植物吸收污染底泥中重金属的动力学分析及最优调节

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。

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。