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铬是一种危害性极大的环境污染物,水体铬污染不仅是亟待解决的环境问题,也是关系到公众健康的社会安全问题。李氏禾是在中国发现的首个湿生铬超富集植物,对Cr(Ⅵ)有很强的耐受和吸收能力,利用李氏禾人工湿地净化低浓度、大面积铬污染水体是一条极具发展前景和经济有效的途径。人工湿地的基质对湿地系统净化重金属起到重要作用,基质的改良对提高湿地系统的Cr(Ⅵ)净化能力具有重要的意义,本实验利用广西支柱产业—甘蔗制糖业产生的大量蔗渣废弃物作为原料制备生物质炭,并用于改良李氏禾人工湿地基质,明确了蔗渣炭改良剂对李氏禾湿地系统净化Cr(VⅥ)的强化作用,也拓宽了蔗渣资源化利用的有效途径。铬的毒性和危害性与其价态密切相关,Cr(Ⅵ)的毒性远远高于Cr(Ⅲ),本实验运用电子顺磁共振(EPR)、X光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段,阐明了铬在湿地系统中的分布和价态转化,探讨了 Cr(Ⅵ)进入湿地系统后的迁移转化机理。同时,也研究了李氏禾凋落物在人工湿地系统循环中的作用,揭示了凋落物对Cr(Ⅵ)的吸附和分解释放规律,为科学管理李氏禾人工湿地提供了依据。微生物是生态系统中的重要组成部分,本实验系统研究了人工湿地系统中微生物群落结构及演替特征,探讨了李氏禾湿地系统净化Cr(Ⅵ)的微生物生态机理。筛选分离了一株根际Cr(Ⅵ)还原菌,明确了其还原Cr(Ⅵ)的最佳环境条件。研究成果可为含铬废水处理和蔗渣资源化提供一条经济有效的途径,也为提高李氏禾湿地系统Cr(Ⅵ)的净化能力,优化人工湿地的设计、运行和管理提供科学依据。主要研究结论如下:(1)在温室条件下,基质中添加质量比5%蔗渣炭的李氏禾人工湿地,对含Cr(Ⅵ)浓度为5.00 mg/L、7.50 mg/L和10.0 mg/L的废水的去除率分别为99.52%、99.48%和98.43%;在冬季气候条件下,去除率分别为99.36%、98.96%和96.40%。表明蔗渣炭混合基质的李氏禾人工湿地能有效去除水中Cr(Ⅵ),并具有较好的季节适应性,能在冬季保持良好的处理效率。(2)在温室条件下,对含Cr(Ⅵ)浓度为5.00 mg/L、7.50 mg/L和10.0 mg/L的废水,添加蔗渣炭改良剂的李氏禾人工湿地比单一沙壤土基质的李氏禾人工湿地的去除率分别高9.38%、11.51%和13.78%;在冬季气候条件下,去除率分别高8.88%、11.45%和15.39%。这表明蔗渣炭混合基质能够有效提升李氏禾人工湿地的Cr(Ⅵ)净化能力,主要原因是生物质炭对湿地基质具有明显的改良效果,显著地提高了基质中有机质含量和细菌、真菌和放线菌等微生物数量,从而增加基质对Cr(Ⅵ)吸附和还原性能。(3)进入蔗渣炭混合基质李氏禾湿地系统中的铬有92.18%被截留在基质中,基质中的Cr(Ⅲ)占到了 93.90%,而Cr(Ⅵ)仅占6.10%,表明基质在湿地系统去除Cr(Ⅵ)过程中能有效地将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)。FTIR分析结果显示,基质表面的羧基与Cr(Ⅲ)发生了配位作用,羟基、氨基、C=O、C-O、C-H等基团参与了铬的吸附,表明有机质作为电子供体参与了基质对Cr(Ⅵ)的还原。进入湿地系统中的铬仅有6.67%被李氏禾吸收,李氏禾植株中Cr(Ⅵ)占15.00%,Cr(Ⅲ)占85.00%,表明李氏禾在湿地系统去除Cr(Ⅵ)过程中能有效地将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)。(4)凋落物对Cr(Ⅵ)的吸附过程符合准一级动力学方程,等温吸附过程符合Freundlich吸附模型,吸附Cr(Ⅵ)的过程中伴随着氧化还原反应的发生,有Cr(Ⅲ)生成。凋落物在初始阶段快速分解,随后分解速率有所下降,分解70 d,失重率达到63.68%,之后分解速率缓慢。对凋落物的分解会造成铬的重新释放,分解70 d后,仅有11.95%的铬被释放到溶液中,大部分的铬被残余凋落物或微生物所吸附。因此,凋落物的分解对出水水质的影响有限。(5)含湿地基质活菌的土样在12h内对Cr(Ⅵ)的还原率为76.52±2.34%,分别比高温灭菌土样和氯仿灭菌土样高2.36倍和3.18倍,活菌基质的土样对水中Cr(Ⅵ)的去除能力显著高于灭菌的对照组,表明基质微生物在去除Cr(Ⅵ)过程中发挥了重要作用。对蔗渣炭混合基质湿地,有李氏禾铬污染湿地、无李氏禾铬污染湿地中微生物的群落结构与有李氏禾清洁湿地的基质相比,微生物多样性减少,优势群落发生了明显的变化。Cr(Ⅵ)污染基质中的优势群落种类,部分为新物种群落,部分为对照土壤中的非优势菌群。(6)从李氏禾根际附近基质中筛选分离得到一株对Cr(Ⅵ)具有还原特性的菌株,经生理和分子生物学鉴定为:蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)。培养温度为35℃时,Bacillus cereus在Cr(Ⅵ)初始浓度为60mg/L、pH=7、接种量为10%的条件下,对铬的还原率最高。在此条件下,该菌能在48 h内,对初始浓度为60 mg/L的含Cr(Ⅵ)溶液,Cr(Ⅵ)还原率达到100%。