基于化学诱导的油菜（Brassica napus L.）修复镉污染土壤的根际过程

论文摘要

土壤重金属污染潜伏期长,危害呈慢性积累,不易被人们察觉,而且一旦污染环境,就不易从环境中去除,因此重金属常被列为人们优先考虑去除的污染物之一。土壤重金属污染的植物修复技术是广谱的原位处理技术,以其廉价、绿色、清洁等特点而备受人们的青睐。为了有效地利用植物修复技术,可以通过两条途径保证植物将重金属超量富集在地上部位。一条是广泛从自然界现有资源中筛选野生超积累植物,但超积累植物区域性分布较强、生长缓慢、周年生物量小、且移植本地时,其生态位低于本土植物,处于竞争劣势。另一条就是利用物理、化学、生物学、农艺学等技术诱导超积累植物和本地优势植物,其中化学诱导植物修复中最活跃、最有效的技术,因而越来越受到人们的广泛重视。目前,很多研究着重于重金属在土壤-植物体系中的归趋,而对根际微生态圈中重金属的化学行为和植物修复机理尚显薄弱。与此同时,大多数研究表明,十字花科植物对重金属有较强的富集吸收作用,且周年生物收获量大,甘蓝型油菜（Brassica napus L.）是我国主要农作物之一,其吸收重金属能力强,绝大部分分布在植物易收割移走的部位,因此具有较强的修复重金属污染能力。针对重庆市紫色土农地重金属污染的特点,本研究选取污染严重的Cd为代表重金属,以甘蓝型油菜为修复植物材料,通过土壤根箱试验、吸附—解吸试验、土壤盆栽试验和溶液培试验,研究了油菜根际土壤Cd的吸附—解吸过程以及根际土壤Cd的分布与形态转化特征,探讨了外源氮、螯合剂、有机酸等几类化学物质对油菜吸收Cd的诱导,为深入了解紫色土Cd的根际环境化学过程及其化学诱导修复技术提供科学依据。吸附—解吸试验表明,油菜根际土壤与非根际土壤之间存在着明显差异,虽然两者对Cd2+的吸附量均随着加入Cd2+浓度的增加而增加,但根际土对Cd2+的吸附能力高于非根际土。根际和非根际土壤对Cd2+的吸附等温线与Langmuir和Freundlich方程都有较好的拟合性。根际和非根际土壤Cd2+最大吸附量分别为112.3 mg kg-1和105.4 mg kg-1,相比于非根际土,根际土吸附的Cd2+更难解吸,解吸率更低。吸附—解吸试验还表明,pH和有机酸影响土壤Cd2+的吸附—解吸过程。Cd2+的解吸曲线随介质pH的增加呈“S”型曲线变化,分为最大解吸阶段（pH≤2.0）、解吸率快速降低阶段（pH2.0～5.0）以及沉淀和最小解吸阶段（pH5.0～9.0）。在pH≤2.0时解吸率最大,解吸量超过80%;在pH2.0～5.0时,随着pH增加,Cd2+的解吸率从85%降到18.9%左右;在pH＞5.0时,Cd2+的解吸率基本平稳,为沉淀和最小解吸阶段。根系分泌物有机酸种类和浓度也显著影响着土壤中Cd2+的解吸行为。随着柠檬酸、醋酸、苹果酸和酒石酸的浓度从10-4增加到0.1 mol L-1,土壤解吸的Cd2+有先降低后增加的趋势。低浓度(≤10-3 mol L-1)的有机酸抑制Cd2+的解吸,高浓度柠檬酸、醋酸、苹果酸(≥10-3 mol L-1)和酒石酸(≥10-2 mol L-1)等有机酸促进Cd2+的解吸。当解吸液中存在0.1 mol L-1的柠檬酸、醋酸、苹果酸、水杨酸的时候,土壤吸附的Cd2+大部分被解吸了。在本研究中,柠檬酸或醋酸在高浓度时显著提高了Cd2+的解吸,其次为水杨酸、苹果酸和酒石酸。根箱培养试验表明,油菜根际Cd的形态可能是因为根系分泌作用导致的DOC、Eh和pH变化而发生显著的变化。油菜生长大约40 d左右,根际交换态Cd呈现先增加后下降的趋势,碳酸盐结合态Cd呈现了相似的变化趋势,只是碳酸盐结合态Cd的变化速度较交换态Cd慢。碳酸盐结合态Cd在油菜生长35 d达到最大,55 d后开始净损失。氧化物结合态Cd在开始增加。而有机物结合态在生长初期下降。油菜富集的Cd与生物量呈正相关关系。油菜体内累积的Cd超过了土壤交换态Cd的量,显示出低生物有效性Cd向高生物有效性Cd的转变。土壤盆栽试验表明,不同形态的氮对油菜地上部Cd的积累有显著的影响,施用铵态氮肥可以显著提高油菜地上部Cd含量,而施用硝态氮肥则对地上部Cd含量没有明显的影响。铵态氮肥能显著降低油菜根际pH,使得油菜根际残渣态、碳酸盐态和铁锰结合态Cd强烈活化,促使这三种形态Cd向交换态转换,从而增加了Cd的生物有效性。溶液培养试验表明,添加EDDS和EDTA后,油菜对培养液中重金属Cd的吸收和转运的影响。EDDS和EDTA存在下油菜根系Cd含量减少,地上部Cd含量与对照相比显著增加。EDDS和EDTA能增强油菜Cd从根系到地上部的转运,EDTA对Cd向油菜地上部转运的能力显著大于EDDS。这与EDTA可显著增强木质部液Cd浓度有关。外源有机酸可活化土壤Cd,强化植物修复效果,活化能力与有机酸类型有关。对Cd活化能力的强弱顺序为:柠檬酸＞胡敏酸＞草酸＞苹果酸＞富里酸＞酒石酸＞水杨酸＞水。与对照相比,柠檬酸和胡敏酸对油菜地上部Cd含量有一定的促进作用,也增加了油菜地上部Cd含量。本文仅从根际过程及其化学诱导等方面探索了土壤重金属植物修复技术,但应用过程的实际修复效率受到诸多因素的影响,如以重金属为代表的有机—无机复合污染、根际有机污染物的非生物氧化过程、根际微生物群落结构变化、化学诱导的土壤和地下水的环境风险等,有待今后进一步的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 土壤中重金属的含量、形态转化及生物有效性
• 1.2 根际修复土壤CD的生态化学机制
• 1.3 根际修复土壤CD的物理化学机制
• 1.4 根际修复土壤CD的化学调控机制
• 1.5 小结
• 第2章 绪论
• 2.1 立项依据
• 2.2 研究目标
• 2.3 研究内容
• 2.4 技术路线
• 第3章 油菜根际土壤中CD的吸附—解吸特征
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第4章 油菜根际土壤CD的分布与形态转化特征
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第5章 外源氮对油菜吸收CD的化学诱导
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与分析
• 5.4 小结
• 第6章 螯合剂对油菜吸收CD的化学诱导
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.3 结果与分析
• 6.4 小结
• 第7章 有机酸对油菜吸收CD的化学诱导
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.3 结果与分析
• 7.4 讨论
• 7.5 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 主要研究结论
• 8.2 研究特色和创新
• 8.3 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间发表论文及参加课题