水生植物的根际效应与受污染底质的植物修复研究

Aquatic macrophyte and contaminated sediment and the relation between them are the target of the study. The current research methodology of rhizosphere effect will be modified by applying 2-D fluorescent imaging system for measuring physicochemical parameters of the rhizosphere. Using the new optical sensor foils developed for tests of environmental microbial activities and the associated exo-enzymes, the in-situ and non-invasive measurements of root-associated microbial communities will become realized. The influences of macrophyte roots and rhizome on the physicochemical features and typical environmental bacterial communities in anoxic sediments will be studied by the modified means mentioned above. In addition, given the fact that the habitat factors can alter the photosynthesis of macrophytes and their root radial oxygen loss (ROL), the relationships between habitat factors, physiological activities of macrophytes and the rhizosphere effects will be discussed. Besides, the phytoremediation performance of macrophytes on heavy metals and organic pollutants in the contaminated sediment will be tested and the roles of rhizosphere effects play in the processes will also be the objective of this study. The study aims to corroborate the related theory of vegetation reconstruction and ecological rehabilitation of polluted waters.

要实现受污染水体的植物修复，理解植物和水体环境的相互关系是前提条件，其中植物的根际效应以及同底质的关系又是研究的重点所在。本研究以水生植物和受污染底质为对象，改进现有的根际研究方法，将根际微量采样与二维荧光测量系统运用于根际底质性质的原位检测中，同时开发环境微生物和胞外酶活性的光极敏感膜，实现根际微生物活性的原位检测；利用改进后的根际效应研究方法，分析植物根系对受污染底质厌氧环境和根际微生物的作用，并阐明影响水生植物生理生态学和根际效应的生境因素；在此基础上，深入探讨水生植物对底质重金属和代表性有机污染物的修复作用和机理，希望为受污染水体的植被重建和生态修复工作提供理论参考。

本项目针对污染水体底泥植物修复机制不甚明确的现状，以水生植物根际效应以及同厌氧性底泥的关系为研究对象，改进了根际研究和厌氧性底泥环境的模拟方法。研究了代表性挺水和沉水植物根系对根际理化环境的影响，以及因有机污染导致的厌氧条件对根际间隙水特征影响。结果表明，厌氧处理显著降低了底泥氧化还原电位和pH，提高了间隙水中总有机碳的浓度。厌氧条件对金属活性的影响因元素种类而不同，厌氧条件会增加间隙水中Fe、Mn和Cr元素的浓度。沉水植物菹草虽能有效改善底泥厌氧环境，显著降低底泥间隙水TOC、溶解性活性磷和Fe浓度，但对其它金属元素的影响是有限的。. 为了探讨底泥厌氧环境下植物对重金属污染底泥的修复效果和机理，分析了不同底泥厌氧水平下菹草和美人蕉根表铁锰氧化物胶膜（铁膜）、植物根系和植物茎叶中的重金属含量，分析了根际铁氧化菌和铁还原菌丰度与“铁膜”含量和植物吸收的相关性。结果表明，底泥厌氧环境一定程度上促进了植物根表铁膜的形成。大量铁膜的生成会阻碍植物对Cr、Cu、Ni、Pb和Zn元素的吸收。厌氧环境抑制了菹草对Ni、Zn和Pb的富集，其中对Zn的影响最为显著，但重度厌氧环境促进了对底泥中Cr的吸收。 .分析了底泥厌氧环境对植物根际和根系内部微生物群落结构的影响，以及对根际嘉利翁氏菌和地杆菌的影响。研究发现，底泥厌氧环境降低了菹草根际底泥的生物多样性，菹草根际底泥中变形菌门最为丰富，非根际底泥中厚壁菌门最为丰富。厌氧水平也能显著影响菹草根内的微生物群落结构。底泥厌氧环境使美人蕉根际底泥嘉利翁氏菌和地杆菌数量显著降低，不利于底泥中微生物铁循环。. 项目研究了植物根际效应对受污染水体厌氧性底质理化环境和典型环境微生物的作用以及影响根际效应的因素，深入探讨了水生植物对底质典型污染物的修复作用和机理，为受污染水体的植被重建和生态修复工作提供了理论参考。