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城市内河沉积物重金属的分布特性及异位生态修复研究

作　者: 王蕾
导　师: 祁佩时
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 重金属 污染 沉积物 风险评估 生物修复 优势物种
分类号: X522
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


重金属具有生物毒性、持续性和非生物降解性，是一种危害性极强的污染物。上个世纪，由于工业化和城市化的快速发展，导致环境中、尤其是水体生态系统中的重金属含量激增，沉积物是多种污染物质，包括金属元素的天然“储蓄库”，因而沉积物对水质量的一个重要指标。本文针对北方地区城市内河沉积物重金属污染的现象，通过对沉积物中重金属的含量、分布特性、污染来源及风险评价的研究，通过对污染地区植被及根际真细菌群落的调查及检测分析，筛选适于生态修复的植物品种，同时采用盆栽试验和分子生物学方法探索了生态修复的效果及机理，以期为今后重金属污染内河沉积物的生修复提供参考，并为人类健康和生态保护提供依据。选择一条典型的环工业区北方城市内河作为研究对象，通过对河流理化性质及Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、Cu、As和Hg的含量的分析，评价了河流重金属的污染程度，并分析了河流表层沉积物中重金属的分布规律及及来源。结果表明所有表层沉积物中重金属的浓度均高于国家沉积物Ⅰ类标准。表层沉积物重金属的污染程度依次为：Cd> Zn> Pb> Cu> Ni> Cr> Hg>As；采样点的重金属污染程度依次为采样点F>采样点D>采样点C>采样点B>采样点A>采样点E。沉积物中的重金属主要源自人类活动，包括工业排放、交通运输、市政废水和木器制造业等，而Hg则主要源于大气中Hg的沉降。通过对表层沉积物中重金属的污染及健康风险的评价，表明表层沉积物均受到了重金属的污染，受检重金属中Cd的生态风险最高，采样区域中D采样点受污染最严重，河道表层沉积物中重金属的潜在生态风险由高到低依次为：Cd>Hg>Pb>Cu>Ni>As>Zn>Cr；重金属对儿童和成人造成的健康风程度险依次为：As> Cd> Cr（Ⅵ）> Pb>Hg> Ni> Cr（Ⅲ）> Zn> Cu。根据重金属赋值形态的分析结果，重金属的迁移及生物可利用性依次为：Cd>Pb>Zn>Ni>Cr>Cu>Hg。基于河流的理化性质、重金属的沉降与释放以及重金属的分布规律构建重金属在河流中的动态模型：。水体重金属：Vw dCw/dt=Vs（Cs-Cs’）ke+Vw（C-C-w）kh-Vw（Cw-Cj）kj+vh（Ch-Cw）-vj（Cw-Cj）-Vw（Cw-Cw’）ks沉积物重金属：VS dCs/dt=Vw（Cw-Cw’）ks+Vs(Chs-Cskh’-Vs(Cs-Cjs)kj’-Vs（CsCs’）ke+Si通过对重金属耐性植物的调查分析，共发现了分属7个科的18种优势植物，通过CANOCO软件，采用余度分析（RDA）的方法按照重金属的耐受性可以将重金属耐性植物划分为4个类群：重度污染耐受型植物、中度污染恢复型植物、恢复型植物和As污染恢复型植物类群，并筛选得到了12种具有重金属耐性的优势植物。通过进一步检测分析了这12种优势植物对As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的修复潜力，结果表明龙葵适于重金属高度复合污染环境的Cd修复；酸模和酸模叶蓼分别适于重金属高度复合污染环境下Pb和Zn污染修复潜力；酸模和苦荬菜也具有Zn的修复潜力，但是酸模适于污染水平较低沉积物Zn的修复，而大部分优势植物属于重金属规避型植物。通过盆栽试验进一步研究了酸模、龙葵和酸模叶蓼对沉积物重金属的修复潜力，结果表明这四种植物均能够有效提高沉积物中的重金属的活性及真细菌的总量；沉积物重金属污染的生物修复应采用植物联合修复及合理刈割的管理方式。分别构建了适用于受污染城市内河沉积物的重金属植物有效性的多元线性回归预测模型及重金属植物有效性总权重的离子冲量数学模型，用以预测重金属复合污染沉积物中重金属对植物的有效性，总权重的离子冲量模型为：lgwIp=0.888lgwIHM+0.886lgCS-0.098lgOM-1.21lgCEC-2.250lgpH+2.267（R=0.915，F=49.375，n=54，p<0.001）。采用DGGE和16S rDNA克隆文库技术深入比较分析了优势植物根际圈细菌群落结构与照沉积物的细菌群落结构的差异。过通过序列比对分析，两个根际圈文库细菌群落组成较为相似，共鉴定得到81个OTUs，其中21个为两个文库共有OTUs，而沉积物文库中没有与两个根际圈文库重叠的OTUs。两种植物根际圈文库的结构组成较为相似，通过比对分析发现根际圈文库中多为PGPRs和重金属污染土壤抗性细菌，并且优势菌多为β-变形菌；而厚壁菌和放线菌为对照沉积物样品文库的主要菌种。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章 绪论  15-37
  1.1 课题背景、研究目的与意义  15-17
    1.1.1 课题背景  15
    1.1.2 本研究的目的与意义  15-17
  1.2 重金属污染研究  17-21
    1.2.1 重金属污染的生态危害性  17-18
    1.2.2 重金属的污染来源  18-20
    1.2.3 沉积物中重金属沉积物的污染现状  20-21
  1.3 重金属污染修复技术  21-25
    1.3.1 物理及化学方法  21-22
    1.3.2 植物修复技术  22-24
    1.3.3 微生物修复技术  24-25
  1.4 具有金属抗性的根际圈微生物  25-28
    1.4.1 根际微生物  26-27
    1.4.2 根面微生物  27
    1.4.3 菌根真菌  27-28
  1.5 重金属压力下根际圈微生物的植物促生作用  28-29
  1.6 植物根际促生菌（PGPR）  29-35
    1.6.1 PGPR促进植物生长的作用  29-30
    1.6.2 PGPR对重金属有效性的影响  30-31
    1.6.3 PGPR应对重金属压力的策略  31-33
    1.6.4 PGPR对生物修复的影响  33-35
  1.7 课题研究内容  35-37
第2章 实验材料与方法  37-48
  2.1 实验仪器与设备  37
  2.2 试验材料  37-40
    2.2.1 采样采样点设定  37-38
    2.2.2 沉积物及水体样品的采集与处理  38-39
    2.2.3 重金属耐性植物组成及植物样品采集  39-40
  2.3 试验方法  40-44
    2.3.1 水体和沉积物样品分析  40-42
    2.3.2 植物样品分析  42
    2.3.3 细菌群落结构分析  42-44
  2.4 数据分析  44-48
    2.4.1 重金属多元数据分析  44
    2.4.2 重金属污染的生态评价和风险评价  44
    2.4.3 优势植物的聚类及排序统计分析  44-45
    2.4.4 DGGE指纹图谱分析  45-46
    2.4.5 测序及系统发育分析  46
    2.4.6 细菌多样性的数据分析  46-48
第3章 表层沉积物中重金属的污染性质分析  48-81
  3.1 引言  48
  3.2 河流理化性质分析  48-49
  3.3 重金属含量  49-51
  3.4 沉积物中重金属的分布与来源  51-57
    3.4.1 相关性分析  52-53
    3.4.2 聚类分析  53-54
    3.4.3 主成分分析  54-57
  3.5 重金属的污染风险评价  57-70
    3.5.1 重金属污染评价  58-62
    3.5.2 健康风险评价  62-70
  3.6 重金属的化学形态  70-73
  3.7 重金属的迁移性  73-74
  3.8 河流重金属分布特性动态模型的构建  74-79
  3.9 本章小结  79-81
第4章 植被调查与沉积物的异位修复  81-113
  4.1 引言  81
  4.2 当地土著植物品种的调查研究  81-84
    4.2.1 植被结构组成  82-83
    4.2.2 重金属耐性植物聚类分析  83-84
  4.3 植物根际沉积物重金属含量  84-87
  4.4 RDA排序统计分析  87-89
  4.5 优势植物的重金属修复潜力  89-96
    4.5.1 植物的重金属含量  89-92
    4.5.2 植物对重金属的富集及转运  92-96
  4.6 盆栽试验  96-103
    4.6.1 植物对重金属赋值形态的影响  96-98
    4.6.2 植物对表层沉积物中重金属的吸收及转运  98-100
    4.6.3 刈割对植物生物量的影响  100-101
    4.6.4 植物对沉积物中真细菌丰度的影响  101-103
  4.7 重金属植物有效性模型的构建与验证  103-111
    4.7.1 重金属植物有效性模型的构建  103-108
    4.7.2 重金属植物有效性总权重离子冲量模型的构建  108-109
    4.7.3 重金属植物有效性模型的检验  109-111
  4.8 本章小结  111-113
第5章 沉积物及根际圈细菌多样性分析  113-141
  5.1 引言  113
  5.2 细菌群落的变性梯度凝胶电泳  113-122
    5.2.1 沉积物的细菌多样性  113-117
    5.2.2 植物根际圈细菌群落的DGGE分析  117-122
  5.3 细菌群落的 16S RDNA克隆文库分析  122-139
    5.3.1 克隆文库的多样性分析  123-126
    5.3.2 文库间的差异分析  126-127
    5.3.3 文库在纲水平的构成分析  127-129
    5.3.4 龙葵根际圈文库的系统发育分析  129-132
    5.3.5 小叶杨根际圈文库的系统发育分析  132-136
    5.3.6 沉积物基因文库的系统发育分析  136-139
  5.4 本章小结  139-141
结论  141-144
参考文献  144-168
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  168-170
致谢  170-171
个人简历  171

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 水体污染及其防治 > 河流
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