旱柳和狭叶香蒲对重金属吸收及其活性炭吸附的比较研究

发布时间：2017-04-20 00:01

  本文关键词：旱柳和狭叶香蒲对重金属吸收及其活性炭吸附的比较研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：植物修复是重金属污染治理的绿色技术之一,柳树(Salix spp.)、香蒲(Typha spp.)对重金属具有较强耐性,生长繁殖快,根系发达,是植物修复的适宜物种。活性炭吸附具有性价比高、操作简单和适合低浓度重金属污染治理等优势而被广泛研究和应用,农林废弃物活性炭因成本低廉成为重金属吸附的研究热点。目前香蒲与柳树生物质的利用较为单一,研究旱柳与狭叶香蒲对重金属的吸收、及其活性炭对重金属的吸附可以开拓其环保新用途,对深化植物修复机理和资源的充分利用具有十分重要的意义。本文以狭叶香蒲(Typha angustifolia)和旱柳(Salix matsudana)为研究对象,通过水培试验,采用差速离心、连续萃取与原子吸收分光光度法,研究了外源亚精胺(Spermidine, Spd)对旱柳和狭叶香蒲Cd吸收积累和耐性,以及Cd的亚细胞分布和化学形态解毒机制的调节作用；采用酶联免疫测定仪,研究了外源Spd对旱柳耐Cd氧化胁迫机制的调节作用；采用磷酸活化法制备了狭叶香蒲与旱柳活性炭,并用红外光谱仪、截塔电位仪和扫描电镜对活性炭的理化性质进行表征,通过静态吸附试验,研究了两种活性炭对模拟废水中Cd与Pb的吸附性能与机理。主要研究结果如下：(1)外源Spd能抑制Cd胁迫下旱柳和狭叶香蒲生物量的降低,一定程度提高植物对Cd的耐性。Spd能促进旱柳根、老茎和狭叶香蒲各组织对Cd的累积,降低旱柳嫩枝与叶的Cd含量。旱柳组织中Cd的含量大小为根叶嫩枝,分别为2002.67～3961 mg/kg、111.59～229.72 mg/kg与102.56～221.27 mg/kg;狭叶香蒲Cd含量大小为根地下茎叶,分别为766.31～1146.52 mg/kg、 116.45～204.45 mg/kg与55.54-75.16 mg/kg,表明两种植物是Cd的根际过滤植物,旱柳同时是Cd提取的潜在植物。(2)旱柳和狭叶香蒲各组织Cd的亚细胞含量为细胞壁胞基质+液泡细胞器。细胞壁、胞基质+液泡和细胞器Cd所占比例,旱柳根细胞分别为58.73～62.79%、25.02～28.72%与7.41～21.21%,嫩枝细胞分别为62.14-64.63%、22.08～26.69%与11.57-13.30%,叶细胞分别为25.11～43.94%、24.78-28.37%与12.38～15.10%；狭叶香蒲根细胞分别为61.27～63.30%、28.11～29.42%和7.68-10.32%,地下茎细胞为52.59～59.52、28.59-33.59%和11.90～13.83%,叶细胞分别为63.02～67.94%、25.05～30.58%和2.09-9.31%。结果表明细胞壁是旱柳、狭叶香蒲细胞Cd的主要解毒场所,胞基质+液泡结合是细胞Cd的第二解毒场所。旱柳细胞中,Cd的46.97～60.43%以NaCl提取态存在,其次主要以去离子水与醋酸提取态存在；宽叶香蒲细胞中,45.36～66.98%的Cd以NaCl提取态存在,15.88～34.88%的Cd以醋酸提取态存在,其次是以乙醇与去离子水态Cd存在。Spd的应用能降低旱柳细胞中乙醇与NaCl提取态Cd的比例、提高去离子水态Cd的比例；但对狭叶香蒲NaCl与去离子水提取态Cd比例的影响与旱柳相反。说明Spd的使用能通过降低旱柳、狭叶香蒲无机态Cd的比例,强化旱柳Cd与液泡中有机酸的螯合作用,强化狭叶香蒲Cd与果胶酸、含巯基解毒蛋白质相结合来提高旱柳、狭叶香蒲对Cd的耐性。(3)Cd诱导旱柳叶O2·-、H2O2和MDA含量与溶液中Cd浓度呈量效关系的增加,外源Spd能抑制三者的累积,缓解Cd对旱柳的氧化伤害。Cd降低旱柳叶SOD、GR和GPX活性与ASA、Spd和可溶性蛋白含量,Spd的添加能缓解Cd的这些不利影响。Cd诱导旱柳叶Put和NO含量呈剂量效应的增加,Spd的施用能抑制Put含量的增加,显著提高NO含量。相关性分析表明,外源Spd可以通过提高CAT、PX与GR活性来清除ROS,降低MDA含量,以提高旱柳耐Cd氧化胁迫能力；同时,Put在Cd胁迫下充当信号分子,诱导旱柳其它抗氧化机制的启动,间接缓解氧化伤害。Cd处理降低旱柳根、叶组织中Cu、 Zn含量,且呈剂量-效应关系,Spd能提高相应Cd处理组根、叶组织的Cu含量,但对根和叶Zn吸收与累积的影响各异。Cd处理降低根系组织中Fe含量,增加叶片组织中Fe含量；外源Spd能增加低浓度Cd处理根与叶中Fe含量,但降低较高浓度Cd处理根、叶组织中Fe含量。Cd降低Zn的转运能力,但Spd能够提高相应Cd处理旱柳中Zn的转运能力；Cd和Spd处理均提高Fe的转运能力。(4)狭叶香蒲活性炭为不规则的圆柱形结构,表面凹凸,疏松多孔；旱柳活性炭表面粗糙,有层状孔隙结构。狭叶香蒲与旱柳活性炭的BET比表面积分别为130.42 m2/g和234.42 m2/g,中孔和微孔为主,等电点pHIEP分别为3.4和4.3,表面都含有O-H、C=O、C-O与P=O键等。两种活性炭对Cd和Pb吸附在10 min左右趋向吸附平衡；吸附量随溶液起始pH值和温度的升高而增加,随活性炭剂量的增大而降低；吸附过程与准二级动力学模型的拟合效果很好；吸附为自发的吸热反应,而且吸附过程的主动性、可行性随温度增加而增加,Pb吸附的自发性比Cd的强。吸附平衡实验结果与Langmuir和Freundlich模型都能很好的拟合,两种活性炭对Pb的吸附效果好于Cd的,溶液起始pH值为5、温度为25℃条件下,狭叶香蒲活性炭对Cd与Pb的Langmuir最大吸附量Qm分别为48.08与61.73 mg/g、旱柳活性炭分别为40.98与58.82 mg/g。两种活性炭对Cd、Pb的吸附既有物理吸附,又有化学吸附。液膜扩散和颗粒内部扩散在吸附过程中同时进行,但后者是吸附的限速过程；化学反应也是吸附的重要限速因素。(5)比较而言,旱柳对Cd的耐性和吸收量比狭叶香蒲的大；与旱柳活性炭相比,狭叶香蒲活性炭的pHIEP较小,吸附前吸收峰面积较大,而Pb吸附后吸收峰面积较小,说明狭叶香蒲活性炭有更多的官能团参与了Cd、Pb的化学吸附,但旱柳活性炭的物理性质较优；溶液起始pH值较小时,狭叶香蒲活性炭对Cd、Pb的吸附量较大,而且对温度变化的适应性较强；狭叶香蒲活性炭对Cd、 Pb的吸附速率较快、自发性强、吸附热小、有序性好、吸附量大。
【关键词】：亚精胺 旱柳 狭叶香蒲 吸收 重金属 活性炭 吸附
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X173;TQ424.1
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-11
• 缩写词表11-17
• 1 绪论17-46
• 1.1 柳树与重金属的研究概况19-25
• 1.1.1 柳树的种类与生物学特性19-20
• 1.1.2 野外柳树与重金属吸收、累积20-22
• 1.1.3 土培柳树与重金属吸收、累积22-24
• 1.1.4 水培柳树与重金属吸收、累积24-25
• 1.2 香蒲与重金属的研究概况25-29
• 1.2.1 香蒲的分布、生物特性与种类25-26
• 1.2.2 香蒲对重金属的吸收、累积与分布26-28
• 1.2.3 香蒲抗氧化系统与重金属胁迫28
• 1.2.4 香蒲的其它研究28-29
• 1.3 多胺与重金属胁迫下植物的抗氧化能力29-36
• 1.3.1 植物多胺的种类30
• 1.3.2 植物多胺的代谢30-34
• 1.3.3 多胺与植物重金属胁迫34-36
• 1.4 生物质及其活性炭与重金属吸附36-43
• 1.4.1 活性炭的吸附机理37-38
• 1.4.2 活性炭对重金属的吸附及影响因素38-39
• 1.4.3 活性炭的制备原料与方法39
• 1.4.4 生物质与重金属吸附39
• 1.4.5 生物质活性炭的制备、表征与重金属吸附39-43
• 1.5 课题来源、拟解决的科学问题、内容与技术路线43-46
• 1.5.1 课题来源43
• 1.5.2 拟解决的科学问题43
• 1.5.3 研究内容43-44
• 1.5.4 技术路线44-46
• 2 外源亚精胺对旱柳、香蒲镉吸收累积、形态与生长的影响46-65
• 2.1 前言46-48
• 2.2 材料与方法48-51
• 2.2.1 植物培养与处理48-49
• 2.2.2 亚细胞与不同形态Cd的提取与测定49-50
• 2.2.3 干样处理与Cd测定50
• 2.2.4 数据统计分析50-51
• 2.3 结果与讨论51-63
• 2.3.1 Cd、Spd对旱柳、狭叶香蒲生长的影响51-53
• 2.3.2 Cd、Spd对旱柳、狭叶香蒲组织干样Cd累积与分布的影响53-58
• 2.3.3 Cd、Spd对旱柳、狭叶香蒲亚细胞中Cd累积和分布的影响58-60
• 2.3.4 Cd、Spd对旱柳、狭叶香蒲Cd化学形态的影响60-63
• 2.4 小结63-65
• 3 外源亚精胺缓解旱柳镉氧化胁迫的机理研究65-89
• 3.1 前言65-67
• 3.2 材料与方法67-70
• 3.2.1 植物培养与处理67
• 3.2.2 叶片O2·~-、H_2O_2、SOD、CAT、GPX、GR、GSH、NO的提取与测定67-68
• 3.2.3 叶片MDA、APX、ASA的提取与测定68-69
• 3.2.4 叶片PAs的提取与测定69-70
• 3.2.5 叶片可溶性蛋白的提取与测定70
• 3.2.6 干样处理与Zn、Cu、Fe的测定70
• 3.2.7 数据统计分析70
• 3.3 结果与讨论70-87
• 3.3.1 Cd、Spd对旱柳叶片的氧化胁迫70-73
• 3.3.2 Cd、Spd对旱柳叶片SOD、CAT的影响73-75
• 3.3.3 Cd、Spd对旱柳叶抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统的影响75-78
• 3.3.4 Cd、Spd对旱柳叶内源PAs的影响78-81
• 3.3.5 Cd、Spd对旱柳叶片NO的影响81-82
• 3.3.6 Cd、Spd对旱柳叶片可溶性蛋白的影响82-83
• 3.3.7 旱柳抗氧化系统指标的相关性分析83-84
• 3.3.8 Cd、Spd对旱柳矿质元素的影响84-87
• 3.4 小结87-89
• 4 狭叶香蒲、旱柳活性炭对镉、铅的吸附与机理研究89-109
• 4.1 前言89-90
• 4.2 材料与方法90-93
• 4.2.1 活性炭的制备90-91
• 4.2.2 活性炭理化性质分析91
• 4.2.3 吸附实验91
• 4.2.4 数据统计分析91-93
• 4.3 结果与讨论93-107
• 4.3.1 活性炭的理化性质93-95
• 4.3.2 时间对吸附的影响与吸附动力学分析95-97
• 4.3.3 溶液初始pH值对吸附的影响97-99
• 4.3.4 活性炭投加对吸附的影响99-100
• 4.3.5 温度对吸附的影响与吸附热力学分析100-102
• 4.3.6 等温吸附特性分析102-104
• 4.3.7 吸附类型与机理分析104-107
• 4.4 小结107-109
• 5 结论与展望109-112
• 5.1 主要结论109-110
• 5.2 创新点110
• 5.3 研究展望110-112
• 参考文献112-144
• 附录 攻读博士学位期间的主要学术成果144-146
• (1) 参加科研项目144-145
• (2) 发表主要论文145-146
• 致谢146

【参考文献】

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