沉水植物根际微界面对砷富集的调控机制及环境效应研究

Submerged macrophytes, at the bottom of the food chain, have considerable potential to accumulate As and to act as phytofiltrators of As-contaminated water. Rhizosphere is the great important interface of plants, soil and microbial. It formed the special oxidation-reduction heterogeneous micro-environment and took dramatic substance cycle such as exchange, degradation, transformation, and the sedimentary substances. To investigate the remediation mechanism and regulation of arsenic-contaminated water by submerged macrophytes, an ecological remediation simulation system “submerged macrophytes - sediment - water” was established. Solution culture and a motorized microprofiling system equipped with microsensors were used to determinate the temporal and spatial variation of DO, pH, Eh in rhizosphere microzone under different condition. By monitoring variation of DO, pH, Eh in rhizosphere microzone to reveal the influence of rhizosphere micro-interface on As accumulation by submerged macrophytes. Rhizobox and quick-freezing were used to collect rhizosphere sediment samples in micrometer scale. By determining the content of arsenic speciation in rhizosphere microzone and analysing of arsenic speciation conversion process, the project clarified the relationship between rhizosphere environment factor and the sediment As cycle, and revealed the submerged macrophytes rhizosphere process for As cycle. These results can provide basic data for scientific and reasonable utilization of submerged macrophytes to control the arsenic pollution and ensure the safety of people and animals.

沉水植物处于食物链的底端且对水环境中的砷有较强的富集作用。沉水植物根际的氧化-还原微界面是调控沉水植物富集元素及沉积物中元素不同形态间迁移转化过程的重要影响因子。本项目以常见的沉水植物为研究对象，建立“沉水植物-沉积物-水体”生态修复模拟平台，通过水培实验及高分辨率微电极技术，分析不同环境条件下沉水植物根际微界面环境中溶解氧（DO）、pH、Eh的时空变化规律，探讨不同物种根际微环境的差异、变化对其富集砷的影响，揭示沉水植物根际微界面对其富集砷的调控机制；利用多隔层三室根箱培养技术及快速冷冻法，在毫米级微域内探讨沉水植物根系生长对沉积物中砷迁移转化的影响，揭示沉水植物根系对沉积物中砷迁移转化的作用机理。这为正确认识和利用沉水植物控制水体砷污染，保障人类和其他动物健康提供了重要的理论依据及实践支撑。

沉水植物能有效的污水中的有机和无机污染物，其在污水净化方面的潜力已经引起了广泛的关注。根际是影响植物富集重金属的主要因素及重金属形态迁移转化最为活跃的区域。研究根际微环境及其变化对沉水植物砷富集的影响，对正确认识和利用沉水植物控制水体砷污染，保障人类和其他动物健康具有重要的意义。我们对几种常见的沉水植物研究结果表明：砷污染区沉积物中砷的主要存在形式为残渣态；水生植物的根际效应对沉积物中砷形态影响显著，即沉积物中的砷在植物的作用下，可从晶形铁铝氧化物结合态、非晶形铁铝氧化物结合态向强交换态、弱交换态砷转变，从而使得沉积物中的砷易被植物所富集，这种影响可能与植物的根际效应改变了土壤沉积物中的氧化还原体系有关；沉水植物对砷的吸收随时间的增加及外源砷浓度的升高而增加，时间和外源砷浓度是影响苦草砷浓度的两个重要因素；不同处理时期苦草中砷浓度与外源砷浓度之间的相关性分析结果表明，苦草中砷浓度与外源砷浓度之间存在很好的相关性；根际微环境的变化是导致沉水植物砷富集变化的重要原因，而硫是植物必须营养元素之一，含硫物质在砷的转运、解毒过程中扮演着重要的角色。施用一定量（<30 mg/L）的硫能显著促进砷在沉水植物中的积累，提高沉水植物对砷的耐受性。因此，利用沉水植物对砷污染的水体进行修复时，可以通过适当调控水体中硫水平来增加沉水植物对水体中砷的吸收，从而提高修复效率；植物对元素的富集不仅与植物种类有关，还与元素性质、外界环境中共存离子的浓度等因素有关。不同沉水植物中As、Cd、Pb、Ca元素之间交互作用结果表明，植物中Cd、As、Pb元素之间相关性较强，但都与Ca负相关，这可能是沉水植物对Cd、As、Pb的吸收转运机制与Ca元素存在较大的差异。沉水植物对重金属元素的吸收主要受外界环境影响，而Ca为植物所必需的大量元素，可以通过多种途径进入植物。因此，在利用沉水植物监测和治理水体重金属污染时，应深入研究沉水植物富集元素之间的交互作用。

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