物的濃度和土壤中的濃度有一定的相關(guān)性；而耐受性表現(xiàn)為在一定水平的干擾因子影響下生存的相對(duì)能力，在生物學(xué)評(píng)價(jià)中起著重要作用。蚯蚓通過皮膚吸收，富集土壤中的營(yíng)養(yǎng)和污染物質(zhì)。在這一過程中，蚯蚓體壁結(jié)構(gòu)的變化對(duì)蚯蚓體表吸收或攔截土壤污染物質(zhì)具有重要作用。而體壁結(jié)構(gòu)中上角質(zhì)層的主要成分是酸性多糖，它對(duì)于保護(hù)動(dòng)物機(jī)體抵抗外源物質(zhì)的入侵具有重要作用，上角質(zhì)層變薄說明了其結(jié)構(gòu)受到了破壞，機(jī)體的防御機(jī)能下降（吳波，2010）。當(dāng)蚯蚓暴露在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd污染土壤中，體表角質(zhì)層結(jié)構(gòu)的變化反映了蚯蚓對(duì)Cd的防御性反應(yīng)。

蚯蚓對(duì)重金屬的反應(yīng)因蚯蚓的品種不同而有所差異。有些蚯蚓品種對(duì)重金屬很敏感，比如赤子愛勝蚓就對(duì)土壤鎘污染很敏感（王慧等，2008）；但是赤子愛勝蚓適應(yīng)大田環(huán)境時(shí)，可能會(huì)由于其生理結(jié)構(gòu)的變化使其對(duì)重金屬的耐受性改變，袁方曜等（2004）對(duì)華北地區(qū)農(nóng)田環(huán)境有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)蚯蚓群體構(gòu)成的影響進(jìn)行了調(diào)查，并做了重金屬毒理試驗(yàn)，結(jié)果顯示赤子愛勝蚓等蚯蚓種是適用于積累指示的重金屬污染耐受性蚯蚓種。因此，要準(zhǔn)確判斷Cd對(duì)蚯蚓角質(zhì)層超顯微結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)綜合考慮室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)和野外重金屬耐受性蚯蚓的變化規(guī)律。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中重金屬Cd對(duì)蚯蚓的上角質(zhì)層厚度產(chǎn)生影響時(shí)，赤子愛勝蚓上角質(zhì)層突起也會(huì)出現(xiàn)一些適應(yīng)性變化。主要表現(xiàn)為隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷升高，赤子愛勝蚓上角質(zhì)層突起會(huì)由整齊有序的狀態(tài)變?yōu)橄∈锜o序或顆粒化狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)缺失的現(xiàn)象。這可能和細(xì)胞中的大顆粒細(xì)胞、小顆粒細(xì)胞和網(wǎng)狀粘液細(xì)胞等分泌的蛋白或粘液量有關(guān)（高玉紅，2007；Gao et al.，2008）。本研究主要觀察了赤子愛勝蚓和加州腔蚓的體表上角質(zhì)層厚度和上角質(zhì)層突起的變化，而其細(xì)胞內(nèi)的溶酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等其他細(xì)胞器或細(xì)胞器結(jié)構(gòu)在受到重金屬污染時(shí)是如何變化的，還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的土壤中加州腔蚓體表超顯微結(jié)構(gòu)Fig. 3 The ultramicroscopic structure of Metaphire californica cuticle within different mass fraction of Cd pollution soil

本研究發(fā)現(xiàn)重金屬Cd能夠影響蚯蚓角質(zhì)層的超顯微結(jié)構(gòu)。不同污染條件下，蚯蚓的上角質(zhì)層厚度出現(xiàn)規(guī)律性的變化。在Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低的土壤中，無論是室內(nèi)培養(yǎng)的赤子愛勝蚓，還是原位污染土中的加州腔蚓，其上角質(zhì)層均明顯加厚，但隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷升高，當(dāng)其超出蚯蚓的耐受能力后又出現(xiàn)變薄的現(xiàn)象，這與高玉紅等（2008）研究獸藥阿苯噠唑?qū)︱球酒つw和腸道超顯微結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果相似，當(dāng)蚯蚓暴露于100 mg?kg-1獸藥阿苯噠唑時(shí)，其皮膚角質(zhì)層增厚，而在 600 mg?kg-1時(shí)角質(zhì)層變薄。分析加州腔蚓的變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)b處理中上角質(zhì)層比對(duì)照處理中更薄，在正常生長(zhǎng)發(fā)育過程中，除土壤中Cd對(duì)加州腔蚓的角質(zhì)層結(jié)構(gòu)有影響外，土壤中其他環(huán)境因素（如有機(jī)質(zhì)含量等）以及機(jī)體自身的調(diào)整能力（如體內(nèi)酶活性等）都對(duì)其有一定的影響，所以，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。

另外，蚯蚓上角質(zhì)層加厚，可能是蚯蚓體在真正受Cd毒性影響前的一種自身適應(yīng)機(jī)制，其能夠通過上角質(zhì)層的增厚，增強(qiáng)土壤Cd接觸或進(jìn)入蚯蚓皮膚的阻力，從而降低蚯蚓對(duì)Cd的吸收，并且不需要消耗更多的機(jī)體能量；當(dāng)土壤中Cd濃度或蚯蚓體所富集的Cd濃度超過了蚯蚓能夠調(diào)節(jié)、抵抗的閾值時(shí)，機(jī)體的適應(yīng)系統(tǒng)可能會(huì)遭受破壞，蚯蚓需消耗更多的機(jī)體能量來抵抗Cd毒害作用，故上角質(zhì)層變薄。諸多學(xué)者在研究其他污染物對(duì)蚯蚓的毒性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象（郭永燦等，1996；肖億群等，2002；高玉紅，2007；Gao et al.，2008；李輝龍等，2011），并且蚯蚓體內(nèi)相關(guān)酶（如過氧化氫酶CAT）活性的變化波動(dòng)也較大，說明蚯蚓在受到干擾時(shí)，機(jī)體能夠頻繁地調(diào)整以盡量清除體內(nèi)的自由基等有害物質(zhì)，從而適應(yīng)新的污染環(huán)境（唐浩等，2017）。

因此，角質(zhì)層的加厚可能是重金屬Cd對(duì)蚯蚓的正常生活產(chǎn)生影響前蚯蚓進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的防御機(jī)制，但是當(dāng)土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體內(nèi)富集的重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過自身的耐受或調(diào)節(jié)能力后，機(jī)體的防御系統(tǒng)就會(huì)受到破壞，導(dǎo)致角質(zhì)層變薄。然而，引起角質(zhì)層變化的具體機(jī)理還需要進(jìn)一步驗(yàn)證與研究。

3 主要結(jié)論

（1）低鎘污染土壤條件下，赤子愛勝蚓和加州腔蚓均出現(xiàn)整齊有序的上角質(zhì)層突起（微絨毛），在高鎘污染土壤條件下，角質(zhì)層變薄呈無序排列，并且污染程度嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷裂缺失現(xiàn)象。

（2）赤子愛勝蚓和加州腔蚓的角質(zhì)層隨著土壤中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高均出現(xiàn)先增厚后變薄的變化規(guī)律，且隨著蚯蚓體內(nèi)Cd的累積變化，角質(zhì)層亦表現(xiàn)為先增厚后變薄的規(guī)律。

上角質(zhì)層厚度的變化可能是蚯蚓在Cd污染土壤中通過自我調(diào)節(jié)形成的一種適應(yīng)機(jī)制，這種調(diào)節(jié)機(jī)制在蚯蚓對(duì)Cd毒性的耐性中所起到的作用還需進(jìn)一步研究。

ANDERSON W A, WEISSMAN A, ELLIS R A. 1967. Cyto-differentiation during spermiogenesis in Lumbricus terrestris [J]. Journal of Cell Biology, 32(1): 11-26.

BURKE J M. 1974. An ultrastructural analysis of the cuticle, epidermis and esophageal epithelium of Eisenia fetida (Oligochaeta) [J]. Journal of Morphology, 142(3): 301-319.

DAI J, BECQUER T, ROUILLER J H, et al. 2004. Heavy metal accumulation by two earthworm species and its relationship to total and DTPA-extractable metals in soils [J]. Soil Biology and Biochemistry, 36(1): 91-98.

EIJSACKERS H, BENEKE P, MABOETA M, et al. 2005. The implication of copper fungicide usage in vineyards for earthworm activity and resulting sustainable soli quality [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 62(1): 99-111.

GAO Y H, SUN Z J, SUN X S. 2008. Effects of albendazole on the ultrastructure of the skin and intestinalepithelium of the earthworm [J].Acta Scientiae Circumstantiae, 28(12): 2578-2582.

JAMIESON B G M. 1982. The Ultrastructure of the Oligochaeta [J]. The Quarterly Review of Biology, 4: 475-476.

LANNO R, WELLS J, CONDER J, et al. 2004. The bioavailability of chemicals in soil for earthworms [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 57(1): 39-47.

LéVêQUE, T., YVAN, C., EVA, S., et al. 2015. Effects of historic metal(loid) pollution on earthworm communities [J]. Science of The Total Environment, 511: 738-746.

VOLKOV E M, NURULLIN L F. 2003. Two Populations of Miniature Excitatory Synaptic Ionic Currents in Somatic Muscle Cells of Lumbricus Terrestris Earthworm Body Wall [J]. Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 136(136): 503-509.

ZHAO F J, MA Y, ZHU Y G, et al. 2015. Soil contamination in China:current status and mitigation strategies [J]. Environmental Science and Technology, 49(2): 750.

竇晶晶. 2015. Cd、Cr單一及復(fù)合污染對(duì)赤子愛勝蚓的毒理研究[D]. 陜西: 西北農(nóng)林科技大學(xué).

高玉紅. 2007. 阿苯噠唑?qū)︱球镜募?xì)胞和分子毒理機(jī)制研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué).

高玉紅, 孫振鈞, 孫新勝, 等. 2008. 獸藥阿苯噠唑?qū)︱球酒つw和腸道超顯微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 28(12): 2578-2582.

郭永燦, 王振中, 張友梅, 等. 1996. 重金屬對(duì)蚯蚓的毒性毒理研究[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), (2): 132-140.

金亞波, 韋建玉, 屈冉. 2009. 蚯蚓與微生物、土壤重金屬及植物的關(guān)系[J]. 土壤通報(bào), 40(2): 439-445.

李輝龍, 雷震, 吳爾苗, 等. 2011. 1 ,2, 4-三氯苯對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)和表皮及腸道超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 6(3): 247-254.

林凡華, 陳海博, 白軍. 2007. 土壤環(huán)境中重金屬污染危害的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 32(7): 74-76.

唐浩, 朱江, 黃沈發(fā), 等. 2013. 蚯蚓在土壤重金屬污染及其修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 土壤, 45(1): 17-25.

唐浩, 劉釗釗, 李銀生, 等. 2017. 土壤汞污染脅迫對(duì)蚯蚓體內(nèi)幾種抗氧化酶活性的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) (農(nóng)業(yè)科學(xué)版), 35(3):17-23, 30.

王慧, 張玉龍, 黨秀麗, 等. 2008. 土壤鎘、鋅污染對(duì)蚯蚓纖維素酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 17(2): 661-665.

吳波. 2010. 參環(huán)毛蚓對(duì)重金屬鎘離子的生理響應(yīng)及其變化規(guī)律的研究[D]. 廣州: 廣州中醫(yī)藥大學(xué).

吳波, 李薇, 喻良文, 等. 2011. 鎘脅迫條件下對(duì)參環(huán)毛蚓體壁結(jié)構(gòu)影響的研究[J]. 中藥材: 34(3): 346-348.

肖億群, 陸雅君, 邱江平, 等. 2002. 白頸環(huán)毛蚓皮膚的超微結(jié)構(gòu)[J]. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 31(2): 79-85.

姚國(guó)君. 2017. 順式氯氰菊酯及其代謝物的環(huán)境行為、生物毒性及其污染修復(fù)[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué).

袁方曜, 王玢, 牛振榮, 等. 2004. 華北代表性農(nóng)田的蚯蚓群落與重金屬污染指示研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 17(6): 70-72

袁方曜, 王玢. 2004. 有機(jī)磷污染農(nóng)田中蚯蚓的生物指示研究[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), (2): 57-60.

章海波, 駱永明, 李志博, 等. 2007. 土壤環(huán)境質(zhì)量指導(dǎo)值與標(biāo)準(zhǔn)研究Ⅲ.污染土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 土壤學(xué)報(bào), (02): 338-349.

趙春, 蔣關(guān)琳, 周新初, 等. 2015. 蚯蚓細(xì)胞色素 P450基因的克隆及序列分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版), 33(4): 33-37.

周楊. 2015. 重金屬污染耕地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙: 中南林業(yè)科技大學(xué).

The Impact of Soil Cadmium on the Ultrastructural Cuticle of Two Earthworms Species Eisenia fetida and Metaphire californica

ZHANG Huiqi, WANG Kun, YUE Shizhong, QIAO Yuhui
College of Resources and Environment Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

In this study Eisenia fetida was cultivated and exposed to cadmium (Cd) contaminated soils with mass fraction of 0.15,7.28, 13.53, 16.45 mg?kg-1and Metaphire californica was sampled from historic cadmium (Cd) contaminated areas with mass fraction of 0.84, 2.17, 5.16, 6.38, 9.83 mg?kg-1in Huanan Province. The toxic effect of cadmium (Cd) on the ultrastructural cuticle of two earthworms species was studied with transmission electron microscope (TEM). The relationship was analyzed between the variety of earthworm’s ultrastructural cuticle and the mass fraction of Cd in soil, in order to study the variation of the earthworm’s ultrastructural cuticle in Cd-contaminated soil, and the influence of heavy metal on earthworm cuticle. The aim of this study was to reveal the ecological adaptability of earthworms in long-term pollution soils and of Cd, and to provide the scientific basis for evaluating ecological risk of polluted-soil correctly. The results showed that the up-cuticle protuberances (microvilli) in earthworms appeared orderly under low soil Cd pollution(Cd＜7.28 mg?kg-1) for Eisenia fetida and Cd＜5.16 mg?kg-1for Metaphire californica.They became sparse and disordered and even disappeared, with the increase of Cd pollution in soil. Meanwhile, the cuticle thickness increased with soil Cd pollution both in Eisenia fetida and Metaphire californica. However, it indicated decreased tendency with relative high soil Cd pollution, and there were no deaths in the Cd contaminated soils. The change of ultrastructural cuticle would be one mechanism of earthworms to adapt to Cd contaminated soil.

cadmium; earthworm; cuticle; ultrastructure

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.023

X171.5

A

1674-5906（2017）10-1807-07

張慧琦, 王坤, 岳士忠, 喬玉輝. 2017. 土壤鎘污染對(duì)赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）和加州腔蚓（Metaphire californica）體表角質(zhì)層的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(10): 1807-1813.

ZHANG Huiqi, WANG Kun, YUE Shizhong, QIAO Yuhui. 2017. The impact of soil cadmium on the ultrastructural cuticle of two earthworms species Eisenia fetida and Metaphire californica [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1807-1813.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471410）

張慧琦（1991年生），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)。E-mail: zhq_cau@foxmail.com; 1126561498@qq.com

*通信作者：?jiǎn)逃褫x，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥寥牢廴旧鷳B(tài)。E-mail: qiaoyh@cau.edu.cn

2017-07-06