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灌溉水资源短缺是干旱半干旱地区农业持续性发展的一个严重障碍。开发各种水资源,特别是污水灌溉越来越受到人们的重视。城市污水经处理达标后用于农田灌溉是污水资源化和污水净化的有效途径。一方面由于土壤的自然净化能力,对污水残留毒物进一步净化、解毒,减轻了污水对环境的危害;另一方面由于污水中的大量营养物质被植物吸收,又促进了农业生产;同时,污水得以重复利用,缓解了我国水资源紧张的问题。但是由于我国的污灌技术还比较落后,相应的政策法规不够健全,特别是在污灌过程中对水质的要求不严格,因而常常会引发一系列问题,其中主要的就是对作物生长发育的不良影响。
作为有用水资源,合成氨企业废水由于其内含有大量营养成分而受到人们的日益关注,但其废水中经常含有氰、酚等剧毒性的有害成分,特别是小型的合成氨企业,其排放的废水中含有氰化物浓度甚至可达几个至十几个mg·L-1,如果直接灌溉到农田中,势必对农作物的生长发育、生理指标、品质等产生影响,也会对生态环境造成潜在的危害,将会影响到整个的农田生态环境。
小麦是我国北方干旱半干旱地区最主要的粮食作物,是污水灌溉的主要对象之一,也是我们田间灌溉实验所使用的农作物。因此,本课题针对含氰废水水中污染物的特点,选用小麦作为代表作物,采用盆栽的方法,研究含氰废水对其生长以及生理生化指标的影响,同时还研究了氰对土壤微生物群落的影响,得出了以下结论:
1.氰对小麦种子萌发和活力随浓度升高而呈现出由促进到抑制的变化规律。低浓度氰(<1.0mg·L-1)处理能够促进小麦种子萌发,提高发芽率,同时也能够提高淀粉酶的活力;而在氰浓度5.0~200mg·L-1之间,发芽率开始下降,氰浓度与小麦种子萌发率之间存在着极显著的负相关关系。并且当氰浓度>100mg·L-1时,幼根的萌发受到极大抑制,淀粉酶活力也降到对照组的30%以下,使幼苗失去长成完整植株的可能。
2.氰对小麦幼苗生长也呈现出低浓度刺激,高浓度抑制的规律。低浓度氰(<1.0mg.L-1)对幼芽与幼根的伸长及其干物质积累有一定的刺激作用;随着浓度的增加毒害作用变得明显,与对照相比根长与芽长均受到不同程度抑制,干物质积累逐渐减少。当氰浓度达到100~200mg·L-1时,芽和根的生长几乎停止,干物质的积累趋于无法计量。同时,对比一定浓度下氰对幼根与幼芽的影响发现,氰对小麦幼苗根生长的抑制作用大于对芽的抑制作用,其中根伸长抑制率对氰最为敏感,对于污染物影响研究是较为理想的生物标志物。
3.不同浓度氰胁迫对代表作物产量的生理指标的影响(地上部干重、根干重、地上部蛋白质含量、根系活力、叶绿素a以及叶绿素a/b)有相似的规律,低浓度(<1.0mg·kg-1土)下有不同程度的促进作用;随着土壤中氰浓度的增加,均呈现出抑制的趋势。根系活力的降低与叶绿素含量的减少对小麦幼苗的吸收能力和光合作用产生不利影响,使得其生物量减少,出现黄叶和倒伏现象,继而影响到整个植株的发育。
4.不同浓度氰胁迫下,低浓度氰使得代表逆境抗性的氧化酶系统(SOD、CAT)活力上升,MDA含量和POD活力下降;而高浓度氰则使SOD和CAT活力下降,MDA含量和POD活力上升。这就说明在高浓度氰胁迫下,植物细胞中抗氧化作用酶系统的受损打破了植物细胞内活性氧产生与清除间的正常平衡状态,积累过量的活性氧,活性氧的积累引起膜脂过氧化程度加重,从而对植物产生毒害。
5.对小麦各项生理指标与土壤氰浓度之间进行相关及回归分析,确定土壤氰浓度与地上部干重相对百分率、根干重百分率、蛋白质含量、根系活力、叶绿素a、叶绿素a/b、MDA含量、SOD、CAT、POD活力之间有相关性。通过比较胁迫效应25%值的临界指标EC25值表明,CAT活性更为敏感,建议CAT活性抑制率为土壤氰的临界值,EC25为45.6mg·kg-1。
6.测定氰对土壤细菌总量和呼吸强度的影响,发现土壤微生物对氰的耐受能力远远高出小麦,中等浓度氰(5~10mg.kg-1土)对微生物产生较为严重的抑制,而高浓度氰(30~100mg.kg-1土)对微生物数量和活力却产生了的强烈刺激作用,耐氰菌成为微生物群落的优势菌种,微生物总量和呼吸强度迅速升高。这一结论说明利用微生物修复氰污染土壤和处理含氰废水是可行的。
此外,本文尝试生物接触氧化法处理含氰废水,从被含氰废水污染的土壤和排水沟底泥分离筛选出4株可耐受氰、并具有高降解氰活性的菌株。在处理系统中加入此特效菌后,序批式工艺曝气处理2h氰降解率可达99%;连续式处理在HRT为2h的情况下氰降解率为77.4%,延长HRT为5h时,氰降解率可达95%以上。