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《华中农业大学》 2007年
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以凤眼莲为主体的水生植物对铜污染与富营养化水体生物修复研究

胡朝华  
【摘要】: 近三十年来,由于经济和生活水平快速发展,大量氮磷营养物质随着废水废弃物的排放进入江河湖库中,导致水生态系统大面积退化,水体富营养化问题日益突出。一些废水中还含有铜等潜在毒害金属,加之富营养化水体中又常使用铜化合物来杀藻或改善水质。当铜浓度超标时,危及到水生生物的生存,包括铜在内的重金属通过食物链对人们和动物的安全和健康也构成了严重威胁。目前,大型水生植物在重金属和富营养化水体生物修复中的应用已在国内外受到极大关注。本研究通过分析凤眼莲对铜的累积作用及其生理响应,阐明铜胁迫下凤眼莲的生理适应机制,并探讨凤眼莲根系抗铜菌的去铜作用及其在缓解菹草铜胁迫毒害中应用潜力。同时,针对河北省洋河水库富营养化问题,在对水库及其上游西洋河流域氮磷污染调查和监测的基础上,模拟水库开放水域,有针对性应用生态修复工程,创建单一植物生态围隔和不同生活型的水生植物组合群落,对凤眼莲等水生植物在富营养化水体水质改善中的应用进行了探索性研究。 研究结果表明,在中浓度(0.5-5 mg/L)铜胁迫下,凤眼莲具有较强的累积铜和缓解铜毒害的能力。凤眼莲各组织的平均铜含量最高达314 mg/kg干重(14 d),所累积的铜主要分布在根部,根部最高铜含量在1800 mg/kg干重(8 d)以上。凤眼莲叶片在铜胁迫下,三种光合色素浓度降低后又能恢复到较高水平,主要归因于SOD、POD和CAT三种抗氧化酶的保护作用,使铜诱导的膜脂过氧化毒害在一定程度上得到缓解。在高浓度(10 mg/L)铜胁迫下,虽然光合色素浓度和膜脂过氧化产物等受到严重影响,凤眼莲仍然表现出高累积铜(平均含铜量在300 mg/kg干重以上)的潜力,但是达到一定培养时间(6 d)就会死亡。根系在铜累积胁迫下外观形态和结构逐渐退化,但在较长时间(30 d)内可以维持生长,其根际微生物菌团在缓解铜毒过程中可能起到了重要作用。 从凤眼莲根系分离到一株抗铜菌ACU,分析表明,该菌具有很强的耐铜和去铜能力。16S rDNA序列(GenBank基因注册号为:EF151985)确定ACU是一种属于肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的新菌株。SDS-PAGE分析结果证明,ACU去铜机制可能是通过菌体细胞分泌小分子量(约50 kDa)的胞外蛋白与铜结合形成复合物。通过在植物表面接种ACU,在低中铜浓度(0-3 mg/L)下,菹草生物量增长率短期内(4 d)就表现出较大幅度的提高,甚至在高浓度(10 mg/L)铜处理中,也推迟了菹草的致死时间(8 d),而对照(没有接种ACU的菹草)4 d内就已死亡。通过显微镜观察,在中浓度(3 mg/L)铜胁迫下,接种ACU使菹草的根和叶保持相对完整形态结构,而对照处理中根和叶的结构已遭到严重破坏。这些结果说明ACU具有明显的缓解铜胁迫对菹草的毒害作用,并且在一定程度上可促进菹草的生长发育。 通过人工生态围隔考察各植物的生长特点和净化效果,试验表明,各受试水生植物均可正常生长,降低水库富营养化水体中氮磷营养水平,减轻有机污染负荷,增加溶解氧浓度。在50 d的监测时间内,所有恢复水生植物生长的围隔内水体已由富营养化状态过渡到中营养化状态。在此基础上,采用凤眼莲等水生植物以镶嵌组合加串联组合的方式在开放流动的模拟条件下对洋河水库的水质进行了逐级修复试验。人工复合生态系统试验表明,凤眼莲与水生植物的镶嵌组合加各级串联组合能有效去除氮磷,而对于还原性有机污染物,凤菱睡镶嵌组合的去除效果相对要好于镶嵌组合加各级串联组合。该系统使水库水体由原来的富营养化型向中营养化型转变。 综上所述,凤眼莲在中浓度铜污染水体修复中具有较好效果,其根系抗铜菌ACU在污水去铜过程以及缓解菹草铜毒害方面也具有一定的应用潜力。凤眼莲等水生植物在改善洋河水库富营养化水质的的模拟过程中也发挥了较好作用。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:X52

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【引证文献】
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