水體富營養(yǎng)化已成為當代許多國家政府和公眾最為關注的環(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重影響了水體的正常功能、社會和經濟的可持續(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,因此如何經濟、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)修復的方法來治理富營養(yǎng)化水體已成為新的研究熱點。生態(tài)修復水體富營養(yǎng)化和植物去除營養(yǎng)鹽的能力大小十分相關。本論文應用水體修復小試和中試等技術平臺,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生植物之間基因型差異的原因分析。取得的主要創(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(Pistiastrariotes Linn)、矮桿美人蕉(Canna flaccida)、水鱉(Hydrocharis dubia):冬春季:冬牧70(Secale Celeale L.)、串葉松香草(Silphium petroliatumLinn.)、多花黑麥草(Lolium multVlorum 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))用來進行富營養(yǎng)化水體植物生態(tài)修復工程的高效除磷植物材料,以達到常年保持高效凈化水質之目的。結果表明,大漂(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。試驗結束后,水體總磷(TP)平均降低了50%左右,化學需氧量(CODMn)平均降低了35%左右,生化需氧量(BOD_5)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。同時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/L;高P:0.50 mg/L)中磷素及其他污染物的去除效應,發(fā)現(xiàn)大漂和冬牧70都比較適合用來修復高P(0.50 mg/L)污染水體,因為此時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(Silyhiumperfoliatum Linn.),它們也較適合在高P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 stratiotes 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 multVlorum Lam.)對P吸收的動力學特點與植物去磷效應的相關性,結果發(fā)現(xiàn)大漂和冬牧70對磷吸收的最大吸收速率(V_(max))和米氏常數(K_m)都要高于對照植物水鱉和多花黑麥草。V_(max)越高代表植物吸收P素的能力越強;K_m越小代表植物對低P的親和能力越強。因此,大漂和冬牧70對磷吸收的能力較強且較適合在高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。研究結果還表明,大漂和水鱉、冬牧70和多花黑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天的這個時間段內,其次植物生長較快、除磷效果較好的則是在20-35天的這個時間段內。 3.通過研究高效除磷的漂浮栽培植物大漂(Pistia stratiotes 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 muitVlorum Lam.)的酸性磷酸酶活性差異與植物去磷效應的相關性,結果發(fā)現(xiàn)在不同的供磷水平下(低P供應: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產生不同程度的變化。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也存在顯著的差異,低P脅迫時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的影響研究的結果表明:①在低P處理時,大漂和冬牧70產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,大漂和冬牧70產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)具有較好的氮磷去除功能,特別是將其與高等植物聯(lián)合對污水進行處理時效果更好,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;④大漂和冬牧70的最適pH值都為6.7左右,此時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;⑤水生漂浮植物大漂最適合的曝氣方式是連續(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。在適當的曝氣方式下,大漂和冬牧70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)下厭氧菌分解產生的P揮發(fā)(PH_3)這四個部分。本試驗以高效除磷的漂浮栽培植物大漂(Pistia siratiotes 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)去除量的貢獻率大小。結果表明:在植物修復富營養(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%;貢獻率最低的是還原狀態(tài)下的P揮發(fā)(PH_3),一般低于1.5%,這部分的P損耗幾乎可以忽略不計,可見還原狀態(tài)下的P揮發(fā)對水體中TP的去除發(fā)揮的作用極小。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2008
【中圖分類】：X173
【部分圖文】：

圖2.4不同冬春季漂浮栽培植物(冬牧70、串葉松香草、多花黑麥草)對室內不同P污染水體中CODMn、BODS濃度的影響【(a)代表低P處理:0.01mg/L;(b)代表高P處理:0.5mg/L]Fig.2.4Effeetsofthreedifferentfloating一cultivatedPlantsPeciesontheehangeofmeanCODMnandBODseoncentrations(mg/L)inindoorP一PollutedeutroPhieatedwaterfor(a)lowP:0.01mg/L，and(b)highP:0.50mg/LtreatmentsoverthestudyPeriodresPectivelyinwinter.ErrorbarsrePresentonestandarderror.(3)不同處理中葉綠素a(Ch一a)、pH的變化圖2.5一(a)和圖2.6一(a)反映的是在低P(0.沮mg/L)污染水體中分別種植三種適合夏秋季生長的漂浮栽培植物(大漂、矮桿美人蕉、水鱉)和三種適合冬春季生長的漂浮栽培植物(冬牧70、串葉松香草、多花黑麥草)后水體Chla濃

據冬春季植物室內比較試驗結果表明，多花黑麥草無論在低P還是高P環(huán)境中對藻類的抑制效應都比串葉松香草要好，這可能與其十分茂密的根系有關，可以吸附部分藻類以降低水體中的Chla濃度。從圖2.5和圖2.6我們可以看出，無植物處理中chla濃度會隨著時間而逐漸增加，這可能是因為沒有植物的營養(yǎng)競爭和光照抑制作用，使得污水中的藻類大量繁衍，藻類濃度明顯增加，但是冬春季試驗中的藻類暴發(fā)程度要小于夏秋季試驗，這可能與試驗時候的溫度有關，高溫更易引起藻類暴發(fā)�？傮w來說，植物修復對于富營養(yǎng)化水體中藻類的控制和抑制效應是十分顯著的。在湖泊水體中PH的平衡是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的保障。大量污染物進入湖泊后造成湖水PH上升，如長江中下游湖水PH上升有利于水華藻類的生長，而藻類大量繁殖又進一步提高了湖水的PH

據冬春季植物室內比較試驗結果表明，多花黑麥草無論在低P還是高P環(huán)境中對藻類的抑制效應都比串葉松香草要好，這可能與其十分茂密的根系有關，可以吸附部分藻類以降低水體中的Chla濃度。從圖2.5和圖2.6我們可以看出，無植物處理中chla濃度會隨著時間而逐漸增加，這可能是因為沒有植物的營養(yǎng)競爭和光照抑制作用，使得污水中的藻類大量繁衍，藻類濃度明顯增加，但是冬春季試驗中的藻類暴發(fā)程度要小于夏秋季試驗，這可能與試驗時候的溫度有關，高溫更易引起藻類暴發(fā)。總體來說，植物修復對于富營養(yǎng)化水體中藻類的控制和抑制效應是十分顯著的。在湖泊水體中PH的平衡是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的保障。大量污染物進入湖泊后造成湖水PH上升，如長江中下游湖水PH上升有利于水華藻類的生長，而藻類大量繁殖又進一步提高了湖水的PH
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本文編號：2848606