氮磷对菹草吸收、转运和富集镉的影响机制研究

The problems of cadmium contamination and eutrophication of Baiyang Lake are becoming more and more serious. Phytoremediation of Cd polluted and eutrophicated water by submerged macrophyte is of great importance in science and realism. Current researches mainly focus on remediation efficiency and physiological responses of submerged macrophytes exposed to heavy metal polluted or eutrophic water. However, regulation mechanisms of nitrogen and phosphorus, which are main control factors of water eutropication, in adsorption, translocation and accumulation of Cd by submerged macrophyte are still lack of systematically investigation. Therefore, Potamogeton crispus, one of the superior aquatic plants in Baiyang Lake, was selected as this research objective, and adsorption kinetics and laboratory simulating experiments with separated containers were conducted, with the aid of Cd fractional extraction and synchrotron radiation techniques, in order to investigate translocation and accumulation mechanisms of Cd in the system of sediment-Potamogeton crispus-water, as well as effects of N (NH4+-N, NO3--N) and P (PO43-, HPO42-, H2PO4-). Finally, demonstrate the biogeochemical characters of Cd in eutrophic waters, which would provide theoretic basis for remediating of eutrophic and Cd contaminated waters by submerged macrophyte.

近年来白洋淀镉污染和富营养化问题日益严重。应用沉水植物修复镉和富营养化复合污染水体具有较高的科学价值和实际意义。目前研究多集中于沉水植物对重金属或富营养化单一污染水体修复效果和生理响应方面研究，而富营养化主控因子氮、磷对沉水植物吸收、迁移转化和富集镉的调控机制方面的研究尚缺乏系统性。因此，本项目拟选取白洋淀优势沉水植物菹草为研究对象，拟采用离子吸收动力学和分室培养生物模拟的研究方法，结合镉形态分级提取和同步辐射原位分析技术，首先明确氮、磷对菹草吸收和释放镉的调控机制；其次，探索镉在沉积物-菹草-水体系统中的迁移转化和富集规律，进一步探明氮（NH4+-N, NO3--N）、磷（PO43-, HPO42-, H2PO4-）对镉在沉积物-菹草-水体系统中的富集和迁移转化影响机制，最终揭示镉在富营养化水体中的生物地球化学特征，为沉水植物应用于修复富营养化和镉复合污染水体提供理论依据。

针对白洋淀水体富营养化和Cd复合污染问题，本研究通过野外调研和室内模拟试验，在探明白洋淀沉积物-沉水植物菹草-水系统氮磷营养和Cd污染状况基础上，研究氮磷营养对菹草吸收和迁移富集Cd的作用机制。结果表明：（1）白洋淀地表水TN和TP污染较为严重，纳污区浓度最高为劣V类水，Cd浓度符合地表水I类水标准。沉积物TN和TP含量达到严重污染水平（综合污染指数PI>2），Cd达到轻度到偏重度污染，氮磷和Cd含量均表现为生活水产养殖区最高。菹草体内Cd含量与TN和TP含量以及水体TN浓度均存在极显著正相关关系，氮磷营养的吸收可能会促进菹草Cd的吸收富集。（2）短期吸收动力学结果表明菹草地上部和根Cd最大吸收速率相差不大，地上部与Cd结合能力较强。氮可不同程度促进菹草地上部对Cd的吸收，且Cd吸收量均不随N添加浓度而显著变化。低浓度Cd处理，相同浓度不同形态N处理间菹草地上部Cd吸收量差异不显著，高浓度Cd处理，Cd吸收量则表现为铵态氮>硝态氮>硝酸铵。只有高浓度Cd处理下，N添加才显著促进菹草根对Cd的吸收，且吸收量也不随N浓度增加而变化，相同N浓度下根Cd吸收量表现为铵态氮、硝态氮>硝酸铵。外源P添加不影响菹草根对Cd的吸收。（3）向下迁移研究表明，水中氮可促进菹草地上部对Cd的富集，富集作用表现为硝酸铵>铵态氮、硝态氮，且不受N浓度影响，只有硝酸铵处理促进Cd向下迁移。水体P添加不影响菹草对Cd的富集和迁移。（4）向上迁移研究结果表明，菹草根系Cd富集量表现为沉积物氮磷复合处理> N处理>P处理>对照，且各处理根系Cd富集量均随浓度增加而增加，但是各处理间地上部Cd富集量差异均不显著，沉积物氮磷添加均抑制Cd向地上部迁移且N处理抑制作用最强。菹草对Cd向上迁移能力高于向下迁移，且地上部富集的Cd约70%以上可以释放到水环境中，菹草可以促进沉积物Cd向水体的释放，但是氮磷添加不影响Cd释放。