植物吸收污染底泥中重金属的动力学分析及最优调节

从植物种植前后和投加双氧水前后沉积物中重金属总量和存在形态的种类和数量的变化、根际环境对植物吸收和累积重金属的影响、根际微生物种群的变化、植物以及植物根际与非根际重金属累积重金属的情况对比、酶活性的变化等几个方面对植物修复的效果进行了分析，首次表明双氧水可以促进植物对沉积物中铅、镉、铜、锌、锰和镍等重金属总量和各种形态重金属数量的吸收累积，还可以改变不同形态重金属的种类，根际环境和微生物以及酶活性的变化表明沉积物中的重金属被有效活化，植物吸收、运移重金属的能力明显增强。 通过对植物的根、茎和叶等各个部位吸收和累积重金属的情况看出，植物各个部位对重金属的吸收和累积机制各不相同，种植时间的延长可以使植物中累积的重金属数量增加，而修复效率下降。种植时间较长时植物中累积重金属的数量不同，沉积物中的有机物种类在植物种植前后有较大变化。根际分泌物的增多、沉积物中微生物种群的变化以及酶活性的变化均说明植物可有效修复沉积物中的重金属，特别是针对多酚氧化酶活性恢复较快这一点，本文首次提出将沉积物中多酚氧化酶活性的恢复作为判断植物修复沉积物效果的一个重要指标，从而为植物修复沉积物的研究工作提供新的参考。 在分析植物吸收和累积沉积物中重金属机理的基础上，以植物吸收累积重金属的四个过程为模型依据，将植物吸收重金属的动态过程的数学模型表述成非线性动态系统的形式，并首次结合Lyapunov稳定性理论对植物吸收和累积重金属的非线性动态过程进行了严格的稳定性分析。稳定性结论可表达成线性矩阵不等式(Linear matrix inequality, LMI)的形式，求解方便。数值仿真和试验验证表明了所选模型的合理性及理论分析方法的有效性，该理论分析方法将为受重金属污染的河道沉积物的植物修复技术提供重要的参考作用。

河道底泥中的重金属污染已成为各国面临的重要环境问题。植物修复技术能有效利用植物及其共存的微生物体系吸收底泥中的重金属，受到广泛关注。目前对植物吸收底泥中重金属过程的定量分析较少，因而不能准确地把握其机理。如何对植物吸收重金属的动态过程进行精确的动力学分析和调节，是研究植物修复底泥中重金属污染问题的关键所在。本项目拟将控制科学中处理动态系统的鲁棒控制理论和最优控制理论应用于植物吸收重金属动态过程的动力学分析及最优调节中，基于微分方程方法及分段线性化技术对植物吸收重金属的动态过程进行建模，从而利用分段线性系统理论对其进行动力学分析和调节。考虑化学助剂对植物吸收重金属动态过程的影响，将植物吸收重金属动态过程的最优调节问题转化成动态系统的最优控制问题，设计智能优化算法求解最优控制器，从而得到一种最优的调节机制使植物在生长周期内最有效地吸收底泥中的重金属，为植物修复重金属污染问题的研究提供新方法。

底泥作为污染物蓄积库，是水体二次污染的重要来源。污染底泥修复是从根本上改善水环境的重要途径。目前，化学淋洗和生化修复技术对治理底泥有机污染已有较好的工程应用。重金属是底泥中普遍存在的非生物降解污染物，迁移性和毒性很大程度上决定于赋存的形态。由于对底泥修复过程中重金属分布与形态转化机制缺乏系统研究，应用化学淋洗技术处理重金属污染时存在处理过程复杂、成本高，难以推广的问题；应用生化修复技术时，对有机物降解同时导致的重金属形态和释放特性变化尚没有清晰的认识。从而使污染底泥修复技术应用受到局限。本项目计划通过实验手段，系统研究污染底泥化学淋洗处理和投加硝酸钙的生化修复过程中淋洗剂/底泥微生物作用对底泥重金属分布和形态的影响；揭示应用这两类修复技术时，底泥重金属分布与形态转化的机制；考察经过修复的底泥重金属迁移性的变化。为相应的污底泥修复技术改进和修复效果评估提供可靠的理论及数据参考。

本课题的研究目的是通过实验室试验手段，系统研究污染底泥异位淋洗处理和原位生化修复过程中，淋洗剂或生化作用对底泥重金属分布和形态的影响及可能引起的后果。课题预定研究内容主要分类两大部分：（1）底泥淋洗处理过程中重金属分布与形态转化机制及迁移性研究；（2）底泥生化修复过程中重金属分布与形态转化机制及迁移性研究。本课题所有研究工作已经全部完成。 通过本课题研究发现重要结果：（1）化学淋洗过程使底泥重金属形态分布发生变化，经淋洗处理后底泥重金属在环境中迁移性不同程度增加。各类淋洗剂淋洗后底泥重金属迁移性大小为：酸类淋洗剂处理后底泥＞螯合剂处理后底泥≈过氧化氢溶液处理后底泥。（2）底泥在投加硝酸钙或过氧化钙修复过程中，底泥重金属总量没有发生明显变化，但重金属形态发生转化。一部分重金属（Cu、Zn）明显由较稳定形态向较不稳定形态转化，底泥重金属的生物可利用性和生物可给性有不同程度的提高。（3）底泥原位注射硝酸钙后，因发生硫自养反硝化反应，将在5-10天内生成并释放氮气。随着氮气从底泥向上覆水释放，外加的硝态氮、自养反硝化中间产物亚硝氮、底泥中原有的氨氮将随着氮气移动，被“吹入”上覆水中。在底泥原有氨氮含量较高的情况下，可能会引起底泥氨氮短期内快速释放。 本研究已经达到了预期的目标。大部分研究成果已经形成科技论文，发表在SCI收录的英文学术期刊或者国际会议。 本课题研究成果的意义在于揭示了这两种污染底泥处理过程引起底泥重金属迁移性增加和底泥无机氮向上覆水短时间内快速释放等后果的可能性及其产生的原因。但是受实验的尺度和时间所限，本研究仍未回答这些后果是否会给河道生态系统带来确实的不良影响。因此，建议今后的研究依托河道污染底泥修复工程实例，对修复工程实施前、实施中、实施后河道生态系统的关键性指标（如水体中氨氮浓度变化、下游底栖生物体内重金属含量、下游底泥重金属含量）进行较为长期、系统的监测，从而可基于长期监测数据作出较为可靠的判断。 2100433B

利用超量积累植物治理重金属污染土壤是国际上新提出的一条探索途径。本课题发遏蓝菜属植物为材料，研究该植物重属吸收与土壤重金属形态火之间的关系，根际土壤的重金属形态转化、浓度变化和迁移规律，分离和超量积累植物活化土壤重金属的根系分泌物，阐明超量积累植物活化大重金属的机理，为开发这种植物资源和重金属污染土壤的治理提供科学依据。.