薏米人工湿地在含铬(Ⅵ)营养液处理下的响应机理

摘要

构建桶栽的薏米人工湿地(YMW)模拟垂直流人工湿地系统，以无薏米植物(NPW)作对照，采用1/2霍格兰氏营养液为营养源，添加K2Cr2O7配置而成的含不同浓度六价铬(Cr6+)(0、5、20、40、60mg/L)的营养液至人工湿地中，以研究Cr6+对薏米生长发育变化动态、生理响应以及薏米对Fe、Mn、Cr等微量元素的吸收，同时研究Cr6+胁迫下以上两种人工湿地对Cr6+的去除效果、微生物群落等指标的影响。研究结果如下：
　　 ⑴YMW对培养液中NH3-N、TN、Cr6+的吸收净化能力高于NPW系统，在较低浓度(5mg/L) Cr6+处理下，YMW和NPW对NH3-N去除率促进、而高浓度(40、60mg/L) Cr6+胁迫下，随处理时间的延长，两种湿地对NH3-N去除率均呈降低趋势。YMW对TN去除率随处理时间的延长而呈先升高后降低的趋势，Cr6+对NPW的TN去除效果有显著地抑制效应。两种人工湿地对TP的去除效果差异不大，除了6月份NPW对TP的去除效果下降外，其他处理时期对TP的去除率维持在90％。YMW对低中浓度(5、20mg/L) Cr6+有较好的净化效果，去除率达到99％，但高浓度(40mg/L)Cr6+处理对人工湿地吸收去除Cr6+有抑制作用。
　　 ⑵薏米叶片SOD活性随着处理时期的延长而升高，薏米生长前期5mg/L Cr6+处理促进SOD活性升高，中后期40mg/L Cr6+处理对薏米SOD有促进作用。不同浓度Cr6+处理对薏米叶片POD活性、MDA含量均有促进作用，前中时期POD活性随着Cr6+浓度的提高而提高，整个时期MDA含量随着Cr6+处理浓度的提高而提高。低中浓度(5、20mg/L) Cr6+处理对薏米叶片SP含量有促进作用，SP随着处理时间的延长而不断提高，但后期高浓度(40mg/L) Cr6+处理有抑制作用。
　　 ⑶低浓度(5mg/L) Cr6+处理有利于薏米叶片Pn、Gs、Tr的提高，其他浓度Cr6+处理有抑制作用。薏米叶片Ci随Cr6+处理时间的延长而下降，中高浓度(20、40、60mg/L) Cr6+处理显著促进Ci值增大，并随Cr6+处理浓度的升高而增大。
　　 ⑷微生物群落数量YMW系统多于NPW系统，真菌、细菌、放线菌的数量也表现为类似的处理效应。真菌数量变化趋势随着处理时间的延长而增多，YMW细菌数量随处理时间的延长而增多，NPW细菌数量随着处理时间的延长而降低，放线菌数量随着处理时间的延长表现为先升高后降低。不同浓度Cr6+处理对人工湿地的细菌数量和放线菌数量、NPW真菌数量均有促进作用;低中浓度(5、20mg/L) Cr6+处理对YMW真菌数量有促进作用，高浓度(40、60mg/L) Cr6+处理有抑制作用，NPW细菌数量和YMW放线菌数量均随Cr6+处理浓度的提高而增多。
　　 ⑸人工湿地基质的脲酶和CAT活性均表现为NPW系统高于YMW系统，两种人工湿地的脲酶活性随着处理时间的延长而不断降低。低浓度(5mg/L) Cr6+处理对YMW脲酶活性和NPW的CAT活性均有促进提高的作用，而对于NPW脲酶活性在5、7月份表现为促进作用，随着处理时间的延长表现为中高浓度(20、40、60mg/L)Cr6+处理对两种人工湿地的脲酶活性有抑制作用，NPW的CAT活性也有相同规律，但7月份不同浓度Cr6+处理对NPW脲酶活性有促进作用。低中浓度(5、20mg/L)Cr6+处理对YMW的CAT活性有抑制作用，抑制效果随Cr6+处理浓度的提高而提高，但高浓度(40mg/L) Cr6+处理有显著促进作用。
　　 ⑹薏米植株Fe、Zn、Cu含量在薏米中分布规律为根＞叶＞茎，Mn、Cr在薏米中分布规律为根＞茎＞叶。生长前期的Cr6+抑制薏米根系对Fe、Zn、Cu的吸收，低浓度Cr6+促进薏米根系对Mn、Cr的吸收、高浓度Cr6+产生抑制效应，之后时期Fe、Mn、Cu、Cr含量随着Cr6+增加而降低，但中高浓度的Cr6+促进Zn的吸收。薏米茎对Fe、Zn、Cu吸收在不同浓度Cr6+处理下有着不同程度的抑制作用，低浓度(5mg/L)Cr6+促进对Mn的吸收，之后时期Mn含量随Cr6+增加而降低;在前中时期，薏米茎的Cr随Cr6+增加而增加，9月份20mg/LCr6+显著促进对Cr的吸收。薏米叶片的Fe、Mn、Cu含量在有些时期随Cr6+增加而降低的规律，在薏米的初期或中期Cr6+对Zn、Cr有促进吸收作用。
　　 ⑺低浓度(5mg/L) Cr6+促进薏米株高伸长、20mg/L以上浓度Cr6+均有抑制效应，并随Cr6+浓度的增加而抑制作用显著增强;Cr6+对薏米的基部直径影响差异不显著;薏米分蘖数在5月份至7月份随Cr6+浓度增加而减少，高浓度(40mg/L) Cr6+处理下显著抑制薏米的分蘖。低浓度(5mg/L) Cr6+对薏米根系的根总长有促进、高浓度(40mg/L) Cr6+有抑制的作用，根系总表面积、总体积、干物质量在Cr6+处理下均有类似效应。
　　 ⑻YMW真菌数量与TN、TP的去除率呈负相关，YMW细菌数量与NH3-N的去除率呈负相关;NPW脲酶活性与TN的去除率相关，YMW NH3-N的去除率与TN的去除率、Cr6+去除率均相关，YMW TN去除率与Cr6+去除率相关。薏米根系中的铁、锰、锌、铜四种元素之间的相互均相关，薏米茎的铁、锰、锌、铜这四种微量元素之间的运输无拮抗作用，但铬对以上四种元素的影响不一，薏米叶片中的铁与铜相关，锌与铜相关，铬与铜相关，但锌与锰之间呈负相关。薏米叶片SOD和POD活性与铁含量相关，POD活性与锰、铬含量相关，SP含量与锌含量相关。

目录

声明

摘要

缩写及符号说明

1 前言

1．1 铬的污染及存在形态

1．2 铬污染的治理方式

1．3 人工湿地

1．4 人工湿地去除重金属污水及机理

1．5 铬对植物生理生化的影响

1．5．1 铬对植物生长的影响

1．5．2 铬对植物养分等吸收的影响

1．5．3 铬金属等对植物的毒害机理

1．6 植物对铬的解毒机理

1．6．1 植物对铬的吸收及积累

1．6．2 有机物化合物对铬的螯合作用

1．6．3 微生物对铬的作用

1．6．4 铬对湿地微生物的影响

1．6．5 植物金属硫蛋白和植物螯合肽

1．7 选题的研究意义与目的

1．8 采取的研究技术路线

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．2 人工湿地

2．3 试验设计

2．4 试验测定方法

2．4．1 水质测定

2．4．2 薏米逆境生理指标的测定

2．4．3 薏米光合作用生理指标的测定

2．4．4 人工湿地基质的微生物和酶的测定

2．4．5 薏米铬、铁、铜、锰、锌的测定

2．4．6 薏米农艺形状及根系的分析测定

3 结果与分析

3．1 不同人工湿地对含Cr6+营养液的净化效果影响

3．1．1 不同人工湿地对氨氮(NH3-N)的去除

3．1．2 不同人工湿地对总氮(TN)的去除

3．1．3 不同人工湿地对总磷(TP)的去除

3．1．4 不同人工湿地对六价铬(Cr6+)的去除

3．2 不同浓度Cr6+对薏米叶片生理的影响

3．2．1 不同浓度Cr6+对薏米叶片超氧化物歧化酶(SOD)的影响

3．2．2 不同浓度Cr6+对薏米叶片过氧化物歧化酶(POD)的影响

3．2．3 不同浓度Cr6+对薏米叶片丙二醛(MDA)含量的影响

3．2．4 不同浓度Cr6+对薏米叶片可溶性蛋白质(SP)含量的影响

3．3 不同浓度Cr6+对薏米叶片光合作用的影响

3．3．1 不同浓度Cr6+对薏米叶片净光合速率(Pn)的影响

3．3．2 不同浓度Cr6+对薏米叶片气孔导度(Gs)的影响

3．3．3 不同浓度Cr6+对薏米叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

3．3．4 不同浓度Cr6+对薏米叶片蒸腾速率(Tr)的影响

3．4 不同浓度Cr6+对人工湿地基质微生物群落数量及基质酶的影响

3．4．1 不同浓度Cr6+对真菌数量的影响

3．4．2 不同浓度Cr6+对细菌数量的影响

3．4．3 不同浓度Cr6+对放线菌数量的影响

3．4．4 不同浓度Cr6+对脲酶活性的影响

3．4．5 不同浓度Cr6+对过氧化氢酶(CAT)活性的影响

3．5 不同浓度Cr6+对薏米吸收微量元素及铬的影响

3．5．1 不同浓度Cr6+对薏米吸收铁的影响

3．5．2 不同浓度Cr6+对薏米吸收锰的影响

3．5．3 不同浓度Cr6+对薏米吸收锌的影响

3．5．4 不同浓度Cr6+对薏米吸收铜的影响

3．5．5 不同浓度Cr6+对薏米吸收铬的影响

3．5．6 不同浓度Cr6+对薏米重金属转运系数的影响

3．6 不同浓度Cr6+对薏米农艺性状及根系的影响

3．6．1 不同浓度Cr6+对薏米株高的影响

3．6．2 不同浓度Cr6+对薏米基部直径的影响

3．6．3 不同浓度Cr6+对薏米分蘖数的影响

3．6．4 不同浓度Cr6+对薏米根系的影响

3．7 人工湿地基质的生态指标与人工湿地净化水质效果的相关性

3．8 薏米植株不同组织的铁、锰、铜、锌及铬含量之间的相关性

3．9 薏米叶片生理指标与薏米叶片微量元素及铬含量的相关性

4 讨论与结论

4．1 讨论

4．1．1 不同人工湿地对含Cr6+营养液的净化效果影响

4．1．2 不同浓度Cr6+对薏米叶片生理的影响

4．1．3 不同浓度Cr6+对薏米叶片光合作用的影响

4．1．4 不同浓度Cr6+对人工湿地基质微生物群落数量及基质酶的影响

4．1．5 不同浓度Cr6+对薏米吸收微量元素及铬的影响

4．1．6 不同浓度Cr6+对薏米农艺性状及根系的影响

4．1．7 人工湿地基质的生态指标与人工湿地净化水质效果的相关性

4．1．8 薏米植株不同组织的铁、锰、铜、锌及铬含量之间的相关性

4．1．9 薏米叶片生理指标与慧米叶片微量元素及铬含量的相关性

4．2 结论

5 创新与展望

致谢

参考文献

附录