植物吸收污染底泥中重金屬的動(dòng)力學(xué)分析及最優(yōu)調(diào)節(jié)項(xiàng)目摘要

河道底泥中的重金屬污染已成為各國(guó)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題。植物修復(fù)技術(shù)能有效利用植物及其共存的微生物體系吸收底泥中的重金屬，受到廣泛關(guān)注。目前對(duì)植物吸收底泥中重金屬過(guò)程的定量分析較少，因而不能準(zhǔn)確地把握其機(jī)理。如何對(duì)植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)，是研究植物修復(fù)底泥中重金屬污染問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目擬將控制科學(xué)中處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的魯棒控制理論和最優(yōu)控制理論應(yīng)用于植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析及最優(yōu)調(diào)節(jié)中，基于微分方程方法及分段線性化技術(shù)對(duì)植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行建模，從而利用分段線性系統(tǒng)理論對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)?？紤]化學(xué)助劑對(duì)植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，將植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的最優(yōu)調(diào)節(jié)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)智能優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制器，從而得到一種最優(yōu)的調(diào)節(jié)機(jī)制使植物在生長(zhǎng)周期內(nèi)最有效地吸收底泥中的重金屬，為植物修復(fù)重金屬污染問(wèn)題的研究提供新方法。

從植物種植前后和投加雙氧水前后沉積物中重金屬總量和存在形態(tài)的種類(lèi)和數(shù)量的變化、根際環(huán)境對(duì)植物吸收和累積重金屬的影響、根際微生物種群的變化、植物以及植物根際與非根際重金屬累積重金屬的情況對(duì)比、酶活性的變化等幾個(gè)方面對(duì)植物修復(fù)的效果進(jìn)行了分析，首次表明雙氧水可以促進(jìn)植物對(duì)沉積物中鉛、鎘、銅、鋅、錳和鎳等重金屬總量和各種形態(tài)重金屬數(shù)量的吸收累積，還可以改變不同形態(tài)重金屬的種類(lèi)，根際環(huán)境和微生物以及酶活性的變化表明沉積物中的重金屬被有效活化，植物吸收、運(yùn)移重金屬的能力明顯增強(qiáng)。 通過(guò)對(duì)植物的根、莖和葉等各個(gè)部位吸收和累積重金屬的情況看出，植物各個(gè)部位對(duì)重金屬的吸收和累積機(jī)制各不相同，種植時(shí)間的延長(zhǎng)可以使植物中累積的重金屬數(shù)量增加，而修復(fù)效率下降。種植時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)植物中累積重金屬的數(shù)量不同，沉積物中的有機(jī)物種類(lèi)在植物種植前后有較大變化。根際分泌物的增多、沉積物中微生物種群的變化以及酶活性的變化均說(shuō)明植物可有效修復(fù)沉積物中的重金屬，特別是針對(duì)多酚氧化酶活性恢復(fù)較快這一點(diǎn)，本文首次提出將沉積物中多酚氧化酶活性的恢復(fù)作為判斷植物修復(fù)沉積物效果的一個(gè)重要指標(biāo)，從而為植物修復(fù)沉積物的研究工作提供新的參考。 在分析植物吸收和累積沉積物中重金屬機(jī)理的基礎(chǔ)上，以植物吸收累積重金屬的四個(gè)過(guò)程為模型依據(jù)，將植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型表述成非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的形式，并首次結(jié)合Lyapunov穩(wěn)定性理論對(duì)植物吸收和累積重金屬的非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性結(jié)論可表達(dá)成線性矩陣不等式(Linear matrix inequality, LMI)的形式，求解方便。數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明了所選模型的合理性及理論分析方法的有效性，該理論分析方法將為受重金屬污染的河道沉積物的植物修復(fù)技術(shù)提供重要的參考作用。

底泥作為污染物蓄積庫(kù)，是水體二次污染的重要來(lái)源。污染底泥修復(fù)是從根本上改善水環(huán)境的重要途徑。目前，化學(xué)淋洗和生化修復(fù)技術(shù)對(duì)治理底泥有機(jī)污染已有較好的工程應(yīng)用。重金屬是底泥中普遍存在的非生物降解污染物，遷移性和毒性很大程度上決定于賦存的形態(tài)。由于對(duì)底泥修復(fù)過(guò)程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制缺乏系統(tǒng)研究，應(yīng)用化學(xué)淋洗技術(shù)處理重金屬污染時(shí)存在處理過(guò)程復(fù)雜、成本高，難以推廣的問(wèn)題；應(yīng)用生化修復(fù)技術(shù)時(shí)，對(duì)有機(jī)物降解同時(shí)導(dǎo)致的重金屬形態(tài)和釋放特性變化尚沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。從而使污染底泥修復(fù)技術(shù)應(yīng)用受到局限。本項(xiàng)目計(jì)劃通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)研究污染底泥化學(xué)淋洗處理和投加硝酸鈣的生化修復(fù)過(guò)程中淋洗劑/底泥微生物作用對(duì)底泥重金屬分布和形態(tài)的影響；揭示應(yīng)用這兩類(lèi)修復(fù)技術(shù)時(shí)，底泥重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化的機(jī)制；考察經(jīng)過(guò)修復(fù)的底泥重金屬遷移性的變化。為相應(yīng)的污底泥修復(fù)技術(shù)改進(jìn)和修復(fù)效果評(píng)估提供可靠的理論及數(shù)據(jù)參考。

本課題的研究目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)手段，系統(tǒng)研究污染底泥異位淋洗處理和原位生化修復(fù)過(guò)程中，淋洗劑或生化作用對(duì)底泥重金屬分布和形態(tài)的影響及可能引起的后果。課題預(yù)定研究?jī)?nèi)容主要分類(lèi)兩大部分：（1）底泥淋洗處理過(guò)程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制及遷移性研究；（2）底泥生化修復(fù)過(guò)程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制及遷移性研究。本課題所有研究工作已經(jīng)全部完成。 通過(guò)本課題研究發(fā)現(xiàn)重要結(jié)果：（1）化學(xué)淋洗過(guò)程使底泥重金屬形態(tài)分布發(fā)生變化，經(jīng)淋洗處理后底泥重金屬在環(huán)境中遷移性不同程度增加。各類(lèi)淋洗劑淋洗后底泥重金屬遷移性大小為：酸類(lèi)淋洗劑處理后底泥＞螯合劑處理后底泥≈過(guò)氧化氫溶液處理后底泥。（2）底泥在投加硝酸鈣或過(guò)氧化鈣修復(fù)過(guò)程中，底泥重金屬總量沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但重金屬形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。一部分重金屬（Cu、Zn）明顯由較穩(wěn)定形態(tài)向較不穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化，底泥重金屬的生物可利用性和生物可給性有不同程度的提高。（3）底泥原位注射硝酸鈣后，因發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，將在5-10天內(nèi)生成并釋放氮?dú)狻ｋS著氮?dú)鈴牡啄嘞蛏细菜尫?，外加的硝態(tài)氮、自養(yǎng)反硝化中間產(chǎn)物亞硝氮、底泥中原有的氨氮將隨著氮?dú)庖苿?dòng)，被“吹入”上覆水中。在底泥原有氨氮含量較高的情況下，可能會(huì)引起底泥氨氮短期內(nèi)快速釋放。 本研究已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。大部分研究成果已經(jīng)形成科技論文，發(fā)表在SCI收錄的英文學(xué)術(shù)期刊或者國(guó)際會(huì)議。 本課題研究成果的意義在于揭示了這兩種污染底泥處理過(guò)程引起底泥重金屬遷移性增加和底泥無(wú)機(jī)氮向上覆水短時(shí)間內(nèi)快速釋放等后果的可能性及其產(chǎn)生的原因。但是受實(shí)驗(yàn)的尺度和時(shí)間所限，本研究仍未回答這些后果是否會(huì)給河道生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)確實(shí)的不良影響。因此，建議今后的研究依托河道污染底泥修復(fù)工程實(shí)例，對(duì)修復(fù)工程實(shí)施前、實(shí)施中、實(shí)施后河道生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)（如水體中氨氮濃度變化、下游底棲生物體內(nèi)重金屬含量、下游底泥重金屬含量）進(jìn)行較為長(zhǎng)期、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，從而可基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作出較為可靠的判斷。 2100433B

利用超量積累植物治理重金屬污染土壤是國(guó)際上新提出的一條探索途徑。本課題發(fā)遏藍(lán)菜屬植物為材料，研究該植物重屬吸收與土壤重金屬形態(tài)火之間的關(guān)系，根際土壤的重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化、濃度變化和遷移規(guī)律，分離和超量積累植物活化土壤重金屬的根系分泌物，闡明超量積累植物活化大重金屬的機(jī)理，為開(kāi)發(fā)這種植物資源和重金屬污染土壤的治理提供科學(xué)依據(jù)。.