不同营养条件对水生植物吸收重金属影响的研究-李俊.docx

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1、Research on the Obsorption of Heavy Metal by Aquatic Plants in Different Nutritions by LI Jun A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Analytical Environment Science in Central South University of Forestry and Technology 498 Shaoshan S

2、outh Road, Tianxin District Changsha Hunan 410004, P.R.CHDMA Supervisor Professor LI Kelin June, 2008 fBi 附录 c:学位论文原创性声明与版权使用授权书示例 彳 夂 科 技 太 # 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导 F独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文

3、中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 : 年 6月 W曰 肀 态 淋 夂 科 技 太 # 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1、 保密口， g年解密后适用本授权书 2、 不保密 # (请您在以上相应方框打 作 者 签 名 导 师 签 名 ： 2 月山 J 摘要 随着我国

4、经济的不断发展，工业对环境造成的污染日趋严重。其中水体的重金 属污染己经成为制约部分地区和社会 “ 可持续发展 ” 的瓶颈。重金属通过矿山开 采、金属冶炼、金属加工及化工 生产、化石燃料燃烧、农药化肥和生活垃圾等人 为污染源以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体，重金 M毒性大，进入水体 后严重污染水环境，危害到人类及动植物生存与安全。 人工湿地作为一项新兴的处理污水的技术，主要采用水生植物对污染物质进 行吸收净化。因此，研究水生植物对污染物质的吸收效应及吸收机理对人工湿地 技术的发展具有举足轻重的作用。 以往一些学者从光照、水位、营养盐水平、附生植物等方面对水生植物的耐 污机理进行过研究，而

5、这些研究多关注于单因素作用。本论文主要从水生植物的 主要营养元素氮素不同形态 （ NH4+和 NO3_)比例不同的情况下研究其对重金属的 吸收，并且在外部条件变化的情况下对其进行深入研究。 本文通过对 6种水生植物进行筛选，取其中吸收效果良好的 3种植物：狐尾 藻、美人蕉、香蒲进行实验，结果发现 NH4+含量： NCV含量的变化育接影响水生 植物对污水中重金属的去除率，另外，磷含量作为水生植物的另一种营养元素， 同样影响着其对重金属的吸收。外部条件方面，温度升高在 般会对造成植物吸 收重金属效果的增加，但也取决于氨氮和硝氮的比值。在时间方面的研究表明， 水生植物对 1金属的吸收是比较快的， 般

6、耐重金属性强的 梢物 4:很短的时间内 (3h)就能基本吸收达到饱和，而慢的也能在 24h内基本完成对污水中重金 M的吸收， 而后只是缓慢增长。 通过此研究，更好的了解在不同营养条件下水生植物吸收 1金 M的能力变化， 从而为今后人工湿地等利用水生植物吸收重金属的水处理工艺及湖泊研究提供依 据。 关键词：水生楨物；水污染； t金属；氮紊 ABSTRACT Along with the economy develops in our country, the environment pollutions by the industry is seriously day by day. Water

7、 heavy metal pollution is already became the restriction to the sustainable development of the society. The heavy metal is from mine minings metal smelting, metal manufacturing, and the waste water of chemical productions, fossil ftiel burning, agricultural chemicals, wastes of life and so on. The p

8、ollutions from nature is as well as the geology corrodes, the decency and so on. The heavy metals toxicity is large* It seriously pollutes the water environment when it enters the water. Harms the human and the propagations survival and security* The artificial wetland is a new technology to treat p

9、olluted water, mainly uses the aquatic plant to absorb the contamination. Therefore, the research to the aquatic plants absorption in artificial wetland is important. Anti-pollution mechanism of aquatic plants was studied by some previous researchers from the following respects: illumination water l

10、eveK overhigh nutrient leveK q)iphytes and so on. Those researchs pays much attention to the single factor effect. The research on heavy metals absorption of aquatic plants under the situation of various external condition, are introduced in this dissertation. This article sees about 6 kinds of aqua

11、tic plants, select 3 kinds of good absorption effect plants: Myriophyllum, Canna and Typha orientalis PresI to carry on the experiments.Finally discovers the change of NH4+： N 3_ is directly influence the heavy metaFs removed rate by aquatic plants, Moreover, the phosphorus content is another nutrit

12、ive elements to inflect the aquatic plants ability. The external condition also influence the effect of absorption， generally temperature increases lead the plant to absorb more heavy metal, but also is lied on the rate of NH4+:N 3Mndicated in the research of time, the aquatic plants absorb the heav

13、y metal rapidly, generally it is spend 3 hours to reach saturation for a sustain aquatic plant, and is also can a aquatic plant of weak absorbency absorb the heavy metal basically complete between 24 hours. Then the growth is slow. Keywords: aquatic plant； water pollution； heavy metal； nitride 目录 顏

14、. I ABSTRACT . II 第一章绪论 . 1 1.1重金属对水体的污染及其防治 . 1 1.1.1水体中重金属的来源 . 1 1.1.2重金属污染的主要种类 . 1 1.1.3重金属对水体的污染特性 . 2 1.1.4重金属废水的传统处理方法 . 3 1.2植物处理污染物 . 4 1.2.1植物处理污染物研究概况 . 4 1.2.2植物对重金属的吸收机理 . 6 1.2.3重金 M污染对植物的伤害效应 . 7 1.2.3.1重金属胁迫作用 . 7 1.2.3.2重金属对膜透性的破坏 . 8 1.2.3.3重金属对植物酶活性的影响 . 8 1.2.4植物的 1金属抗性和抗性机理 . 9

15、 1.2.4.1 114 . 9 1.2.4.2 耐性 . 9 1.3水生植物处理污染物 . 10 L3.1水生植物的概念 . 1 U.2水生楨物对水体改良的作用 . 10 1.3.2水生棺物处理 1金属技术 . 11 1.4水体污染对水生植物的影响 . 15 1.4.丨富营养与水生植物的关系 . 15 1.4.2 _1金属与水生梏物的关系 . 15 1.4.3植物营养元素与垔金属的交互关系 . 17 1.4.3.1 1金属对楨物 N素吸收的影响 . 18 1.4.3.2 N素对梢物吸收 1金属的影响 . 19 1.5本论文研究的 R的、指导思想和主要研究内容 . 20 第二章水生植物的筛选

16、. 22 2.1 1 . 22 2.2实验部分 . 22 2.2.1主要仪器和试剂 . 22 2.2.2水生植物的培养和处理 . 23 2.2.3 称样 . 23 2.2.4数据处理 . 24 2.3小结 . 27 第三章不同营养条件下植物对重金属吸收性能的研究 . 28 3.1 弓 It . 28 3.2营养液配制 . 28 3.3培养植物 . 29 3.4吸收重金属的实验 . 29 3.5结果与讨论 . 29 3.5.1狐尾藻在不同氮素条件下对重金属的吸收 . 29 3.5.2美人蕉在不同氮素条件下对重金属的吸收 . 31 3.5.3美人蕉在不同氮素条件下对重金 M的吸收 . 32 3.6

17、不同氮素配比下的 PH变化 . 33 3.7磷含量对不同氮素形态下水生植物吸收重金属的影响 . 34 3.7.1实验方法及植物选择 . 34 3.7.2实验分析 . 35 3.8小结 . 36 第四章在不同氮素配比下水生植物吸收重金属的外部因 素研究 . 38 4.1引自 . 38 4.2时间对不同氮素条件下水生植物吸收 I金属的影响 . 38 4.2.1实验主要仪器及试剂 . 38 4.2.2植物的选择 . 38 4.2.31金 H测量 . 39 4.2.3.1 NH4+含量： N03含暈 4:0条件下水生植物对重金属的吸收 . 39 4.2.3.2NH/含量： NCV含景 3:1条件下水生

18、植物对重金属的吸收 . 41 4.2.3.3 NH4+含暈： NOf含暈 2:2条件下水生植物对重金属的吸收 . 42 4.2.3.4NH/含暈： N03含暈 4:0条件下水生植物对重金 M的吸收 . 44 4.2.3.5 NH/含暈： N03_含 10:4条件下水生植物对重金 M的吸收 . 45 4.3温度对不同氮紊条件 “F水生植物吸收 M金属的影响 . 47 4.3.1实验主要仪器及试剂 . 47 4.3.2实验方法 . 47 4.3.3数据分析 . 47 4.4小结 . 50 第五章结论 5探讨 . 52 5.1 . 52 5.2创新 . 53 5.3 樹 . 53 参考文献 . 55

19、 . 61 . 62 第一章绪论 1.1重金属对水体的污染及其防治 重金属是指密度 4.0以上约 60种元素或密度在 5.0以上的 45种元素。环 境污染方面所指的重金属主要指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属 砷，还包括具有毒性的重金属铜、钴、镍、锌等污染物。由于人们的生产生 活活动造成的重金属对大气、水体、土壤、生物圈等的环境污染叫做重金属 污染。重金属污染是危害最大的水污染问题之一，我国水体重金属污染问题 十分突出，江河湖库底质的污染率高达 80.1% 。据调查，黄河、淮河、松花 江、辽河等十大流域的流域片重金属超标断面的污染程度均为超乂类 2。 2004 年太湖底泥中总铜、总铅、总

20、镉含量均处于轻度污染水平 131。黄浦江干流表层 沉积物中 cd超背景值 2倍、 Pb超 1倍、 Hg含量明显增加；苏州河中 Pb全部 超标、 Cd为 75%超标、 Hg为 62.5%超标 城市河流有 35.11%的河段出现 总汞超过地表水 III类水体标准， 18.46%的河段面总镉超过 III类水体标准， 25 %的河段有总铅的超标样本出现 5。 1.1.1水体中重金属的来源 在没冇人为污染的情况下，水体中的重金属的含最取决于水与土壤、岩石 的相苁作用，其值一般很低，不会对人体健康造成危苫。但来 G矿山坑内排 水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属 加工厂酸洗水

21、、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水，以及电解、农药、医 药、烟草、油漆、颜料等工业的重金属，未经适与处理即向外排放，使水体 重金属含量急剧升高，导致水体受到重金属污染。例如，汞污染主要来源于 化学工业中汞催化剂、汞制仪表 (温度汁 )、汞矿开采冶炼、煤和石油燃料燃烧 和奋机汞农药 等 :铅污染主要来自工业废气、汽车尾气、某些涂料及铅包装饮 品，尤其是印刷厂在铅版镀铁、镀锌过程中产生高含最酸性铅、锌废水。铜 污染主要来源 P电镀、化工、涂料、塑料、印刷、农药、陶瓷、摄影等工业 都排出小 N浓度的含铜废水。此外，皮毛厂、玻璃厂、木材厂、颜料、涂枓 和农药厂都排出形态各异的含砷废水。废水中重金域种类

22、、含 S:及其存在形 态随来源 +同变化很大 1 1.1.2重金属污染的主要种类 土壤中的重金属及其类似物有 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn、 Mn、 Fe、 Se、 As 等。 一些重金属是植物生长发育所必需的微 1营养素，如 Cu、 Fe、 Mn、 Zn 等是许多酶反应的辅因子，在蛋白质结构和信号传递中一些重金属 (Zn、 CU等 ) 也扮演了重要角色而另一些重金属则是植物生长发育的有害元素，如 (Hg、 Pb、 As等。有害重金属元素通过取代功能蛋白中的金属离子 (如 Ca、 Zn、 Mg等 )， 从而导致酶活性丧失、生物膜破坏和细胞的氧化胁迫，最终引起植物生长发

23、育受抑，甚至死亡。而植物必需重金属元素其离子水平达到或超过植物所能 忍受的生理极限时便会刺激生成自由基和活性氧成分，造成氣 化胁迫，也会 成为毐性元素。此外重金属在植物 (特别是粮食作物 )体内的超标累积将会严重 威胁人类的食品安全，通过食物链污染直接或间接影响到人类的生命和健康。 重金属既可以直接进入大气、水体和土壤，造成各类环境要紊的直接污染， 也可以在大气、水体和土壤中相互迁移，造成各类环境要素的间接污染。由 于 1金属不能被微生物降解，在环境中只能发生各种形态之间的相互转化， 所以，重金属污染的消除往往更为困难，对生物引起的影响和危害也是人们 更为关注的 H题当重金属在动物体内积累到一

24、定程度时即会直接影响动物的 生长发育、生理生 化机能，直至引起动物的死亡。许多重金属属于人体必需 的微 t元紊，但无论是必需元素还是夯毐元素，人体对它的忍受都要有定 的限度，超过这个限度后便会对健康造成危害。过量的重金属大多都能抑制 生物酶的活性，破坏正常的生物化学反应。重金属通过空气、水、食物等渠 道进入体内。进入人体的金属不再以离子形式存在，而是 M体内有机成分 如蛋白质、核糖、维生素、激素等结合成金属络合物或金属赘合物，进而对 人体产生危害。另外 1金属还可能通过与酶的非活性部位结合而改变活性部 位的构象，或 4起辅酶作用的金属发生置换反应，致使酶的活性 减弱兵至丧 失，从而表现出毐性。

25、 1.1.3重金属对水体的污染特性 金厲随废水排出时，即使浓度很小，也能造成危害。其废水污染脊如下 特点 _: 苺性几有 K期持续性。某些觅金域虽只有微 t浓度，丨 I!可在微屮物作用下， 转化为毐性更强的有机化合物。如无机汞在天然水体中可被微生物转化为毒 性史强的甲基汞。 少数生物可大量富集，这种生物富集的特性是重金属废水污染的突出特点。 有的里金属的 M集倍数可达成千上万倍，然后通过食物链，在人体器官中积 累造成慢性中毐，严 M危害人体健康。 重金属无论采用何种处理方法或微生物都不能降解，只不过改变其化合价和 化合物种类。如与阴离子配体形成配合物或螯合物，使重金属在水中的浓度 增大，也可以

26、使沉入水底中的重金属又释放出来。 在天然水体中只要冇微量重金属，即可产生毒性反应，一般重金属产生毐性 的范围大约在 1.0-10mg/L之间，毒性较强的重金属如镉、汞等毒性质量浓度 范围在0.001-0.lmg/L。 因此，必须严格控制重金属废水的污染。 1.1.4重金属废水的传统处理方法 重金属废水的处理方法分为两大类 使废水中呈溶解状态的重金属转变为 +溶的 M金属化合物，经沉淀和浮上法 从废水中除去。具体方法有：中和沉淀法、硫化物沉淀法、钡盐沉淀法、铁 氧化法、氧化法、还原法、离子交换法、离子浮上法、活性炭法、凝聚电解 法和隔膜电解法等。 将废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行浓

27、缩和分离。具体方法 有 :蒸发浓缩法以及反渗透法、电渗析法、扩散渗析法和超滤法等膜分离法。 目前，大多数惜况下都采用第一类方法。从重金属丨 u丨收的角度名 ，第二类 方法比第一类优越，因为 Z5#是承金属以原状态浓缩直接冋用于生产工艺中， 比前者需要使 1金 M经过多次化学形态的转化才能回用要简单得多。但是， K-缺点是耗资较大，特别是还不适于处理大流量工业废水，如矿山废水。因 此，在实怀生产中，通常根据废水的水质、水量等情况，选用一种或几种处 理方法组合使用 |4， 15。离子交换法是利用离子交换剂上的交换基团和水中的 离子进行交换反应而除太水中的有害离子的方法。其优点是 1离子的 i 除效率高，可浓缩 M收存利物质，设备简笮，操作控制容易等。其缺点是 :应 用范围还受到离子交换剂品种、产 t和成本的限制，对废水的预处理要求高， i/ij且离 f交换剂的再生及再 生液的处理有时也是一个难以解决的 M题。 吸附法足利用吸附剂吸附废水屮的某种或几种污染物，以便冋收或去 除它们，从而使跋水得到净化的方法。吸附剂与吸附质之间的作用力除了分 子之间的引力（范德华力）以外还冇化学键力和静电引力。根据阀体表面吸 附力的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附等三种类型。