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重金属污染土壤植物修复的根际机理

林琦  
【摘要】: 本论文从三大方面研究重金属污染土壤植物修复的根际过程机理。一、从重金属胁迫的根际效应、根系富集重金属的生态化学机制、根际物理化学特征及生物学特征对重金属形态的影响等方面研究重金属的根际行为;二、从有机复合污染下重金属的活性、根际环境有机污染物的物理化学、生物化学过程对重金属活性的影响等方面研究有机复合污染对重金属根际行为的影响及机理;三、基于根际机理的研究,开展重金属及有机无机复合污染土壤修复技术与相关机理研究。得出以下几点结论: (1)小麦培养介质由于铅、镉胁迫,介质pH发生变化。总的看来,都有减轻根际酸化作用,但两者的表观现象不同,铅处理使介质pH上升,而镉处理介质pH还是下降,只是较对照变化缓慢。铅、镉处理均导致小麦根系糖的泌出量增加,对此数据进行方差分析,铅、镉对根系糖的泌出量影响均达到了极显著水平。铅、镉处理,可能导致根系质膜的完整性和选择性受损,透性增大。毛细管电泳法测定分泌物的组成,发现铅、镉、铅—镉胁迫根系分泌物的组成与对照有较大的差异。 根系对铅的富集过程可能包含吸附反应和慢速的化学沉淀反应和细胞吸收过程。前12小时为快速反应阶段,12小时后为慢速反应阶段。本实验条件,由于时间较短,细胞吸收过程相对较弱,化学沉淀过程在高浓度处理中相对较强。镉复合处理可能还导致竞争吸附现象的发生,并使细胞吸收过程加快。根系对镉的富集过程可能包括吸附反应和细胞吸收反应,前24小时以吸附为主,24小时后,吸收过程比较显著。铅复合处理由于竞争吸附和颉颃吸收的影响,根系对镉的吸收能力减弱。但高浓度铅处理可能会促使共沉淀现象的发生。电子探针能谱分析结果表明,镉在小麦根系内的分布较均一,而铅在根内的分布不同,内外层差异相当大,外层(皮层)远大于内层(中柱),同时铅、镉复合处理对铅、镉在根系内的分布也产生显著影响,譬如,镉复合存在,使小麦根系中柱和内皮层的含铅量较单元素时高,表皮含铅量较单元素时低,即镉促进铅从小麦植株的表皮进入内部组织,使内外层含铅差异减少。 根系分泌物与重金属阶、Cd之间存在着络合反应,络合能力,络合强度的 大小,随不同性质的重金属而异,小麦分泌物对的的络合能力大于Cd。小麦、 水稻分泌物对红壤中阶、Cd的溶出没有显著影响,根系分泌物可能会影响到植 株对重金属的吸收分配作用。小麦根系分泌物对红壤吸附N、Cd的行为有一定 的影响,本实验条件下,在土壤一阶或/和 Cd溶液体系中,分泌物的加入促使 Ph、Cd吸附量的增加,分泌物对土壤吸附锅的影响大于铅。 矿物质受根系作用后性质发生了变化,无定形矿物经根系作用后出现一种结 晶很差的一种矿物一一水合铁氧化物(IfOll hydfOXidC hydfstC,FC(OH)3(HZO)。25), 针铁矿经黑麦草根系作用后,则晶粒变大,晶格强度增大。受根系作用后的矿物 质对重金属吸附能力的影响非常显著,无定形铁矿物受根系作用后吸附重金属铜 的能力增大,而针铁矿相反。 P chlysosporium对无定形氧化铁、针铁矿、赤铁矿吸附铜的行为产生很大影 响。接种 P chrysosPorium后,无定形氧化铁表面弱结合态铜首先转化为水溶态, 随培养时间增加,强结合态铜逐渐向弱结合态和水溶态转化;P chl’ysorporium 对针铁矿表面铜行为的影响则主要表现在弱结合态铜向水溶态铜转化,强结合态 不受影响。P ChrySOsPOrioffi对赤铁矿表面铜行为的影响与无定形氧化物及针铁矿 均有所不同,一方面表现菌丝体生长,部分铜以胶态存在,另一方面表现 P chrysosPorium生长过程分泌质子,酸化基质并将部分强结合态铜释放。微生物 对土壤溶液中重金属含量也有一定的影响,初始阶段,接种微生物对铜、锌的溶 出有促进作用,但随反应进行,微生物对重金属的固定作用可能占主导地位。接 种 P chrysosporium,土壤混合菌,根系分泌物的加入使水溶性总锌和有机结合态 锌含量较对照高。 红壤根际、非根际铅NH4OAC可提取性差异很大(植麦或植稻),根际大于 非根际:铜则不然,红壤小麦根际现象不显著,水稻根际与非根际差异很大,但 基本都是根际小于非根际。红壤根际、非根际Cd(植麦或植稻)的主要形态都 为交换态。铁锰氧化物结合态Cd在小麦根际、非根际无显著差别,而在红壤水 稻根际、非根际明显不同,水稻根际存在富集铁锰氧化物结合态Cd的现象,与 旱作相比,对Cd的毒性有一定的缓解作用。红壤根际、非根际Ph的主要形态 2 与*d有很大不同。根际都是酸解态+碳酸盐忐绞换态>铁锰氧化物结合态;非 根际都是酸解态+碳酸盐态>铁锰氧化物结合态>交换态。根际交换态铅远大于非 根际,即小麦和水稻根际都存在着强烈的活化过程。青紫泥铜的主要形态为铁锰 氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机结合态,其中铁锰氧化物CU占总铜含量达 80%以上,交换态CU则不到2%。栽种黑麦草后,根际交换态CU与非根际几乎 没有


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