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铁锰硅对凤眼莲生物质结构的影响

武少伟  
【摘要】: 凤眼莲(Eichhornia crassipes)由于其极强的繁殖和生物入侵能力,现已被列为世界十大害草之一。在对凤眼莲的治理和利用两方面,最近几十年来,很多学者都倾向于对凤眼莲利用。凤眼莲对水体具有很强的净化功能,且其对很多重金属都有富集能力,收获后的生物质是一种潜在的优异的吸附剂,但一些金属离子在其体内对于生物质功能的影响并不清楚。为了探讨铁、锰、硅在凤眼莲生物质形成过程中的作用,本文首先研究了铁、锰、硅三种元素在凤眼莲体内的分布,及其对铜、镁、磷、钾等元素分布的影响,并利用FT-IR、XRD、SEM-EDX等手段表征其官能团的丰度、结晶度等生物质材料性质。主要结果如下: (1)前期试验:铁在植物各部位的含量顺序(除Mn、FeSi、FeMnSi处理外)为根叶茎;锰在植物各部位的含量顺序为(除Si和Fe处理外)根茎叶;Si在植物各部位的含量顺序为(除Mn处理外)根茎叶。其中,硅的存在有利于铁在根部的累积,但铁较少转移到茎叶中;缺铁时,Mn使铁更多地向叶分配,以利光合作用。铁可以降低锰的含量,硅增加锰的含量,锰对凤眼莲根部吸收硅有协同作用。浓度过高的铁不利于凤眼莲对高浓度的锰的吸收,对低浓度的锰的吸收有促进作用,却不利于其在根部积累。铁、锰、硅在凤眼莲体内的不同分布将在一定程度地影响凤眼莲生物质材料的功能特性。 (2)铁有利于镁在凤眼莲根部积累,而不利于镁向茎、叶部的分配;铁抑制了植物对铜的吸收,但高浓度的铁有利于铜转运到茎和叶中;高浓度铁有利于凤眼莲对磷的吸收,尤其在根部积累;铁能够显著促进凤眼莲对K的吸收,但随着铁浓度的增加,铁会抑制凤眼莲对钾的吸收。锰促进镁在植物根部积累,但抑制镁在茎部和叶部的分布;锰的存在抑制了植物根部对铜的吸收,促进茎叶部铜含量提高;锰促进植物根对磷的吸收,抑制凤眼莲茎和叶对磷的积累,但高浓度的锰抑制植物对磷的吸收;硅有利于凤眼莲根对镁的吸收,却不利于茎和叶对镁的积累;硅抑制凤眼莲根对铜的吸收,有利于铜在叶和茎中分布;硅对凤眼莲吸收磷没有显著影响,但抑制茎和叶对磷的累积;硅抑制凤眼莲对钾的吸收。铁、锰、硅对凤眼莲体内Mg、Cu、P、K这些元素分布的影响在凤眼莲生物质材料形成中的作用有待进一步研究。 (3)吸附位点数在凤眼莲体内的规律为:在低浓度铁、锰及其组合处理条件下,凤眼莲秸秆三个部位的酸性位点数顺序为根茎叶,施硅条件下,凤眼莲秸秆三个部位的酸性位点数顺序与上述顺序相反,为叶茎根。铁降低凤眼莲秸秆的酸性位点数,Mn和Si则能提高其酸性位点数,Mn的作用尤其明显。铁降低凤眼莲叶中的碱性位点数,提升根、茎中的碱性位点数。锰促进植物根产生更多的碱性位点,但在茎和叶部抑制其产生碱性位点。硅抑制凤眼莲根和叶部碱性位点的产生,但促进茎部产生更多的碱性位点。与低浓度相反,高浓度的锰促进植物产生更多的碱性位点,高浓度铁促进植物茎和叶产生更多的碱性位点。由此可见,水环境中不同浓度的铁、锰、硅可以一定程度地改变凤眼莲生物质的荷电特性,从而改变凤眼莲生物质材料的性质。 (4)红外图谱表明:Mn和Si增加木质素、果胶以及低分子的木聚糖(半纤维素)等非晶型物质含量,这些物质含有较高的C=C、-CH2、-C-O、-OH、-COOH等活性基团,有利于生物质材料的化学改性。Fe增加-CH3等官能团,降低吸附位点数,不利于生物质材料的化学改性。 (5)X-射线衍射图谱表明:凤眼莲生物质根和叶纤维素结晶度含量较低;硅和铁能提升植物根的结晶度,锰降低植物根的结晶度。铁和锰均能降低植物茎叶的结晶度。高浓度铁可以增加植物的结晶度,尤其是植物根部的结晶度;锰降低植物的结晶度。铁锰硅对凤眼莲生物质材料结晶度的影响与其对凤眼莲生物质活性功能团的贡献相一致。 (6)能谱分析表明:C、O、Si、P、Na是细胞壁的组成元素,主要分布在植物细胞壁上,Ca和S分布比较均匀。高浓度的铁和锰使植物的细胞壁和根表均分布有Fe和Mn,同时,提升了对P、Al的吸收。植物不同组织中主要元素的分布差异由营养液中不同的铁、锰、硅营养条件引起,与生物质的结构和吸附特性有一定的关系。


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