不同水生植物吸收去除水體氮效果及機(jī)理研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)的水資源越來越緊張，水污染問題也越來越嚴(yán)重，其中水體富營(yíng)養(yǎng)化問題是一個(gè)主要的水域環(huán)境問題，嚴(yán)重的藻華現(xiàn)象產(chǎn)生的藻毒素等有毒物質(zhì)威脅人們的生產(chǎn)和生活用水安全。如何經(jīng)濟(jì)、有效和簡(jiǎn)便地修復(fù)污染地表水(江、河、湖泊和水庫等)是目前亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 針對(duì)這些現(xiàn)狀，本文以浙江本地的水生植物為研究對(duì)象，主要從篩選高效凈化氮污染水體的夏季水生植物，以及水生植物氮吸收生理機(jī)制兩方面作研究，以期為解決

2、水體富營(yíng)養(yǎng)化問題提供可行性依據(jù)。取得的主要研究結(jié)果和結(jié)論包括： 1.利用物理生態(tài)工程和技術(shù)原理，在華家池生態(tài)圍隔中比較五種水生植物鳳眼蓮Eichhorniacrassipes，黃花水龍Jussiaenrepens，空心蓮子草Alternantheraphiloxeroides，水鱉Hydrocharisdubia和浮葉植物四角菱Trapaquadrispinosa夏季對(duì)水質(zhì)凈化效果?？偟?.0mg-1左右，氮磷比低(2-5:1)

3、、水域較深(＞2m)的自然水體條件下，五種水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體都有較好的凈化能力，試驗(yàn)80天吸收去除水體總氮營(yíng)養(yǎng)鹽達(dá)60-70﹪，研究結(jié)果表明水生植物主要以去除水中硝態(tài)氮含量導(dǎo)致水中總氮含量降低，去除水體總磷和降低KMnO4耗氧量能力較差。80天后，五種水生植物對(duì)總氮去除率比較：黃花水龍72﹪＞鳳眼蓮63﹪＞水鱉57﹪＞菱52﹪＞空心蓮子草44﹪。黃花水龍?zhí)幚韲鷧^(qū)水質(zhì)最好、透明度也較高，鳳眼蓮提高水體透明度方面表現(xiàn)最佳。因此通過漂浮植

4、物可以較容易地達(dá)到去除水體總氮水平的目標(biāo)，鳳眼蓮和黃花水龍生長(zhǎng)期長(zhǎng)，是高效凈化氮污染水體品種，適合修復(fù)氮污染水平較低的污染水體。 2.同時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的新型植物材料黃花水龍Jussiaenrepens進(jìn)一步的室內(nèi)研究，我們?cè)O(shè)置了不同氮污染水平：高氮(18.0mgNL-1)、中氮(4.2mgNL-1)和低氮(1.5mgNL-1)，以及加底泥和不加底泥處理。結(jié)果表明黃花水龍?jiān)谳^低的水溫條件下(20-21℃)生長(zhǎng)良好，它可以應(yīng)用于春季和初冬

5、凈化水質(zhì)的植物系統(tǒng)中。不同氮污染水平下，黃花水龍表現(xiàn)出對(duì)NO3--N有十分好的凈化效果，去除水中NO2-N的效果也比較好。20天后，黃花水龍植物系統(tǒng)對(duì)低氮和中氮污染水體總氮去除效果顯著，水中總氮水平保持在1.0mgL-1左右。但是它對(duì)氨氮敏感，不適合在高氨氮污染的水中生長(zhǎng)，結(jié)果表明，污染水體氨氮濃度應(yīng)低于0.5mgL-1，黃花水龍才能正常生長(zhǎng)。底泥處理的高氮污染水體(18.0mgL-1)，20天后，黃花水龍能夠一定程度上抑制氨氮從底泥中

6、釋放至上覆水，水中氨氮吸收去除效果則不顯著。處理5天后，黃花水龍顯著降低水體pH值至中性水平，為維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定提供保障和支撐。 3.鳳眼蓮生長(zhǎng)需肥量大，處理生活污水和工業(yè)廢水中有廣泛的應(yīng)用，然而在低氮污染水體中應(yīng)用并不多見。我們利用鳳眼蓮修復(fù)1000m2生態(tài)圍區(qū)低氮污染水域，試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，去除水中氮營(yíng)養(yǎng)鹽效果良好：試驗(yàn)的最初15天，鳳眼蓮對(duì)氮的吸收快，圍區(qū)水面覆蓋長(zhǎng)度從開始的10.0m增加到46.7m；鳳眼蓮生長(zhǎng)44

7、天后，圍區(qū)內(nèi)65﹪的面積被覆蓋，圍區(qū)內(nèi)的水質(zhì)也是最好，總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、KMnO4耗氧量和葉綠素a濃度最低，透明度也達(dá)到1.7-1.8m(水底)。圍區(qū)總氮濃度低于0.50mgL-1，鳳眼蓮依然表現(xiàn)為生長(zhǎng)良好的勢(shì)頭，我們的研究表明，鳳眼蓮不僅在高度富營(yíng)養(yǎng)化的水體中發(fā)揮作用，也適于修復(fù)低富營(yíng)養(yǎng)化的水體，并在短時(shí)期內(nèi)提高水體透明度，為沉水植物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。 4.本論文首次利用離子通量微電極

8、測(cè)定(MicroelectrodeIonFluxEstimation，MIFE)技術(shù)研究水生植物根對(duì)NH4+和NO3-的跨膜吸收機(jī)制。 鳳眼蓮Eichhorniacrassipes生長(zhǎng)快、適應(yīng)范圍廣，廣泛用于處理不同污染程度和類型的污染水體，對(duì)其營(yíng)養(yǎng)吸收特性和生理特點(diǎn)的研究有重要意義。我們利用離子通量微電極測(cè)定(MicroelectrodeIonFluxEstimation，MIFE)技術(shù)研究不同pH(4.0，5.5，6.5，7

9、.5和8.5)條件下鳳眼蓮的NH4+吸收動(dòng)力學(xué)，以及利用質(zhì)子和鈣離子抑制劑研究鳳眼蓮的根伸長(zhǎng)區(qū)在銨態(tài)氮濃度瞬時(shí)改變時(shí)的質(zhì)子、銨離子和鈣離子通量，了解這三者之間的關(guān)系。鳳眼蓮饑餓培養(yǎng)后加入NH4+使溶液中NH4+濃度升高，0-100μM范圍內(nèi)曲線符合Michaelis-Menten方程，不同pH對(duì)它的Km值和Vmax值影響不大。100μM-2mMNH4+濃度范圍內(nèi)求取一段時(shí)間的NH4+通量平均，曲線符合Michaelis-Menten方程

10、，隨著pH增加，親和力增加，最大吸收值也增加。當(dāng)外界NH4+濃度持續(xù)升高(＞1-2mM)時(shí)，外界NH4+濃度和根銨離子吸收通量顯示為線性關(guān)系。不同pH下0-100μM、600-1000μM、1-2mM、5-10mM和＞10mM范圍根伸長(zhǎng)區(qū)的NH4+吸收通量平均值，結(jié)果表明，低濃度(600-1000μM和1-2mM)下，根在pH高時(shí)銨離子吸收通量也大，而在0-100μM，5-10mM和＞10mM條件下根對(duì)銨離子吸收通量受pH值影響小，高濃

11、度下銨離子吸收通量也高。[Ca2+]cvt調(diào)節(jié)根對(duì)NH4+的吸收；NH4+和H+存在反向協(xié)同運(yùn)輸關(guān)系。 5.浮萍Landoltiapunctata在水污染治理中有廣泛的應(yīng)用，和鳳眼蓮?fù)瑢偎≈参铮歉∑嫉娜~片和根都浸沒在水中，吸收特性不同，本論文同時(shí)研究了浮萍對(duì)NH4+和NO3-的跨膜吸收機(jī)制。結(jié)果表明浮萍根和葉片對(duì)NH4+和NO3-都有吸收，葉片吸收NH4+占吸收總量的大部分，當(dāng)兩種無機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)鹽同時(shí)供給時(shí)，浮萍偏好吸收N

12、H4+，盡管根的NH4+和NO3-吸收通量低于葉片，但是由于根的面積大于葉片，所以根對(duì)整個(gè)植株吸收N的貢獻(xiàn)和葉片是一樣的。NH4+抑制NO3-的凈吸收通量，NO3-的存在促進(jìn)了浮萍根對(duì)NH4+的吸收，單一氮源條件下，浮萍對(duì)NO3-吸收明顯高于對(duì)NH4+的吸收。 6.不同水生植物對(duì)氮的吸收特性不同，本研究還比較了水生植物(假馬齒莧Bacopamonnieri，紅萍Azollaspp.，葉底紅Ludwigiarepens和苦草Val

13、lisnerianatans)不同根位置對(duì)NH4+和NO3-的吸收，以及與H+的關(guān)系，根對(duì)NH4+和NO3-的吸收偏好。我們的研究結(jié)果表明不同的物種對(duì)N形態(tài)的需求不同，兩種無機(jī)形態(tài)氮同時(shí)供應(yīng)時(shí)不同根位置喜歡不同形態(tài)的無機(jī)氮，最大的NH4+凈吸收通量的根部位是在分生區(qū)，對(duì)NO3--N的吸收伸長(zhǎng)區(qū)高于其它部位。四種水生植物的研究中，兩種植物(假馬齒莧Bacopamonnieri和紅萍Azollaspp.)偏向于吸收NO3--N，葉底紅Lud