漂浮栽培植物對富營養(yǎng)化水體中磷的去除效應(yīng)基因型差異及原因分析.pdf

1、水體富營養(yǎng)化已成為當(dāng)代許多國家政府和公眾最為關(guān)注的環(huán)境問題之一。隨著富營養(yǎng)化的加劇，藻類水華發(fā)生的頻率和幅度也大大增加，特別是有毒水華對水環(huán)境的危害和水生生物的安全威脅已嚴(yán)重影響了水體的正常功能、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。氮(N)和磷(P)是引起水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)鹽因子，其中最主要的限制因子就是磷，因此如何經(jīng)濟(jì)、有效和簡便地去除富營養(yǎng)化水體中的磷是目前解決水體富營養(yǎng)化問題的關(guān)鍵。近年來，隨著人們對生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，使用生態(tài)修復(fù)的

2、方法來治理富營養(yǎng)化水體已成為新的研究熱點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)水體富營養(yǎng)化和植物去除營養(yǎng)鹽的能力大小十分相關(guān)。本論文應(yīng)用水體修復(fù)小試和中試等技術(shù)平臺，研究比較了不同季節(jié)性植物材料對富營養(yǎng)化水體中P的吸收去除能力以及產(chǎn)生植物之間基因型差異的原因分析。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括： 1.通過比較研究不同季節(jié)性的漂浮栽培植物材料[夏秋季：大漂(Pistiastratiotes Linn.)、矮桿美人蕉(Canna flaccida)、水鱉(Hydro

3、charis dubia)；冬春季：冬牧70(Secale cereale L.)，串葉松香草(Silphium erfoliatumLinn.)、多花黑麥草(Lolium mult Vlorum Lam.)]對富營養(yǎng)化水體中磷素(P)及其他污染物的吸收凈化效應(yīng)的基因型差異，篩選出分別適合在夏秋季(較高溫季節(jié))和冬春季(較低溫季節(jié))用來進(jìn)行富營養(yǎng)化水體植物生態(tài)修復(fù)工程的高效除磷植物材料，以達(dá)到常年保持高效凈化水質(zhì)之目的。結(jié)果表明，大漂(

4、Pistiastratiotes Linn.)和冬牧70(Secale cereale L.)分別是夏秋季和冬春季對富營養(yǎng)化水體中的P素及其他污染物去除效果最好的植物材料．試驗(yàn)結(jié)束后，水體總磷(TP)平均降低了50％左右，化學(xué)需氧量(CODMn)平均降低了35％左右，生化需氧量(BOD5)平均降低了55％左右，葉綠素a(chla)濃度平均降低了40％左右，較好地抑制了藻類的暴發(fā)，降低水體pH值且維持在中性水平，并能顯著提高水體透明度。同

5、時(shí)我們還通過比較不同季節(jié)性的漂浮栽培植物材料對不同P污染水平的富營養(yǎng)化水體(低P：0.01 mg//；高P：0.50 mg/L)中磷素及其他污染物的去除效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)大漂和冬牧70都比較適合用來修復(fù)高P(0.50 mg/L)污染水體，因?yàn)榇藭r(shí)這兩種植物對污水中的P素去除效率最高，對其他污染物的凈化效果也最好；其次是矮桿美人蕉(Canna flaccida)和串葉松香草(Silphiumperfoliatum Linn.)，它們也較適合在高P

6、污染水體中生長；除磷效率較低、凈化效果較差的植物則分別是水鱉(Hydrocharis dubia)和多花黑麥草(Loliummultvlorum Lam.)，且這兩種植物都較適合在低P污染水體中生長。 2.通過研究高效除磷的漂浮栽培植物大漂(Pistia siratiotes Linn.)和冬牧70(Secale cereale L.)以及低效除磷的漂浮栽培植物水鱉(Hydrocharisdubia)和多花黑麥草(Lolium

7、multVlorum Lam.)對P吸收的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)與植物去磷效應(yīng)的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大漂和冬牧70對磷吸收的最大吸收速率(Vmax)和米氏常數(shù)(Km)都要高于對照植物水鱉和多花黑麥草。Vmax越高代表植物吸收P素的能力越強(qiáng)；Km越小代表植物對低P的親和能力越強(qiáng)。因此，大漂和冬牧70對磷吸收的能力較強(qiáng)且較適合在高P污染水體中生長，而水鱉和多花黑麥草對磷吸收的能力較低且較適合在低P污染水體中生長。研究結(jié)果還表明，大漂和水鱉、冬牧70和多花黑

8、麥草這四種不同季節(jié)性的漂浮栽培植物生長速率最快，對富營養(yǎng)化水體中P素去除效率最高的植物生長階段都是在5-20天的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，其次植物生長較快、除磷效果較好的則是在20-35天的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)。 3.通過研究高效除磷的漂浮栽培植物大漂(Pistia stra tiotes Linn.)和冬牧70(Secale cereale L.)以及低效除磷的漂浮栽培植物水鱉(Hydrocharisdubia)和多花黑麥草(Lolium mul

9、t Vlorum Lam.)的酸性磷酸酶活性差異與植物去磷效應(yīng)的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同的供磷水平下(低P供應(yīng)：0.01mg/L；正常供P:0.50mg/L)這四種植物的酸性磷酸酶活性都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。低磷脅迫能顯著增加大漂和水鱉、冬牧70和多花黑麥草的葉片酸性磷酸酶活性；不同植物的葉片酸性磷酸酶活性對低磷脅迫的反應(yīng)也存在顯著的差異，低P脅迫時(shí)水鱉和多花黑麥草的葉片酸性磷酸酶活性的增加幅度大于大漂和冬牧70。同樣地，低磷脅迫還能夠顯

10、著增加這四種植物的根系分泌酸性磷酸酶活性，該酶活性的增加可以顯著提高磷的生物有效性和植物對磷素的利用效率，由此可見水鱉和多花黑麥草比大漂和冬牧70更適合在低P污染水體中生長。 4.不同環(huán)境因子對漂浮栽培植物去磷效應(yīng)的影響研究的結(jié)果表明：①在低P處理時(shí)，大漂和冬牧70產(chǎn)生最高除磷效率的最佳氮磷比(N/P)是7.5:1；而在高P處理時(shí)，大漂和冬牧70產(chǎn)生最高除磷效率的最佳氮磷比(N/P)則是2.5:1；②有效微生物(EM菌)具有較好

11、的氮磷去除功能，特別是將其與高等植物聯(lián)合對污水進(jìn)行處理時(shí)效果更好，大漂和冬牧70在EM菌的作用下迅速大量繁殖，從而更有效地抑制了藻類的生長；③大漂的最適生長溫度是25℃，冬牧70的最適生長溫度是15℃，此時(shí)這兩種植物的生長情況最好，且對水體中P素和其他污染物的吸收去除能力也最強(qiáng)；④大漂和冬牧70的最適pH值都為6.7左右，此時(shí)這兩種植物的生長情況最好，且對水體中P素和其他污染物的吸收去除能力也最強(qiáng)；⑤水生漂浮植物大漂最適合的曝氣方式是連

12、續(xù)曝氣，這種曝氣方式較接近水生漂浮植物適合生長的自然流動(dòng)水體環(huán)境，而冬牧70最適合的曝氣方式是間歇曝氣。在適當(dāng)?shù)钠貧夥绞较拢笃投?0這兩種漂浮栽培植物對水體中P素和其他污染物的去除能力最好。 5.植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體過程中P的去除途徑主要包括植物吸收(包括微生物降解強(qiáng)化植物吸收部分)、植物根系吸附、底泥吸附(絮凝沉淀)和還原狀態(tài)下厭氧菌分解產(chǎn)生的P揮發(fā)(PH3)這四個(gè)部分。本試驗(yàn)以高效除磷的漂浮栽培植物大漂(Pistis

13、stratiotes Linn．)和冬牧70(Secale cereale L.)為研究對象，通過研究模擬條件下的植物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，明確了這四種不同的P去除途徑分別對水體中總磷(TP)去除量的貢獻(xiàn)率大小。結(jié)果表明：在植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體過程中最主要的P去除途徑是植物吸收作用和底泥吸附作用，分別可占水體中TP去除量的23％-58％、27％-51％；其次是植物根系吸附作用，可占水體中TP去除量的13％-28％；貢獻(xiàn)率最低的是還原狀態(tài)下的P揮