稀土对长江上游水体富营养化的影响机理研究

随着稀土的大量开采、冶炼和应用，导致稀土元素正逐渐由岩石圈向水圈和生物圈转移，由此对水环境很有可能造成类同重金属的环境负面效应。作为稀土资源和生产大省，四川境内河流稀土含量已远高于世界淡水稀土的平均水平。基于适量稀土对植物生长的促进作用，本项目拟在前期研究成果基础上，以长江上游分布广泛的水生植物-凤眼莲、浮萍等为试验材料，研究稀土及钙离子在水生植物中的化学定位，稀土对细胞信使钙水平的调控机制，以期阐明稀土影响植物生长的生理机制；同时围绕稀土元素对水生植物光合速率、叶绿体膜光谱学性质、PSⅡ核心复合物的能量传递、以及植物体内关键酶活性的影响等进行深入研究，从细胞和分子水平揭示稀土对引起富营养化的水生植物光合作用核心机制。本项目的开展为研究稀土对水体富营养化的促进规律和控制对策提供科学依据，为稀土可持续开发和利用提供基础理论，为长江上游境内河流水电梯度开发安全运行提供必要的理论和决策参考。

为了促进稀土资源的合理开发利用，有关稀土在水体中的环境化学行为，稀土对水生生态系统产生的影响及调控机理等方面的系统和深入研究已成为迫切需要解决的问题。鉴于此，本项目围绕铈、镧、钕三种代表性稀土元素对长江流域典型水生植物浮萍和凤眼莲的生长、光合作用机理的影响，设置受控实验，探究稀土的种类差异与浓度变化对植物生长特性的影响以及混合稀土复合作用带来的效应，并通过观察水生植物在刺激影响下生长周期中的变化过程，摸清稀土对水生植物的光合作用机理影响规律。并以此来推测判断稀土元素对水体富营养化的影响规律。其中，通过利用水生植物的鲜重，细胞内容物、叶素体荧光光谱特征、光合酶活性、光合吸收效率以及钙化调节引起的植物组织细胞器等变化来反应植物生长特性受到刺激的影响情况，通过水体中N、P的吸收量、DO、COD等指标来了解稀土对水体富营养化的影响状况。通过研究，获得了一系列有学术价值的研究成果：.（1）稀土元素对长江上游典型水生植物紫背浮萍和凤眼莲生长均存在最适宜的促进浓度值或范围。浓度过高的单一稀土元素或者混合稀土对植物的及生长特性不仅不能起到显著的刺激促进作用，还可能会出现抑制，甚至毒性效应。.（2）单一稀土对水生植物生长特性调节具有一定的时间上的滞后性，即时滞性，但混合稀土不具有时滞性。.（3）稀土作用下，水生植物对N、P的吸收机制存在差异，其中对N吸收的抑制浓度临界值低于P。.（4）稀土对水生植物鲜重、叶绿素和蛋白质合成等的促进作用可为其在短时间内大量繁殖提供有利条件，进而为水体富营养化现象的发生提供可能。而高浓度稀土对水生植物的抑制甚至是毒害作用与重金属离子所表现出来的毒性类似，在该浓度下，对水体富营养化没有促进作用，但对水体的生态环境造成威胁，对水体中其他生物产生毒害作用，甚至导致生物的死亡。.（5）初步探究了稀土元素在植物体内的定位以及在不同稀土浓度作用下植物体内各细胞器的亚显微结构的变化。并发现稀土能在一定程度上替代Ca或改善Ca的相关生理功能的正向促进作用主要发生在钙含量不足或稀土元素含量较低的情况。.（6）成功构建了稀土元素对水体富营养化有效性影响的数学模拟模型，以及通过动态模拟实验找出了富营养化水华爆发的临界流速值，为三峡库区或其他水域的水流流速调度、富营养化防治及水华的预防和控制研究提供科学基础依据。