聚丙烯酰胺（Polyacrylamide,简称PAM)是丙烯酰

胺（Acrylamide，简称AM)均聚物和共聚物的统称。由 于其具有良好的絮凝性能，目前仍是中国及国外用量最 大的水处理剂[1]。到2005年，PAM世界年总需求量为65 万t，且以每年10°%的速率递增，用在水处理领域的比例 为39°%[2]。到2007年，仅中国PAM生产总量从2000年 的10万t上升到了 49万t，而用在水处理领域的比例从 2005 的 9%增长到 25%[3]。

PAM在过去一直被认为是稳定、安全、无毒的。事 实上，进入环境中PAM在化学、物理及生物因素的作用 下，最终会生成各种低聚物以及AM单体。已有的研究 表明，AM具有较强的神经毒性和致癌作用[4]，许多国家 都已建立了 AM的标准限值相关的规定[5-6]。因此，可以 推断PAM可能会对其所排放环境中的生物造成潜在的威 胁。目前，关于PAM的研究多集中在其合成技术、新产 品开发和应用方面。虽然中国及国外关于PAM在进入环 境中的变化已有一些研究[7-8]，但都集中在降解方式和降解机理方面，而关于PAM对土壤生物和环境的不利影响 几乎是空白。

随着世界各国城市污水处理设施的逐步完善，污泥 产生量也在迅猛增长。就中国而言，预计到2010年，污 泥产量将达到2.85X107 t (含水率80%) [9]，污泥处置已 成为一个十分紧迫的问题。城市污泥蚯蚓生物转化技术 (Vermicomposting)因其具有经济环保的特点，从20世纪 70年代就被研究并应用[1。-11]，而目前的研究主要集中在技 术可行性[12-13]以及技术应用过程中污泥的理化性质[14]及 其中的营养成分[15]、重金属[16]、有机污染物[17]、微生物[18] 等方面的变化，但是有关污泥中PAM对蚯蚓以及所排放 环境的影响还未见报道。前期的研究表明，污水处理过程 中所使用的PAM有60%〜70%残留到污泥中，其使用对 污泥的理化性质也有一定的影响[19]。因此，本文采用人 工土壤培养方法，对PAM和AM对蚯蚓的存活、生长、 繁殖能力的急性和亚急性毒性效应进行研究，为评价 PAM在污泥蚯蚓堆肥处置过程中对蚯蚓的影响以及 PAM的潜在环境风险提供基础数据，进而为蚯蚓生物转 化技术的改进以及PAM安全使用和管理提供数据支持。

1材料和方法

1.1受试蚯蚓及试剂

选用由北京龙威昌生物科技有限公司提供的赤子爱 胜蚓（Eiseniafetida)，并在实验室用牛粪作为基质进行 培养。试验挑选3月龄以上，具有明显环带的健康蚯蚓， 体长5〜6 cm，体重0.25〜0.50 g。试验前蚯蚓需在人工 土中驯化至少24 h。

PAM由北京希涛技术开发有限公司提供，颗粒状固 

体，固含量彡90.0%，丙烯酰胺含量彡0.05%，AM,白色

粉状晶体，化学纯，由山东宝莫生物化工股份有限公司

生产。

1.2试验土壤

试验用人工土壤按照粒径<2.0 mm石英砂70°%，高 岭土 20°%，长度彡15 mm草炭土 10°%的质量比配制而成， 然后通过添加适当的碳酸钙将pH值调节为6.0士 0.5[20-21]。土壤最大持水率根据ISO标准程序进行测定[22]， 将人工土在水中浸泡3 h然后再排干2 h测得人工土 的最大持水率为65% (w/w)。

1.3试验方法 1.3.1急性毒性试验

PAM和AM用蒸馏水溶解后，均匀拌入到500 g人 工土壤中，PAM的浓度分别为0、50、250、500、1000、 2 000 和 4 000 mg/kg，AM 的浓度分别为 0、25、100、200、 400和800 mg/kg,用蒸馆水调节土壤含水率到60°%(w/w)

左右。每一个处理设3个重复，同时设空白对照。

将准备好的人工土壤置于1 000 mL玻璃烧杯中，将 体长、体重大致相当、已经过驯化的10条蚯蚓放入烧杯 中人工土壤表面，任其自行钻入到土壤中。然后用塑料 薄膜封口，扎孔，以防止烧杯内的水分流失和蚯蚓逃逸。 然后将烧杯置于HPG-280H型人工气候箱内，在温度 (20±2)°C，相对湿度80%〜85%，光照/无光照时间比为 12 h/12 h光照强度5〜10 ^mol'm+s-1条件下进行培养。 试验期间，分别在第1、4、7、10和14 d将每个处理组 中所有试样中的蚯蚓从人工土壤中挑选出来，计数，清 洗干净后称体质量，同时根据情况适时进行水分补充。 1.3.2 亚急性毒性试验

在急性毒性试验的基础上，进行亚急性暴露试验。 PAM设定5个浓度梯度，分别为0、10、50、250和 500 mg/kg，AM设定6个浓度梯度，分别为0、1、5、25、 50、100 mg/kg。每一个处理设3个重复，同时设空白对 照。人工土壤的处理、蚯蚓的接种以及培养条件与急性 毒性试验完全相同，只是将暴露时间调整为70 d，而且 从第3〜6周，每周在土壤表面添加一次磨细的干牛粪， 添加标准为每条蚯蚓0.5 g[23]。每7 d将每个处理组中所 有试样中的蚯蚓从人工土壤中挑选出来，并对蚯蚓数及 其体重进行记录。6周后将蚯蚓成虫取出，将含蚓茧和蚯 蚓幼虫的人工土壤在相同的条件下再培养28 d，第70天 后用热熏法将幼虫分离出来并计数。

1.3.3死亡率、生长抑制率和繁殖能力的计算

蚯蚓的死亡率和生长抑制率根据每次观察时获取的 数据进行分析计算，而繁殖能力仅根据第70 d获取的蚯 蚓幼虫数据进行分析计算。

试验过程中，头、尾部对用钝的探针等机械刺激无 反应的蚯蚓视为死亡，由于蚯蚓死亡后在土壤中会很快 溶解，因此在观察时蚯蚓减少的数量可认为是已经死亡， 根据蚯蚓死亡的数量计算蚯蚓的死亡率，并用概率回归 法来计算各试剂对蚯蚓的半致死浓度（LC50)。

将在不同观察时间获取到的蚯蚓平均体质量与其在 试验开始时的平均体质量进行比较，然后利用下列公式 计算其生长抑制率。

I =W^LX100%

w0

式中，/„是《浓度处理的蚯蚓生长抑制率，％; W0是试验 开始时蚯蚓的体质量，g; W,是第/天时蚯蚓的体质量，g。

试验期间，死亡了的蚯蚓是不能产茧的，如果在数 据分析时不考虑蚯蚓死亡这一因素，往往会导致因为蚯 蚓的死亡产生对蚯蚓繁殖能力数据分析的影响会高于试 剂本身毒性的影响。因此本试验中参与数据分析的蚯蚓 幼虫数是用总的蚯蚓幼虫数除以到第6周仍存活的蚯蚓 数来得到，这样计算可以避免因蚯蚓的死亡带来的对蚯 蚓幼虫数据分析的影响。

1.4数据分析

在急性毒性试验中获取的死亡率数据基础上，采用 概率回归的方法计算PAM和AM的LC50。对于试验中 获取的其他数据，在满足正态分布(Shapiro-Wilks W-test) 和方差齐性（Levene’s test)的前提下，采用单因素方差 分析（ANOVA)来评价PAM和AM对蚯蚓生长和繁殖 能力的影响，如果数据不满足正态分布和方差齐性（即 使在进行了必要的数据转换之后），则采用非参数检验 (Kruskal-Wallis H-test)来分析。同时采用最小差异显著 法（LSD)(单因素方差分析）和多重比较‘Z’和‘P’ 值（非参数检验）来分析不同处理之间的差异显著性， 所有数据分析采用SPSS17.0软件完成。

2结果与讨论

2.1 PAM和AM对蚯蚓存活的影响 2.1.1急性暴露对蚯蚓存活的影响

本试验采用LC»来评价急性暴露期内PAM和AM 对蚯蚓存活的影响。聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应,PAM浓度在0〜2 000 mg/kg时，蚯 蚓的死亡率为0,但是当浓度达到4 000 mg/kg时，第1 d 的死亡率就达到100%，根据蚯蚓的死亡和人工土壤特征 分析，导致蚯蚓死亡的主要原因不是中毒所致，而是由 于PAM浓度太高而致使人工土壤固结，从而使蚯蚓无法 活动和呼吸而致其死亡。由此说明PAM的LC»远大于 2 000 mg/kg。这与之前对白鼠的毒性试验研究结果完全 一致[24-25]，即PAM没有显著的急性毒性。

对AM而言，不同暴露时间不同浓度处理中蚯蚓的 LC50计算结果如表1所示。LC50范围值从164.01到 360.22 mg/kg，只有在对照处理中，整个暴露期内蚯蚓无 死亡，其他处理中蚯蚓都有不同程度的死亡，而且随着 AM浓度的增大，蚯蚓死亡率也在上升，存在明显的剂量 效应关系。从LC50的置信区间来看，第1 d和第4 d没有 重叠，说明不同浓度AM在4 d暴露期内对蚯蚓的致死效 应差异非常显著，从第4、7、10、14 d的LC50数据来看， 置信区间重叠范围较大，而且从第7 d开始完全重叠大， 这就表明从第4 d开始，不同浓度AM在暴露期内对蚯蚓 的致死效应差异不大，从第7 d开始，不同浓度AM对蚯 蚓的致死效应没有差异。相关研究结果表明AM对 

wagwa 24 和 48 h 的 LC50 为 173.21 和 89.59 mg/L[26]，对白鼠14 d的口摄取的LC50是 177 mg/kg[25]，同样证明AM是有毒的，而LC5。值之所以 不同，是由于试验方法和供试动物不同所致。

表1急性暴露期内不同暴露时间聚丙烯酰胺和丙烯酰胺对蚯 蚓的半致死浓度

Table 1 LC50 values calculated for Polyacrylamide and Acrylamide from various durations of acute exposure

2.2 PAM和AM对蚯蚓生长的影响 2.2.1急性暴露期对蚯蚓生长的影响

急性暴露期内，暴露于不同浓度梯度PAM和AM下 的蚯蚓生长抑制率如图1所示。

暴露时间/d

1471014

 

 

 

 

 

AM

暴露—

时间/dLC50a(mg.kg-1)95%|b言区尸值 c

PAM

LC50a(mg-kg-1)

1360.22(286.50 〜 492.04)0.540>2000

4192.52(168.17〜

227.17)0.407>2000

7164.01(143.73〜 188.42)0.293>2000

10164.01(143.73〜 188.42)0.293>2000

14164.01(143.73〜0.293>2000

注：a. LC50是通过概率回归计算所得b.括弧内为LC50的95%置信区间； c.P值是通过卡方检验所得。

%/#=$常半#1

 

 

2.1.2亚急性暴露对蚯蚓存活的影响

亚急性毒性试验结果如表2所示，当PAM和AM剂 量分别为500和100 mg/kg时，42 d暴露期内，蚯蚓死亡 率仍然为0,其他所有处理的蚯蚓死亡率也均小于13%。聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应, 这说明PAM和AM的亚急性LC50应远大于试验设置的 剂量，这就表明PAM和AM在亚急性暴露条件下内对蚯 蚓存活无显著影响（户>0.05)。

%/#展s^iH

 

暴露时间/d

b. AM对蚯蚓的生长抑制率影响

图1急性暴露聚丙烯酰胺和丙烯酰胺对蚯蚓的生长抑制率影

响

Fig.1 Growth inhibition rates in earthworms from acute exposure to Polyacrylamide and Acrylamide

表2亚急性暴露期内聚丙烯酰胺和丙烯酰胺不同处理中蚯蚓 死亡率

Table 2 Death rates of earthworms from sub-acute exposure to

Polyacrylamide and Acrylamide

试剂剂量/(mg_kg-1)死亡率(28 d)死亡率(42 d)

06.67±5.7710.00 士10.00

100.00 士 0.000.00士0.00

PAM5010.00±10.0013.33士5.77

2503.33士5.776.67士5.77

5000.00士0.000.00士0.00

06.67 士 5.7710.00 士10.00

16.67士5.7710.00 士10.00

53.33士5.776.67士5.77

AM250.00士0.003.33士5.77

500.00士0.006.67士11.54

1000.00士0.000.00士0.00

参考农药毒性标准，当化合物的LC50超过 1 000 mg/kg时，可认为对蚯蚓的存活无毒害作用[23]。根 据农药环境风险评价规程规定，当LC5〇< 1 mg/kg被认为 是高毒农药，当LC50在1〜10mg/kg被认为是中毒农药， 当LC5〇〉10 mg/kg时，被认为是低毒农药[27]。

结合急性与亚急性毒性试验的结果表明，PAM是无 毒的，这与其他研究结果是一致的，而AM毒性较小， 浓度小于100 mg/kg时对蚯蚓的存活没有影响。

在暴露期内，PAM所有处理组中蚯蚓的生长抑制率 全部为负值，这就意味着在暴露期内蚯蚓的体质量是增 加的。在第1、4天，对照中蚯蚓的生长抑制率值高于其 他所有处理组，从第7天开始，对照中蚯蚓的生长抑制 率值比浓度为500、1 000和2 000 mg/kg处理中的低，而 比50、250 mg/kg处理组中的高。低浓度的PAM不仅对 蚯蚓的生长没有产生抑制作用，反而对其生长有促进作 用，可能是因为PAM具有较好的保水性，改变了人工土 壤的物理特性，从而改善蚯蚓的生存环境。单因素方差 分析的结果表明，PAM对蚯蚓生长没有显著影响，数据 分析结果见表3,多重比较的结果表明（Fischer’s LSD)， 不同浓度水平之间的差异也不显著。这就说明PAM对蚯 蚓的生长发育没有影响。Hasegawa等人在对白鼠的毒性 试验中也发现同样的结果[25]。

在暴露期内，暴露于对照和浓度为25 mg/kg AM处 理中的蚯蚓的体质量有一定增加，而在浓度为100和 200 mg/kg AM处理中的蚯蚓的体质量是减少的。单因素 方差分析结果表明，AM对蚯蚓的生长有显著影响，数据 分析结果见表3。多重比较的结果表明（Fischer’s LSD)， 不同浓度水平之间，生长抑制率在第一天有显著差异， 暴露于浓度25〜200 mg/kg AM处理组中的要显著高于对 照组（户<0.05)。浓度为100和200 mg/kg AM处理组 之间在第4、7、10和14天暴露时间也存在显著差异，

 

_—n-

PAM/(mg-kg-)

值

标

均

在这些暴露时间内，暴露于100和200 mg/kg AM处理中

的蚯蚓生长抑制率显著高于暴露于25 mg/kg处理组和对 照组，聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应,而在25 mg/kg AM处理组中与对照组中蚯蚓的生长 抑制率没有显著差异。基于以上的数据分析结果，不难推 断出AM的浓度和蚯蚓的生长抑制率有明显的剂量效应关 系。与对照相比，当AM浓度大于100 mg/kg时对蚯蚓的 生长发育有显著的抑制作用。而相关的研究结果表明，当 AM< 150 mg/L不会影响草履虫（paramecium)的生长[28]。

表3急性暴露期内聚丙烯酰胺和丙烯酰胺对蚯蚓体质量的影

响的单因素方差分析结果

Table 3 Analysis result of variance (ANOVA) for effect of Polyacrylamide and Acrylamide on earthworm

暴露时 间/d变量SSaDFbMScFdP

1PAM0.00750.0010.2700.921

AM0.05130.01719.0530.001

4PAM0.04350.0090.7710.589

AM0.15330.05112.2700.002

7PAM0.04350.0091.1400.392

AM0.15130.05012.9510.002

10PAM0.01950.0040.8110.564

AM0.10330.03414.1710.001

14PAM0.00950.0020.2700.921

AM0.16230.05421.3800.000

注：a. SS，差方和；b. DF，自由度；c.MS,均方差;d. F，F 值；e. P，概率。

2.2.2亚急性暴露期对蚯蚓生长的影响

图2展示的是在42 d亚急性暴露期内，PAM和AM 对蚯蚓的生长发育的抑制作用。

在PAM暴露试验中，在第7、14天，对照组中的蚯 蚓生长抑制率比浓度10和50 mg/kg处理组中的高，而比 浓度250和500 mg/kg处理组中的低，这一点与急性毒性 试验结果完全一致。从第21天，PAM处理组中的蚯蚓生 长抑制率比对照组的要高，即PAM对蚯蚓生长产生一定 的影响，但差异不显著，不同浓度水平之间对蚯蚓的生 长抑制率也没有显著差异（P>0.05)。这就说明，亚急 性暴露期内，PAM对蚯蚓生长发育无明显的抑制作用。

就AM的5个浓度处理组中蚯蚓的生长抑制率数据 来看，在整个暴露期内，所有处理组中蚯蚓的体质量都 是减少的，这可能是由于人工土壤中营养不足所导致的。 但相对于对照而言，从第7到35天，暴露于AM的处理 组中的蚯蚓生长抑制率要高。虽然方差分析结果表明， AM对蚯蚓的生长抑制率无显著的影响，但是多重比较的 结果显示，从第14到35天，对照组和浓度为100 mg/kg 处理组之间的生长抑制率存在显著的差异（/<0.05)。 而暴露于其他浓度处理中的蚯蚓的生长抑制率与对照之 间没有显著差异。这说明，在亚急性暴露期内，当AM 浓度大于100 mg/kg时，对蚯蚓的生长发育影响显著。 Hasegawa等人的研究发现，聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应,当AM的浓度达到 340 mg/kg，从第19天开始，对雄性白鼠的生长发育产生

一定的抑制作用，当浓度超过700 mg/kg,从试验的一开 始就显现出严重的生长抑制作用[25]。

 

 

 

b. AM对蚯蚓的生长抑制率影响

图2亚急性暴露聚丙烯酰胺和丙烯酰胺对蚯蚓的生长抑制率

影响

Fig.2 Growth inhibition rates of earthworms from sub-acute exposure to Polyacrylamide and Acrylamide

2.2.3 PAM和AM对蚯蚓繁殖能力的影响

聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应,通过蚯蚓幼虫总数除以到第6周存活下来的蚯蚓数 的平均值来分析PAM和AM在整个亚急性暴露期内对蚯 蚓的繁殖能力的影响。结果见表4。

表4亚急性暴露期内每条蚯蚓所产的蚯蚓幼虫数 Table 4 Number of juvenile per worm produced after 42 days exposure to Polyacrylamide and Acrylamide

AM/(mg-kg-1)

010502505000152550100

3.67 3.30 3.17 0.70 0.30 3.67 1.731.371.330.63 0.33

准 0.208 0.200 0.208 0.200 0.100 0.208 0.252 0.208 0.208 0.153 0.577

差

注：均值代表存活蚯蚓所产蚯蚓幼虫的平均值。

与死亡率和生长抑制率相比较而言，蚯蚓的繁殖能 力受PAM和AM的影响更敏感一些。在所有PAM和AM 处理组中，蚯蚓幼虫的产生量都比对照要低。随着PAM 和AM浓度的增加，幼虫数量明显减少。对照组中蚯蚓 生产幼虫的能力要明显高于PAM和AM处理组（户< 0.05)，不同浓度PAM和AM处理之间，蚯蚓生产幼虫 的能力也显著不同，存在着明显的剂量效应关系。总之， 浓度很低的PAM和AM也会对蚯蚓的生产繁殖能力有显 著的影响。这一结论也得到了之前相关研究的印证，丁 中海等人研究发现，AM对wagwa的繁殖能力有

一定的影响，产生影响的最小浓度为3.13 mg/L[26]。 Takigamia等人研究发现PAM可以直接导致5.的

DNA损伤，可能是由于PAM包含有的其他成分所致， 如低聚物、共聚物、单体或其他的附加产物[29]。

PAM和AM对蚯蚓的繁殖能力影响很大，AM毒性 效应大于PAM。PAM表现的生殖毒性到底是PAM本身 直接所致，还是其降解产生的单体AM或共聚物所致还 有待深入研究。PAM作为水处理剂大量使用并最终进入 到污泥中必然会在蚯蚓生物转化过程中，聚丙烯酰胺对蚯蚓的毒性效应,对蚯蚓的存活、 生长、繁殖产生一定的毒性效应及其所排放环境具有潜 在风险，不过单一的人工土壤环境毕竟与复杂的污泥环 境不同，因此本研究的结果还不能完全说明污泥中的 PAM对蚯蚓及其所排放环境的影响程度，还有待未来进 一步的研究。

3结论

急性和亚急性毒性测试表明，聚丙烯酰胺对蚯蚓的 存活和生长没有显著的毒性效应，对蚯蚓的半致死剂量 大于2 000 mg/kg。但聚丙烯酰胺对蚯蚓的繁殖能力具有 显著影响。丙烯酰胺对蚯蚓的毒性较大，当浓度等于和 大于100 mg/kg时对存活和生长即表现出显著的毒性效 应，对蚯蚓的半致死剂量为164.01 mg/kg。残留于污泥中 的聚丙烯酰胺对蚯蚓及排放环境安全构成潜在风险。