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基于黑麦草根系分泌有机酸的铅污染修复机理研究

乔冬梅  
【摘要】: 水资源紧缺使得污水灌溉面积逐年增加,随之而来的重金属污染问题日益严重。土壤重金属污染具有累积性、滞后性和不可逆性的特点,其治理难度大、成本高、周期长,不仅影响经济社会的可持续发展,而且严重危害人民群众的生命健康,因此重金属污染修复刻不容缓。面对重金属污染修复这项非常艰巨而重要的任务,众多修复方法中植物修复技术是一种可靠的、相对安全的环境友好型的修复技术,但目前对植物修复技术的植物选择、修复机理、应用条件、修复效果等方面的研究还比较薄弱,尤其在根际这个复杂的微生态环境中,土壤重金属修复机理的研究还较薄弱,有必要对土壤重金属的修复机理进行深入研究。植物根系分泌物反映了植物之间、植物与土壤以及植物与微生物之间的物理、化学和生物关系,在土壤重金属污染修复中发挥重要的作用。本文从富集重金属的黑麦草根际环境入手,主要针对基于根系分泌有机酸的植物修复机理进行研究,探索对重金属吸收起关键性促进作用的根系分泌有机酸组成、诱导作用、综合响应特征,进而从理论上阐明植物修复的调控机理。 本项研究全文共分九章,除第一章绪论、第九章结论与讨论外,主要包括三部分:(1)重金属污染植物修复的基础研究(二—四章)、(2)黑麦草水培试验(五、六章)、(3)黑麦草土培试验(七、八章)。第一部分采用1次平衡法研究了不同pH(3,5,7,9,11)值和不同有机酸(EDTA、草酸、酒石酸、冰乙酸、丙二酸、苹果酸和柠檬酸)对重金属Pb~(2+)吸附-解吸的影响,同时采用Tissier同步提取法研究了不同pH值对重金属Pb~(2+)存在形态的影响,以期为重金属修复研究提供理论基础;第二部分通过水培试验,研究了黑麦草对不同浓度(10、25、50、100、200、400、600、800、1000mg/l)重金属Pb~(2+)的修复效果,在获得根系分泌有机酸基础上,施加外源有机酸干扰,研究不同浓度(0.1,0.5,1,2,3mmol/l)和不同种类(EDTA,草酸,冰乙酸,丙二酸,酒石酸,苹果酸,柠檬酸)有机酸对黑麦草修复效果及其响应特征;第三部分是在水培试验研究的基础上,为了使研究更具有实用性,采用土培试验,研究黑麦草对不同浓度(0、100、300、500、1000mg/kg)重金属Pb~(2+)的修复效果,在分析获得黑麦草根系、根际和非根际土壤有机酸的基础上,施加外源有机酸诱导因素,研究不同浓度(1、3、5、6、7mmol/kg)和不同种类(EDTA、草酸、冰乙酸、丙二酸、酒石酸、苹果酸)有机酸对黑麦草修复效果及其响应特征。 取得主要研究结果如下: (1)在pH(3-11)跨度较大范围进行吸附-解吸研究,分析表明:吸附量(率)随初始浓度变化的pH值敏感阈值范围为pH≤7。所引入的关于平衡浓度与吸附量之间的改进模型ln(S)=K1×CK2,较其它模型为最优模型。解吸量随pH值的增大而减小,随吸附量的增加而增大。同时进行了不同有机酸作用下吸附-解吸研究,分析得出,有机酸增加了重金属Pb~(2+)的活性,其活化能力顺序为:EDTA柠檬酸苹果酸丙二酸冰乙酸酒石酸草酸。冰乙酸、丙二酸、酒石酸及苹果酸作用下等温吸附可以用Henry模型模拟,柠檬酸和草酸可以用Freundilich模型模拟,而各模型均不适合EDTA条件下的模拟分析。 (2)不同pH值条件下重金属Pb~(2+)形态分析表明:pH7时,有利于10-100mg/l重金属Pb~(2+)向易吸收的形态转变,而对于200-1000mg/l范围内Pb~(2+)的存在形态影响较小;0-100mg/l浓度范围内,铁锰氧化物结合态所占比例最大;200-1000mg/l浓度范围内,Pb~(2+)存在形态主要为残渣态。 (3)不同重金属Pb~(2+)浓度下黑麦草修复的水培试验得出:400mg/l的重金属Pb~(2+)浓度为黑麦草分泌有机酸调节pH值的敏感阈值拐点,而影响黑麦草株高、干物质量和根系耐性指数的阈值拐点为200mg/l;随营养液中Pb~(2+)浓度的增加植株中Pb~(2+)含量增加,但增幅随Pb~(2+)浓度的增加而减小;随黑麦草生长时间的推移,根系分泌有机酸由草酸和冰乙酸增加为草酸、酒石酸、苹果酸、冰乙酸及柠檬酸;营养液Pb~(2+)浓度大于800mg/l对黑麦草有极大的毒害作用。 (4)外源有机酸诱导修复效果的水培试验表明:有机酸促进地上干物质量和根系干重的增加。EDTA有利于重金属Pb~(2+)向地上部分转移,但生物量相对较小;1-3mmol/l的丙二酸,酒石酸对地上部分Pb~(2+)含量的促进作用较明显;1-3mmol/l的冰乙酸有利于黑麦草生物量的增加,同时也有利于根系重金属Pb~(2+)含量的增加;不同浓度有机酸对静水体内重金属Pb~(2+)吸收转移量的情况为,有机酸浓度为0.1mmol/l时,酒石酸的吸收累积量最大;有机酸浓度为0.5mmol/l时,丙二酸的吸收累积量最大;有机酸浓度在1-3mmol/l范围内时,冰乙酸的吸收累积量最大。 (5)不同重金属Pb~(2+)浓度下黑麦草修复的土培试验得出:土壤重金属Pb~(2+)诱导黑麦草分泌草酸、苹果酸和冰乙酸;通过生理机制调节,使得根际土壤pH、Eh和Pb~(2+)含量均小于非根际;黑麦草植株中吸收积累Pb~(2+)量与试验土壤重金属Pb~(2+)浓度直接相关,且随生长时间的推移,黑麦草植株中Pb~(2+)含量增加,并有向地上部分转移的趋势,生长40-50d的黑麦草对300-500mg/kg重金属Pb~(2+)的修复效果最明显;种植黑麦草后,重金属Pb~(2+)浓度为200-1000mg/l范围内时,根际土壤的吸附量(率)略高于非根际,且随生长发育时间的推移差距增大;根际环境有利于Pb~(2+)向交换态和有机物结合态转变,根际Pb~(2+)生物有效性系数高于非根际,其差距随土壤Pb~(2+)浓度的增加而减小,随生长时间的推移而增大。 (6)外源有机酸诱导修复效果的土培试验分析表明:EDTA修复效果较明显,但由于易造成二次污染,不作为优选材料;黑麦草所分泌的有机酸中,苹果酸可显著增加黑麦草地上部分Pb~(2+)含量,且有向地上部分转移的趋势;冰乙酸对土壤重金属Pb~(2+)的提取量较大,随冰乙酸浓度的增加,其修复效果增强,3mmol/kg时最明显,其后逐渐减弱,而且黑麦草生物量较大。


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